HDR视频相关标准-HDR vivid（二）

上文介绍了HDRvivid的一些技术。今天从全局角度来看看HDR视频的处理流程，HDR视频系统，即建立一个比SDR视频更大的色彩/亮度坐标体系，并改变系统的传输函数，以再现更大的色域(WCG)和更高的亮度动态范围。

菁彩 HDR技术的专业术语

ITU 定义了两种 HDR 播出格式：
■ PQ（Perceptual Quantization定义了EOTF，显示亮度绝对值
■HLG（Hybrid-Log Gamma定义了OETF，显示亮度相对值
视频处理相关：
■OETF（ Opto-Electrical Transfer Function，光电转换特性） 摄像机中，被摄景物光亮度转换为电信号的特性
■EOTF（ Electro-Optical Transfer Function ，电光转换特性）监视器（电视机）中，电信号转换为显示光亮度的特性
■OOTF（ Opto-Optical Transfer Function，光光转换特性），艺术加工或调整，经过OETF/EOTF 抵消后遗留的特性；从摄像机到监视器（电视机）的拍摄/显示系统总特性。

菁彩 HDR技术优势

菁彩 HDR 主要有 5 大优势：
1）兼容性强。不具备菁彩 HDR 支持能力的存量显示设备（如手机，PAD，电视等）接收到菁彩 HDR 信号后，可直接将元数据丢弃，按 HDR10 格式进行显示。
2）一致性强。菁彩 HDR 采用动态元数据方案，根据不同显示终端的显示能力，分别生成适配不同亮度的映射曲线，使得同一画面在不同终端上的显示效果基本保持一致，最大化还原创作者意图。
3）灵活性高。除了支持自动化的动态元数据提取方案之外，菁彩 HDR 技术还支持根据创作意图，个性化地对元数据进行手动调整，形成属于自己的专属风格。
4）应用场景适应性好。菁彩 HDR 支持多种场景的应用需求，如网络视听、节目制播、短视频、游戏、教育、医疗等，且同时支持 PQ 和 HLG 格式。
5）开放性高。菁彩 HDR 是一个完全开放的标准，从标准代码到实施规范等全部资源均可通过指定渠道免费获取。

菁彩 HDR应用优势

菁彩 HDR 坚持技术标准与实际产业应用紧密结合的理念，坚持“高质量 HDR 呈现定义、完善的端到端标准、高效的制播工具以及产业应用友好”四大价值主张，促进技术标准方便、快捷地应用到产业，带来实际商业价值。
1）高质量 HDR 呈现定义
菁彩 HDR 技术标准公开、完整地阐述了菁彩 HDR 定义，从源头上确保高质量。

2）完善的端到端标准
菁彩 HDR 标准体系已经完成端到端技术规范、应用集成规范、认证测试规范等，并持续进行标准演进，以实现快速、可持续、高质量的发展。
3）高效的制播工具
菁彩 HDR 技术提供高效制作工具，制作端不修改已有的 PQ（ST2084）和HLG HDR 制作流程，只增加动态元数据产生环节，提供自动化动态元数据生成工具和实现个性化创作意图的手动调节工具，采用符合调色习惯的图形界面。
4）友好的产业应用
作为中国主导的 HDR 标准，菁彩 HDR 拥有开放、安全、知识产权政策友好等应用优势。

端到端解决方案

为保证最优显示效果，准确把握每一个环节要点与要求，菁彩 HDR 构筑了端到端解决方案:
(1)源端输入为 PQ/HLG 格式的 HDR 视频；
(2)前处理模块可以基于HDR 视频进行分析，生成静态元数据与动态元数据；
(3)编码传输模块可以将 HDR 视频与元数据进行编码封装，输出菁彩 HDR 码流；
(4)解码模块可以对码流进行解码分析，得到 HDR解码视频与元数据；
(5)HDR 和 SDR 显示模块会结合元数据与目标显示终端参数，对 HDR视频进行相应的显示适配处理，并在显示终端上正确显示。

基于HEVC的端到端处理流程：

以最简单的Y’CbCr 4:2:0的HDR10(正式名称为HDR10 Media Profile)为例，它的内容包括：

基于HEVC的端到端处理流程如下图所示:

首先进行OETF电光转换处理，HDR10使用的OETF是PQ曲线，它定义在ST2084:2014-SMPTE中。OETF处理，本质上是模拟电压/电平(量化比特)资源的分配方案，模拟电平和量化值的关系如下：

在HDR的技术标准ITU-R.BT2100中，建议了2种不同的传输函数，其中PQ定义了EOTF，显示亮度的绝对值，OETF = OOTF + Inverse EOTF，一个使用PQ的HDR系统模型如下图所示：

HLG定义了OETF，显示亮度的相对值，且EOTF = Inverse OETF + OOTF，一个使用HLG的HDR系统模型如下图所示：

实际上，OETF，EOTF，OOTF这三者之间是互相关联的，比如OETF和EOTF互为逆变换，而OETF+EOTF处理=OOTF，只要知道任意两个，就可以提出第三个。

一般OETF存在于摄像机中，用于将自然/景物光亮度转换为电信号，而EOTF存在于显示器(电视机)中，用于将电信号转换为显示光亮度，OOTF则是处于艺术加工或画面调整环节，是从摄像机到显示器的拍摄/显示系统总特性。如下图所示：

从OETF和EOTF曲线上来看，它们的关系如下所示：

理论上所有对数伽玛OETF/EOTF都可以用于HDR视频的制作/播放中，但目前行业里被广泛接受的两种OETF/EOTF是PQ(ST2084)和HLG(ARIB STD B67)，HDR10所用的PQ(ST2084)具体公式如下：

采集/编辑端对HDR视频的处理
HDR的端到端系统处理步骤包括：
（1）浮点类型线性光RGB经过OETF的处理以后，得到10bit的非线性R’G’B’ 4:4:4；
（2）使用BT.2020标准里面的矩阵系数，将R’G’B’转成10bit的Y’CbCr 4:4:4，具体转换公式如下：

（3）10bit的Y’CbCr 4:4:4进行浮点转定点(量化)处理；
（4）色度分量降采样，获取10bit的Y’CbCr 4:2:0；
注意：浮点定点化以及色度降采样这一步目前没有标准去规定具体的公式，有一些灵活性。比如色度降采样常用算法有：FAST, MEAN, BRIGHT, BRIGHT MEAN和FILTER等。
（5）10bitY’CbCr 4:2:0送到HEVC编码器进行压缩编码。
注意 ：在编码的时候设置profile为main10，并将色域和传输函数等信息写到VUI对应的语法元素中（HEVC编码HRD视频的VUI语法），最终得到HDR视频的HEVC码流。

端到端系统中的解码端处理流程，则是以上采集/编辑过程的反处理，最后将得到含有失真的浮点类型的HDR线性光像素RGB，如果此时显示器刚好支持HDR视频特性(高动态，宽色域，宽位深)，那么就可以考虑直接显示画面内容，否则可能需要HDR到SDR的tone mapping处理。
参考文献：https://www.csmpte.com/download/CHAL1396264998772200/20161024/2016102407052574568.pdf
Norkin A.Fast algorithm for HDR video pre-processing[C]//Picture Coding Symposium. IEEE, 2016.
SMPTE ST 2084: “High Dynamic Range Electro-Optical Transfer
Function of Mastering Reference Displays”