當(dāng)我們談?wù)?a href="http://www.qldv.cn/v/" target="_blank">視頻技術(shù)時(shí)，超高清視頻（Ultra High Definition，簡稱UHD）無疑是當(dāng)今最令人興奮的領(lǐng)域之一。上期，我們介紹了一下高動態(tài)范圍（HDR）當(dāng)下復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)狀況，以及這些標(biāo)準(zhǔn)之間的差異性。本期專門談一談HDR發(fā)展面臨適配性、流程復(fù)雜、兩極化三大問題。

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全圖說電視的發(fā)展歷史

全圖說視頻編解碼的發(fā)展歷史

由淺入深說高清——聊聊高動態(tài)范圍（HDR）

由淺入深說高清——HDR的標(biāo)準(zhǔn)之爭

上篇我們介紹了HDR有并存的多種格式標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)之間的兼容性較差，不能覆蓋主流終端的適配、認(rèn)證以及測試過程，導(dǎo)致終端呈現(xiàn)效果差異明顯，用戶難以獲得一致的視覺體驗(yàn)，這給產(chǎn)業(yè)生態(tài)帶來了挑戰(zhàn)和難題。當(dāng)內(nèi)容創(chuàng)建者以一種格式創(chuàng)建 HDR 內(nèi)容但與特定設(shè)備不兼容時(shí)，就會出現(xiàn)兼容性問題。例如，如果用戶有一臺支持HDR Vivid的高清電視，但 HDR 內(nèi)容是 HDR10 格式，電視將無法以最佳質(zhì)量顯示內(nèi)容。同樣，如果用戶擁有 HDR10 電視，但內(nèi)容是HDR Vivid格式，電視將無法以最佳質(zhì)量顯示內(nèi)容。兼容性問題的處理策略

為了解決兼容性問題，有幾個(gè)處理策略：

1. 轉(zhuǎn)換內(nèi)容：一種選擇是將內(nèi)容轉(zhuǎn)換為兼容格式。有多種軟件程序可以將 HDR 內(nèi)容從一種格式轉(zhuǎn)換為另一種格式。但是，這可能會導(dǎo)致質(zhì)量下降，尤其是在從更高級的格式轉(zhuǎn)換為不太高級的格式時(shí)。 2. 使用兼容設(shè)備：另一種選擇是使用支持多種 HDR 格式的設(shè)備。例如，一些電視同時(shí)支持 HDR10 和 HDR Vivid 格式，允許用戶播放任一格式的內(nèi)容。這消除了轉(zhuǎn)換內(nèi)容的需要，并確保內(nèi)容以最佳質(zhì)量顯示。 3. 選擇通用格式：選擇像HLG這樣的通用格式也有助于處理兼容性問題。HLG 兼容 HDR 和非 HDR 設(shè)備，因此內(nèi)容創(chuàng)作者可以創(chuàng)建這種格式的內(nèi)容并確保它可以在任何設(shè)備上播放。 4. 認(rèn)證測試：認(rèn)證和測試對于確保設(shè)備與 HDR 標(biāo)準(zhǔn)兼容至關(guān)重要。制造商的目標(biāo)應(yīng)該是讓他們的設(shè)備獲得UWD、 UHD 聯(lián)盟等組織的認(rèn)證，聯(lián)盟為 HDR 內(nèi)容和設(shè)備制定了兼容性標(biāo)準(zhǔn)。此外，制造商應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的測試，以確保其設(shè)備兼容多種 HDR 格式，并能夠以最佳質(zhì)量顯示 HDR 內(nèi)容。

視頻全生命周期HDR兼容性考慮但以上還只是泛泛談了一下HDR兼容性問題的應(yīng)對策略，一個(gè)視頻全生命周期，將經(jīng)歷：拍攝、編輯、色彩分級、母版制作、傳播/傳輸、終端播放多個(gè)過程，每個(gè)過程都少不了處理HDR兼容性問題。所以如果任何一種HDR格式，要真正普及，就一定是端到端的解決方案。
HDR拍攝制作的工作流程示例

1. 視頻捕捉（Video Capture）：HDR 制作的視頻捕捉階段涉及使用能夠捕捉比標(biāo)準(zhǔn)攝像機(jī)更廣泛的亮度級別和顏色的攝像機(jī)來捕捉素材。這可以包括具有高動態(tài)范圍傳感器的相機(jī)，它可以捕捉圖像高光和陰影中的更多細(xì)節(jié)，以及具有寬色域的相機(jī)，它可以捕捉更廣泛的顏色。一些相機(jī)還支持更高的幀速率，這對于創(chuàng)建流暢的慢動作鏡頭很有用。使用曝光范圍有限（稱為低動態(tài)范圍 (LDR)）的非 HDR 相機(jī)拍攝的圖像可能會導(dǎo)致高光或陰影中的細(xì)節(jié)丟失。盡管配備自動多重曝光的相機(jī)可以改善這一過程。現(xiàn)代CMOS 圖像傳感器具有改進(jìn)的動態(tài)范圍，通常可以在單次曝光中捕獲更廣泛的色調(diào)，從而減少執(zhí)行多次曝光 HDR 的需要。一些智能手機(jī)為其相機(jī)提供 HDR 模式，大多數(shù)移動平臺都有提供多重曝光 HDR 拍照的應(yīng)用程序。現(xiàn)代手機(jī)和相機(jī)上的一些傳感器甚至可以在芯片上組合兩個(gè)圖像，這樣用戶就可以直接獲得更寬的動態(tài)范圍，而無需進(jìn)行像素內(nèi)壓縮，以進(jìn)行顯示或處理。2020 年，高通發(fā)布了驍龍 888，這是一款移動SoC，能夠進(jìn)行 4K 計(jì)算式多重曝光 HDR 視頻捕捉，并以與HDR 顯示器兼容的格式進(jìn)行錄制。2021 年，小米 11 至尊紀(jì)念版智能手機(jī)能夠?yàn)橐曨l拍攝進(jìn)行計(jì)算性多重曝光 HDR。

   

Sony PXW-Z280 4K HDR 3-CMOS 1/2" Sensor XDCAM Camcorder with 12G-SDI2.視頻編輯（Video Editing）：拍攝素材后，需要對其進(jìn)行編輯以創(chuàng)建最終視頻。視頻編輯包括剪切和修整素材、按所需順序排列剪輯以及添加轉(zhuǎn)場、標(biāo)題和其他效果。在剪輯過程中，可以調(diào)整視頻的顏色和亮度級別，但最終的調(diào)色通常是在專用的調(diào)色工具中完成的。處理 HDR 內(nèi)容時(shí)，需要在廣色域色彩空間（例如 Rec. 2020 或 P3）完成，以確保保留相機(jī)拍攝的所有顏色。這有助于防止在使用較窄的色彩空間時(shí)可能出現(xiàn)的色帶和其他問題。必須使用經(jīng)過校準(zhǔn)的 HDR 監(jiān)視器來準(zhǔn)確查看和調(diào)整 HDR 內(nèi)容。這可以包括能夠顯示高亮度范圍（例如 1000 尼特或更高）的監(jiān)視器，以準(zhǔn)確地表示鏡頭中的亮度級別。

3.顏色分級（Color Grading）：顏色分級是調(diào)整素材的顏色和亮度級別以獲得所需外觀的過程。這可能涉及調(diào)整鏡頭的曝光、對比度、飽和度和色調(diào)，以及應(yīng)用濾色器和其他效果。對于 HDR 內(nèi)容，顏色分級尤為重要，因?yàn)楦鼜V泛的亮度級別和顏色范圍會使獲得一致的外觀更具挑戰(zhàn)性。在顏色分級過程中，重要的是使用色調(diào)映射工具來調(diào)整素材的亮度級別，以確保它在不同的 HDR 顯示器上呈現(xiàn)最佳效果。色調(diào)映射有助于確保 HDR 內(nèi)容在具有不同峰值亮度水平（例如 1000 尼特、4000 尼特或 10000 尼特）的顯示器上正確顯示。

4.母版制作（Mastering）：顏色分級完成后，需要對素材進(jìn)行母版處理，以便以各種 HDR 格式交付。母版處理涉及以所需格式創(chuàng)建視頻的最終版本，其中可能包括調(diào)整亮度和顏色級別以匹配目標(biāo)顯示器。在母版制作過程中，確保視頻與目標(biāo)格式兼容并且在 HDR 顯示器上呈現(xiàn)最佳效果非常重要。HDR 元數(shù)據(jù)用于向 HDR 顯示器提供有關(guān)內(nèi)容的顏色和亮度級別的信息。確保 HDR 元數(shù)據(jù)在母版制作過程中正確編碼到內(nèi)容中非常重要，因?yàn)檫@會影響內(nèi)容在不同 HDR 顯示器上的顯示方式。

5. 編解碼存儲和傳輸（Codec）：不同的視頻編解碼器以不同的方式支持 HDR，有些編解碼器比其他編解碼器更適合處理 HDR 內(nèi)容。高效視頻編碼 (HEVC) 編解碼器，也稱為 H.265，是比 H.264 更先進(jìn)的編解碼器，支持比以前的編解碼器更廣泛的位深度和色彩空間，具有更高的壓縮效率，這使其非常適合處理 HDR 內(nèi)容。HEVC 還包括對 HDR 元數(shù)據(jù)的支持，這使得視頻可以在 HDR 顯示器上正確顯示。H.266，也稱為通用視頻編碼 (VVC)，是一種較新的視頻編解碼器，提供比 HEVC 更高效的壓縮。它還支持更廣泛的位深度和色彩空間，這使其非常適合處理 HDR 內(nèi)容。與 HEVC 一樣，H.266 包括對 HDR 元數(shù)據(jù)的支持。但是，特定編解碼器對 HDR 的支持也取決于用于播放內(nèi)容的軟件和硬件。后面我們會單獨(dú)再展開談一下視頻編解碼的故事。

6. 終端播放（Terminal Display）：硬件終端的HDR的能力是關(guān)鍵，當(dāng)然，播放軟件也很重要，任何一個(gè)環(huán)節(jié)處理不當(dāng)，都會讓HDR的效果大打折扣。為了獲得最佳的 HDR 體驗(yàn)，使用專為處理 HDR 內(nèi)容而設(shè)計(jì)的顯示器非常重要。這些顯示器通常被標(biāo)記為“支持 HDR”，并且峰值亮度水平至少為 1000 尼特。使用具有準(zhǔn)確色彩表現(xiàn)的顯示器也很重要，尤其是當(dāng)您在專業(yè)環(huán)境中處理 HDR 內(nèi)容時(shí)。覆蓋寬色域的顯示器，例如 P3 或 Rec.2020 ，將能夠顯示比色域更窄的顯示器更多的顏色。為確保 HDR 內(nèi)容在特定設(shè)備上正確顯示，設(shè)備支持內(nèi)容使用的 HDR 元數(shù)據(jù)非常重要。此元數(shù)據(jù)提供有關(guān)內(nèi)容的顏色和亮度級別的信息，并允許設(shè)備相應(yīng)地調(diào)整其顯示設(shè)置。最后，正確校準(zhǔn)顯示器以確保它以正確的亮度級別顯示 HDR 內(nèi)容非常重要。這可能涉及調(diào)整背光級別、對比度和亮度等設(shè)置以獲得最佳圖像。顯示器還需要配備HLG和PQ伽馬曲線，用于支持HDR視頻。HDR Vivid的端到端處理方案

接下來，我們針對HDR Vivid來談一下如何做到完善的端到端標(biāo)準(zhǔn)。

HDR Vivid端到端解決方案工作流程圖

為了保證最優(yōu)的顯示效果，準(zhǔn)確地把握每一個(gè)環(huán)節(jié)的要點(diǎn)與要求，HDR Vivid 構(gòu)筑了端到端解決方案。首先，源端輸入為PQ/HLG 格式的HDR 視頻；前處理模塊可以基于HDR 視頻進(jìn)行分析，生成靜態(tài)元數(shù)據(jù)與動態(tài)元數(shù)據(jù)；編碼傳輸模塊可以將HDR 視頻與元數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼封裝，輸出HDR Vivid 碼流；解碼模塊可以對碼流進(jìn)行解碼分析，得到HDR解碼視頻與元數(shù)據(jù)；HDR 和SDR 顯示模塊會結(jié)合元數(shù)據(jù)與目標(biāo)顯示終端參數(shù)，對HDR視頻進(jìn)行相應(yīng)的顯示適配處理，并在顯示終端上正確顯示。下面將分別介紹HDR Vivid內(nèi)容制作端與終端處理方案。

1. 內(nèi)容制作端方案

1.1 后期制作方案：HDR Vivid 精品內(nèi)容需要通過后期制作來實(shí)現(xiàn)。目前HDR Vivid 技術(shù)已經(jīng)集成于多種后期制作工具中，專業(yè)制作者可以在原有熟悉的生產(chǎn)環(huán)境下，結(jié)合自身對藝術(shù)的感知與表達(dá)，通過調(diào)整HDR Vivid 動態(tài)元數(shù)據(jù)，傳遞出獨(dú)有的HDR Vivid 內(nèi)容風(fēng)格。HDR Vivid 技術(shù)的制作工具是在已有制作端增加少許改動實(shí)現(xiàn)的。在制作端不修改已有的PQ（ST2084）和HLG HDR 制作流程，只增加了動態(tài)元數(shù)據(jù)產(chǎn)生環(huán)節(jié)，提供了自動化動態(tài)元數(shù)據(jù)生成工具和實(shí)現(xiàn)個(gè)性化創(chuàng)作意圖的手動調(diào)節(jié)工具，采用符合調(diào)色習(xí)慣的圖形界面。

1.2 直播方案：目前HDR Vivid 已經(jīng)支持在直播端的內(nèi)容生成方案，具體形式為直播編碼器對原始HDR 碼流（PQ/HLG 格式）進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與動態(tài)元數(shù)據(jù)提取，再將元數(shù)據(jù)按照HDR Vivid封裝標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行封裝，形成HDR Vivid 碼流后進(jìn)行后續(xù)分發(fā)與傳輸。

1.3. 云端轉(zhuǎn)碼方案：云端智能處理場景是利用云端算力，對HDR Vivid 視頻進(jìn)行轉(zhuǎn)碼處理，以及自動化生成HDR Vivid 的重要手段。目前云端已具備帶有將HDR Vivid 元數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和透傳的能力。云端轉(zhuǎn)碼的處理流程包括對輸入文件格式的解析、解碼、處理、編碼、輸出文件格式生成等步驟。

端到端的自動化云端HDR 媒資生產(chǎn)過程主要有：

（1）HDR Vivid 元數(shù)據(jù)修改后直接透傳。先將元數(shù)據(jù)解析成文本格式（如XML 或者JSON 格式），進(jìn)一步修改后，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)嵌入到媒體流中。通過元數(shù)據(jù)的直接透傳，可將原視頻的元數(shù)據(jù)信息直接寫入轉(zhuǎn)碼后的視頻，保證原始作者的創(chuàng)作意圖。

（2）非HDR Vivid 視頻轉(zhuǎn)換后修改再透傳。如果輸入的原始視頻是不帶有HDR Vivid元數(shù)據(jù)的HDR 視頻，那么可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)自動生成元數(shù)據(jù)并嵌入視頻流。

（3）對于輸入源視頻為SDR 視頻的情況，可先將SDR 視頻轉(zhuǎn)換為HDR 視頻，轉(zhuǎn)換方式可采用傳統(tǒng)逆色調(diào)映射（Inverse Tone Mapping）或者基于AI 技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后對原始畫質(zhì)進(jìn)行提升重建，然后進(jìn)行元數(shù)據(jù)的自動化生成和寫入。

2. 終端處理方案

接收端播放設(shè)備在接收到HDR Vivid 碼流后，需要先進(jìn)行視頻解碼，分析出其中的動態(tài)元數(shù)據(jù)并基于此進(jìn)行HDR 渲染，最終呈現(xiàn)出高質(zhì)量的畫面內(nèi)容。這里的HDR Vivid 碼流可以是經(jīng)過后期制作的精品內(nèi)容，也可以是直播場景中的實(shí)時(shí)碼流等。一般可以將解碼方式分為兩種：硬件解碼和軟件解碼，具體實(shí)現(xiàn)方式下面分別說明，解碼播放的基本流程如下圖所示：

2.1 硬件解碼播放

硬件解碼播放是指終端顯示設(shè)備利用自身具備的硬件解碼能力，從HDR Vivid 碼流中解析出動態(tài)元數(shù)據(jù)并根據(jù)元數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)映射及色彩校正，最終在設(shè)備上正確顯示的過程。目前，支持硬件解碼播放HDR Vivid 的設(shè)備日趨多元化，包括且不限于相應(yīng)品牌電視、手機(jī)、平板電腦等。即使是尚不具備硬件解碼能力的顯示設(shè)備，也可能通過支持軟件解碼播放的APP、播放器等，觀看到HDR Vivid內(nèi)容。若以上解碼能力皆不具備，終端顯示設(shè)備會將元數(shù)據(jù)丟棄，按原始碼流格式正常播放（HDR10/HLG），這也體現(xiàn)了HDR Vivid 良好的后向兼容性。

2.2 軟件解碼播放

軟件解碼播放是指依靠軟件解碼能力將動態(tài)元數(shù)據(jù)從HDR Vivid 碼流中解析出來，并基于此在終端設(shè)備上進(jìn)行動態(tài)映射及色彩校正并正確顯示的過程。目前，應(yīng)用的具體形式包括且不限于智能手機(jī)、平板電腦、智能電視上的APP 以及PC 上的視頻播放器等。由于該方案不受硬件設(shè)備支持的限制，一定程度上對大范圍地推廣優(yōu)質(zhì)HDR Vivid 內(nèi)容有著積極的影響，有利于促進(jìn)HDR Vivid 產(chǎn)業(yè)鏈的形成與發(fā)展，也可以看作對硬件解碼播放場景一個(gè)較好的補(bǔ)充。

HDR Vivid采用動態(tài)元數(shù)據(jù)映射方案，可以根據(jù)不同場景的特點(diǎn)，結(jié)合終端的最大顯示能力，生成不同的映射曲線，更好地還原創(chuàng)作者的原始意圖。在一般的映射方案中，往往比較容易出現(xiàn)高光區(qū)域細(xì)節(jié)丟失的情況，也稱為過曝現(xiàn)象。HDR Vivid 采用動態(tài)元數(shù)據(jù)，基于對場景的分析，構(gòu)建映射曲線，高亮部分得以有層次地保留；同時(shí)將終端顯示設(shè)備的能力納入考量，原始場景會得到最大程度的視覺還原。

若僅僅考慮源中的高亮區(qū)域，為了使其正常顯示而將整條映射曲線壓得過低（類似S型曲線），最終顯示設(shè)備上的暗部細(xì)節(jié)將會丟失。HDR Vivid 通過pheonix 分段映射曲線的設(shè)計(jì)，針對較暗區(qū)域可實(shí)現(xiàn)不對其亮度進(jìn)行壓縮（采用直線映射），保留了原有的細(xì)節(jié)。

當(dāng)亮度發(fā)生變化時(shí)，顏色色相往往會發(fā)生偏移失真，HDR Vivid 方案在利用映射曲線進(jìn)行亮度映射后，還會針對色相進(jìn)行校正與補(bǔ)償，使其更加接近片源的原始風(fēng)格。 除了上述談到的兼容性問題和流程復(fù)雜的問題之外，HDR還面臨另外一個(gè)挑戰(zhàn)，就是HDR存在兩極化的問題。HDR Vivid的標(biāo)準(zhǔn)推出，對于中國4K/8K HDR播出標(biāo)準(zhǔn)和制作規(guī)范的統(tǒng)一有推動作用，但目前整體視頻行業(yè)還是高清以及4K SDR內(nèi)容，更易于制作普及。而除了4K HDR和HD SDR同播和直播流程，可以采用固定的轉(zhuǎn)換參數(shù)來適配外，追求高品質(zhì)的HDR及下轉(zhuǎn)SDR效果，需要經(jīng)過后期的分別調(diào)色來保證在HDR和SDR屏幕上最佳呈現(xiàn)，但這樣也會增加制作的負(fù)擔(dān)，效率影像以及可能由于多次轉(zhuǎn)換帶來的風(fēng)險(xiǎn)。另外，由于各電視廠家的不同規(guī)格產(chǎn)品存在現(xiàn)實(shí)效果（或者優(yōu)化效果）不一致，也會影響高質(zhì)量HDR內(nèi)容最終的呈現(xiàn)效果。 盡管存在上述的種種挑戰(zhàn)，我們也必須樂觀地看到一些好的趨勢和變化：手機(jī)HDR拍攝降低了UGC HDR的門檻，HDR向移動端加速滲透。UGC、OTT平臺的HDR內(nèi)容增長提升了大眾對HDR的認(rèn)知。以騰訊、愛奇藝、優(yōu)酷、咪咕等為達(dá)標(biāo)的OTT平臺和以抖音、快速、微博、B站等為代表的UGC平臺在近2年均開始布局HDR技術(shù)。百城千屏，醫(yī)療，工業(yè)等產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將引入HDR，加速推動HDR的產(chǎn)業(yè)普及。預(yù)計(jì)2023到2025年，HDR將處于加速發(fā)展階段。熱播電視劇以及北京冬奧會、世界杯等大型賽事大大拉動大眾對HLR技術(shù)對認(rèn)知。

相信，隨著 HDR 技術(shù)的不斷發(fā)展，制造商和內(nèi)容創(chuàng)作者一定能夠?qū)崿F(xiàn)不同 HDR 格式之間的標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性。這最終將使消費(fèi)者受益，因?yàn)樗麄儗⒛軌蛟谌魏卧O(shè)備上享受 HDR 內(nèi)容，而不必?fù)?dān)心兼容性和流程性問題。

今天，我們就先聊到這里，下一期，我們再展開談一下超高清視頻的編解碼技術(shù)。

————未完待續(xù)————