河套IT TALK 63：（原創(chuàng)）由淺入深說(shuō)高清——HDR的標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)

當(dāng)我們談?wù)?a href="http://www.wenjunhu.com/v/" target="_blank">視頻技術(shù)時(shí)，超高清視頻（Ultra High Definition，簡(jiǎn)稱(chēng)UHD）無(wú)疑是當(dāng)今最令人興奮的領(lǐng)域之一。上期，我們簡(jiǎn)單介紹了一下高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）的一些技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)，以及HDR和SDR的區(qū)別。本期，我們將談一下當(dāng)下HDR復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)狀況，以及這些標(biāo)準(zhǔn)之間的差異性。

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全圖說(shuō)視頻編解碼的發(fā)展歷史

由淺入深說(shuō)高清——聊聊高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）

杜比視界 (Dolby Vision) 是杜比實(shí)驗(yàn)室在2014 年為高動(dòng)態(tài)范圍(HDR) 視頻推出的一組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它涵蓋內(nèi)容創(chuàng)建、分發(fā)和播放。因?yàn)橥瞥鰰r(shí)間最早，使其成為第一個(gè)可用的HDR 格式。

杜比視界支持的最大分辨率為 8K，色深高達(dá) 12 位，最大峰值亮度為 10,000 尼特。由于在 SDR 影院中使用 2.6 伽瑪和 48 尼特，杜比影院中使用的 108 尼特已經(jīng)是 HDR。然而，根據(jù)杜比視界白皮書(shū)，截至 2018 年，杜比視界 HDR 參考監(jiān)視器等專(zhuān)業(yè)參考監(jiān)視器目前的峰值亮度限制為 4,000 尼特。黑電平：最高0.005尼特。對(duì)比度：至少 200,000:1。

杜比視界的傳遞函數(shù)（亮度曲線），采用感知量化器（PQ）。色域色彩空間使用ITU-R Rec. BT.2020 in YC B C R或IPTPQc2。

和HDR10不同，它支持動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)，內(nèi)容創(chuàng)建者可以根據(jù)其意圖調(diào)整和優(yōu)化 HDR 視頻的每一幀的亮度、顏色和清晰度，以匹配顯示色量（即最大和最小亮度能力和色域），以適應(yīng)消費(fèi)者顯示器的能力。它可以使用靜態(tài)元數(shù)據(jù) (SMPTE ST 2086) 對(duì)母版顯示色度信息進(jìn)行編碼，還可以為每個(gè)場(chǎng)景或幀提供動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)（SMPTE ST 2094-10，杜比格式）。這種動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)或動(dòng)態(tài) HDR 允許根據(jù)需要逐個(gè)場(chǎng)景甚至逐幀調(diào)整亮度和對(duì)比度（實(shí)際上是色調(diào)曲線），并在視頻/電影期間多次調(diào)整。

感知量化器( PQ ) 是由杜比開(kāi)發(fā)的亮度曲線，通過(guò)替換SDR中使用的伽瑪曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)HDR顯示。PQ于2014 年由電影電視工程師協(xié)會(huì)（SMPTE）標(biāo)準(zhǔn)化，發(fā)布為SMPTE ST 2084。ITU在2016年的ITU-R Rec. 2100（簡(jiǎn)稱(chēng)：BT.2100）中也包含了PQ。

PQ是HDR 視頻格式（杜比視界、HDR10和HDR10+）的基礎(chǔ)，也用于HDR靜態(tài)圖片格式。PQ不向后兼容BT.1886 EOTF（即SDR的伽馬曲線），而HLG（編者注：混合對(duì)數(shù)伽瑪，后面會(huì)詳細(xì)講）是兼容的。

PQ 是一種基于人類(lèi)視覺(jué)對(duì)條帶感知的非線性傳遞函數(shù)，能夠在 12 位中產(chǎn)生無(wú)可見(jiàn)條帶。擴(kuò)展到 10000 cd/m 2的冪函數(shù)（在標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)用中用作 EOTF）將需要 15 位。

HDR10是美國(guó)消費(fèi)者技術(shù)協(xié)會(huì)（CTA）于 2015 年 8 月 27 日宣布的開(kāi)放式高動(dòng)態(tài)范圍視頻(HDR) 標(biāo)準(zhǔn)。HDR10 是一種開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，但HDR10 不向后兼容SDR。它包括HDR 靜態(tài)元數(shù)據(jù)但不包括動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)。它不提供以基于內(nèi)容創(chuàng)建者意圖的方式針對(duì)消費(fèi)者顯示器的能力優(yōu)化內(nèi)容的能力。

HDR支持10位的位深?；冢篒TU-R BT.2020 的原色色彩空間。HDR10 在技術(shù)上限制為最大 10,000 尼特的峰值亮度，但是常見(jiàn)的 HDR10 內(nèi)容的峰值亮度為 1,000 至 4,000 尼特。

HLG是混合對(duì)數(shù)伽瑪（hybrid log–gamma）的英文縮寫(xiě)。是英國(guó)廣播公司BBC和日本廣播公司NHK聯(lián)合再2015年開(kāi)發(fā)的用于高動(dòng)態(tài)范圍(HDR) 顯示的亮度曲線提案。

HLG 也是一種HDR 格式，它使用 HLG 亮度曲線、BT.2020 原色和10 位位深度。HLG 旨在向后兼容SDR UHDTV。當(dāng)接收器與 BT.2020 彩色容器兼容時(shí)，向后兼容性允許它們與現(xiàn)有傳輸標(biāo)準(zhǔn)一起使用，從而降低設(shè)備制造商和內(nèi)容分銷(xiāo)商的復(fù)雜性和成本。但是，HLG 并不打算與無(wú)法解釋 BT.2020 比色法的傳統(tǒng) SDR 顯示器完全向后兼容。

HLG 傳輸函數(shù)和 HLG 格式都是免版稅的。該提案在5月份，提交給國(guó)際電信聯(lián)盟( ITU)。2016年，國(guó)際電聯(lián)正式心啊HLG的內(nèi)容，宣布了Rec. 2100定義了兩個(gè) HDR 亮度曲線，即 HLG 和 PQ。該亮度曲線也被無(wú)線電工業(yè)和商業(yè)協(xié)會(huì)( ARIB)批準(zhǔn)為ARIB STD-B67。ATSC 3.0、數(shù)字視頻廣播(DVB) UHD -1 Phase 2 都包含了對(duì)HLG的支持。

HDR10+是HDR10的升級(jí)版，將靜態(tài)元數(shù)據(jù)替換為動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)用于根據(jù)內(nèi)容創(chuàng)建者的意圖調(diào)整和優(yōu)化 HDR 視頻的每一幀以適應(yīng)消費(fèi)者顯示器的能力。動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)可用于更準(zhǔn)確地逐個(gè)場(chǎng)景或逐幀地將亮度級(jí)別調(diào)整到整個(gè) PQ 代碼值范圍（最大亮度 10,000 尼特）。HDR10+ 是作為HDMI 2.1標(biāo)準(zhǔn)一部分的動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)的默認(rèn)變體。

HDR10+是 2017 年 4 月 20 日由三星和亞馬遜視頻發(fā)布的。該技術(shù)在電影電視工程師協(xié)會(huì)的SMPTE ST 2094 -40中進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化和定義。和HDR10一樣，HDR10+也是一種開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，免版稅。

2017 年 8 月 28 日，三星、松下和20 世紀(jì)?？怂箘?chuàng)建了HDR10+ 聯(lián)盟以推廣 HDR10+ 標(biāo)準(zhǔn)。

菁彩HDR（HDR Vivid）是世界超高清視頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（UWA）在2020 年聯(lián)盟發(fā)布技術(shù)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)（編者注：UWA的前身是中國(guó)超高清視頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（UHD Alliance））。2022 年廣電行標(biāo)《高動(dòng)態(tài)范圍電視系統(tǒng)顯示適配元數(shù)據(jù)技術(shù)要求》GY/T 358—2022 發(fā)布。

HDR Vivid支持動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)。支持10/12bit位深，色域支持BT.2020 或DCI-P3，亮度曲線支持PQ和HLG。HDR Vivid和SDR有非常高的兼容性。HDR Vivid也是一個(gè)開(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn)，從標(biāo)準(zhǔn)代碼到實(shí)施規(guī)范等全部資源均可通過(guò)指定渠道免費(fèi)獲取。

HDR Vivid自發(fā)布以來(lái)，各大企業(yè)相繼加入生態(tài)圈，F(xiàn)ilmLight公司的Baselight 5.3、Blackmagic Design公司的DaVinci Resolve Studio 18、索貝的EditMax 11.5等制作工具都已支持HDR Vivid。華為鯤鵬和昇騰服務(wù)器支持HDR Vivid的轉(zhuǎn)換。愛(ài)奇藝、華為視頻、咪咕視頻、騰訊視頻等均已上線HDR Vivid內(nèi)容。微信、快手、抖音、微博、小紅書(shū)等短視頻平臺(tái)也都正在適配HDR Vivid。

該標(biāo)準(zhǔn)的核心技術(shù)已實(shí)現(xiàn)在超高清視頻內(nèi)容制作、編碼、接收、解碼、顯示等端到端的全產(chǎn)業(yè)鏈布局，率先應(yīng)用于北京冬奧會(huì)、冬殘奧會(huì)的相關(guān)轉(zhuǎn)播活動(dòng)。

截至到2022 年10 月，電信運(yùn)營(yíng)商IPTV 用戶超過(guò)3.7 億，4K/8K 智能機(jī)頂盒支持菁彩HDR，會(huì)為用戶提供更真實(shí)的菁彩超高清視頻體驗(yàn)。根據(jù)電信運(yùn)營(yíng)商IPTV 業(yè)務(wù)規(guī)劃和集采要求，中國(guó)電信4K 智能機(jī)頂盒、移動(dòng)魔百和均支持菁彩HDR。

在2022 年11 月卡塔爾足球世界杯, 中國(guó)移動(dòng)攜手世界超高清視頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟共同推動(dòng)菁彩HDR、Audio Vivid 商用落地，打造纖毫畢現(xiàn)、聲臨其境的視聽(tīng)盛宴。這也是我國(guó)自主超高清音視頻標(biāo)準(zhǔn)首次用于世界杯直播，國(guó)產(chǎn)超高清音視頻標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入“移動(dòng)端規(guī)模化商用”時(shí)代。

最后，我們通過(guò)表格的方式，簡(jiǎn)單比較一下各種HDR格式標(biāo)準(zhǔn)：

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