第一情报 ---信息产业

4K超高清电视高动态范围技术(五):技术详解

1、对比度
 
测试视频图像动态范围的一种方式是,基于曝光值或“站”(采取与照相机拍摄静止图片时相同的f-stops设置)测量跨越整个亮度范围的对比度。每一“站”的效果相当于光照值的双倍,从而,每一“站”的亮度就增加了2的幂次倍。
 
SDR技术中,动态范围中大致有8“站”,这样,对比度就为128:1。HDR技术中,一些新兴标准所包含的基线数值,动态范围中大致有11“站”,这样,对比度就为2048:1,这一数值是SDR的16倍。来Dolby和Philips的相关增强型模板均能提高图像的对比度。而在真实的自然世界中,在给定时刻,人类肉眼对于动态范围的最低适配是20“站”,相应地,对比度就为1048576:1。
 
Dolby公司的增强型高动态范围解决方案为Dolby Vision,声称可创建出与现实景物最为接近的视频图像观看效果。Dolby公司发现,人类肉眼的最佳范围是0~10000尼特,于是,Dolby Vision就将此范围作为基本规范,并将Dolby Vision初始阶段商用产品的相关数值选定为4000尼特,从而,大致就是17~18“站”,于是,对比度就为200000:1。
 
2、色域
 
关注图像色域的目的在于,设置电视节目制作的基准,对颜色丢失量(相对于摄影机所拍摄的原始图像)的最小值进行限定。一直以来,电视节目视频图像色域均是按照ITU REC 709标准来执行。后续,国际电信联盟又制定了ITU REC 2020标准。相对于前者,按照ITU REC 2020标准所制作出的电视节目,基本上就接近于自然界中的全色域。ITU REC 709标准中,采取8 bit编码,具有1678万种颜色。而ITU REC 2020标准则规定了两种模式:(1)采取10 bit编码,具有10.7亿种颜色;(2)采取12 bit编码,最高具有687亿种颜色。
 
但是,目标更为理性的宽色域标准则是SMPTE(Society of Motion Picture and Television Engineers,电影与电视工程师协会)所制定的DCI P3,其所规范的是影院投影仪的动态范围,主要应用于电影图像的后期制作流程。DCI P3采取10 bit编码,具有7.566亿种颜色。

图1所示为ITU REC 709标准、ITU REC 2020标准以及DCI P3标准的相关对比。


 
2
图1  三种国际视频标准中,色域范围的对比


 
Deluxe OnDemand一直以来都与Dolby密切合作,来研究电视节目后期制作参数,以使相关内容能够在具有Dolby Vision高动态范围技术功能的电视机终端上呈现。
 
3、传递函数
 
影响电视机制造商在其LCD/LED电视终端产品中内置高动态范围技术功能的关键参数是“gamma function(伽玛函数)”。伽玛函数是一个非线性的传递函数,可以将显示系统的灰度信号值映射至节目后期制作主机的色域以及动态范围。伽玛函数最初被应用于CRTs(阴极射线管)的动态图像显示,也将有望被应用于LCD/LED的动态图像显示。
 
“SMPTE 2084”标准定义了EOTF(Electro-Optical Transfer Function,电-光传递函数),希望以之来代替伽玛函数,以此来扩展色域范围,并将对比度传递至由ITU REC 2020标准所定义的相关范围。
 
“SMPTE 2084”标准采取了名为PQ(Perceptual Quantization,感知量化)的编码系统,也用于压缩上述相关的传递信息以降低每种颜色的比特数量(否则就需要执行新的参数)。比如,部署了感知量化技术之后,Dolby Vision就可以采取16 bit编码(而非12 bit编码)来对电视终端解码器发出高动态范围以及宽色域的信令。
 
基本的高动态范围技术系统中(采取10 bit编码、1000尼特的亮度水平、大大低于ITU REC 2020标准以及DCI P3标准所规范的12 bit色域范围),就可以采取增强型的伽玛函数。然而,Dolby公司的Dolby Vision以及Philips公司的增强型高动态范围技术系统解决方案,均依赖于更为广泛的电-光传递函数,使得可以通过采取12 bit编码,让显示系统具有更大的动态范围以及更宽的色域。各个高动态范围性能层级的分界线(依赖于伽玛函数)与“SMPTE 2084”标准所需达到的性能水平之间的关系,很可能将有望成为制定基本高动态范围技术标准以及高级高动态范围技术标准的关键因素。
 
4、显示系统
 
研究设定高动态范围技术参数的另一大关键因素在于,利用这一代电视机终端所使用的SoC(Systems on a Chip,片上系统、单芯片)把成本降低到最小程度的需求。实际测试发现,这些芯片其实拥有足够的处理能力来处理Dolby Vision的亮度、色域以及对比度的增强型版本。这些增强所采取的是12 bit编码,以元数据覆盖的形式进行传输,这样,在Dolby Vision显示系统之中:单芯片的解码过程,与常规的遵循ITU REC 709标准的视频内容是相混合的。
 
上述这种分叉型翻盖模式确保了遵循Dolby Vision规范的电视节目内容也可以通过传统的电视终端来观看——此时,其中的标准动态范围解码器无需与元数据进行交互。但是,从带宽的角度看来,这种解决方案额外增加了20%的比特带宽开销。
 
正如图2所示,Dolby Vision系统与更为基本的高动态范围技术系统于制造需求方面的巨大差别在于显示系统自身。Dolby Vision系统采取的是单独的调制型LED半导体,从而就便于跨越多个亮度层级进行切换:从0尼特到所选定的峰值亮度层级(第一代Dolby Vision系统所选定的是4000尼特)。从而,就需要生产全新的显示系统。而这一代广泛应用的LCD显示系统(尤其是那些部署了更佳本机背面照射技术来进行对比度控制的LCD显示系统),可以在工厂中对本代单芯片的固件进行升级,以使其支持0~1000尼特范围的高动态范围图像显示。


 
3
图2  图像显示的亮度(单位:尼特)


 
 
参考文献:
 
[1] Ken Goeller. 4K AND HDR, MORE THAN MORE PIXELS: How New Market and Technology Dynamics are Defining Next-Generation TV[C]. 2015 Spring Technical Forum Proceedings. NY:NCTA, 2015-05-05.
 
本文作者为上海情报服务平台兼职情报分析员
 


注册成为正式用户,登陆后,获得更多阅读功能与服务!
转载本文需经本平台书面授权,并注明出处:上海情报服务平台www.istis.sh.cn
了解更多信息,请联系我们

§ 请为这篇文章打分(5分为最好)