朱正元，陳仁偉，譚曉悅

（1.深圳賽西信息技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000；2.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 102600）

0 引 言

HDR全稱為High Dynamic Range，意指可以提供高動(dòng)態(tài)范圍的顯示技術(shù)。和普通的SDR（Standard Dynamic Range）相比，HDR可以提供更高的動(dòng)態(tài)范圍、更寬廣的色域以及更自然的色彩過渡，從而大大提高圖像明暗對比度，極大地還原真實(shí)環(huán)境，呈現(xiàn)極高的圖像品質(zhì)，給體驗(yàn)者帶來更具沉浸感的感受。HDR技術(shù)最初只應(yīng)用到攝影領(lǐng)域，隨著科技的發(fā)展，該技術(shù)逐漸延伸到手機(jī)、電視及LED顯示屏等顯示領(lǐng)域[1]。

近些年來，國內(nèi)使用的是由國外企業(yè)制定的主流HDR標(biāo)準(zhǔn)，包括HDR10+、Dolby Vision等。而HDR Vivid是國內(nèi)自主研制的高清視頻標(biāo)準(zhǔn)，其在呈現(xiàn)效果、亮度以及適配性方面要優(yōu)于國際標(biāo)準(zhǔn)。HDR Vivid作為國內(nèi)獨(dú)創(chuàng)的HDR標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)開放的、安全的產(chǎn)業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采取了友好的知識(shí)產(chǎn)權(quán)政策，降低產(chǎn)業(yè)上下游成本，更容易廣泛推廣。

2021年3月11日，由中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭制定的CUVA 005.3-2021《高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）視頻技術(shù) 第3-1部分：技術(shù)要求和測試方法 顯示設(shè)備》，經(jīng)中國超高清視頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟正式公開發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了支持HDR Vivid規(guī)范的顯示設(shè)備或系統(tǒng)的測試條件、項(xiàng)目及方法，從接口、支持的信號(hào)格式、解碼功能要求、顯示性能要求及元數(shù)據(jù)處理要求幾個(gè)方面對顯示設(shè)備支持CUVA HDR Vivid的功能和性能進(jìn)行了規(guī)定[2]。該標(biāo)準(zhǔn)將為HDR Vivid顯示產(chǎn)品提供公允的測試依據(jù)，并為規(guī)范該類型產(chǎn)品的市場提供標(biāo)準(zhǔn)化支撐，也將助力我國超高清視頻終端產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)，推動(dòng)超高清視頻產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1 國內(nèi)外HDR標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

2018年，國 際 電 信 聯(lián) 盟（International Telecommunication Union，ITU）定義了一個(gè)新的全球標(biāo)準(zhǔn)（BT.2100），用于寬色域顏色空間的高動(dòng)態(tài)范圍視頻信號(hào)，為視覺顯示帶來了一個(gè)新的調(diào)色板。在ITU建議BT.2100中，HDR視頻是使用SMPTE ST 2084定義的感知量化器（PQ）傳遞函數(shù)來傳輸?shù)模皇鞘褂肦ec BT.709定義的傳統(tǒng)Gamma函數(shù)。信號(hào)在10 bit的視頻范圍內(nèi)傳送，可以通過各種視頻編碼器進(jìn)行傳輸。PQ傳輸函數(shù)允許的亮度范圍為0～10 000 cd/m2，比任何顯示能力都大，作為設(shè)計(jì)的一部分，每個(gè)值都應(yīng)該在顯示器上創(chuàng)建每個(gè)代碼值的精確亮度。在首批采用PQ傳輸功能的公司中，藍(lán)光光盤協(xié)會(huì)將10 bit視頻信號(hào)加入了他們的標(biāo)準(zhǔn)，并將其命名為HDR10。

除了HDR 10外，還有一個(gè)由Dolby實(shí)驗(yàn)室所開發(fā)的Dolby Vision。和HDR 10相比，Dolby Vision的規(guī)格更優(yōu)異。首先，在最高亮度部分可以支持到4 000 nits，是HDR 10的4倍。其次，在“色深”部分支持12 bit，色彩階數(shù)是10 bit的幾十倍。最后，HDR 10是以一組“靜態(tài)數(shù)據(jù)”來對應(yīng)整部影片，而Dolby Vision采取“動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)”，能針對每一幅畫面（frame by frame）提供相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，讓每幅畫面的變化都符合導(dǎo)演的要求，整體表現(xiàn)優(yōu)于HDR 10。

隨后，HDR10+以HDR10為基礎(chǔ)，進(jìn)一步增強(qiáng)觀看體驗(yàn)。HDR10+使用動(dòng)態(tài)色調(diào)映射來優(yōu)化每個(gè)場景，分別增加亮度和對比度，以適應(yīng)顯示的能力。它還提供了少量的元數(shù)據(jù)包含亮場景與暗場景中的特點(diǎn)，這樣可以保留畫面重要的細(xì)節(jié)。HDR10+是一項(xiàng)免版稅的技術(shù)，從電影工作室和電影制作人到顯示器和設(shè)備制造商，都可以輕松使用。正因如此，HDR 10+的普及率要高于Dolby Vision。作為封閉式規(guī)格的Dolby Vision要想完全發(fā)揮效果，必須取得Dolby的授權(quán)，并有適配的硬件和專門的解碼 芯片。

為避免HDR領(lǐng)域被國外標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)治的局面，2019年12月，中國超高清視頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立HDR標(biāo)準(zhǔn)工作組。經(jīng)過一年的技術(shù)研制、標(biāo)準(zhǔn)討論以及測試驗(yàn)證，在2020年底和2021年初，工作組分別發(fā)布《高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）視頻技術(shù) 第1部分：元數(shù)據(jù)及適配》和《高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）視頻技術(shù) 第3-1部分：技術(shù)要求和測試方法 顯示設(shè)備》，除了同樣采用動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)為顯示終端提供更加準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)范圍映射以外，HDR Vivid技術(shù)從頭端制作開始嵌入動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)，確保終端算力可實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)現(xiàn)方案，對產(chǎn)業(yè)鏈上下游各方來說，更適于產(chǎn)業(yè)部署。目前，在上游芯片、內(nèi)容制作、顯示終端各方的推動(dòng)下，預(yù)計(jì)2022年可以實(shí)現(xiàn)全面商用。

2 動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)技術(shù)解讀

創(chuàng)造者看到的視頻版本是在一個(gè)“理想”的黑暗世界里，在這個(gè)世界里主顯示器的范圍和人們?nèi)粘Ｊ褂玫娘@示器的范圍是不同的。同時(shí)，僅使用靜態(tài)元數(shù)據(jù)并不能為顯示提供足夠的信息進(jìn)而為每個(gè)可能的場景應(yīng)用適當(dāng)?shù)纳{(diào)映射。色調(diào)映射的形狀是靜態(tài)的，沒有經(jīng)過優(yōu)化。例如，在漆黑的夜晚場景和白花花的雪山場景，是不能使用同一個(gè)靜態(tài)元數(shù)據(jù)進(jìn)行色調(diào)映射的[3]。

動(dòng)態(tài)色調(diào)映射從場景到場景應(yīng)用不同的色調(diào)曲線。靜態(tài)色調(diào)映射在整個(gè)視頻內(nèi)容中應(yīng)用了相同的調(diào)整，無論是亮場景還是暗場景。使用動(dòng)態(tài)色調(diào)映射，個(gè)性化的色調(diào)映射被適應(yīng)性地應(yīng)用于每個(gè)場景，創(chuàng)造出充滿活力的視覺效果，并實(shí)現(xiàn)前所未有的圖像質(zhì)量，更好地符合導(dǎo)演的意圖。

動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)需要為播放設(shè)備或者顯示終端提供足夠的信息，以便準(zhǔn)確地再現(xiàn)主顯示器的意圖。CUVA HDR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種模式，一種是統(tǒng)計(jì)信息模式，一種是曲線參數(shù)模式。統(tǒng)計(jì)信息模式是播放設(shè)備將顯示設(shè)備提供的動(dòng)態(tài)范圍信息（EDID）按照CUVA 005—2020要求完成色彩動(dòng)態(tài)范圍轉(zhuǎn)換過程和色彩校正過程處理后，交由顯示設(shè)備進(jìn)行播放；曲線參數(shù)模式將CUVA HDR信號(hào)及動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)直接送給顯示設(shè)備進(jìn)行播放，涉及基礎(chǔ)曲線參數(shù)、參考亮度、修正曲線參數(shù)、表達(dá)三次樣條的調(diào)整 信息等。

3 CUVA HDR測試標(biāo)準(zhǔn)解讀

《高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）視頻技術(shù) 第3-1部分：技術(shù)要求和測試方法 顯示設(shè)備》由中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭研制，適用于支持CUVA HDR的各類顯示技術(shù)的顯示設(shè)備。其中定義了CUVA顯示設(shè)備是指能夠依據(jù)CUVA 005—2020完成元數(shù)據(jù)和相應(yīng)圖像處理并進(jìn)行圖像顯示的設(shè)備，同時(shí)定義了CUVA播放設(shè)備是指能夠進(jìn)行視頻解碼并依據(jù)CUVA 005—2020完成元數(shù)據(jù)和相應(yīng)圖像處理，最后通過數(shù)字視頻接口進(jìn)行輸出的設(shè)備?？梢?，該標(biāo)準(zhǔn)在傳統(tǒng)高清電視的測試項(xiàng)目基礎(chǔ)上，新增了很多對于CUVA HDR元數(shù)據(jù)處理的要求。總體測試項(xiàng)目包括接口、支持信號(hào)格式、解碼功能、顯示性能以及動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)處理。每一部分的測試子項(xiàng)目如表1所示。

表1 測試項(xiàng)目明細(xì)

顯示性能主要包括峰值亮度、穩(wěn)定峰值亮度、最小黑色亮度、亮度動(dòng)態(tài)范圍、對比度、色域重合度、色彩準(zhǔn)確性、白平衡、顯示量化精度等方面。其中峰值亮度和穩(wěn)定峰值亮度的要求相較于HDR 10+有較大提升。在色彩準(zhǔn)確性測試中，標(biāo)準(zhǔn)選取了3種膚色以及天空、植物等5種場景，模擬在實(shí)際使用中出現(xiàn)較多的情形，測試設(shè)備的色彩還原能力。而在量化精度中，標(biāo)準(zhǔn)采用條帶灰階信號(hào)，根據(jù)主觀判斷是否產(chǎn)生嚴(yán)重等高線顯示誤差來判斷設(shè)備為8 bit或是10 bit。

動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)處理要求測試項(xiàng)目主要考量亮度一致性、色度一致性以及元數(shù)據(jù)同步。由于HDR Vivid定義的色調(diào)映射需要根據(jù)各個(gè)廠商在顯示器內(nèi)設(shè)定的最大亮度值和最小亮度值進(jìn)行計(jì)算，所以不同廠家顯示器的亮度和色度的參考值都是不同的。中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院自主研發(fā)了結(jié)果生成工具，輸入值包括暗場景、中亮場景、亮場景的3組動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)以及廠家配置的最大/最小亮度，自動(dòng)計(jì)算出該設(shè)備的亮度/色度一致性參考值。而元數(shù)據(jù)同步測試則采用兩張不同亮度的測試圖，經(jīng)過搭配動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)及色調(diào)映射處理后，可輸出相同的亮度。根據(jù)此機(jī)制，如果動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)處理流程不與圖像同步，就會(huì)出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象。

以上測試項(xiàng)目以及指標(biāo)放在國際HDR相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，具有一定的先進(jìn)性和創(chuàng)新性，能起到推動(dòng)HDR產(chǎn)業(yè)升級(jí)和國產(chǎn)替代的作用。

4 測試工具研發(fā)

上文提到，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院自主研發(fā)了結(jié)果生成工具，用于驗(yàn)證顯示設(shè)備最終呈現(xiàn)的亮度和色度是否符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)意圖。為此，開發(fā)組采用了簡潔靈活、便于使用的Python語言進(jìn)行軟件開發(fā)，根據(jù)第1部分第9章PQ HDR的HDR顯示適配規(guī)則，按照基礎(chǔ)曲線、三次樣條曲線的公式進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了根據(jù)顯示設(shè)備的顯示亮度范圍、RGB色域像素緩沖區(qū)以及曲線關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算出的插值點(diǎn)來選擇轉(zhuǎn)換曲線的邏輯框架。其中，通過基礎(chǔ)曲線參數(shù)獲得過程生成基礎(chǔ)曲線參數(shù)，通過三次樣條參數(shù)獲得過程生成三次樣條區(qū)間參數(shù)。

以基礎(chǔ)曲線獲得過程為例，從metadata數(shù)據(jù)信息中取得顯示亮度范圍的最高顯示亮度MaxDisplayPQ和最低顯示亮度MinDisplayPQ，同時(shí)取得待處理幀的最大亮度校正值max_lum和待處理幀的最小亮度min_lum。將m_b設(shè)為MinDisplayPQ，根據(jù)metadata中的average_maxrgb計(jì)算m_p，根據(jù)最大亮度校正值max_lum更新m_p，最后再根據(jù)m_p、m_m、m_n、m_b、K1、K2、K3計(jì)算m_a。經(jīng)過一輪一輪的計(jì)算，把metadata中的關(guān)鍵信息轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)曲線參數(shù)，最后根據(jù)計(jì)算的H（L）尋找合適的插值點(diǎn)，進(jìn)行對應(yīng)的轉(zhuǎn)化。三次樣條的計(jì)算過程較為煩瑣，不展開說明。三次樣條和基礎(chǔ)曲線的區(qū)間示意圖如圖1所示。

圖1 三次樣條和基礎(chǔ)曲線插值點(diǎn)示意圖

Python代碼并未用到復(fù)雜的算法，重點(diǎn)在于還原標(biāo)準(zhǔn)中的公式與計(jì)算邏輯。在metadata中有很多關(guān)鍵標(biāo)識(shí)值，決定了最后的邏輯框架，如色調(diào)映射標(biāo)識(shí)tone_mapping_mode_flag、三次樣條模式標(biāo)識(shí)3Spline_flag、三次樣條參數(shù)3Spline_num[w]和3Spline_TH_mode，這些關(guān)鍵的參數(shù)在三次樣條的遍歷過程中發(fā)揮了重要作用。例如，若tone_mapping_mode_flag為0或tone_mapping_mode_flag為1且3Spline_flag為0且3Spline_TH_mode為0，或者若tone_mapping_mode_flag為1且3Spline_flag為1且未出現(xiàn)3Spline_TH_mode為0，則調(diào)用代號(hào)為0的一次樣條曲線參數(shù)獲得過程以及代號(hào)為0的一次樣條曲線參數(shù)調(diào)整過程和代號(hào)為0的三次樣條區(qū)間參數(shù)獲得過程獲得參數(shù)。若tone_mapping_mode_flag為1且3Spline_flag為1且3Spline_TH_mode為0，則調(diào)用代號(hào)為1的一次樣條曲線參數(shù)獲得過程1以及代號(hào)為0的一次樣條曲線參數(shù)調(diào)整過程和代號(hào)為1的三次樣條區(qū)間參數(shù)獲得過程獲得參數(shù)。

明確插值點(diǎn)、選擇正確的轉(zhuǎn)換路線后，將進(jìn)行最后的色彩轉(zhuǎn)換以及校正，這里在代碼中使用了簡單的數(shù)據(jù)組和向量進(jìn)行了計(jì)算，最后輸出經(jīng)過HDR顯示適配處理的RGB色域像素緩沖區(qū)，包含亮度和色度結(jié)果，用于與實(shí)測值進(jìn)行比對。

5 電視HDR摸底測試測評

為了驗(yàn)證該標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)方法的合理性和可行性，標(biāo)準(zhǔn)起草組委托國家數(shù)字音視頻及多媒體產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心選取行業(yè)主流企業(yè)的智能電視產(chǎn)品，進(jìn)行了摸底測試和數(shù)據(jù)分析。

顯示芯片廠商中，海思最早支持HDR Vivid，但由于“缺芯”現(xiàn)象嚴(yán)重，目前市面大多新品都已無法繼續(xù)使用海思芯片，從而轉(zhuǎn)向晶晨、MTK等芯片廠商。但由于研發(fā)調(diào)試時(shí)間較長，目前還未有大范圍使用。因此，本次摸底測試樣機(jī)集中在華為、康佳、海信等早期支持HDR Vivid的廠家。

從測試結(jié)果來看，亮度一致性和色度一致性兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)在進(jìn)行Gamma調(diào)試后都可以符合要求，體現(xiàn)出該機(jī)器符合標(biāo)準(zhǔn)中定義的元數(shù)據(jù)處理方法。而對于一般性顯示指標(biāo)，各廠家機(jī)器也都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

在關(guān)注指標(biāo)的同時(shí)，使用兩臺(tái)同型號(hào)的機(jī)器，對比播放HDR Vivid的視頻和HLG以及HDR 10的視頻。測試人員一致認(rèn)為HDR Vivid技術(shù)在暗區(qū)、高亮區(qū)表現(xiàn)優(yōu)異，擴(kuò)大了顯示范圍，使畫面更生動(dòng)、更細(xì)節(jié)，同時(shí)在人物場景下，膚色也更貼合 實(shí)際。

6 結(jié) 語

HDR Vivid目前已聯(lián)合眾多內(nèi)容制造商、分發(fā)商共同推動(dòng)生態(tài)建設(shè)，不僅僅要做出一個(gè)好標(biāo)準(zhǔn)、好技術(shù)，更要生產(chǎn)更多的片源，讓更多人看到技術(shù)的更迭與進(jìn)步。相信在產(chǎn)業(yè)鏈各領(lǐng)域的共同努力下，中國HDR技術(shù)會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代，并走向國際。中國的顯示技術(shù)一定會(huì)讓世界更“菁彩”。