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采用HDR要升级整个电视系统

 

十一月初月初参加四川电视节，在专题演讲时，深感杜百川老师关于4K电视的议题非常有用，特此找来讲稿，认真学习,尽管讲稿板式比较凌乱，但毕竟都是干货，特摘录如下：

 

一、UHDTV六个方面：图像的五个维度+声音UHD=HR+HDR+WCG+HFR+HBD+HQS

l  高清晰度：4K-3840x2160，8K-7680x4320；

l  高帧率：50，100，120；

l  高动态范围：0.05-1000 nits或0.0005 -540 nits；

l  高比特深度：10，12bit；

l  宽色域：Ultra HD REC. 709 (35.9 %)，Ultra HD Premium 90%的P3 (48.2 %)，100%的P3 (53.6 %)，UHD1 REC. 2020 (75.8 %)；

l  高质量3D声音：从声道为基础的环绕声到声道、对象和声场为基础的3D声。

 

二、图像五个方面提升要分阶段实施

l  第一个阶段是现在到以前的4K，只是清晰度提高，类似于标清到高清的转换，整个系统没有太大变化。具体参数：2160p50，10bit，BT709，SDR，4:2:0/4:2:2；

l  第二个阶段是增加动态范围和色域，整个系统将完全更新，如重新定义最大最小电平，色域，彩色空间和彩色分量；重新定义光电、电光、光光转换函数和电视系统架构；定义在制作、传输和接收各环节SDR和HDR兼容方法；重新定义声音标准，在通道为基础的环绕声基础上增加以对象为基础的的3D声音。由此，第二阶段是整个系统的变更，而非一般的性能提高。具体参数：2160p100，10/12bit，BT2020子集，HDR，4:2:0/4:2:2/4:4:4；

l  第三阶段色域完全达到BT.2020，增加帧率和量化比特，声音为以通道、对象和场景为基础的3D声音。具体参数：4320p100/120，10/12/14bit，BT2020全集，HDR，3D音频。

 

三、包括上层和顶层的3D声音

 

四、不同地区4K电视出货量预测

 

五、4K电视家庭预测

 

六、目前4K内容数量和分类

 

七、HDR是超高清的主要驱动力

l  目前的流行的超高清电视主要是没有高动态范围、宽色域、高帧率和3D声音的纯增加像素的所谓4K电视，有的甚至是原来高清电视的上变换。

l  2016年7月国际电联颁布ITU-R BT.2100-0《用于制作和国际节目交换的高动态范围电视图像参数值》建议书。去年8月欧洲标准组织颁布ETSI TS 103 433 V1.1.1 《用于消费电子设备的高性能单层直接与SDR兼容的HDR系统架构(SL-HDR1)》标志着超高清最重要标志性性能HDR电视即将快速推广。

l  所谓的只有像素增加的4K电视不久将全面退出市场。

 

八、有关HDR的错误概念

l  HDR涉及电视最基本的概念和系统架构，同时也是完整的生态系统，远比“高动态范围”本身的含义要广得多。通常对HDR有一系列的错误概念，在ITU-R BT.2390-0报告中列举的有：

l   ‘只是更明亮的图像’；

l   ‘就是动态范围’；

l   ‘主要是比特深度’；

l   ‘基本上是图像拍摄的事’；

l   ‘基本上是显示能力的问题’；

l   ‘使图像看起来像绘画’。

 

九、电视系统如何设计  

 

十、决定系统最大电平

l  在视频中，系统的参考白电平，既不是信号最高的白电平，也不是显示器最高的亮度电平。当用标定测试卡标定时，参考白是弥漫性的反射光，高于参考白的通常称为高光，可以是镜面反射或光源。HDR在阴影的细节，同时表现室内室外，宽色域等方面有明显的质量提升，其中与SDR一个关键的不同是可以更精确展现高光部分。

l  传统视频高光设置为不大于1.25x，对不同的显示应用，电影设置的最高，允许最高不大于 2.7x的弥漫白。实际测量弥漫表面的镜面反射亮度可以高出1000倍，像太阳那样的发射光源会达到16亿cd/m2。因此要对高光作非线性处理。有三种方法：1.一致压缩，这样会使主要画面的亮度过于降低；2.切除，高光部分细节会丢失；3.高光部分非线性压缩。

l  所以在标准中最终将显示的峰值亮度定义为≥ 1000 cd/m2，但这里不是指整个屏幕都超过而是指高光。

 

十一、决定系统最小电平

l  黑暗观看研究：1.环绕亮度下降所能识别的黑电平也下降，也就是说所设置的环绕电平决定了最低黑电平；2.较大的黑区识别黑电平要低于小的黑区，所以黑区大小是关键。2390提供的研究中最大的黑区观看角度为6度，HDTV在3H观看时约35度(UHDTV@1.5 H约70度)。

l  另一个决定黑电平的方法是实验，大多数实验都达到了实际设备的极限。Rempel at al.的实验约为0.3 cd/m2，目前其他的一些实验到0.004 cd/m2。按照测试结果，90%满意的黑电平为0.005 cd/m2。而目前典型的LCD TV (SDR)为0.1 cd/m2，只能满足50%的观众，整个范围在0.004到20,000 cd/m2。

l  综合研究结果：黑电平在0.05到0.005 cd/m2之间对UHDTV比较合适。但考虑到实际观看条件，2100设置的背景亮度为5cd/m2，环绕电视的亮度为≤ 5cd/m2，最小显示亮度即黑电平为≤ 0.005 cd/m2。

l  由于OLED最大电平达不到1000，最大最小电平设置为0.0005 到540 nits。

 

十二、PQ和HLG不仅仅是曲线不同，而是系统架构的不同

l  OETF: 将线性场景光转换成视频信号，通常在摄像机。

l  EOTF: 将视频信号转换成显示输出的线性光。

l  OOTF: 光到光的转换，一种艺术创作意图的呈现(“rendering intent”)。

l  电视系统显示的光与摄像机摄取的光不是线性关系，整体上加上了非线性，即OOTF。 “参考” OOTF对摄像环境和显示环境的差别进行补偿，规范和使用 “参考 OOTF” 可以使端到端的再现一致，这对电视制作非常重要。艺术调整是指人为的艺术创作，使图像呈现出相应的创作意图，这是人为的OOTF，称之为“艺术 OOTF”。艺术调整可以加在参考OOTF前面或者后面。

 

十三、感知量化(PQ)

l  为了避免轮廓效应，量化视频信号要利用人眼对相邻量化电平的识别能力，用刚好能识别的亮度电平差作为量化级的量化方法称为感知量化(PQ: Perceptual Quantiser)。人眼对亮度电平差的识别通信符合遵循Weber定律 (在低电平时由De Vries-Rose律修正)。 Weber定律指出刚好能觉察到的亮度差与亮度成正比，也就是说可以用百分比来表示，称为Weber分数(Weber fraction)，人眼圆锥细胞Weber分数通常为2%-3%。

l  Weber定律表明log OETF (信号signal ∝ log(相对亮度)) 可以提供最大的动态范围，同时又不会觉察到量化电平变化。如果Weber分数为2%意味着100:1动态范围时，不觉察量化电平变化需要233级（1.02233=100），即可用 8比特表示。

l  为了制作高动态范围视频信号和克服Rec 709 OETF (即使加拐点)局限性，许多摄像机制造商设计了自己的OETF (大多10 bit)：Filestream (Thomson), S-Log (Sony), Panalog (Panavision), Log C (Arri), Canon Log (Canon, 只有8 bit)，大多是近似log曲线。如果Weber分数小于1%，10 bit log 转换特性的动态范围可以达到大于10000:1。

 

十四、HLG电视系统特性及架构

 

十五、4种OETF比较