简图记录-HDR技术基础

简图记录总结~

一、概念

    HDR：high dynamic range Imaging， 高动态范围成像。在计算机图形学与电影摄影技术中，用来实现比普通数位图像技术 更大爆光动态范围（更大明暗差别）的一组技术。目的是达到正确的表示真实世界中从太阳光直射到最暗阴影这样大范围亮度。

    未来显示技术的发展方向：更大分辨率FHD-4k-8k；更大数据精度8bit-10bit-12bit；更高帧率30hz-60hz-120hz；更大色域范围bt601-bt709-bt2020；更大动态范围sdr-hdr

    背景概念：（1）nit尼特：描述亮度概念参数之一，表示单位面积光强度（相关概念：光强度cd 光通量lm 光照度lux）。（2）自然界亮度范围从10^-6nit（星光）到10^8（太阳直射），人眼识别能力在10^0nit到10^5nit，一般的LCD显示能力为10^2到10^3nit。（3）相对HDR技术，旧的阶段成为SDR阶段，SDR时期常见显示其标准亮度为100nit左右，对比度1000：1（最高亮度/最低亮度），视频的拍摄、制作、传输和显示同态范围为1000：1，受限于设备能力和旧有的gamma曲线转化特性能比较好的还原100nit以内的真实颜色。（4）HDR阶段希望将动态范围扩大到100000：1，能真实还原100000nit颜色。

    端到端特性：HDR技术是一个端到端的系统解决方案，涉及视频的采集，编码制作，传输，解码还原，高亮度对比度设备（>=1000nit），同时还要解决SDR/HDR兼容问题。

    HDR视频来源：（1）制作HDR视频：当前一般好莱坞电影制作会推出大量同时包含HDR/SDR版本，一些大的视频内容制作平台同时也会推出HDR版本视频源；（2）SDR视频转HDR视频，如dolby等公司会使用各种技术手段（如机器学习对比大量SDR/HDR视频内容特点）进行SDR视频转化为HDR视频。

    SDR转HDR：（除了上面描述的技术手段转化视频内容）一些电视或者盒子也说支持SDR转HDR，但这往往只是通过提升对比度等画面效果进行的从感官上模拟视觉效果的假转HDR，或者只是简单把SDR用的gamma曲线还原再映射到HDR曲线 但这样并没有提升视频内容质量只会损失细节----如盒子播放HDR视频时UI就会转HDR显示。

    HDR与BT2020色域关系：HDR严格意义上和BT2020没有直接关系，BT2020用来形容采集设备或者显示设备表达色彩的能力，HDR本质在于是否使用了HDR的EOTF、OETF曲线。

二、相关技术

    HDR最关键的几个技术：

    1、新的电光转化EOTF、光电转化OETF曲线。

         从光亮度变化对应人眼感知特性曲线来看，SDR的转化gamma2.0曲线在0~10nit范围有较好的还原能力，超过此亮度范围无法叫真实还原表达，应此HDR首先必须构建新的转化曲线，如HLG（BBC）曲线有效范围0~1200nit，PQ（ST2084）曲线有效范围0~10000nit。

    2、Color Gamut Mapping颜色范围映射

        由于当前HDR常见的色域范围都是BT2020并使用新的HDR曲线，但是当前的显示设备基本还是以BT709色域和gamma2.0曲线，那么为了真实的还原颜色必须要进行映射，需要将画面内容先进行degamma还原到线性空间，进行色域映射和gamma调整。

    3、Metadata数据

        为了更好的还原理想的显示效果，HDR标准在视频内容中常常携带一些额外的信息俗称metadata，用来记录如视频制作环境信息，帧内画面统计信息等用来提供HDR转化时跟多参考。（metadata也分为静态-每个视频一个，动态-每帧一个）但是，由于各个标准的metaData定义不同不同HDR格式转换过程可能丢失，在制作视频时metadata也可能不准确或者错误，应此目前metadata逐步成为适量参考的信息。

三、业界标准

      当前业界主要有：

      1、公开标准：（1）HDR10：美国消费电子协会推出，用bt2020色域，ST2084 EOTF曲线，HEVC编码；（2）HDR10+：三星推出，使用BT2020色域，HEVC编码；（3）HLG：美国BBC和日本NHK电视联合推出。

      2、私有方案：（1）Dolby HDR：美国杜比实验室，bt2020色域，Dolby Versioh私有编码。（2）Technicolor；