高動態(tài)范圍 (HDR) 及其如此有吸引力的原因

在觀看工作或娛樂視頻流時，我們都期待高質(zhì)量。使用 IP 網(wǎng)絡傳輸媒體（稱為 AV-over-IP）有助于消除對內(nèi)容、設備和帶寬的需求。在大多數(shù)用例中，預計壓縮視頻的交付具有更高的細節(jié)、更大的對比度和逼真的色彩。超高清 (UHD) 視頻結(jié)合了分辨率的改進、寬色域 (WCG)、更高的幀速率、更高的位深度和高動態(tài)范圍 (HDR)，以提供更逼真的視覺體驗。

HDR 是視頻生態(tài)系統(tǒng)的一項相對較新的功能，它專注于增加黑白之間的對比度，從而產(chǎn)生細節(jié)豐富的陰影和更明亮的反射。但 HDR 的整體視覺效果更加引人注目，因為圖片看起來更豐富、更逼真，并且改進的對比度可提供更清晰、更詳細的圖像。與分辨率的提高相比，觀看者通常會感覺到 HDR 帶來的視覺沖擊更大。毫不奇怪，在體驗了視覺優(yōu)勢之后，內(nèi)容開發(fā)者和觀眾在分發(fā)或消費內(nèi)容時都希望獲得同樣的功能?？紤]到傳輸帶寬或存儲是整個鏈條的限制因素，HDR 可以提供顯著的視覺效果，同時僅消耗略多的帶寬或存儲。

HDR 如何提供改進的細節(jié)和圖像質(zhì)量

圖 1顯示了高級 HDR 系統(tǒng)的概念。在 HDR 過程的開始，使用光電傳遞函數(shù) (OETF) 將捕獲的場景光轉(zhuǎn)換為電子表示。傳感器和相機捕獲大量場景光，通常在后期制作中進行管理，進一步處理可以優(yōu)化顏色和光線水平。該電子表示被分配到一個或多個顯示器，在那里它使用電光傳遞函數(shù) (EOFT) 轉(zhuǎn)換回場景光。最初為 CRT（陰極射線管）設計的 EOFT 稱為伽馬。

圖 1：圖像提供了 HDR 場景捕獲、傳輸和顯示過程的高級說明。（來源：AMD 賽靈思）

我們現(xiàn)在正處于過渡期，大多數(shù)信號源和顯示器繼續(xù)支持標準動態(tài)范圍 (SDR) 和原始伽馬 EOFT，而市場則采用 HDR。

混合對數(shù)伽馬 (HLG) EOTF 的開發(fā)是為了向后兼容現(xiàn)有的大多數(shù) SDR 顯示器，混合伽馬曲線可以利用較新顯示器的更高亮度功能，而無需額外元數(shù)據(jù)的復雜性，從而在 SDR 和 HDR 上生成圖像顯示。

還有其他基于感知量化器 (PQ) EOTF 的 HDR 格式，這是一種基于人類感知的非線性傳遞函數(shù)，旨在根據(jù)眼睛的光敏感度提供更具代表性的比特。這些基于 PQ 的格式需要SMPTE-2086定義的元數(shù)據(jù)，該元數(shù)據(jù)標準化了原始母帶顯示的原色和亮度范圍等參數(shù)——可能讓所有觀眾擁有相同的體驗。每種格式都提供 HDR 內(nèi)容，并在內(nèi)容保真度、工作流影響、元數(shù)據(jù)要求和使用費義務方面進行權(quán)衡，這些在部署 HDR 系統(tǒng)和工作流時需要考慮。

使用 AMD Xilinx 平臺流式傳輸 HDR 內(nèi)容

流媒體使高質(zhì)量的媒體分發(fā)和消費幾乎可以在任何地方進行，從而導致需求增加。流媒體增加了另一層復雜性，因為帶寬是物理限制和額外成本。對于流媒體內(nèi)容，HDR 增加了可感知的細節(jié)和分辨率影響，對帶寬的影響可以忽略不計，即使某些格式需要額外的元數(shù)據(jù)也是如此。

Zynq ? UltraScale+ ? MPSoC提供低功耗、單芯片解決方案，結(jié)合了全功能多核 Arm ?處理子系統(tǒng)和嵌入式實時 4kp60 4:2:2 10 位視頻編解碼器單元 (VCU)同步 H.264/H.265 編碼/解碼。基于常見的行業(yè)工具和框架，如 Linux、V4L2 和 GStreamer，AMD Xilinx 使客戶能夠評估功能并開發(fā)帶有驅(qū)動程序和應用程序堆棧的定制解決方案。Zynq UltraScale+ MPSoC 足夠靈活，可以作為支持現(xiàn)有 HDR 格式（例如 HLG 和 HDR10）的單芯片捕獲/編碼或解碼/顯示設備。

對于不需要元數(shù)據(jù)的 HLG EOTF HDR 格式，從 SDI 或 HDMI 等物理連接中提取適當?shù)纳刃畔?，并將?shù)據(jù)保存在 ITU 為 H 定義的標準化視頻可用性信息 (VUI) 字段內(nèi)的編碼比特流中.264 或 H.265 比特流。對于 PQ EOTF HDR 格式，SMPTE-2086 定義的關(guān)鍵參數(shù)是從物理連接中捕獲的，例如原色和與母版顯示相關(guān)的元素，例如顯示色量 (MDCV) 和內(nèi)容亮度 (CLL)。這些存儲在壓縮比特流的標準化 VUI 和補充增強信息 (SEI) 字段中的適當字段中，以便可以為系統(tǒng)的顯示元素分發(fā)、解碼和提取數(shù)據(jù)（圖 2). AMD Xilinx 支持通過開放的標準化機制傳輸任何所需的 HDR 元數(shù)據(jù)，從而為未來的 HDR 格式提供適當?shù)幕ゲ僮餍院挽`活性。

圖 2：AMD Xilinx 多媒體堆棧中 PQ HDR 元數(shù)據(jù)的概念流程。（來源：AMD 賽靈思）

面向未來的 HDR 流媒體入門

AMD Xilinx 創(chuàng)建了目標參考設計 (TRD)，它提供了所有必需的源和項目文件，以使用 SDI 和 HDMI 等行業(yè)標準接口重新創(chuàng)建以高達 4kp60 運行的系統(tǒng)，因此您可以評估系統(tǒng)并快速轉(zhuǎn)向定制. 有兩種 TRD 變體顯示了在ZCU106 評估套件上實現(xiàn)的HLG 和 PQ 類型 HDR 格式（表 1）的示例。

表1：AMD Xilinx 的ZCU106 評估套件實現(xiàn)了兩個 TRD 變體，以顯示 HLG 和 PQ 類型 HDR 格式的示例。（來源：AMD 賽靈思）

Zynq UltraScale+ MPSoC 的適應性強的硬件和軟件架構(gòu)使多媒體系統(tǒng)開發(fā)人員能夠隨著生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展實施新的 HDR 格式，因此他們始終為未來做好準備！

Gordon Lau 撰寫了Adaptable High Dynamic Range Streaming博客，經(jīng)許可在此重新調(diào)整用途。

作者

Gordon Lau 是位于加拿大安大略省多倫多市的 AMD 自適應和嵌入式計算組 (AECG) 的視頻系統(tǒng)架構(gòu)師。他擁有瑞爾森理工大學的電氣工程學位，在電子和可編程 FPGA 領(lǐng)域擁有 20 多年的職業(yè)生涯，專注于視頻接口、編解碼器和廣播工作流程。

審核編輯黃昊宇