2023年“技术”动态元数据和动态制图将成为主流方案,再来说说HDR高动态范围技术(连载三)

前情回顾

从静态到动态HDR、HDR画质的进化之路

ST.2094是关于元数据的技术规范

ST.2094规定了在各种HDR技术格式中使用的元数据类型

元数据包含大量的屏幕信息,不仅仅是MaxCLL内容的最高亮度级别和MaxFALL平均帧最高亮度级别

不同HDR技术格式所采用的元数据技术规范的类型

对于HDR技术格式的分类,除了向后兼容外,还可以通过元数据和色调映射将HDR技术分为静态HDR和动态HDR两个阵营。 HDR10是静态HDR技术格式,而HDR10和杜比版本是动态HDR技术格式。

在HDR技术中,元数据Metadata是允许画面实现HDR的高动态范围效果的关键。 元数据技术其实并不是新技术。 以众所周知的杜比Atmos和DTS:X等声音对象为中心的沉浸式三维声音使用元数据来确定声音在电影场景中的位置和位移。 对HDR技术来说,元数据记录了电影画面中非常重要的信息,主要包含颜色和亮度两个方面的信息。 具体地说,包括视频分辨率、色域范围、色度采样、色彩深度、编码率、帧速率、画面比率、制作者的显示装置的亮度等,其中两个元数据非常重要,分别是MaxCLL内容的最高亮度等级和MaxFALL HDR显示设备可以正确处理HDR屏幕中的颜色和亮度细节,并且不会丢失这些重要细节级别的信息。

HDR10采用的静态元数据是指整个电影使用单一的元数据来控制每个帧的屏幕亮度变化,不会因不同帧的屏幕场景差异而调整。 该静态元数据方式的优点当然是简单的,无论是对制作者还是对显示装置来说,都只需要单一的元数据处理即可,所以在初始的HDR节目源中,包括HDR蓝光和国内外的流媒体节目源在内,基本上都采用了HDR10,关于显示装置缺点也同样明显,虽然整部电影都使用相同的元数据来控制光影的变化,但影片中各帧的动态范围并不相同,容易丢失雪山、暗夜等一些大动态场景画面的暗部和高光细节。 这也是初期HDR显示装置的HDR画面表现不尽如人意的主要原因。 既有黑色位置稳固、阳光强烈的情况,也有容易出现曝光问题、失去高光水平的情况。

为了解决静态元数据的问题,不使用单一的元数据,而是对电影的各个场景设定不同的元数据,最大限度地优化HDR画面的亮度表现,维持暗部和高光的详细等级,同时充分释放各场景的画面的运动,从而进行动态调整HDR10和杜比vision均采用动态元数据,HDR的整体屏幕显示优于HDR10,但杜比vision具有专用的Trim Passes metadata微调元数据和12位色彩深度扩展功能针对支持杜比vision的显示器进行了优化,而且要支持杜比vision,需要单独购买杜比vision编解码芯片并支付许可费。

元数据与色调映射密切相关,HDR也可分为静态色调映射和动态色调映射

动态色调映射根据屏幕中每个场景的亮度标准设置不同的色调映射曲线

静态色调映射使用一条亮度曲线来处理所有场景的高光修剪和亮度变化

有了元数据,要实现正确的HDR屏幕显示,必须进行正确的色调映射。 色调映射简单地说,就是将我们看到的显示设备尽可能地与电影后期制作的监视器效果相匹配。 目前家用显示设备的性能,尤其是亮度方面的性能,还离后监视器很远,要实现近屏幕的亮度、细节灰度、颜色,需要整个屏幕的灰度映射变换。 显示设备的色调映射也可以分为静态映射和动态映射两种方式。 静态映射基于HDR节目源中的静态元数据,将整个电影转换为单一色调映射。 也就是说,使用一条亮度曲线来处理高光滚降和高光接触点。 显示设备的HDR处理性能要求不高,很容易实现。 所有HDR设备都支持静态映射。 这种简单粗暴的色调映射方法对于动态范围不是很大的HDR节目源和亮度动态范围相对较大的显示设备也是足够的。 但是,根据HDR节目的源,在某些场景需要使用超高亮度或超低亮度的情况下,或者在家庭影院投影仪那样亮度不是很高的显示装置的情况下,在低亮度的场景中暗部的细节会丢失,在高亮的场景中阳光不会照射到显示装置上

于是,出现了这两年讨论热度最高的动态色调映射。 请注意,动态映射与动态元数据不同。 两者可以一起执行,但也可以单独执行动态映射。 从运用效率和正确率的观点来看,结合动态元数据的动态映射是理想的。 HDR10和杜比vision的动态元数据允许显示设备动态地逐场景或逐帧映射,而不需要高性能的处理器。 该方式是预处理的动态映射技术。 那么,遇到大量使用静态元数据的HDR10节目源时,要进行动态映射处理,只能依靠显示设备中内置的处理系统。 今年越来越多的平板电视、激光电视、激光超短焦投影仪和家庭影院投影仪开始加入动态测绘相关功能。 另一方面,依赖于强大的运算能力,需要大容量的影像数据库才能在各种场景中获得正确的色调映射。 请注意,这是后处理的动态映射过程,屏幕不一定正确。 因此,显示设备的后处理动态映射处理功能往往留有用户可调整的空间。 例如,高校有三种不同的处理强度设置范围,用户可以根据电影源是偏向亮点还是暗部自行选择。 结合了上述动态元数据和动态映射的预处理动态映射模式,例如HDR10,基本上只有打开和关闭的选择。

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