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海思半导体周海林:提升SDR转HDR的图像质量,实现HDR运营价值最大化

摘要】11月15日,第五届GFIC2016全球家庭互联网大会在上海国际会议中心正式开幕,本届大会的主题是重构大屏生态,共筑家庭入口。在16日举行的智慧家庭峰会暨4K极客论坛...

11月15日,第五届GFIC2016全球家庭互联网大会在上海国际会议中心正式开幕,本届大会的主题是“重构大屏生态,共筑家庭入口”。在16日举行的智慧家庭峰会暨4K极客论坛上,海思半导体有限公司视频领域首席架构师周海林就如何提升提升HDR转SDR的图像质量,实现HDR运营价值最大化等超高清发展趋势中的重要环节分享了自己的观点。  
 
 
周海林表示,谈到视频体验,芯片是一个重要的方面,它承载了很多视频处理的技术。关于如何提升体验业界已有共识,那就是需要多维度技术共同升级,这就是全4K的概念。关于全4K的内涵刚才张院长和罗博士已经作了全面阐述,我这里就不赘述,我想跟大家分享的是这些维度中哪些对体验的影响比较显著,在当前的节点我们最迫切要做的是什么。
 
第一个维度是4K的分辨率,这几年从高清升级到4K推动了视频业务的飞速发展。从技术层面我们看看为什么需要更高的分辨率,如果人眼感知到了相邻两个像素的差异,那就会觉得图像不够细腻,需要提升分辨率。人在什么情况下会感知到相邻两个像素的差异呢,主要看这两个像素在人眼形成的夹角多大,一般而言1分,即1/60度是一个门槛,大于1分容易感知,小于1分则逐渐难以感知。1分时什么概念呢,55寸高清电视在2.5米左右观看的时候相邻两个像素在人眼形成的夹角就接近1分。这意味着1080P分辨率已经接近感知的拐点,进一步把分辨率提升到4K有没有收益,有,但不像从标清升级到高清那样明显,它对体验的提升是有限度的。
 
第二个维度是帧率,从30帧到60帧影响的是运动画面的效果。但有没有注意过,大家现在看到所有4K片源基本上都是25fps,是不是也没觉得有太大问题?这是因为现在的4K电视机几乎所有的都支持倍帧技术,弥补了片源帧率的不足。但体育节目、球赛这些题材有问题,特别是足球这样高速运动的小物体对FRC来说很难做好,甚至有可能有的帧没有球,有的帧好几个球。所以高帧率可以提升体验,但也要看题材,主要是对体育节目这样的内容价值比较显著。
 
第三个纬度是声音,刚才杜比的周总已经谈了,在音频方面有很多新的技术,比如Atmos基于对象的方式表达声音,给人身临其境的感觉。音频是全4K的重要内容之一。
 
再一个是HDR和WCG的技术,跟之前讲的维度不太一样的是这两项技术对体验的提升是跨越式的,原因不在于它们本身多么神奇,而是目前的视频标准,即SDR标准已经与技术发展的阶段不适应了。SDR标准是基于CRT的能力制订的,它的核心内容,即EOTF曲线是GAMMA曲线,大家都知这是为了配合CRT显示设备的响应特性。CRT设备早已离我们远去,很不幸的是,标准还在束缚着体验进一步提升,升级到HDR标准可以说打破了旧有标准对生产力的束缚。 
 
10bit对HDR标准来说基本上是刚需,这是因为HDR内容动态范围更大,色域更大,所要表达的信息比以前多太多,如果继续用8bit量化就会精度不够,在渐变区域会发现很多的一圈一圈的,称为banding效果。面对这个问题,唯有提升亮化精度,而且处理通路上要保证端到端的10bit,一个环节不够都不行。
 
我们再从从国际标准这个纬度来看HDR对产业的影响。按照以往的经验,往往是标准先做,然后相关的技术出来了,再到相关产品出来了,但现在看到的是技术先行,倒逼着标准往前演进,HDR就是这样的情况,2015年前后各种HDR技术和产品都起来了,到了瓜熟蒂落的情况,需要达到这个标准。 
 
HDR对我们体验的影响如此之大,但回头看HDR运营,是不是万事俱备了呢。随着技术提供商大力的开发,已解决很多重要的问题,但从运营的角度看还是面临着明显的挑战。第一我们有很多的HDR的标准,这个标准如果要统一,可能很难,各标准肯定在各自领域里面有一席之地;同时我们看到很多的电视,在卖场里有高端的电视,比如有一部分杜比视界的电视,或者HDR10电视,但存量更多的还是传统的SDR电视。多种内容格式,多种电视类型,我们真的能保证每一种内容在每一种电视上都能有好的效果吗?如果保证不了这一点,HDR运营就有很大的问题。
 
举个例子,假如片源是HDR10而且用户家里的电视也支持HDR10,那很简单,机顶盒只要支持HDMI2.0a就能把相应的信息透传到电视机,处理和显示都由电视机做,体验能保证。但如果客户家里的电视是传统的SDR电视呢,HDR10的内容直接显示到SDR电视上就完全不对了,不止是没有HDR效果,根本就错的一塌糊涂。为什么这么差,原因在于HDR和SDR的EOTF曲线和色域都不一样,是两个不同的体系,假定一个像素值是500,在HDR和SDR中这个像素值分别代表着不同的颜色,因此把HDR10的内容显示到SDR电视上完全不行,观众看到这样的效果,不会对全4K运营有一点点好感。怎么办?换电视不太现实,要用户花很多钱。海外一个知名运营商做了一个HDR实验专区,他们的盒子不支持这个功能,我就问他们怎么解决这个问题,他们说是在头端为每个片源做了两个版本,一个HDR一个SDR,机顶盒根据自己所连接的电视特性选择取哪个版本。对于点播来讲,如果不考虑成本的话,可能也是一个办法,但是相关的传输存储的成本肯定很大。对DVB直播来说问题就更大了,现在一个4K节目一份码流基本上就占了一个64QAM的频点,如果放两份码流难道一个节目用两个频点?这里面技术难度姑且不论,频点资源也不允许。
 
所以,最好的解决办法就是让机顶盒变的聪明一点。机顶盒知道片源是什么类型,也知道它连接的电视是什么类型。如果片源是HDR而电视是SDR,机顶盒就做一个HDR到SDR的转换,这就解决了问题。可以预期在后续几年内SDR存量电视都是占绝对多数的,所以机顶盒的格式转换是目前HDR运营的基本条件,从某种意义上讲,HDR转SDR转做得有多好,就决定了HDR业务体验有多好。 
 
既然HDR转SDR如此重要,那么能不能能获得很好的效果呢。实际上目前的SDR电视早已不等同于CRT电视,它们虽然遵循SDR标准,但显示能力,包括动态范围和色域大都超越了标准的规定。现在我们有高质量的片源,如果合理地利用HDR片源多出来的信息,再利用电视实际上超越了SDR标准的显示能力,则完全有可能让HDR片源在SDR电视上获得很好的效果,甚至超越标准SDR片源的效果。
 
怎么做呢,我们看到第一个图是BT2100给出的PQ转HLG的流程图,按这个思路,把HLG换成GAMMA也就完成了HDR10到SDR的转换。从数学上来讲也是正确的,如果只是这么做,你得不到一个好的效果,容易遇到很多问题,比如亮区或暗区细节损失,色彩偏移等。解决这个问题是有方法的,比如在GAMMA之前加入tone mapping过程,就可以根据图像空域和时域的特征智能地调整图像内容,调整之后再执行GAMMA映射,就可以克服这些问题,在SDR电视上得到相当不错的显示效果。
 
所以机顶盒完全有可能做好这个转换。只要机顶盒具备良好的转换能力,HDR内容在SDR电视上不仅能够显示正常,其效果可以比传统SDR片源还要好。这就是HDR运营的独特优势,用户不换HDR电视也能获得体验提升,享受HDR的价值。
 

来源:AsiaOTT

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