高動態范圍 (HDR) 及其如此有吸引力的原因

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

HDR 是視頻生態系統的一項相對較新的功能，它專注于增加黑白之間的對比度，從而產生細節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，在體驗了視覺優勢之后，內容開發者和觀眾在分發或消費內容時都希望獲得同樣的功能。考慮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和圖像質量

圖 1顯示了高級 HDR 系統的概念。在 HDR 過程的開始，使用光電傳遞函數 (OETF) 將捕獲的場景光轉換為電子表示。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 (EOFT) 轉換回場景光。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）

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

混合對數伽馬 (HLG) EOTF 的開發是為了向后兼容現有的大多數 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，而無需額外元數據的復雜性，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，旨在根據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定義的元數據，該元數據標準化了原始母帶顯示的原色和亮度范圍等參數——可能讓所有觀眾擁有相同的體驗。每種格式都提供 HDR 內容，并在內容保真度、工作流影響、元數據要求和使用費義務方面進行權衡，這些在部署 HDR 系統和工作流時需要考慮。

使用 AMD Xilinx 平臺流式傳輸 HDR 內容

流媒體使高質量的媒體分發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。對于流媒體內容，HDR 增加了可感知的細節和分辨率影響，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據也是如此。

Zynq ? UltraScale+ ? MPSoC提供低功耗、單芯片解決方案，結合了全功能多核 Arm ?處理子系統和嵌入式實時 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。基于常見的行業工具和框架，如 Linux、V4L2 和 GStreamer，AMD Xilinx 使客戶能夠評估功能并開發帶有驅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。

對于不需要元數據的 HLG EOTF HDR 格式，從 SDI 或 HDMI 等物理連接中提取適當的色度信息，并將數據保存在 ITU 為 H 定義的標準化視頻可用性信息 (VUI) 字段內的編碼比特流中.264 或 H.265 比特流。對于 PQ EOTF HDR 格式，SMPTE-2086 定義的關鍵參數是從物理連接中捕獲的，例如原色和與母版顯示相關的元素，例如顯示色量 (MDCV) 和內容亮度 (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，以便可以為系統的顯示元素分發、解碼和提取數據（圖 2). AMD Xilinx 支持通過開放的標準化機制傳輸任何所需的 HDR 元數據，從而為未來的 HDR 格式提供適當的互操作性和靈活性。

圖 2：AMD Xilinx 多媒體堆棧中 PQ HDR 元數據的概念流程。（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 等行業標準接口重新創建以高達 4kp60 運行的系統，因此您可以評估系統并快速轉向定制. 有兩種 TRD 變體顯示了在ZCU106 評估套件上實現的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使多媒體系統開發人員能夠隨著生態系統的發展實施新的 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，經許可在此重新調整用途。

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) 的視頻系統架構師。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 領域擁有 20 多年的職業生涯，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