前言

　　視頻不斷向前發展。黑白視頻最終讓位于標清彩色視頻。反過來，色彩范圍有限的SD讓位于更高分辨率及更多和更豐富色彩的高清。技術繼續發展，更高分辨率和更深色彩的超高清正在向我們迫近。視頻演進的下一步是高動態范圍（HDR），它是一個旨在增加視頻的顏色數量和亮度，更接近于在自然界人眼可視景物的新興標準。

　　目前有三種在近期可能用來改進視頻體驗的技術：提高視頻幀率、增加每幀的像素數，和/或改進像素本身。本白皮書聚焦于第三種方式，并且論證在當前的標準化格局不確定的情形下，以軟件支持HDR是適合視頻生態系統的最佳途徑。

HDR：正在進行的工作

　　當前視頻領域很多令人興奮的工作集中于改善像素和通過付費電視、因特網、衛星及其它視頻工作流程精確傳播這些改進，以便在市場中越來越常見的4K監視器上產生光澤鮮艷的圖像。

　　支持HDR的標準制定是正在進行的工作。由于技術和商業的原因，業界尚未就標準的形態達成共識。基本問題依然圍繞著HDR元數據的編碼、傳輸和解碼方式。細分行業（如付費電視提供商和支持他們的內容所有者）是繁榮興旺還是受到挑戰，取決于最終采納的一系列規范。

悠久的歷史

　　把電子信號轉化為接近于真實世界的彩色的努力與電視廣播的歷史一樣悠久。色彩研究在彩色電視出現幾十年前就開始進行了，但研究被第二次世界大戰中斷。1931年，國際照明委員會（CIE）制定了CIE 1931 RGB彩色空間和CIE 1931 XYZ彩色空間。60年后的1990年，高清電視標準被用ITU-R Rec.709確定下來。它把色域限制于CIE彩色空間所要求的一個相對狹窄的區域。2012年，ITU Rec.2020（UHD）頒布。高動態范圍是實現Rec.2020可獲得的擴展彩色空間的一個努力。

圖1 - Rec. 2020為高動態范圍視頻提供擴大的彩色空間

每一個比特都有用

　　可被顯示的顏色數量被稱為色彩深度或位深度。色彩深度或是被用于表示位圖圖像或視頻幀緩存內一個像素的比特數量，或是被用于一個像素的每個彩色分量的比特數量。當使用8比特像素時，有256的色彩深度。對由10比特組成的像素，色彩深度跳到1024。色彩深度翻兩番不僅增加顏色深淺度和層次，而且使色系內的色彩轉換更平滑。這可能非常關鍵：在8比特環境中，可能出現人為的分級現象，可見到從顏色的一個梯度漸變到另一個梯度。本質上10比特像素提供更接近與人類能夠感知的極限的一系列顏色；而且這種情況是平滑出現，沒有可見的失真。

圖2 – 10比特色彩深度呈現色系內平滑的色彩過渡

　　增加比特數是改善像素的很好的第一步。然而，它卻意味著很少其它同樣重要的改變。一個與向像素增加比特密切相關的演變是總體顯示技術的改進。陰極射線管（CRT）使用電子槍和熒光屏顯示圖像，是數十年來電視顯示屏的唯一選擇。同樣，一些液晶顯示器（LCD）僅在兩個位置背光照明。如果一個明亮的事件出現在屏幕上，生成的圖像會相當過飽和。此畫面幾乎肯定不會像內容創造者所預期的那樣“搶眼”。這些圖像過不了眼睛這一關。

　　這個問題通過具有局部或均勻散布的背光照明能力的現代LED或OLED得到緩解。使用這些顯示器，亮和黑之間（夜間海灘上的篝火火焰對遠方大海的黑暗之間）的轉換均勻地更極致、更鮮明、更生動。

圖3 – 增加色彩深度降低可見條帶效應，產生平滑的漸變。

　　一個構成轉向HDR的基礎的相關進展是基礎設施理解和數學表現編碼圖像的性質以及在解碼過程中利用該信息的提高的能力。歷史上，一個稱為伽瑪曲線的技術被用于將來自編碼器（和藝術指導）的指令傳輸到顯示器。不過，此伽瑪曲線是CRT時代另一個遺物。它不再與當前的現代顯示器有關系。

　　HDR提供一種通過元數據描述和保護內容創作者意圖的方式。本質上它包含一種內容創作者用來指示解碼器的語言。HDR以有序的方式提供關于內容創建方式的元數據給顯示設備，因此顯示器能夠最大化自身的能力。隨著顯示器的發展，HDR將允許現有設備始終盡最大努力呈現圖像，而不是遭遇不可行的限制。

　　一個被稱為電光傳遞函數（EOTF）的方式被引入以取代CRT的伽瑪曲線。一些工程師把EOTF更簡單地稱為感知質量或PQ。不管什么名字，它都按照內容創作者給出的指示提供更具粒狀的亮度映射呈現方式。EOTF是高效率視頻編碼（HEVC）標準的一部分。

　　在HDR中采用EOTF特別重要，原因是端到端工作流程——從攝像機、到編碼器和分配路徑，再到解碼器以及最終的電視屏幕，要求內容經過許多轉換。不同的標準（有些相對新，有些沿用已久）被用于分配路徑中的不同節點。EOTF是確保通過這些階段質量不會降低的方式，并且提供評估視頻內容的藝術完整性是否得以保持的至關重要的高水平手段。

從科學到實踐

　　視頻業面對的下一個大挑戰是將HDR背后的科學轉化為能夠確實完成消費者要求的使HDR成為現實的任務且為提供商提供投資回報的一個系統或多個系統。這增加了從實驗室到市場的復雜性。

圖4 – 標準動態范圍 對比高動態范圍視頻

　　了解現狀以及HDR處于發展初期很重要。存在相當多的HDR解決方案，但它們之間技術差別很大。它是剛剛興起的行業的一個方面，但與此同時，內容創作者和廠商希望快速利用市場營銷者通過HDR顯現出來的極佳的概念。此外，電視機廠家正在向消費者推銷HDR，希望增強4K電視產品且有更高的零售價格。

　　離有一個既適合傳統又適合OTT分發的基于標準化的HDR方案的穩定環境還需要一段時間。當前，端到端解決方案剛剛開始出現。此外，還無法說哪個方案獲得各個行業贊成。在缺乏這樣的基本信息時，付費電視公司（有線電視運營商、電信公司等）可能根據本地因素以及他們的企業所有制和聯盟的利害關系要求不同的解決方案。在缺乏行業共識時，可能出現一個內容提供商和所有者必須支持多種文件庫和工作流程的局面。這種情況（它在自適應碼率流媒體領域中已經逐漸消失）效率極為低下。

　　有很多實體提出了解決方案。飛利浦、杜比、特藝和BBC/NHK以及不知名的實體都有候選方案。還可能涌現其它解決方案。迄今為止最值得關注的基于標準的方案是HDR-10（往往也被稱為普通HDR），它是來自SMPTE的規范之組合。其它組織（如ETSI）正在致力于制定完整或分系統。MPEG正向其HEVC標準增加補充增強信息（SEI），以支持HDR。當然，這些競爭的方案正在幕后推進，以使他們的知識產權成為基于標準的方案。

方案之間的差異細節頗為顯著，但在較高層面，有兩個主要考慮。首先是某一系統是否向后兼容（即它是否使用現有的編碼/解碼設備）。其次是HDR和SDR向后兼容元數據如何傳輸。至少可以這樣說，它們都很重要。

向后兼容性

　　對某些付費電視公司、分配商和設備制造商來說，選定一個不需更換編碼器/解碼器的方案是非常重要的。Dolby Vision、特藝、飛利浦和BBC/NHK全都為向后兼容。在向后兼容方案中，當一臺SDR電視機收到視頻信號時，HDR元數據就被機頂盒或顯示器忽略。

　　但是，并非所有HDR潛在客戶關心向后兼容性。在某些分配生態系統中（如OTT和藍光2），很少出現向后兼容性問題。因此，可能出現的一種情況是支持HDR將要求換掉編碼器、解碼器和有線電視機頂盒。由于可能必須保持兩套內容（SDR和HDR），非向后兼容方案無疑將導致此生態系統的各個成員產生高昂成本。

單層或雙層

　　方案之間的另一個差異是元數據通過工作流程的方式。在雙層方案中，SDR和HDR視頻流單獨通過工作流程。在單層方案中，額外的元數據（它們必須加到SDR使之成為HDR）被集成進單層及靠邊元數據內。

　　雙層方案的挑戰是傳統的系統（編碼器、電視機、機頂盒等）希望單一視頻流。第二視頻流的引入使重要的輔助業務（如緊急信息發布、屏幕顯示以及廣告拼接和插入）較為困難。雙層方案提供最高質量的觀看體驗，沒有數據大小的限制。單層方案較適合現有的視頻工作流程。

圖5 – HDR解決方案比較

　　最后一個關注點是行業必須選定在短期內使實時HDR可行的方案。這特別重要，原因是直播體育將成為HDR的一個主要的展示櫥窗和推動因素。例如，如果一場足球賽在一個區域是明亮而另一個區域較暗的球場（如由于看臺導致的陰影）進行，HDR使球場全部區域看上去都同樣清晰。相比之下，為確保滿意的觀看體驗，采用SDR則須做出看清球場哪個區域的取舍決定。

結論：軟件是關鍵

　　HDR的優點極大，業界希望盡快把它們提供給客戶。有影響力的公司正在推出可行的HDR實施技術，而另一些公司正在敦促開放方案，旨在防止行業陷入分裂陣營（結果像VHS對Betamax或藍光對HDDVD的局面）。

　　澄清并解決這些問題需要一些時間，也無法保證將對單一HDR方案達成一致意見。這對內容所有者特別重要。例如，一個內容所有者可能被要求以兩種不同格式為兩個不同的分配商提供HDR內容。當內容創作者嘗試出售其內容庫供再使用和再播出時，這可能是一個問題。

　　不過，此似乎棘手的難題有一個簡潔的答案。它很簡單，能讓內容制作者和負責編碼內容的公司商業上開心，并未來無憂。用Elemental的視頻解決方案建立一個基于軟件的基礎設施，現在就可實施全新和鮮亮的彩色和亮度標準，無需做昂貴的決定或維持運行平行的基于硬件的HDR孤島。

　　HDR是視頻總體發展的一個關鍵要素，并且是一個多種因素持續重組發展的宏大藍圖遠景的一部分。在這樣一個環境中，盡可能使更多部件以軟件形式實現是一個優勢：它降低資本和運營開支。Elemental采用軟件定義的解決方案應對HDR挑戰。Elemental靈活和可擴展的軟件之設計利用云的通用處理能力和優勢，無需大的硬件投資，就能最大地完成視頻處理和分發任務。