河套IT TALK 63：（原创）由浅入深说高清——HDR的标准之争
当我们谈论视频技术时，超高清视频（ultra high definition，简称uhd）无疑是当今最令人兴奋的领域之一。上期，我们简单介绍了一下高动态范围（hdr）的一些技术指标和参数，以及hdr和sdr的区别。本期，我们将谈一下当下hdr复杂的标准状况，以及这些标准之间的差异性。
关联回顾
全图说电视的发展历史
全图说视频编解码的发展历史
由浅入深说高清——聊聊高动态范围（hdr）
自 2014 年以来，出现了多种 hdr 格式标准，包括：hdr10、hdr10+、dolby vision和hdr vivid。有些格式是免版税的，有些则需要许可证。这些格式的功能各不相同。今天我们就梳理一下这些标准异同点。dolby vision
杜比视界 (dolby vision) 是杜比实验室在2014 年为高动态范围(hdr) 视频推出的一组技术标准。它涵盖内容创建、分发和播放。因为推出时间最早，使其成为第一个可用的hdr 格式。
杜比视界支持的最大分辨率为 8k，色深高达 12 位，最大峰值亮度为 10,000 尼特。由于在 sdr 影院中使用 2.6 伽玛和 48 尼特，杜比影院中使用的 108 尼特已经是 hdr。然而，根据杜比视界白皮书，截至 2018 年，杜比视界 hdr 参考监视器等专业参考监视器目前的峰值亮度限制为 4,000 尼特。黑电平：最高0.005尼特。对比度：至少 200,000:1。
杜比视界的传递函数（亮度曲线），采用感知量化器（pq）。色域色彩空间使用itu-r rec. bt.2020 in yc b c r或iptpqc2。
和hdr10不同，它支持动态元数据，内容创建者可以根据其意图调整和优化 hdr 视频的每一帧的亮度、颜色和清晰度，以匹配显示色量（即最大和最小亮度能力和色域），以适应消费者显示器的能力。它可以使用静态元数据 (smpte st 2086) 对母版显示色度信息进行编码，还可以为每个场景或帧提供动态元数据（smpte st 2094-10，杜比格式）。这种动态元数据或动态 hdr 允许根据需要逐个场景甚至逐帧调整亮度和对比度（实际上是色调曲线），并在视频/电影期间多次调整。
pq 感知量化器( pq ) 是由杜比开发的亮度曲线，通过替换sdr中使用的伽玛曲线来实现hdr显示。pq于2014 年由电影电视工程师协会（smpte）标准化，发布为smpte st 2084。itu在2016年的itu-r rec. 2100（简称：bt.2100）中也包含了pq。
pq是hdr 视频格式（杜比视界、hdr10和hdr10+）的基础，也用于hdr静态图片格式。pq不向后兼容bt.1886 eotf（即sdr的伽马曲线），而hlg（编者注：混合对数伽玛，后面会详细讲）是兼容的。
pq 是一种基于人类视觉对条带感知的非线性传递函数，能够在 12 位中产生无可见条带。扩展到 10000 cd/m 2的幂函数（在标准动态范围应用中用作 eotf）将需要 15 位。
hdr10
hdr10是美国消费者技术协会（cta）于 2015 年 8 月 27 日宣布的开放式高动态范围视频(hdr) 标准。hdr10 是一种开放标准，但hdr10 不向后兼容sdr。它包括hdr 静态元数据但不包括动态元数据。它不提供以基于内容创建者意图的方式针对消费者显示器的能力优化内容的能力。
hdr支持10位的位深。基于：itu-r bt.2020 的原色色彩空间。hdr10 在技术上限制为最大 10,000 尼特的峰值亮度，但是常见的 hdr10 内容的峰值亮度为 1,000 至 4,000 尼特。
hlg hlg是混合对数伽玛（hybrid log–gamma）的英文缩写。是英国广播公司bbc和日本广播公司nhk联合再2015年开发的用于高动态范围(hdr) 显示的亮度曲线提案。
hlg 也是一种hdr 格式，它使用 hlg 亮度曲线、bt.2020 原色和10 位位深度。hlg 旨在向后兼容sdr uhdtv。当接收器与 bt.2020 彩色容器兼容时，向后兼容性允许它们与现有传输标准一起使用，从而降低设备制造商和内容分销商的复杂性和成本。但是，hlg 并不打算与无法解释 bt.2020 比色法的传统 sdr 显示器完全向后兼容。
hlg 传输函数和 hlg 格式都是免版税的。该提案在5月份，提交给国际电信联盟( itu)。2016年，国际电联正式心啊hlg的内容，宣布了rec. 2100定义了两个 hdr 亮度曲线，即 hlg 和 pq。该亮度曲线也被无线电工业和商业协会( arib)批准为arib std-b67。atsc 3.0、数字视频广播(dvb) uhd -1 phase 2 都包含了对hlg的支持。
hdr10+
hdr10+是hdr10的升级版，将静态元数据替换为动态元数据。动态元数据用于根据内容创建者的意图调整和优化 hdr 视频的每一帧以适应消费者显示器的能力。动态元数据可用于更准确地逐个场景或逐帧地将亮度级别调整到整个 pq 代码值范围（最大亮度 10,000 尼特）。hdr10+ 是作为hdmi 2.1标准一部分的动态元数据的默认变体。
hdr10+是 2017 年 4 月 20 日由三星和亚马逊视频发布的。该技术在电影电视工程师协会的smpte st 2094 -40中进行了标准化和定义。和hdr10一样，hdr10+也是一种开放标准，免版税。
2017 年 8 月 28 日，三星、松下和20 世纪福克斯创建了hdr10+ 联盟以推广 hdr10+ 标准。
hdr vivid
菁彩hdr（hdr vivid）是世界超高清视频产业联盟（uwa）在2020 年联盟发布技术团体标准（编者注：uwa的前身是中国超高清视频产业联盟（uhd alliance））。2022 年广电行标《高动态范围电视系统显示适配元数据技术要求》gy/t 358—2022 发布。
hdr vivid支持动态元数据。支持10/12bit位深，色域支持bt.2020 或dci-p3，亮度曲线支持pq和hlg。hdr vivid和sdr有非常高的兼容性。hdr vivid也是一个开放性标准，从标准代码到实施规范等全部资源均可通过指定渠道免费获取。
hdr vivid自发布以来，各大企业相继加入生态圈，filmlight公司的baselight 5.3、blackmagic design公司的davinci resolve studio 18、索贝的editmax 11.5等制作工具都已支持hdr vivid。华为鲲鹏和昇腾服务器支持hdr vivid的转换。爱奇艺、华为视频、咪咕视频、腾讯视频等均已上线hdr vivid内容。微信、快手、抖音、微博、小红书等短视频平台也都正在适配hdr vivid。
该标准的核心技术已实现在超高清视频内容制作、编码、接收、解码、显示等端到端的全产业链布局，率先应用于北京冬奥会、冬残奥会的相关转播活动。
截至到2022 年10 月，电信运营商iptv 用户超过3.7 亿，4k/8k 智能机顶盒支持菁彩hdr，会为用户提供更真实的菁彩超高清视频体验。根据电信运营商iptv 业务规划和集采要求，中国电信4k 智能机顶盒、移动魔百和均支持菁彩hdr。
在2022 年11 月卡塔尔足球世界杯, 中国移动携手世界超高清视频产业联盟共同推动菁彩hdr、audio vivid 商用落地，打造纤毫毕现、声临其境的视听盛宴。这也是我国自主超高清音视频标准首次用于世界杯直播，国产超高清音视频标准进入“移动端规模化商用”时代。
hdr 标准格式比较 最后，我们通过表格的方式，简单比较一下各种hdr格式标准：
hdr10 hdr10+ dolby vision hdr vivid
标准开发者 cta 三星 杜比 uwb
开放性 免费 内容免费
设备制造商年费
私有 免费
亮度曲线 pq pq pq/hlg pg/hlg
位深 10bit 10bit或以上 10bit 10/12bit
亮度峰值 10,000 nits 10,000 nits 10,000 nits 10,000 nits
色彩空间 rec. 2020/p3-d65 rec. 2020/p3-d65 rec. 2020/p3-d65 rec. 2020/p3-d65
元数据 静态 静态+动态 静态+动态 静态+动态
后相兼容 不兼容 hdr10 相对较高 相对较高
从上述的描述，大家可以看出来，hdr存在多种技术标准共存的现实状况。标准之间的兼容性较差，不能覆盖主流终端的适配、认证以及测试过程，导致终端呈现效果差异明显，用户难以获得一致的视觉体验。下一次，我们就会专门谈一谈hdr发展面临适配性、流程复杂、两极化三大问题。 ————未完待续————
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杜比视界 (dolby vision) 是杜比实验室在2014 年为高动态范围(hdr) 视频推出的一组技术标准。它涵盖内容创建、分发和播放。因为推出时间最早，使其成为第一个可用的hdr 格式。
杜比视界支持的最大分辨率为 8k，色深高达 12 位，最大峰值亮度为 10,000 尼特。由于在 sdr 影院中使用 2.6 伽玛和 48 尼特，杜比影院中使用的 108 尼特已经是 hdr。然而，根据杜比视界白皮书，截至 2018 年，杜比视界 hdr 参考监视器等专业参考监视器目前的峰值亮度限制为 4,000 尼特。黑电平：最高0.005尼特。对比度：至少 200,000:1。
杜比视界的传递函数（亮度曲线），采用感知量化器（pq）。色域色彩空间使用itu-r rec. bt.2020 in yc b c r或iptpqc2。
和hdr10不同，它支持动态元数据，内容创建者可以根据其意图调整和优化 hdr 视频的每一帧的亮度、颜色和清晰度，以匹配显示色量（即最大和最小亮度能力和色域），以适应消费者显示器的能力。它可以使用静态元数据 (smpte st 2086) 对母版显示色度信息进行编码，还可以为每个场景或帧提供动态元数据（smpte st 2094-10，杜比格式）。这种动态元数据或动态 hdr 允许根据需要逐个场景甚至逐帧调整亮度和对比度（实际上是色调曲线），并在视频/电影期间多次调整。
pq 感知量化器( pq ) 是由杜比开发的亮度曲线，通过替换sdr中使用的伽玛曲线来实现hdr显示。pq于2014 年由电影电视工程师协会（smpte）标准化，发布为smpte st 2084。itu在2016年的itu-r rec. 2100（简称：bt.2100）中也包含了pq。
pq是hdr 视频格式（杜比视界、hdr10和hdr10+）的基础，也用于hdr静态图片格式。pq不向后兼容bt.1886 eotf（即sdr的伽马曲线），而hlg（编者注：混合对数伽玛，后面会详细讲）是兼容的。
pq 是一种基于人类视觉对条带感知的非线性传递函数，能够在 12 位中产生无可见条带。扩展到 10000 cd/m 2的幂函数（在标准动态范围应用中用作 eotf）将需要 15 位。
hdr10
hdr10是美国消费者技术协会（cta）于 2015 年 8 月 27 日宣布的开放式高动态范围视频(hdr) 标准。hdr10 是一种开放标准，但hdr10 不向后兼容sdr。它包括hdr 静态元数据但不包括动态元数据。它不提供以基于内容创建者意图的方式针对消费者显示器的能力优化内容的能力。
hdr支持10位的位深。基于：itu-r bt.2020 的原色色彩空间。hdr10 在技术上限制为最大 10,000 尼特的峰值亮度，但是常见的 hdr10 内容的峰值亮度为 1,000 至 4,000 尼特。
hlg hlg是混合对数伽玛（hybrid log–gamma）的英文缩写。是英国广播公司bbc和日本广播公司nhk联合再2015年开发的用于高动态范围(hdr) 显示的亮度曲线提案。
hlg 也是一种hdr 格式，它使用 hlg 亮度曲线、bt.2020 原色和10 位位深度。hlg 旨在向后兼容sdr uhdtv。当接收器与 bt.2020 彩色容器兼容时，向后兼容性允许它们与现有传输标准一起使用，从而降低设备制造商和内容分销商的复杂性和成本。但是，hlg 并不打算与无法解释 bt.2020 比色法的传统 sdr 显示器完全向后兼容。
hlg 传输函数和 hlg 格式都是免版税的。该提案在5月份，提交给国际电信联盟( itu)。2016年，国际电联正式心啊hlg的内容，宣布了rec. 2100定义了两个 hdr 亮度曲线，即 hlg 和 pq。该亮度曲线也被无线电工业和商业协会( arib)批准为arib std-b67。atsc 3.0、数字视频广播(dvb) uhd -1 phase 2 都包含了对hlg的支持。
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hdr10+是hdr10的升级版，将静态元数据替换为动态元数据。动态元数据用于根据内容创建者的意图调整和优化 hdr 视频的每一帧以适应消费者显示器的能力。动态元数据可用于更准确地逐个场景或逐帧地将亮度级别调整到整个 pq 代码值范围（最大亮度 10,000 尼特）。hdr10+ 是作为hdmi 2.1标准一部分的动态元数据的默认变体。
hdr10+是 2017 年 4 月 20 日由三星和亚马逊视频发布的。该技术在电影电视工程师协会的smpte st 2094 -40中进行了标准化和定义。和hdr10一样，hdr10+也是一种开放标准，免版税。
2017 年 8 月 28 日，三星、松下和20 世纪福克斯创建了hdr10+ 联盟以推广 hdr10+ 标准。
hdr vivid
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hdr vivid支持动态元数据。支持10/12bit位深，色域支持bt.2020 或dci-p3，亮度曲线支持pq和hlg。hdr vivid和sdr有非常高的兼容性。hdr vivid也是一个开放性标准，从标准代码到实施规范等全部资源均可通过指定渠道免费获取。
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私有 免费
亮度曲线 pq pq pq/hlg pg/hlg
位深 10bit 10bit或以上 10bit 10/12bit
亮度峰值 10,000 nits 10,000 nits 10,000 nits 10,000 nits
色彩空间 rec. 2020/p3-d65 rec. 2020/p3-d65 rec. 2020/p3-d65 rec. 2020/p3-d65
元数据 静态 静态+动态 静态+动态 静态+动态
后相兼容 不兼容 hdr10 相对较高 相对较高
从上述的描述，大家可以看出来，hdr存在多种技术标准共存的现实状况。标准之间的兼容性较差，不能覆盖主流终端的适配、认证以及测试过程，导致终端呈现效果差异明显，用户难以获得一致的视觉体验。下一次，我们就会专门谈一谈hdr发展面临适配性、流程复杂、两极化三大问题。 ————未完待续————
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