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当虹科技HDR转换技术 保障有线用户CCTV 4K收视体验

2020-11-27 14:56:32


对于已经开展多年国内4K超高清视频业务,市面上的存量4K终端设备(主要是机顶盒及电视机),终端中绝大部分的播放芯片及显示核心相对比较老旧,不支持50 fps高帧率、BT.2020宽色域、10bit量化及HDR高动态范围,无法播放还原4K HDR格式的质量高视频内容,对于用户的收看CCTV 4K的节目内容,有着关键的影响。


数字视频信号中一般都有特定的标志位来标识传输曲线(EOTF),终端播放器和显示设备需要根据该标志位来解码视频信号,并将电信号还原为光信号在显示设备上呈现,供用户观看。


为什么需要做转换呢?如果标志位与视频信号不匹配,或者终端播放器无法识别该标志位时,将电信号还原为光信号的结果会出错,最终显示效果异常。例如10bit视频中的数字 940 在SDR曲线中表示亮度100nit,在HLG曲线中表示亮度1000nit,在PQ曲线中表示亮度10000nit,差别巨大。这也是HDR视频直接在SDR电视机上播放时“偏灰偏暗”现象的原因。HDR转SDR的核心技术是色调映射,那么什么是色调映射呢?


色调映射目的是使高动态范围HDR图像能够适应低动态范围SDR显示设备,是指将高动态HDR图像进行大幅度的对比度衰减,可以在SDR设备上正确显示,同时又能够尽可能保持图像细节和颜色等明暗信息,而又不会显著降低图像质量。在色调映射过程中,图像的色度、亮度、动态范围等都发生了显著变化。那么如何实现色调映射呢?


HDR图像比SDR图像具有很多的暗部细节和亮部细节,如果使用简单的线性映射,处理结果会出现较严重的失真。Arcvideo色调映射算法针对HLG/PQ等传输曲线的亮度分布特点,基于大量HDR视频中图像的分析,根据亮度对HDR图像进行分段处理,直观上讲就是将不同区段的亮度进行相应的拉伸或压缩。在色调映射过程中对R/G/B三个颜色通道的处理会造成图像饱和度降低,所以算法也要相应考虑颜色映射。


以上所述是图像色调映射算法,视频的处理可以看作是对其每一帧执行相同的图像色调映射算法。但是视频信号有其特有的时域特性,如视频一般都包含多个场景,极端情况下明暗场景会快速切换,处理不当的话会造成帧间闪烁,降低人们观看体验。Arcvideo色调映射算法通过检测HDR视频不同场景的亮度值和对比度,得到每个场景的图像特征,对色调映射算法参数做适当调整,从而能适应不同风格的视频。


另外,直播场景时对于4K 50P的信号,每秒需要对3840×2160×3×50 ≈ 1.2×10^9个数据点做处理,算法涉及到大量的指数运算,并对计算精度有较高的要求,并且要保证每一帧数据处理时间小于20ms,所以算法的计算效率尤为重要。Arcvideo色调映射算法设计时就考虑了快速算法架构,特别是借助GPU千核运算能力进行并行处理,形成了特有的CPU+GPU处理架构,能够适应各种复杂场景。


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