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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

2018-11-10

即将到来的国庆假期,作为老百姓关注的重点之一:中央广播电视总台开播的国内首个超高清电视频道CCTV 4K,将通过中星6A卫星和全国有线电视干线网正式向全国传输,北京、广东、上海等首批13个省区市有线电视网的用户终于可以“尝鲜”,体会到4K节目的真实效果。当虹科技不仅积极与有线网络公司一起全力保障频道的落地覆盖工作,同时,通过“4K HDR转SDR技术”的应用,实现新旧4K机顶盒等终端上提供更好的画质与色彩,以保证用户观看效果的极致体验。

对于已经开展多年国内4K超高清视频业务,市面上有着数千万级的存量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格式的高质量视频内容,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图像具有更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。但是视频信号有其独特的时域特性,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,形成了独特的CPU+GPU处理架构,能够适应各种复杂场景。

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