浅谈Hybrid Log-Gamma[HLG]技术
农步祥 于 2018.04.05 03:13:22 | 源自:www.soomal.com | 版权:原创 | 平均/总评分:09.79/411
  • 制造商=CANON;型号=CANON EOS 550D;焦距=20毫米;光圈=F3.5;测光模式=模式;感光度=ISO1250;白平衡=自动;曝光补偿=0.0EV;曝光时间=1/200秒;曝光程序=快门优先;场景类型=标准;日期=2016.09.01 11:32:14
  • 在了解HDR10和杜比视界技术后,相信不少读者会将HDR功能视为未来电视机、显示器甚至手机和平板电脑的必备功能。 既然HDR有着巨大的技术优势,就更需要对HDR相关的技术有更多的一些了解, 选择自己需要的功能,避免被厂商在产品宣传上的文字游戏所忽悠。有人的地方就有江湖,大热门技术也会有技术标准的门派之争,正确识别这些技术流派同样重要,而今天就来简单介绍一下HDR影像的另一个重要分支——HLG。

    什么是HLG?

    HLG全名Hybrid Log-Gamma[混合对数型伽玛]。是由两大知名广播电视企业BBC和NHK联合研制并免费推广的一种HDR标准。这里的Log指的是高中数学必考内容的对数[logarithms]而非码农职业病的某些口头禅。由于Gamma[伽玛]这词在Soomal的各类屏幕相关的测评和科普文章中经常出现,其意义和重要性不再进行重复介绍。既然HLG是一种HDR保准,它自然也符合HDR的某些共同特点:

    • 1、内容记录的色彩空间扩展至广色域级别[更多的色彩]
      2、至少400nits以上的高亮度范围,更符合人眼对光影和色彩的观感[更高的动态范围]
  • HLG同样支持BT.2020级别的广色域和最高1000nits的记录以及2000nits的显示回放亮度,支持HEVC、VP9、H.264/MPEG-4 AVC等视频编码格式。目前Android和iOS上的BBC iPlayer、谷歌YouTube等支持HLG格式视频的回放。在2017年下半年以后的新品HDR电视机或是高端电视机型也逐渐开始提供HLG的支持。实际上,HLG在未来也能同样成为数码界的重磅话题,因为尼康、佳能、索尼、松下最新的高端全幅单反/单电相机和大量商用录像设备将以HLG记录HDR影像内容。

  • HLG的特点

    HDR10和杜比视界同属一派,主要区别是前者免费而后者更为商业化,其重要的核心其实是感知量化器[Perceptual Quantizer,PQ,或被称为SMPTE ST 2084]算法带来的高标准和显示一致性,对色彩、亮度和不同设备的显色一致性起到了非常重要的作用。PQ拓展的Gamma曲线使其能更好的展现图像的光与影,尤其是大幅度拓展高光的显示动态范围。PQ的技术是来自杜比实验室,而HLG本质上是另一套和感知量化器不同的Gamma记录和回放标准。

    HLG的核心是一种非线性的光电信号转换算法,它将图像信号的Gamma分为两部分,在接近SDR标准的0-100低亮度部分,采用常规的Gamma曲线、而偏向高光部分则采用特殊的非线性Gamma曲线进行记录和回放,这也是HLG技术中混合一词的缘由。由于考虑到有线电视的带宽有限,因此HLG对回放标准更加宽容,而且不支持显示元数据功能,

    HLG的优点

    在[《什么是HDR? 》[作者:农步祥 ] ]中我们介绍了感知量化器的特点和优势。既然HLG是全新的标准, 也同样具有自己的特点和优势。

  • 兼容非HDR显示:由于感知量化器的伽玛曲线更偏重于暗部和高光的大动态范围,而彻底抛弃了持续了近30年的SDR标准,最典型的例子就是在非HDR显示设备上由于不能识别PQ和显示元数据信息,Gamma值会极大幅度低于sRGB的2.2或Rec.709的2.4。最终的输出结果就是一片灰白黯淡,惨不忍睹的画面。另一个例子就是如果一台相机使用HDR10作为色彩和灰阶记录标准,那么最终HDR照片在非HDR显示器上显示时,暗部将严重发白而且充满噪点。

    虽然没有HDR显示器和电视机的用户可以通过[《使用madVR或mpv软件转换HDR视频至非HDR设备播放 》[作者:农步祥 ] ]等软件方式通过一定的算法将PQ的Gamma转换至SDR的Gamma值,让HDR视频显示正常的色彩和灰阶反差,但由于madVR使用方式过于复杂且仅限于Windows平台,而且对电脑性能要求过于变态[4核英特尔7代CPU、GTX1060起步],显然是无法被99%的本站读者所能掌握和接受的“兼容”方式。最终对于非专业用户,出于好奇而下载观看HDR视频或者照片就变成了“如此糟糕和恶心的画质”的印象体验而最终吓走很多还没下决心掏大钱更换电视机和显示器的消费者。

    而HLG的好处就是混合Gamma的算法,HDR内容的Gamma曲线即使在非HDR显示设备上被压缩后仍有较好的观感,色彩和灰阶表现和标准动态的影像相同,有更好的兼容性。

  • 显示一致性:由于用户使用电视机时,亮度普遍要远超100nits,SDR内容为了适配扩展的亮度,不同品牌电视内置的转换映射滤镜差异导致了五花八门的颜色效果。而HDR10的视频在非HDR电视上效果太糟,HDR的优势也无从谈起。而HLG的Gamma曲线可以保证在一定的亮度范围内[约320nits以内]的SDR设备上的色彩显示相对接近,对于很多高亮度、高色域的非HDR显示器和电视机也能很好地发挥HDR视频相对于SDR的色彩和动态的碾压优势。而相对于400nit以上符合HDR标准的设备,HLG同样具备一套转换标准保证显示一致性。

    总结和提示

    数字影像的本质是数据处理和运算,伽玛就是一个典型的数字视频信号的显示运算算术,相对来说,HLG对Gamma的算法更为灵活的巧妙。总的来说,HLG是一个兼容性相对于HDR10[感知量化器]的优势是能更好的兼容非HDR设备,在发挥HDR影像巨大优势的前提下保持对非HDR设备的良好兼容,这对于过渡时期的潜在消费者来说,不需要更换设备就能感受到HDR视频和照片的威力,鼓励用户和制作者在现有设备基础上制作和播放HDR内容。

    对于消费者来说,要如何选择支持HDR的设备呢?首先,如果是三星、索尼、LG等大品牌的中高端电视机,2017年后的新品都加入了HLG的支持,而且可以自动识别HLG和HDR10的信号。而且HDR10转换至HLG的算法也是免费公开的,现有的支持HDR10的设备都可以通过系统更新的方式增加对HLG的支持。因此,HDR10和HLG可以在一台电视上并存,前者偏重游戏娱乐和电影,后者更擅长数字电视广播、摄影和录像应用,两者并不完全冲突。对于相机发烧友来说,手上达到专业设备在显示HLG格式的视频和照片时也有较好的显示效果。尽管目前HLG的资源很少,但由于消费类相机和录像机设备的支持,以及更偏向广播电视行业的应用,HLG的资源也将必然会大量出现。

    在了解了HDR10、杜比视界和HLG后,相信大家对新电视的选购就可以非常明确了,除了了解屏幕的亮度、色域、延迟等硬件指标外,同时支持HDR10+HLG将是HDR电视的必然选择标准,明确的HDR10+HLG支持也可以在购买咨询中避免各类虚假宣传的消费陷阱。

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    一般来说,PQ用于电影行业(杜比公司提出的),定义的是EOTF 电光转换函数。每个电信号对应一个准确的亮度值。如果收看环境符合要求,显示效果是最好的。但是制作复杂,需要元数据。对SDR显示设备的兼容性差。
    HLG用于电视行业(BBC和NHK提出的),定义的是OETF 广电转换函数。元数据不是必须的,符合电视快速制作的要求。对SDR显示设备的兼容性较好。
    不同的摄像机还有不同的LOG曲线,LOG曲线保留了摄像机能采集到的更多亮度细节,为后期制作保留了较大的空间。
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