HDR Vivid顯示設備技術要求和測試方法標準解讀

朱正元，陳仁偉，譚曉悅

（1.深圳賽西信息技術有限公司，廣東 深圳 518000；2.中國電子技術標準化研究院，北京 102600）

0 引 言

HDR全稱為High Dynamic Range，意指可以提供高動態范圍的顯示技術。和普通的SDR（Standard Dynamic Range）相比，HDR可以提供更高的動態范圍、更寬廣的色域以及更自然的色彩過渡，從而大大提高圖像明暗對比度，極大地還原真實環境，呈現極高的圖像品質，給體驗者帶來更具沉浸感的感受。HDR技術最初只應用到攝影領域，隨著科技的發展，該技術逐漸延伸到手機、電視及LED顯示屏等顯示領域[1]。

近些年來，國內使用的是由國外企業制定的主流HDR標準，包括HDR10+、Dolby Vision等。而HDR Vivid是國內自主研制的高清視頻標準，其在呈現效果、亮度以及適配性方面要優于國際標準。HDR Vivid作為國內獨創的HDR標準，是一個開放的、安全的產業技術標準，采取了友好的知識產權政策，降低產業上下游成本，更容易廣泛推廣。

2021年3月11日，由中國電子技術標準化研究院牽頭制定的CUVA 005.3-2021《高動態范圍（HDR）視頻技術 第3-1部分：技術要求和測試方法 顯示設備》，經中國超高清視頻產業聯盟正式公開發布。該標準規定了支持HDR Vivid規范的顯示設備或系統的測試條件、項目及方法，從接口、支持的信號格式、解碼功能要求、顯示性能要求及元數據處理要求幾個方面對顯示設備支持CUVA HDR Vivid的功能和性能進行了規定[2]。該標準將為HDR Vivid顯示產品提供公允的測試依據，并為規范該類型產品的市場提供標準化支撐，也將助力我國超高清視頻終端產品技術升級，推動超高清視頻產業高質量發展。

1 國內外HDR標準化現狀

2018年，國 際 電 信 聯 盟（International Telecommunication Union，ITU）定義了一個新的全球標準（BT.2100），用于寬色域顏色空間的高動態范圍視頻信號，為視覺顯示帶來了一個新的調色板。在ITU建議BT.2100中，HDR視頻是使用SMPTE ST 2084定義的感知量化器（PQ）傳遞函數來傳輸的，而不是使用Rec BT.709定義的傳統Gamma函數。信號在10 bit的視頻范圍內傳送，可以通過各種視頻編碼器進行傳輸。PQ傳輸函數允許的亮度范圍為0～10 000 cd/m2，比任何顯示能力都大，作為設計的一部分，每個值都應該在顯示器上創建每個代碼值的精確亮度。在首批采用PQ傳輸功能的公司中，藍光光盤協會將10 bit視頻信號加入了他們的標準，并將其命名為HDR10。

除了HDR 10外，還有一個由Dolby實驗室所開發的Dolby Vision。和HDR 10相比，Dolby Vision的規格更優異。首先，在最高亮度部分可以支持到4 000 nits，是HDR 10的4倍。其次，在“色深”部分支持12 bit，色彩階數是10 bit的幾十倍。最后，HDR 10是以一組“靜態數據”來對應整部影片，而Dolby Vision采取“動態數據”，能針對每一幅畫面（frame by frame）提供相對應的數據，讓每幅畫面的變化都符合導演的要求，整體表現優于HDR 10。

隨后，HDR10+以HDR10為基礎，進一步增強觀看體驗。HDR10+使用動態色調映射來優化每個場景，分別增加亮度和對比度，以適應顯示的能力。它還提供了少量的元數據包含亮場景與暗場景中的特點，這樣可以保留畫面重要的細節。HDR10+是一項免版稅的技術，從電影工作室和電影制作人到顯示器和設備制造商，都可以輕松使用。正因如此，HDR 10+的普及率要高于Dolby Vision。作為封閉式規格的Dolby Vision要想完全發揮效果，必須取得Dolby的授權，并有適配的硬件和專門的解碼 芯片。

為避免HDR領域被國外標準統治的局面，2019年12月，中國超高清視頻產業聯盟成立HDR標準工作組。經過一年的技術研制、標準討論以及測試驗證，在2020年底和2021年初，工作組分別發布《高動態范圍（HDR）視頻技術 第1部分：元數據及適配》和《高動態范圍（HDR）視頻技術 第3-1部分：技術要求和測試方法 顯示設備》，除了同樣采用動態元數據為顯示終端提供更加準確的動態范圍映射以外，HDR Vivid技術從頭端制作開始嵌入動態元數據，確保終端算力可實現。同時，開放的技術標準及實現方案，對產業鏈上下游各方來說，更適于產業部署。目前，在上游芯片、內容制作、顯示終端各方的推動下，預計2022年可以實現全面商用。

2 動態元數據技術解讀

創造者看到的視頻版本是在一個“理想”的黑暗世界里，在這個世界里主顯示器的范圍和人們日常使用的顯示器的范圍是不同的。同時，僅使用靜態元數據并不能為顯示提供足夠的信息進而為每個可能的場景應用適當的色調映射。色調映射的形狀是靜態的，沒有經過優化。例如，在漆黑的夜晚場景和白花花的雪山場景，是不能使用同一個靜態元數據進行色調映射的[3]。

動態色調映射從場景到場景應用不同的色調曲線。靜態色調映射在整個視頻內容中應用了相同的調整，無論是亮場景還是暗場景。使用動態色調映射，個性化的色調映射被適應性地應用于每個場景，創造出充滿活力的視覺效果，并實現前所未有的圖像質量，更好地符合導演的意圖。

動態元數據需要為播放設備或者顯示終端提供足夠的信息，以便準確地再現主顯示器的意圖。CUVA HDR標準規定了兩種模式，一種是統計信息模式，一種是曲線參數模式。統計信息模式是播放設備將顯示設備提供的動態范圍信息（EDID）按照CUVA 005—2020要求完成色彩動態范圍轉換過程和色彩校正過程處理后，交由顯示設備進行播放；曲線參數模式將CUVA HDR信號及動態元數據直接送給顯示設備進行播放，涉及基礎曲線參數、參考亮度、修正曲線參數、表達三次樣條的調整 信息等。

3 CUVA HDR測試標準解讀

《高動態范圍（HDR）視頻技術 第3-1部分：技術要求和測試方法 顯示設備》由中國電子技術標準化研究院牽頭研制，適用于支持CUVA HDR的各類顯示技術的顯示設備。其中定義了CUVA顯示設備是指能夠依據CUVA 005—2020完成元數據和相應圖像處理并進行圖像顯示的設備，同時定義了CUVA播放設備是指能夠進行視頻解碼并依據CUVA 005—2020完成元數據和相應圖像處理，最后通過數字視頻接口進行輸出的設備?？梢姡摌藴试趥鹘y高清電視的測試項目基礎上，新增了很多對于CUVA HDR元數據處理的要求。總體測試項目包括接口、支持信號格式、解碼功能、顯示性能以及動態元數據處理。每一部分的測試子項目如表1所示。

表1 測試項目明細

顯示性能主要包括峰值亮度、穩定峰值亮度、最小黑色亮度、亮度動態范圍、對比度、色域重合度、色彩準確性、白平衡、顯示量化精度等方面。其中峰值亮度和穩定峰值亮度的要求相較于HDR 10+有較大提升。在色彩準確性測試中，標準選取了3種膚色以及天空、植物等5種場景，模擬在實際使用中出現較多的情形，測試設備的色彩還原能力。而在量化精度中，標準采用條帶灰階信號，根據主觀判斷是否產生嚴重等高線顯示誤差來判斷設備為8 bit或是10 bit。

動態元數據處理要求測試項目主要考量亮度一致性、色度一致性以及元數據同步。由于HDR Vivid定義的色調映射需要根據各個廠商在顯示器內設定的最大亮度值和最小亮度值進行計算，所以不同廠家顯示器的亮度和色度的參考值都是不同的。中國電子技術標準化研究院自主研發了結果生成工具，輸入值包括暗場景、中亮場景、亮場景的3組動態元數據以及廠家配置的最大/最小亮度，自動計算出該設備的亮度/色度一致性參考值。而元數據同步測試則采用兩張不同亮度的測試圖，經過搭配動態元數據及色調映射處理后，可輸出相同的亮度。根據此機制，如果動態元數據處理流程不與圖像同步，就會出現閃爍的現象。

以上測試項目以及指標放在國際HDR相關標準內，具有一定的先進性和創新性，能起到推動HDR產業升級和國產替代的作用。

4 測試工具研發

上文提到，中國電子技術標準化研究院自主研發了結果生成工具，用于驗證顯示設備最終呈現的亮度和色度是否符合標準的設計意圖。為此，開發組采用了簡潔靈活、便于使用的Python語言進行軟件開發，根據第1部分第9章PQ HDR的HDR顯示適配規則，按照基礎曲線、三次樣條曲線的公式進行代碼轉換，設計了根據顯示設備的顯示亮度范圍、RGB色域像素緩沖區以及曲線關鍵參數計算出的插值點來選擇轉換曲線的邏輯框架。其中，通過基礎曲線參數獲得過程生成基礎曲線參數，通過三次樣條參數獲得過程生成三次樣條區間參數。

以基礎曲線獲得過程為例，從metadata數據信息中取得顯示亮度范圍的最高顯示亮度MaxDisplayPQ和最低顯示亮度MinDisplayPQ，同時取得待處理幀的最大亮度校正值max_lum和待處理幀的最小亮度min_lum。將m_b設為MinDisplayPQ，根據metadata中的average_maxrgb計算m_p，根據最大亮度校正值max_lum更新m_p，最后再根據m_p、m_m、m_n、m_b、K1、K2、K3計算m_a。經過一輪一輪的計算，把metadata中的關鍵信息轉化為基礎曲線參數，最后根據計算的H（L）尋找合適的插值點，進行對應的轉化。三次樣條的計算過程較為煩瑣，不展開說明。三次樣條和基礎曲線的區間示意圖如圖1所示。

圖1 三次樣條和基礎曲線插值點示意圖

Python代碼并未用到復雜的算法，重點在于還原標準中的公式與計算邏輯。在metadata中有很多關鍵標識值，決定了最后的邏輯框架，如色調映射標識tone_mapping_mode_flag、三次樣條模式標識3Spline_flag、三次樣條參數3Spline_num[w]和3Spline_TH_mode，這些關鍵的參數在三次樣條的遍歷過程中發揮了重要作用。例如，若tone_mapping_mode_flag為0或tone_mapping_mode_flag為1且3Spline_flag為0且3Spline_TH_mode為0，或者若tone_mapping_mode_flag為1且3Spline_flag為1且未出現3Spline_TH_mode為0，則調用代號為0的一次樣條曲線參數獲得過程以及代號為0的一次樣條曲線參數調整過程和代號為0的三次樣條區間參數獲得過程獲得參數。若tone_mapping_mode_flag為1且3Spline_flag為1且3Spline_TH_mode為0，則調用代號為1的一次樣條曲線參數獲得過程1以及代號為0的一次樣條曲線參數調整過程和代號為1的三次樣條區間參數獲得過程獲得參數。

明確插值點、選擇正確的轉換路線后，將進行最后的色彩轉換以及校正，這里在代碼中使用了簡單的數據組和向量進行了計算，最后輸出經過HDR顯示適配處理的RGB色域像素緩沖區，包含亮度和色度結果，用于與實測值進行比對。

5 電視HDR摸底測試測評

為了驗證該標準的評價方法的合理性和可行性，標準起草組委托國家數字音視頻及多媒體產品質量監督檢驗中心選取行業主流企業的智能電視產品，進行了摸底測試和數據分析。

顯示芯片廠商中，海思最早支持HDR Vivid，但由于“缺芯”現象嚴重，目前市面大多新品都已無法繼續使用海思芯片，從而轉向晶晨、MTK等芯片廠商。但由于研發調試時間較長，目前還未有大范圍使用。因此，本次摸底測試樣機集中在華為、康佳、海信等早期支持HDR Vivid的廠家。

從測試結果來看，亮度一致性和色度一致性兩個關鍵指標在進行Gamma調試后都可以符合要求，體現出該機器符合標準中定義的元數據處理方法。而對于一般性顯示指標，各廠家機器也都符合標準要求。

在關注指標的同時，使用兩臺同型號的機器，對比播放HDR Vivid的視頻和HLG以及HDR 10的視頻。測試人員一致認為HDR Vivid技術在暗區、高亮區表現優異，擴大了顯示范圍，使畫面更生動、更細節，同時在人物場景下，膚色也更貼合 實際。

6 結 語

HDR Vivid目前已聯合眾多內容制造商、分發商共同推動生態建設，不僅僅要做出一個好標準、好技術，更要生產更多的片源，讓更多人看到技術的更迭與進步。相信在產業鏈各領域的共同努力下，中國HDR技術會逐步實現國產替代，并走向國際。中國的顯示技術一定會讓世界更“菁彩”。