自适应高动态范围流媒体

高动态范围 (HDR) 及其如此有吸引力的原因

在观看工作或娱乐视频流时，我们都期待高质量。使用 IP 网络传输媒体（称为 AV-over-IP）有助于消除对内容、设备和带宽的需求。在大多数用例中，预计压缩视频的交付具有更高的细节、更大的对比度和逼真的色彩。超高清 (UHD) 视频结合了分辨率的改进、宽色域 (WCG)、更高的帧速率、更高的位深度和高动态范围 (HDR)，以提供更逼真的视觉体验。

HDR 是视频生态系统的一项相对较新的功能，它专注于增加黑白之间的对比度，从而产生细节丰富的阴影和更明亮的反射。但 HDR 的整体视觉效果更加引人注目，因为图片看起来更丰富、更逼真，并且改进的对比度可提供更清晰、更详细的图像。与分辨率的提高相比，观看者通常会感觉到 HDR 带来的视觉冲击更大。毫不奇怪，在体验了视觉优势之后，内容开发者和观众在分发或消费内容时都希望获得同样的功能。考虑到传输带宽或存储是整个链条的限制因素，HDR 可以提供显着的视觉效果，同时仅消耗略多的带宽或存储。

HDR 如何提供改进的细节和图像质量

图 1显示了高级 HDR 系统的概念。在 HDR 过程的开始，使用光电传递函数 (OETF) 将捕获的场景光转换为电子表示。传感器和相机捕获大量场景光，通常在后期制作中进行管理，进一步处理可以优化颜色和光线水平。该电子表示被分配到一个或多个显示器，在那里它使用电光传递函数 (EOFT) 转换回场景光。最初为 CRT（阴极射线管）设计的 EOFT 称为伽马。

图 1：图像提供了 HDR 场景捕获、传输和显示过程的高级说明。（来源：AMD 赛灵思）

我们现在正处于过渡期，大多数信号源和显示器继续支持标准动态范围 (SDR) 和原始伽马 EOFT，而市场则采用 HDR。

混合对数伽马 (HLG) EOTF 的开发是为了向后兼容现有的大多数 SDR 显示器，混合伽马曲线可以利用较新显示器的更高亮度功能，而无需额外元数据的复杂性，从而在 SDR 和 HDR 上生成图像显示。

还有其他基于感知量化器 (PQ) EOTF 的 HDR 格式，这是一种基于人类感知的非线性传递函数，旨在根据眼睛的光敏感度提供更具代表性的比特。这些基于 PQ 的格式需要SMPTE-2086定义的元数据，该元数据标准化了原始母带显示的原色和亮度范围等参数——可能让所有观众拥有相同的体验。每种格式都提供 HDR 内容，并在内容保真度、工作流影响、元数据要求和使用费义务方面进行权衡，这些在部署 HDR 系统和工作流时需要考虑。

使用 AMD Xilinx 平台流式传输 HDR 内容

流媒体使高质量的媒体分发和消费几乎可以在任何地方进行，从而导致需求增加。流媒体增加了另一层复杂性，因为带宽是物理限制和额外成本。对于流媒体内容，HDR 增加了可感知的细节和分辨率影响，对带宽的影响可以忽略不计，即使某些格式需要额外的元数据也是如此。

Zynq ® UltraScale+ ™ MPSoC提供低功耗、单芯片解决方案，结合了全功能多核 Arm ®处理子系统和嵌入式实时 4kp60 4:2:2 10 位视频编解码器单元 (VCU)同步 H.264/H.265 编码/解码。基于常见的行业工具和框架，如 Linux、V4L2 和 GStreamer，AMD Xilinx 使客户能够评估功能并开发带有驱动程序和应用程序堆栈的定制解决方案。Zynq UltraScale+ MPSoC 足够灵活，可以作为支持现有 HDR 格式（例如 HLG 和 HDR10）的单芯片捕获/编码或解码/显示设备。

对于不需要元数据的 HLG EOTF HDR 格式，从 SDI 或 HDMI 等物理连接中提取适当的色度信息，并将数据保存在 ITU 为 H 定义的标准化视频可用性信息 (VUI) 字段内的编码比特流中.264 或 H.265 比特流。对于 PQ EOTF HDR 格式，SMPTE-2086 定义的关键参数是从物理连接中捕获的，例如原色和与母版显示相关的元素，例如显示色量 (MDCV) 和内容亮度 (CLL)。这些存储在压缩比特流的标准化 VUI 和补充增强信息 (SEI) 字段中的适当字段中，以便可以为系统的显示元素分发、解码和提取数据（图 2). AMD Xilinx 支持通过开放的标准化机制传输任何所需的 HDR 元数据，从而为未来的 HDR 格式提供适当的互操作性和灵活性。

图 2：AMD Xilinx 多媒体堆栈中 PQ HDR 元数据的概念流程。（来源：AMD 赛灵思）

面向未来的 HDR 流媒体入门

AMD Xilinx 创建了目标参考设计 (TRD)，它提供了所有必需的源和项目文件，以使用 SDI 和 HDMI 等行业标准接口重新创建以高达 4kp60 运行的系统，因此您可以评估系统并快速转向定制. 有两种 TRD 变体显示了在ZCU106 评估套件上实现的HLG 和 PQ 类型 HDR 格式（表 1）的示例。

表1：AMD Xilinx 的ZCU106 评估套件实现了两个 TRD 变体，以显示 HLG 和 PQ 类型 HDR 格式的示例。（来源：AMD 赛灵思）

设计模块	描述
PL DDR HLG SDI 音频视频采集和显示	HLG/非 HLG 视频 + 2/8 通道音频采集和显示，通过 SDI 和来自 PS DDR 的 VCU 编码和来自 PL DDR 的解码
PL DDR HDR10 HDMI 视频采集和显示	HDMI 设计展示了使用 PS DDR 进行编码和使用 PL DDR 进行解码。支持 HDMI 的 HDR10 静态元数据，以及 DCI4K。

Zynq UltraScale+ MPSoC 的适应性强的硬件和软件架构使多媒体系统开发人员能够随着生态系统的发展实施新的 HDR 格式，因此他们始终为未来做好准备！

Gordon Lau 撰写了Adaptable High Dynamic Range Streaming博客，经许可在此重新调整用途。

作者

Gordon Lau 是位于加拿大安大略省多伦多市的 AMD 自适应和嵌入式计算组 (AECG) 的视频系统架构师。他拥有瑞尔森理工大学的电气工程学位，在电子和可编程 FPGA 领域拥有 20 多年的职业生涯，专注于视频接口、编解码器和广播工作流程。

审核编辑黄昊宇