HDR學習之旅（三）——杜比視界
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杜比視覺是什麼?
杜比視覺改變您體驗電影、電視節目和遊戲的方式，具有令人難以置信的亮度、對比度和色彩，將娛樂帶到您眼前。通過充分利用新電影放映技術和新電視顯示能力的最大潛力，杜比視覺提供高動態範圍(HDR)和寬色域內容。結果是一個精緻的，栩栩如生的圖像，會讓你忘記你在看屏幕。當前的消費者視頻傳輸和影院標準是基於舊技術的侷限性，要求在將原始內容複製到回放之前對其進行修改，這極大地減少了現代相機捕捉到的色彩、亮度和對比度範圍。杜比視覺改變了這一點，讓創意團隊相信，圖像將在以杜比視覺爲特色的電視、個人電腦和移動設備上真實地再現。杜比視覺是杜比Atmos®的自然補充。它爲電影、電視和遊戲的創作者提供了他們需要的工具，以創造保持創造性意圖的體驗，並讓消費者在不妥協的情況下體驗真正的沉浸式內容。對於電視、遊戲機、個人電腦和移動設備的製造商來說，杜比視覺開啓了他們硬件的全部功能，創造了一種優質的體驗，可以增加這些產品的使用和享受。
杜比視覺:植根於人類視覺系統的科學
有三種方法可以提高電影、電視節目、遊戲和用戶生成內容的圖像質量:
•更高的像素:4K, 8K
•更高的幀率(HFR)
•更好的像素(高動態範圍和更寬的色域):杜比視覺
4K電視有“更多的像素”，超高清電視的新標準也包括高幀率，但這些標準並不能讓每個像素更好地代表我們在現實中看到的全範圍亮度。杜比視覺是杜比實驗室應對這一挑戰的解決方案。
自然世界的色彩和亮度範圍比當前的廣播、藍光™和影院系統支持的範圍要廣得多。例如，在這幅簡單的花中，亮度範圍從背景的145nit到花瓣黃色部分的14700個nit。(注:nit是用來測量亮度的單位)
目前的電視和藍光標準將最大亮度限制在100個nits，最小亮度限制在0.117個nits，同時還限制了可顯示的顏色範圍(或色域)。這些和其他限制現代高清電視標準是陰極射線管(CRT)的遺產。
我們需要多大的動態範圍?
杜比成像研究小組用普通觀衆做了一系列實驗來回答這個問題。研究人員測試了觀看者對黑電平、漫反射白電平和高光電平的偏好。他們確定，一個可以重現0到10000個零的範圍的系統，可以滿足90%的觀衆的要求，讓他們選擇一個理想的範圍。
當前亮度和顏色範圍限制的另一個關鍵問題來自於實際電視如何表示顏色。下圖顯示了人眼可以看到的顏色、當前高清標準可以表示的顏色以及由Dolby Vision顯示的其他顏色。但這並不能代表一切要真正看到，你還必須看亮度的範圍，顏色的體積。右邊的圖表顯示了由杜比視覺提供的色量和色量的增加。
電視顯示器是一個附加的顏色系統紅色、綠色和藍色，最亮的像素是白色，由每一個原色的全亮度組成。將最大亮度限制在100nits(如電視和藍光)的問題是，顏色越亮，就越接近白色，因此明亮的顏色不容易飽和。例如，在普通顯示器上最亮的飽和藍色只有7nit，所以藍色的天空永遠不會像它應該的那樣明亮和飽和。最大杜比視覺亮度4,000 nits。
爲什麼使用杜比視界?
電影和電視導演講故事;遊戲設計師創造身臨其境、引人入勝的遊戲體驗。對所有這些創作者來說，真正的挑戰之一在於媒體的侷限性。在過去的50年裏，杜比一直與好萊塢電影公司、電影院和消費設備製造商密切合作，使故事和體驗儘可能地引人入勝——首先是降低噪音，然後是5.1環繞和7.1環繞，現在是杜比視覺和杜比Atmos。杜比視覺爲導演和配色師(或遊戲程序員和燈光和效果設計師)提供了他們需要的工具，以準確地表現充滿活力的顏色、明亮的高光和詳細的陰影，幫助將觀衆吸引到場景中。
內容創建者看到的就是觀衆看到的
當今系統的侷限性源於當前電視和藍光標準的侷限性。廣播電視或藍光光盤的最大亮度爲100nit。但現代電視的最大亮度通常在300到500個nit之間，因此電視製造商會把內容的亮度調高，以儘量利用顯示器的功能。這會使圖像失真。由於每個製造商對輸出的擴展不同，每個觀衆將以不同的和不可預測的方式體驗電影、電視節目或遊戲。
杜比視覺解決了這個問題。內容創建者使用與杜比視覺兼容的參考監控器對其內容進行顏色分級，該監控器具有顯著更高的動態範圍和更寬的顏色範圍，以確保最高的保真度。Dolby Vision圖片包含關於用於創建最終版本內容的系統的元數據。由於任何杜比視覺電視都經過製造商和杜比技術人員的仔細校準，我們的技術可以使用這些元數據和更高質量的內容，在每個顯示器上生成最佳和最準確的表示。
如何實現杜比視覺?
杜比設計了杜比視覺，使集成到現有的內容創建和分發儘可能容易。
內容創作
杜比視覺工作流程非常類似於現有的色彩分級工作流程。這樣做的目的是爲了保留相機拍攝到的更多東西，並限制色彩分級和掌握過程中的創造性權衡。杜比視覺HDR參考監視器(能夠達到4000 nits亮度)用於決定顏色和亮度。杜比視覺分級過程的目標是捕捉參考等級中的藝術意圖。導演、編輯和色彩師應該使用分級系統和顯示器，儘可能地製作出最好、最吸引人的圖像，充分利用動態範圍的顯示。參考等級完成後，杜比視覺色彩分級系統將分析並保存動態元數據，這些元數據描述了在顯示器上做出的創造性決策。內容映射單元(CMU)將包含元數據的內容以標準亮度(100 nits)映射到參考顯示。
在標準動態範圍版本獲得批准後，colorist將導出帶有元數據的圖像。爲創建SDR級別而生成的動態元數據可用於在顯示器上呈現Dolby Vision master，這可能提供廣泛的性能範圍。—既引用相同的元數據，又引用杜比視覺參考圖像，600-nit電視看起來會很棒;一臺1200 nit的電視看起來會更好。
遊戲創作
大多數現代遊戲引擎目前都支持HDR渲染。需要添加對Dolby Vision的支持：
•在腦海中與杜比視覺創建的藝術
•查看杜比視覺內容的參考顯示器
•與杜比視覺兼容的遊戲引擎
杜比正在與遊戲引擎的主要創造者合作，以確保他們的引擎與杜比視覺兼容。
傳輸/運輸
杜比視覺不需要新的編解碼器-它可以與行業標準的HEVC和AVC編解碼器一起交付。通過預處理，整個杜比視覺信號可以被編碼到一個單獨的HEVC主幹流中，也可以被編碼到兩個AVC或HEVC層中，具有較低的比特深度和元數據，這使得它非常適合於廣泛的電視、個人電腦和移動設備。客戶端使用現有的視頻解碼器，利用數據重建和回放完整的信號。杜比正在與領先的標準組織合作，包括藍光光盤協會、DVB、MPEG、UltraViolet™/DECE和SCSA，以確保杜比視覺內容能夠在這些生態系統中以標準化的方式交付。
我們需要多少位深度?
在確定杜比視覺應該能夠表示0到10000個nit之間的亮度之後，杜比的科學家們尋找了一種有效的方式來傳輸這種高動態範圍的視頻。在目前的100-nit標準動態範圍(SDR)系統中，視頻編碼的每個組件精度爲8位，使用的是伽馬曲線。當距離增加100倍時，使用相同的gamma方法將需要14位深。幸運的是，人類的視覺系統對高光區域變化的敏感度要比黑暗區域低得多。因此，杜比開發了一種新的電光傳遞函數(EOTF)，它可以用12位而不是14位編碼整個10,000-nit範圍，而不需要引入任何人工製品。這種新的感知量化器(PQ)已被標準化爲SMPTE ST-2084，並在各種hdr相關標準和應用中使用。
一些通用的HDR方法使用帶有10位而不是12位的PQ EOTF。爲什麼使用12位而不是10位很重要?人類視覺系統在不同亮度水平下具有不同的敏感度，對大面積幾乎一致亮度下的微小變化尤其敏感。下圖顯示了10位和12位量化的顯著性，這取決於亮度。10位量化總是在視覺閾值之上，這意味着平均用戶可以看到亮度值每一次變化的顯著差異。在自然場景中，場景中的噪聲通常可以掩蓋這種差異，但如果量化步驟過於粗糙，例如藍天等區域通常會顯示出條帶或輪廓。
播放
杜比視覺(Dolby Vision)與各種硬件合作，在各種顯示設備上實現卓越的視覺體驗，包括具有驚人黑色電平的高端OLED電視，以及具有量子點(quantum dot)、面向大衆市場的邊燈電視等先進技術的LCD電視，以及未來的個人電腦和移動設備。下表顯示了每種設備必須支持的技術組件，以便回放和呈現杜比視覺信號。
解碼器和編碼器
杜比視覺與廣泛的視頻解碼器兼容。它目前是合格的與HEVC和AVC解碼器。杜比視覺信號有多種編碼和解碼方式——根據內容創建者的需要和目標顯示硬件的能力，杜比視覺信號可以使用單個HEVC Main10流或兩個AVC-8或HEVC-8或HEVC-10流來傳輸。使用標準的HEVC解碼器對杜比視覺的單層HEVC Main-10輪廓進行解碼，然後使用杜比視覺模塊進行後處理，產生全範圍的12位杜比視覺信號。
對於雙層AVC或HEVC杜比視覺配置文件，源流被分割，基和增強流通過單獨的解碼器輸入。Dolby Vision composer負責從基礎層、增強層和元數據重新組裝全範圍信號。
顯示管理器
顯示管理器針對目標顯示設備進行調優:它知道該設備的最大和最小亮度、色域和其他特性。伴隨全範圍杜比視覺視頻信號的元數據攜帶用於對內容進行分級的原始系統信息和關於信號的任何特殊信息。使用此元數據，display manager智能地轉換全範圍信號，以在目標設備上產生儘可能好的輸出。
Dolby Vision方法與其他HDR解決方案之間的一個主要區別是，在消費者回放設備中，伴隨着每一幀視頻的元數據一直到顯示管理器。具有通用HDR的系統只攜帶描述用於創建內容的顏色分級監視器的屬性的靜態元數據，以及關於整個內容的亮度屬性(最大和平均亮度)的一些非常基本的信息。Dolby Vision添加了在內容創建過程中產生的動態元數據;每個場景的動態屬性被捕獲。有了這些信息，杜比視覺顯示管理器能夠更準確地根據顯示的屬性調整內容。它可以使色調得到適當的保留，這對顯示膚色是至關重要的。即使有了大衆市場的邊燈電視，色彩的整體印象也能更準確地保留下來。
在杜比視覺元數據的指導下，杜比視覺顯示管理器能夠在各種顯示設備上實現出色的視覺體驗，從具有驚人黑色電平的高端OLED電視到具有量子點等先進技術的LCD電視，一直到面向大衆市場的邊燈電視。技術已經遠遠超出了目前電視和電影的成像標準。這個端到端解決方案提供了戲劇性的成像，充分表達了最初的創作意圖。杜比視覺增強了今天的觀看體驗，併爲電視、電影、遊戲和流媒體服務的下一波創新做好了準備。