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杂志精选 | 说说标准化对视频技术发展产生哪些影响?
时间:2018-04-02 09:49:00   来源:中国演艺科技网   作者:穆向昕

视频技术 (Video Technology)泛指将一系列静态影像以电信号的方式通过捕捉、纪录、处理、储存、传送呈现出动态图像的技术;也可理解为具有时间连续感和空间、颜色分布感的信号序列应用技术。制定技术标准是产业链的顶层环节,因此存在一流的企业做标准、二流的企业做品牌、三流的企业做产品的观点。

1 联合制定AV行业的IT化标准

在2017年, AQUANTIA 、CHRISTIE 、NETGEAR、SEMTE CH、SONY、Zee Vee成立了以太网视频(SDVoE,Software Defined Video over Ethernet)联盟,共同制定在专业AV环境下采用以太网传输AV信号的标准,并建立以软件定义AV应用的SDVoE技术的生态系统,实现端到端的组合。SDVoE联盟现有6个发起人公司、4个合作伙伴、18家应用企业,涵盖AV设备制造商、AV软件开发商、交换机制造商、芯片组设计商、技术提供商和系统集成商,其中有一家国内注册企业。这些全球行业领导者组建的商业属性联盟,汇聚在一起协作发展。

跨界融合是科学技术进步的结果,从最初的HDBaseT联盟,AVB(TSN)联盟、到现在的SDVoE联盟,越来越多的联盟都在全面推广AV、IT的融合。随着网络带宽环境发展,有域限制矩阵AV环境及其认证许可,将向网络化信号和可跟踪巡查的IT化标准倾斜。

如果认为SDVoE联盟是过于商业化的技术推动,美国电影电视工程师协会(SMPTE ,The Society of Motion Picture and Television Engineers) 组织通过的首批ST2110标准,则重点在于规范IP网络传输应用。SMPTE ST 2110标准系列从根本上改变了处理和传输专业媒体流的方式,用IP替代SDI,支持利用信息技术协议和基础框架的应用。SMPTE ST 2110标准让音频、视频和辅助数据流等实体流可以分开传送,可实现同步,并在终端重新汇聚。这样提升简化了附加字幕、标题,图文电视,以及处理多语言音频等任务。这个标准无形中也进一步推动了4:4:4广色域、低延时的IP流编解码器应用。

2 技术开放

上述视频技术因为标准产生了积极的效果。个案也有他出。国际电信联盟(ITU,International Telecommunication Union是联合国专门机构之一)早已批准下一代视频标准高效视频编码HEVC(High Efficiency Video Coding) /H.265,华为技术有限公司拥有其较多的核心技术。该标准旨在提供低带宽的网络下高质量视频流,可以让4K视频进入未来的宽带网络,但高于H.264数倍的解码有难度且硬件支持度欠缺。目前,经济型显卡对H.265硬解支持不够,CPU 对H.265软解稍有困难,使得H.265推广不利。与相对需要缴纳授权费的H.265相比, 谷歌(Google)联合Opera、Mozilla基金会共同发起的WebM项目,将向业界提供开源、免费的视频编码器,使支持HTML5的浏览器不需安装Flash插件就能直接观看网络视频。免费的诱惑显然对技术发展起到了推波助澜的作用,也使得下一代视频编码标准扑朔迷离。

正如2017年ISE(Integrated Systems Europe, 欧洲专业视听集成设备与技术展)上媒体的报道,黑科技已经不再那么“黑”了。在AV、IT融合的大趋势下,到处充斥着“AV over IT”,“AV over IP”,“Video overIP”, “Audio over IP ”。同时,技术开放也是追求发展的利器。

数字影院开放系统联盟(Digital Cinema Open System Alliance ,成员企业包括杜比实验室、MikroM、USL和XDC)的宗旨是开发数字影院服务器与集成媒体模块(IMB ,Integrated Media Block)产品之间的通用接口规范,并在整个影院市场推广使用这些接口规范。数字影院开放系统联盟希望能够通过这些开放式的接口标准降低开发成本、增强灵活性,并为创新提供一个良好的平台。随着IMB逐渐流行和对传统数字电影服务器放映方式的取代,中国巨幕在IMB模块的基础上延伸了中国巨幕优化处理模块PROGSP,将原有的优化器中图像采集和分析模块与图像处理模块分开,使后者以线路板形式内置于放映机中,图像信号不再以HD-SDI数据线传输,而是以数据总线插槽的方式将图像解码、图像处理和图像输出串联起来,在增加数据安全性的同时,为更高带宽需要的数据结构(如高帧率、高分辨率)做好研发基础。这个IMB方式使终端用户经济受益,同时也促进了技术的延伸发展。

3 影响整个产业链的HDR标准

占领标准制高点十分重要,全球几乎所有相关的行业标准组织都已经投身到HDR(High Dynamic Range,高动态范围)标准的制定中。作为“划时代”视频显示的变化,HDR还涉及端到端解决方案,除前端要做出高动态和3D环绕的内容,还需要在末端进行展现、渲染或重现,这实际上影响了整个产业链。HDR主要是在5个维度进行改进,分别是像素、色域、色深、帧率和动态范围。

3.1HDR的5个标准

目前,HDR有多个标准,主要的是DolbyVision、HDR10、HLG(Hybrid Log Gamma)、SL-HDR1和DisplayHDR 1.0。DolbyVision是杜比实验室的HDR格式,获得了SMPTE的支持,包括高达4K分辨率的感知量化(SMPTE ST 2084)、电光传输功能和宽色域色彩空间(ITU-RRec.2020),更多地应用于电影行业,也是目前参数要求最高的专利认证的标准。

HDR10则是Samsung、SONY、LG等家电企业提供的更开放的平台、无需认证的HDR视频方案。Samsung后来又演化出HDR10+标准,与HDR10最大的区别在于加入了“动态色调映射(Dynamic Tone Mapping)”,该技术采用可变的动态元数据来帮助实时调整亮度和对比度,并逐帧优化,缩小了与“DolbyVision”之间的差距。

HLG是由英国BBC和日本NHK电视台联合开发的高动态范围HDR的一个标准,使得在高动态范围下图像采集和制作更加容易。SL-HDR1是由意法半导体、飞利浦国际公司、CableLabs和法国Technicolor R&D共同开发的HDR标准,在2016年8月被标准化为ETSI TS 103 433(欧洲电信标准协会标准),但影响相对较弱。视频电子标准协会(VESA, Video Electronics Standards Association)又针对显示器产品推出了首个HDR标准,DisplayHDR 1.0标准。视频电子标准协会是一家国际化的非赢利性公司,代表世界范围内300多个企业成员,为消费类视频电子产品、个人计算机、工作站和消费者电子学工业提供支援并且设定标准的组织。

DisplayHDR 1.0标准集合了业界20多家芯片、面板、显示器、系统厂商参与制定,定义了3种级别,分别对显示器的亮度、色域、色深等规格有着不同的要求。

3.2各应用领域纷纷推动HDR的实施

在编解码方面,据媒体报道,MPEG组织针对HDR的编解码标准将于近期完成,而中国面向超高清电视和视频监控的第二代数字视频编码标准AVS(数字音视频编解码技术标准)也于不久前颁布。蓝光光碟协会(BDA)支持开放 HDR,使用 10bit HEVC 编码和SMPTE ST 2084 标准,同时准备采用 Dolby Vision 和Philip作为选项。BDA也会将10bit 编码和宽色域用于目前的SDR内容。

在质量评价方面,超高清联盟(UHD Alliance,成员包括DirecTV、杜比实验室、LG电子、Netflix、松下、三星电子、夏普、索尼视觉产品、Technicolor、沃尔特迪斯尼工作室、二十世纪福克斯和华纳兄弟娱乐等)在CES2016上发布的4K/HDR认证规范和标识,提出了针对电视机的HDR要求,以及基于机顶盒(包含视频解码器)的HDR要求;美国消费技术协会(CTA)也起草了关于电视和显示器行业产品支持HDR技术的内容。

在广播系统行业标准方面, DVB(数字视频广播标准,由欧洲电信标准化组织、欧洲电子标准化组织、欧洲广播联盟联合组成的联合专家组发起)在2017年推出第二版本的超高清方案,ATSC(美国高级电视业务顾问委员会数字电视国家标准)将传输HDR内容加入ATSC3.0地面广播标准。在电视的播放与传输方面,美国消费电子协会(CEA)支持 HDR 技术,而且要符合数字电视规范文件 CEA-861-F 以及未经压缩视频规范 CEA-861.3 文件中的规定;另外,还支持 HDR10 媒体传输标准,比如可以通过 IPTV 的方式播放 HDR视频,或者通过HDMI 接口传输 HDR视频。日本无线工业及商贸联合会(ARIB)发布了一个光电转换函数(OETF)的标准ARIB STD-B67。日本放送协会NHK也制定了传输HDR WCG图像的时间表。国际电信联盟无线电通信组ITU-RSG-6形成了有关HDR电视系统的报告小组(RG24)的建议。

3.3中国HDR的发展

中国电子商会联合中国电子技术标准化研究院发布过《HDR显示技术认证规范》,提供的CESI赛西HDR认证标签。而相关的国家级标准正在由AVS技术应用联合推进工作组旗下HDR专题组制定。

3.4HDR的技术门槛

HDR是高宽容度及对比度的视觉体验,前者主要由解码芯片和片源完成,而后者则是对面板最高最低亮度的改进,这都是硬生生的门槛。HDR显示编码技术的关键是对于电光转换函数(EOTF)和光电转换函数(OETF)的定义,即电信号与光信号之间的转换规则。目前主要存在两种新的电光转换方案来替代CRT时代所使用的伽马曲线,Dobly Vision HDR方案提出的感知量化编码(PQ,Perceptual Quantizer),以及HLG的对数伽马分布(Hybrid Log Gamma)。

Dobly PQ可采用12 bit色彩深度实现107高动态范围,其亮度范围达到10-3~104 nit。该方案根据显示器端人眼对亮度分辨的阈值来确定量化比特的要求,符合人的视觉生理和视觉心理,对量化比特的使用更为经济。

HLG提出的方案通过两种不同的方式来分别对HDR信号当中所包含的高光和低光部分进行解码,其中低光部分使用标准伽马曲线(这与BT.709的标准基本相同),而高光部分(超过100 nit)则使用对数曲线,在支持HDR的同时可以兼容SDR超高清电视。由此可知,HDR技术的产业链很长,一旦标准普及,不仅可以让上述所有参与国现有芯片、整机等硬件企业从中受益,还将促进下游内容、创意、制作产业大繁荣。

节选自《演艺科技》2018年第2期  穆向昕《标准化推动视频技术的发展》,转载请标注:演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技》。

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