CN108769804B - 一种高动态范围视频的格式转换方法 - Google Patents

一种高动态范围视频的格式转换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高动态范围视频的格式转换方法。它具体包括如下步骤：将输入的HDR10视频解码，得到YCbCr颜色空间的数据；将得到的YCbCr数据在BT.2020色域进行颜色空间转换，得到RGB颜色空间的数据；分别对R/G/B三个通道内的颜色分量进行电光转换；使用色调映射的映射系数，根据每个像素点的亮度，分别对R/G/B三个通道内的颜色分量进行处理；将步骤4中R/G/B各通道内的颜色分量分别进行光电转换；将最终处理后得到的RGB颜色空间数据进行颜色空间转换，得到YCbCr颜色空间的数据；将步骤6中处理得到的YCbCr数据进行编码，得到SDR视频流。本发明的有益效果是：HDR视频能够很大程度保留原始内容制作者的创作意图，转换结果能够呈现很好的图像美感和保真度。

Description

一种高动态范围视频的格式转换方法
技术领域
本发明涉及视频图像处理相关技术领域，尤其是指一种高动态范围视频的格式转换方法。
背景技术
高动态范围(High Dynamic Range，以下简称HDR)视频，相对于标准动态范围(Standard Dynamic Range，以下简称SDR)视频，图像的明暗层次更清晰，图像细节更丰富，能够更逼真的重现真实场景。随着HDR技术的发展以及HDR摄像机的逐渐应用，HDR视频的拍摄和制作技术逐渐成熟，市面上的HDR格式视频也逐渐增多，其中HDR10格式视频被大家接受度更高。HDR10格式由美国消费者电子协会(CEA)最先定义，具体定义包括：电光转换曲线使用SMPTE ST.2084；色度空间采用4:2:0；编码位深采用10bit；色域采用ITU-R BT.2020；元数据采用SMPTE ST.2086。由于HDR10格式能够表现的亮度范围更广，并且该格式能够完美匹配目前最流行的HEVC视频编码格式，因此HDR10高动态范围视频格式被大家普遍接受。HDR视频对于播放显示设备有很高的要求，想要获得最佳的观感体验，必须使用HDR电视机/显示器。但即使最低端的HDR电视机/显示器也价格不菲，目前仍没有在普通消费者中普及。考虑到消费者终端显示设备的多样性，如手机、平板、家用电视机/显示器等，如何将HDR视频转换为高质量SDR视频，同时能够尽可能还原HDR视频的画面特性(保真度和美感)，具有比较重要的现实意义。
HDR图像到SDR图像的转换已经有了比较多的研究，色调映射(Tone Mapping)是其中的关键技术。主流的色调映射算法都是针对图像，而人眼观看视频和图像有很大的区别。视频本身一般包含较多的场景，每个场景的亮度/对比度变化较大，视频本身的特性对显示效果也有很大的影响。由于人眼对亮度感知的非线性特点，最简单的图像色调映射算法一般采用伽玛校正的方式来调整HDR图像，即对HDR图像采用全局参数进行转换得到SDR图像。其他的色调映射方法也包括线性调节法、对数调节法、直方图统计等。考虑到视频和图像处理方法存在较大区别，图像的色调映射方法也不能直接应用于视频处理中。通常来说，视频内容制作者一般会通过调节不同的亮度、对比度、饱和度等方式来表达影片的创作意图。最终形成不同风格的视频，甚至同一视频的不同场景也具备不同的风格。如何使色调映射算法适应不同风格的视频也是比较大的挑战。SMPTE ST.2084规范中定义了一种新的光电转换曲线PQ(Perceptual Quantization,感知量化曲线)，该曲线能够表示的亮度范围达到[0.0001,10000]nit，针对该曲线的HDR视频色调映射算法比较少。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种能够很大程度保留视频原始内容的高动态范围视频的格式转换方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高动态范围视频的格式转换方法，具体包括如下步骤：
(1)将输入的HDR10视频解码，得到YCbCr颜色空间的数据；
(2)将得到的YCbCr数据在BT.2020色域进行颜色空间转换，得到RGB颜色空间的数据；
(3)分别对R/G/B三个通道内的颜色分量进行电光转换；
(4)使用色调映射的映射系数，根据每个像素点的亮度，分别对R/G/B三个通道内的颜色分量进行处理；
(5)将步骤(4)中R/G/B各通道内的颜色分量分别进行光电转换；
(6)将最终处理后得到的RGB颜色空间数据进行颜色空间转换，得到YCbCr颜色空间的数据；
(7)将步骤(6)中处理得到的YCbCr数据进行编码，得到SDR视频流。
本发明针对HDR10格式视频(PQ曲线)，该方法针对PQ和SDR曲线的特征，根据图像特征将HDR视频进行分段处理，将不同区段内的亮度进行相应的拉伸或压缩，从而实现色调映射转换得到SDR视频。并且，该方法能够针对不同场景应用不同的参数处理，即能够适应不同风格的视频。该方法通过检测HDR视频不同场景的亮度值和对比度，得到每个场景的图像特征，根据该特征将图像分段，进而得到不同亮度等级对应的映射系数。本发明能够自动适应大多数不同风格不同场景的视频，充分考虑了不同场景和区域中亮度/对比度对转换参数的影响。使用市面上的HDR10视频测试，转换结果能够呈现很好的图像美感和保真度。
作为优选，在步骤(4)中，色调映射所需要的映射系数计算算法采用亮度分段方式来实现，设HDR10的分段点为PQ_Knee，SDR的分段点为SDR_Knee；算法将HDR10中的数值[0，PQ_Knee]映射到SDR中的数值[0，SDR_Knee]；将HDR10中的数值(PQ_Knee，1023]映射到SDR中的数值(SDR_Knee，1023]，在每个亮度分段内，再计算出不同亮度等级对应的映射系数，具体计算方法如下：
(41)将输入的HDR视频解码，并检测场景；
(42)遍历该场景，得到该场景的对比度C；与此同时，遍历该场景，得到该场景中每一帧的亮度中值，由该场景中每一帧的亮度中值，得到该场景的亮度平均值
Figure GDA0002741508140000043
(43)根据步骤(42)中对比度和亮度平均值的计算结果，得到该场景对应的PQ_Knee，其中本算法中保持SDR_Knee为一个固定值；
(44)计算不同亮度等级对应的映射系数：根据PQ曲线的实际亮度PQLy(i)，以及SDR曲线的实际亮度SDRLy(i)，得到不同亮度等级对应的系数Coef(i)＝SDRLy(i)/PQLy(i)。
HDR10格式使用10bit即数值[0，1023]来表示实际亮度[0.001，10000]nit，相应的，SDR格式使用10bit即数值[0，1023]来表示实际亮度[0.01，100]nit。因此算法整体宗旨是缩小亮部区域的亮度，提高暗部区域的亮度。这也与人眼感光特性相符——对亮部光的变化不敏感，对暗部光的变化比较敏感。本算法的核心思想是，针对不同的视频场景，检测场景的亮度和对比度，进而得到每个场景对应的分段参数。同一场景使用同一组色调映射参数，最终得到的HDR视频能够很大程度保留原始内容制作者的创作意图，并能使图像呈现很好的美感和保真度。
作为优选，在步骤(42)中，每一帧求取亮度中值时，将该帧信号转换到XYZ颜色空间，提取Y分量作为对应像素点的亮度值，取所有像素点的亮度中值作为该帧的亮度中值
Figure GDA0002741508140000041
作为优选，在步骤(43)中，
Figure GDA0002741508140000042
其中α和β为调节系数，保证PQ_Knee有效范围为[700，900]。
作为优选，在步骤(44)中，计算不同亮度等级对应的映射系数具体方法如下：
(441)根据ITU-R BT.2100标准中定义的PQ曲线进行电光转换，得到每个数值所对应的实际亮度PQLy(i)；
(442)根据ITU-R BT.709标准，并结合PQ_Knee和SDR_Knee对SDR曲线进行变换和电光转换，得到每个数值所对应的实际亮度SDRLy(i)；
(443)得到不同亮度等级对应的系数Coef(i)＝SDRLy(i)/PQLy(i)；
(444)微调，调节极暗区域的系数为一个固定值，即极暗区域的亮度调整使用线性调整。
作为优选，在步骤(5)之后，且在步骤(6)之前，如果输出参数设置要求是BT.709色域，则需要将BT.2020色域的数据映射到BT.709色域，即色域映射。
作为优选，在步骤(3)中，电光转换的转换函数采用ITU-R BT.2100标准；在步骤(5)中，光电转换的转换函数采用ITU-R BT.709标准；色域映射的转换方法采用ITU-RBT.2087标准。
本发明的有益效果是：能够自动适应大多数不同风格不同场景的视频，HDR视频能够很大程度保留原始内容制作者的创作意图，转换结果能够呈现很好的图像美感和保真度。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。
一种高动态范围视频的格式转换方法，具体包括如下步骤：
(1)将输入的HDR10视频解码，得到YCbCr颜色空间的数据；
(2)将得到的YCbCr数据在BT.2020色域进行颜色空间转换，得到RGB颜色空间的数据；
(3)分别对R/G/B三个通道内的颜色分量进行电光转换(EOTF)；电光转换的转换函数采用ITU-R BT.2100标准；
(4)使用色调映射的映射系数，根据每个像素点的亮度，分别对R/G/B三个通道内的颜色分量进行处理，即RSDR＝RHDR·Coef(Y)，GSDR＝GHDR·Coef(Y)，BSDR＝BHDR·Coef(Y)；色调映射所需要的映射系数计算算法采用亮度分段方式来实现，设HDR10的分段点为PQ_Knee，SDR的分段点为SDR_Knee；算法将HDR10中的数值[0，PQ_Knee]映射到SDR中的数值[0，SDR_Knee]；将HDR10中的数值(PQ_Knee，1023]映射到SDR中的数值(SDR_Knee，1023]，在每个亮度分段内，再计算出不同亮度等级对应的映射系数，具体计算方法如下：
(41)将输入的HDR视频解码，并检测场景；
(42)遍历该场景，得到该场景的对比度C；与此同时，遍历该场景，得到该场景中每一帧的亮度中值，由该场景中每一帧的亮度中值，得到该场景的亮度平均值
Figure GDA0002741508140000061
每一帧求取亮度中值时，将该帧信号转换到XYZ颜色空间，提取Y分量作为对应像素点的亮度值，取所有像素点的亮度中值作为该帧的亮度中值
Figure GDA0002741508140000062
(43)根据步骤(42)中对比度和亮度平均值的计算结果，得到该场景对应的PQ_Knee，
Figure GDA0002741508140000063
其中α和β为调节系数，保证PQ_Knee有效范围为[700，900]；其中本算法中保持SDR_Knee为一个固定值；
(44)计算不同亮度等级对应的映射系数：根据PQ曲线的实际亮度PQLy(i)，以及SDR曲线的实际亮度SDRLy(i)，得到不同亮度等级对应的系数Coef(i)＝SDRLy(i)/PQLy(i)。计算不同亮度等级对应的映射系数具体方法如下：(其中：设i∈[1，1023])
(441)根据ITU-R BT.2100标准中定义的PQ曲线进行电光转换，得到每个数值所对应的实际亮度PQLy(i)；
Figure GDA0002741508140000071
其中E＝i/1023，m1＝0.159301，m2＝78.84375，c1＝0.8359375，c2＝18.8515625，c3＝18.6875；
(442)根据ITU-R BT.709标准，并结合PQ_Knee和SDR_Knee对SDR曲线进行变换和电光转换，得到每个数值所对应的实际亮度SDRLy(i)；
伪代码如下：
Figure GDA0002741508140000072
Figure GDA0002741508140000081
(443)得到不同亮度等级对应的系数Coef(i)＝SDRLy(i)/PQLy(i)；
(444)微调，调节极暗区域的系数为一个固定值，即极暗区域的亮度调整使用线性调整。
HDR10格式使用10bit即数值[0，1023]来表示实际亮度[0.001，10000]nit，相应的，SDR格式使用10bit即数值[0，1023]来表示实际亮度[0.01，100]nit。因此映射系数的算法整体宗旨是缩小亮部区域的亮度，提高暗部区域的亮度。这也与人眼感光特性相符——对亮部光的变化不敏感，对暗部光的变化比较敏感。映射系数算法的核心思想是，针对不同的视频场景，检测场景的亮度和对比度，进而得到每个场景对应的分段参数，同一场景使用同一组色调映射参数，最终得到的HDR视频能够很大程度保留原始内容制作者的创作意图，并能使图像呈现很好的美感和保真度。
(5)将步骤(4)中R/G/B各通道内的颜色分量分别进行光电转换(OETF)；光电转换的转换函数采用ITU-R BT.709标准；
(6)如果输出参数设置要求是BT.709色域，则需要将BT.2020色域的数据映射到BT.709色域，即色域映射；色域映射的转换方法采用ITU-R BT.2087标准；
(7)将最终处理后得到的RGB颜色空间数据进行颜色空间转换，得到YCbCr颜色空间的数据；
(8)将步骤(7)中处理得到的YCbCr数据进行编码，得到SDR视频流。
本发明针对HDR10格式视频(PQ曲线)，提出一种HDR视频向SDR视频转换的方法。该方法针对PQ和SDR曲线的特征，根据图像特征将HDR视频进行分段处理，将不同区段内的亮度进行相应的拉伸或压缩，从而实现色调映射转换得到SDR视频。并且，该方法能够针对不同场景应用不同的参数处理，即能够适应不同风格的视频。该方法通过检测HDR视频不同场景的亮度值和对比度，得到每个场景的图像特征，根据该特征将图像分段，进而得到不同亮度等级对应的映射系数。本发明能够自动适应大多数不同风格不同场景的视频，充分考虑了不同场景和区域中亮度/对比度对转换参数的影响。使用市面上的HDR10视频测试，转换结果能够呈现很好的图像美感和保真度。

Claims (5)

1.一种高动态范围视频的格式转换方法，其特征是，具体包括如下步骤：
(1)将输入的HDR10视频解码，得到YCbCr颜色空间的数据；
(2)将得到的YCbCr数据在BT.2020色域进行颜色空间转换，得到RGB颜色空间的数据；
(3)分别对R/G/B三个通道内的颜色分量进行电光转换；
(4)使用色调映射的映射系数，根据每个像素点的亮度，分别对R/G/B三个通道内的颜色分量进行处理；色调映射所需要的映射系数计算算法采用亮度分段方式来实现，设HDR10的分段点为PQ_Knee，SDR的分段点为SDR_Knee；算法将HDR10中的数值[0，PQ_Knee]映射到SDR中的数值[0，SDR_Knee]；将HDR10中的数值(PQ_Knee，1023]映射到SDR中的数值(SDR_Knee，1023]，在每个亮度分段内，再计算出不同亮度等级对应的映射系数，具体计算方法如下：
(41)将输入的HDR视频解码，并检测场景；
(42)遍历该场景，得到该场景的对比度C；与此同时，遍历该场景，得到该场景中每一帧的亮度中值，由该场景中每一帧的亮度中值，得到该场景的亮度平均值
Figure FDA0002741508130000011
(43)根据步骤(42)中对比度和亮度平均值的计算结果，得到该场景对应的PQ_Knee，其中本算法中保持SDR_Knee为一个固定值；
(44)计算不同亮度等级对应的映射系数：根据PQ曲线的实际亮度PQLy(i)，以及SDR曲线的实际亮度SDRLy(i)，得到不同亮度等级对应的系数Coef(i)＝SDRLy(i)/PQLy(i)；计算不同亮度等级对应的映射系数具体方法如下：
(441)根据ITU-R BT.2100标准中定义的PQ曲线进行电光转换，得到每个数值所对应的实际亮度PQLy(i)；
(442)根据ITU-R BT.709标准，并结合PQ_Knee和SDR_Knee对SDR曲线进行变换和电光转换，得到每个数值所对应的实际亮度SDRLy(i)；
(443)得到不同亮度等级对应的系数Coef(i)＝SDRLy(i)/PQLy(i)；
(444)微调，调节极暗区域的系数为一个固定值，即极暗区域的亮度调整使用线性调整；
(5)将步骤(4)中R/G/B各通道内的颜色分量分别进行光电转换；
(6)将最终处理后得到的RGB颜色空间数据进行颜色空间转换，得到YCbCr颜色空间的数据；
(7)将步骤(6)中处理得到的YCbCr数据进行编码，得到SDR视频流。
2.根据权利要求1所述的一种高动态范围视频的格式转换方法，其特征是，在步骤(42)中，每一帧求取亮度中值时，将该帧信号转换到XYZ颜色空间，提取Y分量作为对应像素点的亮度值，取所有像素点的亮度中值作为该帧的亮度中值
Figure FDA0002741508130000021
3.根据权利要求1所述的一种高动态范围视频的格式转换方法，其特征是，在步骤(43)中，
Figure FDA0002741508130000022
其中α和β为调节系数，保证PQ_Knee有效范围为[700，900]。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种高动态范围视频的格式转换方法，其特征是，在步骤(5)之后，且在步骤(6)之前，如果输出参数设置要求是BT.709色域，则需要将BT.2020色域的数据映射到BT.709色域，即色域映射。
5.根据权利要求4所述的一种高动态范围视频的格式转换方法，其特征是，在步骤(3)中，电光转换的转换函数采用ITU-R BT.2100标准；在步骤(5)中，光电转换的转换函数采用ITU-R BT.709标准；色域映射的转换方法采用ITU-R BT.2087标准。
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