CN109146822A - 一种利用sdr显示设备模拟hdr监视器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用SDR显示设备模拟HDR监视器的方法，属于媒体技术领域，首先输入HDR图像的数据和显示器的峰值亮度；接着将HDR图像的非线性RGB信号转换为线性RGB信号；再根据显示器的峰值亮度将所述线性RGB信号的亮度修正至SDR+图像；最后将得到的线性RGB信号变换为非线性RGB信号，并输出至SDR显示设备进行显示；本发明通过将HDR图像数据恢复成线性场景亮度数据，再利用亮度修正方法将HDR图像压缩为“SDR+”图像，充分利用当前显示屏的冗余性能，达到模拟HDR监视器观看HDR内容的效果。

Description

一种利用SDR显示设备模拟HDR监视器的方法

技术领域

本发明涉及媒体技术领域，具体涉及一种利用SDR显示设备模拟HDR监视器的方法。

背景技术

数字成像领域中，场景、获取设备、显示设备、观察者都具有各自不同的动态范围(动态范围是场景中最亮物体和最暗物体之间的亮度比，亮度单位为尼特)。自然界场景的动态范围能够达到10¹⁵，摄像机、照相机等获取设备的动态范围能够达到10⁶，但是人眼在同一个场景中能够识别的最大动态范围也只有10⁵，这意味显示设备的动态范围只需要达到10⁵就足够了。但是传统显示设备的动态范围只有10³上下，这样人眼看到的图像会造成一定程度的失真。

二十一世纪以来，视频拍摄和显示技术有了长足的提升，制作画面更贴近真实世界的视频内容已不再是人们的幻想。更加真实的视频画面需要包含更丰富的色彩层次和更宽的亮度动态范围，业界把动态范围达到10⁵、峰值亮度达到1000尼特的图像称为高动态范围(HDR)图像，动态范围为10³，峰值亮度为100尼特的称为标准动态范围(SDR)图像。显示HDR图像需要显示屏的支持，直到2015年前后，市场上才陆续开始销售支持显示HDR(峰值亮度在1000尼特以上)的显示屏，并且价格昂贵。

当前图像的显示模式只有SDR和HDR两种，对于HDR的内容应采用HDR显示设备才能还原出HDR的效果，而如果用SDR的显示设备来显示，一般做法是将HDR内容通过一定算法转化成SDR来显示，过程称之为亮度修正。

但今天，新型LCD显示屏的峰值亮度完全可以超过SDR定义的100尼特的范围，现有的HDR内容在SDR显示屏中的显示流程一般是：先将高亮度的HDR内容先强行压缩到SDR范围，再拉伸到一个超出SDR范围的显示设备上展现。这个方案的缺点在于高亮信息在压缩过程中被损耗掉，而在显示过程中又不尽合理地拉伸，整体流程不能还原原始HDR的真实效果。特别是在相对要求较为专业的场合，如HDR视频节目制作，SDR监视器或者电视机无法准确还原真实亮度，也就无法参照调整制作亮度，不得不购买昂贵的HDR监视器。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种利用SDR显示设备模拟HDR监视器的方法，解决了采用现有技术在SDR显示设备上监看HDR内容无法合理且有效的利用HDR的亮度信息的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种利用SDR显示设备模拟HDR监视器的方法，包括以下步骤：

步骤1：将HDR图像的非线性RGB信号转换为线性RGB信号；

步骤2：将所述线性RGB信号的亮度修正至SDR+图像；

步骤3：将亮度修正后的线性RGB信号变换为非线性RGB信号，并输出至SDR显示设备进行显示。

进一步的，还包括预处理步骤0：

步骤00：输入HDR图像数据，判断初始HDR图像数据的格式，若数据的格式为RGB格式，则直接跳转至步骤02；否则跳转至步骤01；

步骤01：将初始HDR图像数据数据的格式转换为RGB格式；

步骤02：将RGB格式信号由量化信号转换至归一化信号，所述归一化信号的范围为[0，1]。

进一步的，所述步骤2中亮度修正的具体步骤如下：

步骤201：将所述线性RGB信号中大于100尼特亮度的像素点归于A组，将小于100尼特亮度的像素点归于B组；

步骤202：获取显示器峰值亮度L_t，利用亮度映射算法，将A组中像素点的亮度映射至SDR显示设备的亮度范围内(100～L_t)，更新A组中像素点的亮度；

步骤203：将B组数据与更新后的A组数据进行拼接，完成亮度修正过程。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明通过将HDR图像数据恢复成线性场景亮度数据，再利用亮度修正方法将HDR图像压缩为“SDR+”图像，充分利用当前显示屏的冗余性能，达到模拟HDR监视器观看HDR内容的效果。

2.采用本发明的方法成本低廉，利用现有设备的冗余显示能力，而不是通过更新换代硬件的方法提升内容画质。硬件上支持显示HDR的设备价格昂贵，用作制作HDR内容的监视器尤为如此，后期制作公司或广电媒体可以利用现有设备就可以制作“SDR+”图像，没有额外的费用难题。

3.采用本发明的方法资源利用率高，虽然传统显示器的峰值亮度性能已经超出了SDR图像的要求，但是显示屏的SDR模式下显示图像只是将亮度值简单地拉伸，这样显然是一种资源浪费。本方法可以按照显示屏峰值亮度调整图像的亮度，将显示屏的显示能力最大化，资源利用率很高。

4.采用本发明的方法可以提升观众体验，HDR视频节目编辑场合需要监视器的介入，监视器的峰值亮度决定了观众能看到视频的峰值亮度的上限，即100尼特监视器制作的视频的峰值亮度也只有100尼特，观众即使拥有支持HDR的设备也无法显示更高的画质。本专利仅映射100尼特以上的亮度，而不改变100尼特以下的亮度值，符合人眼的光学特征。

5.本专利可以从源头上将提升内容的峰值亮度，使观众仅使用原来设备观看画质更好的内容成为可能。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的整体流程图；

图2是本发明的转换示意图；

图3是现有技术的转换示意图；

图4是本发明中亮度修正是亮度映射的示意图；

图5是SDR显示设备采用现有技术进行监看与采用本方法进行监看的对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-5对本发明作详细说明。

一种利用SDR显示设备模拟HDR监视器的方法，包括以下步骤：

步骤1：将HDR图像的非线性RGB信号转换为线性RGB信号；

步骤2：将所述线性RGB信号的亮度修正至SDR+图像；

步骤3：将亮度修正后的线性RGB信号变换为非线性RGB信号，并输出至SDR显示设备进行显示。

进一步的，还包括预处理步骤0：

步骤00：输入HDR图像数据，判断初始HDR图像数据的格式，若数据的格式为RGB格式，则直接跳转至步骤02；否则跳转至步骤01；

步骤01：将初始HDR图像数据的格式转换为RGB格式；

步骤02：将RGB格式信号由量化信号转换至归一化信号，所述归一化信号的范围为[0，1]。

进一步的，所述步骤2中亮度修正的具体步骤如下：

步骤201：将所述线性RGB信号中大于100尼特亮度的像素点归于A组，将小于100尼特亮度的像素点归于B组；

步骤202：获取SDR显示设备的峰值亮度L_t，利用亮度映射算法，将A组中像素点的亮度映射至SDR显示设备的峰值亮度范围内(100～L_t)，更新A组中像素点的亮度；

步骤203：将B组数据与更新后的A组数据进行拼接，完成亮度修正过程。

具体实施例

本发明提供一种利用实际超过100cd/m²的SDR标准显像设备尽可能有效还原HDR图像准确亮度的方法，在要求较低的专业性场合，替代HDR监视器。通过本方法，将HDR制作空间转化到监视器显示空间中去，先将HDR图像信号转化到线性光空间；再使用亮度修正方法将HDR图像调整为“SDR+”(即亮度优于SDR但仍未达到HDR)图像，压缩亮度的同时尽可能保留原图的细节信息；接着将信号变换回非线性空间；最后使用SDR显示设备便可以显示“SDR+”图像。

具体实现方法如下：

步骤0：对HDR图像数据进行预处理，处理单位为帧，对每帧图像中的每一个像素均需要进行预处理；

步骤00：输入HDR图像数据，判断初始HDR图像数据的格式，若数据的格式为RGB格式，获得该图像的量化信号D′_RD′_GD′_B，直接跳转至步骤02；否则跳转至步骤01；

步骤01：将初始HDR图像数据的格式转换为RGB格式，若该初始HDR图像数据的格式为YCbCr格式，即将D′_YD′_CBD′_CR转换成D′_RD′_GD′_B；

步骤02：将RGB格式信号由量化信号D′_RD′_GD′_B转换至归一化信号E′_RE′_GE′_B，所述归一化信号的范围为[0，1]。

步骤1：将HDR图像的非线性RGB信号(E′_RE′_GE′_B)转换为线性RGB信号(E_RE_GE_B)，即反(摄像机)伽马变换，E′_RE′_GE′_B与E_RE_GE_B的取值范围均为[0，1]；

具体为：判断HDR图像的格式，若为PQ格式，则按照PQ对应的电光转换函数EOTF_PQ将E′_RE′_GE′_B转换成E_RE_GE_B，公式形式为：E_RE_GE_B＝EOTF_PQ[E′_RE′_GE′_B]；

若为HLG格式，则按照HLG对应的电光转换函数OETF_HLG ^-1(即HLG规定的OETF函数的反函数)将E′_RE′_GE′_B转换成E_RE_GE_B，公式形式为：E_RE_GE_B＝OETF_HLG ^-1[E′_RE′_GE′_B]。

步骤2：将所述线性RGB信号的亮度修正至SDR+图像；

亮度修正的具体步骤如下：

步骤201：由E_RE_GE_B信号计算出场景的亮度值L，将SDR显示设备的峰值亮度设置为亮度映射的上界L_t；将E_RE_GE_B信号中大于100尼特亮度的像素点归于A组，即亮度值范围为[100，L]的像素点归于A组，将小于100尼特亮度的像素点归于B组，即亮度值范围为[0，100]的像素点归于B组；

步骤202：获取SDR显示设备的峰值亮度L_t，B组数据不做处理，利用亮度映射算法，将A组中像素点的亮度映射至SDR显示设备的亮度范围内(100～L_t)，对A组图像的亮度信号进行压缩，更新A组中像素点的亮度；例如，SDR显示设备的峰值亮度为400尼特，HDR图像峰值亮度为1000尼特，将峰值亮度范围为100～1000尼特的亮度映射为100～400尼特的亮度。

步骤203：将B组数据与更新后的A组数据进行拼接，得到新的线性RGB信号E_mRE_mGE_mB，完成亮度修正过程。

步骤3：将线性RGB信号E_mRE_mGE_mB变换为非线性RGB信号E’_mRE’_mGE’_mB(反(显示器)伽马变换)，公式形式为：E’_mRE’_mGE’_mB＝E_mRE_mGE_mB ^1/2.4

将E’_mRE’_mGE’_mB输出至SDR显示设备，SDR显示设备使用显示器伽马变换将非线性RGB信号变换为线性RGB信号，再显示到屏幕上，采用此方法得到的SDR+图像的画质明显强于采用现有技术得到的SDR画质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用SDR显示设备模拟HDR监视器的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将HDR图像的非线性RGB信号转换为线性RGB信号；

步骤2：根据显示器的峰值亮度将所述线性RGB信号的亮度修正至SDR+图像；

步骤3：将亮度修正后的线性RGB信号变换为非线性RGB信号，并输出至SDR显示设备进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种利用SDR显示设备模拟HDR监视器的方法，其特征在于：还包括预处理步骤0：

步骤00：输入HDR图像数据，判断初始HDR图像数据的格式，若数据的格式为RGB格式，则直接跳转至步骤02；否则跳转至步骤01；

步骤01：将初始HDR图像数据的格式转换为RGB格式；

步骤02：将RGB格式信号由量化信号转换至归一化信号，所述归一化信号的范围为[0，1]。

3.根据权利要求1所述的一种利用SDR显示设备模拟HDR监视器的方法，其特征在于：所述步骤2中亮度修正的具体步骤如下：

步骤201：将所述线性RGB信号中大于100尼特亮度的像素点归于A组，将小于100尼特亮度的像素点归于B组；

步骤202：获取显示器峰值亮度L_t，利用亮度映射算法，将A组中像素点的亮度映射至SDR显示设备的亮度范围内(100～L_t)，更新A组中像素点的亮度；

步骤203：将B组数据与更新后的A组数据进行拼接，完成亮度修正过程。