HDR 之colorimetric & eotf

HDR 之colorimetric & eotf

Colorimetric（色度学）和 EOTF（电光转换函数，Electro-Optical Transfer Function）是图像处理和显示技术中的两个重要概念，它们共同决定了图像的色彩和亮度表现。以下是它们的关系和作用的详细说明：

1. Colorimetric（色度学）

色度学研究的是颜色的测量和表示方法，主要涉及以下几个方面：

色彩空间：如 sRGB、Adobe RGB、DCI-P3、Rec.2020 等。

色域（Gamut）：设备能够显示的颜色范围。

白点（White Point）：定义白色的色度坐标，如 D65（6500K）。

色彩原色（Primaries）：定义色彩空间的红、绿、蓝三原色的色度坐标。

色度学参数决定了图像的色彩范围和准确性。

2. EOTF（电光转换函数）

EOTF 定义了电信号（如数字像素值）与光信号（如显示亮度）之间的转换关系。它的作用包括：
亮度映射：将数字像素值映射到显示器的实际亮度。
动态范围：决定图像的亮度和对比度表现。
常见的 EOTF 包括：
Gamma 曲线：如 sRGB 的 Gamma 2.2。

PQ（Perceptual Quantizer）：用于 HDR10 和 Dolby Vision。

HLG（Hybrid Log-Gamma）：用于广播 HDR。

EOTF 决定了图像的亮度和对比度表现。

3. Colorimetric 和 EOTF 的关系

Colorimetric 和 EOTF 共同决定了图像的色彩和亮度表现，它们的关系如下：

3.1 色彩空间和 EOTF 的结合

色彩空间定义了颜色的范围和准确性。

EOTF定义了亮度的映射关系。

两者结合，才能完整描述图像的色彩和亮度表现。

例如：

sRGB 色彩空间通常与 Gamma 2.2 EOTF 结合使用。

Rec.2020 色彩空间通常与 PQ 或 HLG EOTF 结合使用，以支持 HDR。

3.2 HDR 中的 Colorimetric 和 EOTF

在 HDR（高动态范围）显示中，Colorimetric 和 EOTF 的作用更加重要：

Colorimetric：定义 HDR 的色彩空间（如 Rec.2020）和白点（如 D65）。

EOTF：定义 HDR 的亮度映射（如 PQ 或 HLG）。

例如：

HDR10 使用 Rec.2020 色彩空间和 PQ EOTF。

HLG 使用 Rec.2020 色彩空间和 HLG EOTF。

3.3 显示器的 Colorimetric 和 EOTF 配置

显示器需要根据输入信号的 Colorimetric 和 EOTF 参数进行配置，以正确显示图像：

色彩空间配置：根据输入信号的色彩空间（如 Rec.709、Rec.2020）调整显示器的色域。

EOTF 配置：根据输入信号的 EOTF（如 Gamma 2.2、PQ、HLG）调整显示器的亮度映射（LUT）。

4. 实际应用中的 Colorimetric 和 EOTF

4.1 视频编码和传输

在视频编码和传输中，Colorimetric 和 EOTF 信息通常嵌入在视频流的元数据中：

色彩空间信息：如 color_primaries、transfer_characteristics。

EOTF 信息：如 transfer_characteristics。

例如：

color_primaries = 1 表示 BT.709 色彩空间。

transfer_characteristics = 16 表示 PQ EOTF。

4.2 显示器的 HDR 配置

在 HDR 显示中，显示器需要根据输入信号的 Colorimetric 和 EOTF 信息进行配置：

色彩空间配置：根据 color_primaries 调整显示器的色域。

EOTF 配置：根据 transfer_characteristics 调整显示器的亮度映射。

5. 总结

Colorimetric 定义了图像的色彩范围和准确性。

EOTF 定义了图像的亮度和对比度表现。

两者共同决定了图像的色彩和亮度表现，特别是在 HDR 显示中尤为重要。

在实际应用中，Colorimetric 和 EOTF 信息通常嵌入在视频流的元数据中，显示器需要根据这些信息进行配置，以正确显示图像。

色度学详细内容：

在图像处理、视频制作和显示技术中，Colorimetry（色度学）是研究颜色测量和表示方法的学科。它定义了颜色的表示方式、色彩空间、色域和白点等参数。以下是一些常见的色度学标准和色彩空间：

1. 常见的色度学标准

1.1 CIE 1931 XYZ

描述：CIE 1931 XYZ 是由国际照明委员会（CIE）定义的标准色彩空间，基于人类视觉系统的三刺激值。

应用：作为其他色彩空间的基础，用于颜色测量和转换。

1.2 *CIE 1976 (L\a\b)

描述：CIE 1976 L*a\b\ 是一种均匀色彩空间，基于人类视觉系统的感知均匀性。

应用：用于颜色差异测量和颜色匹配。

2. 常见的色彩空间

2.1 sRGB

描述：sRGB 是最常用的标准色彩空间，由 HP 和 Microsoft 开发。

色域：覆盖约 35% 的 CIE 1931 色彩空间。

白点：D65（6500K）。

应用：广泛应用于计算机显示器、网络图像和消费电子产品。

2.2 Adobe RGB

描述：Adobe RGB 是由 Adobe Systems 开发的色彩空间，旨在更好地支持印刷和出版。

色域：覆盖约 50% 的 CIE 1931 色彩空间。

白点：D65（6500K）。

应用：用于专业摄影、印刷和出版。

2.3 DCI-P3

描述：DCI-P3 是由数字电影倡议（DCI）定义的色彩空间，用于数字电影。

色域：覆盖约 45% 的 CIE 1931 色彩空间。

白点：D63（6300K）。

应用：用于数字电影、高端显示器和 HDR 内容。

2.4 Rec. 709

描述：Rec. 709 是由国际电信联盟（ITU）定义的色彩空间，用于高清电视（HDTV）。

色域：与 sRGB 相同。

白点：D65（6500K）。

应用：用于高清电视和视频制作。

2.5 Rec. 2020

描述：Rec. 2020 是由 ITU 定义的超高清电视（UHDTV）色彩空间，支持更广的色域。

色域：覆盖约 75% 的 CIE 1931 色彩空间。

白点：D65（6500K）。

应用：用于 4K/8K 超高清电视和 HDR 内容。

2.6 BT. 2100

描述：BT. 2100 是由 ITU 定义的 HDR 电视标准，基于 Rec. 2020 色彩空间。

色域：与 Rec. 2020 相同。

白点：D65（6500K）。

应用：用于 HDR 电视和视频制作。

3. 色度学参数

3.1 色域（Gamut）

描述：色域是设备能够显示的颜色范围。

常见色域：

sRGB：标准色域。

Adobe RGB：扩展色域。

DCI-P3：电影色域。

Rec. 2020：超广色域。

3.2 白点（White Point）

描述：白点是定义白色的色度坐标。

常见白点：

D50（5000K）：用于印刷和出版。

D55（5500K）：用于摄影。

D65（6500K）：用于显示器和电视。

D93（9300K）：用于冷白色显示。

3.3 色彩原色（Primaries）

描述：色彩原色定义了色彩空间的红、绿、蓝三原色的色度坐标。

常见色彩原色：

sRGB：R (0.6400, 0.3300), G (0.3000, 0.6000), B (0.1500, 0.0600)。

Adobe RGB：R (0.6400, 0.3300), G (0.2100, 0.7100), B (0.1500, 0.0600)。

DCI-P3：R (0.6800, 0.3200), G (0.2650, 0.6900), B (0.1500, 0.0600)。

Rec. 2020：R (0.7080, 0.2920), G (0.1700, 0.7970), B (0.1310, 0.0460)。

4. 色度学在 HDR 中的应用

在 HDR（高动态范围）显示中，色度学参数（如色彩空间、色域、白点）与 EOTF（电光转换函数）共同决定了图像的色彩和亮度表现。

4.1 HDR10

色彩空间：Rec. 2020。

EOTF：PQ（SMPTE ST 2084）。

色域：超广色域。

白点：D65。

4.2 Dolby Vision

色彩空间：Rec. 2020。

EOTF：PQ（SMPTE ST 2084）。

色域：超广色域。

白点：D65。

4.3 HLG

色彩空间：Rec. 2020。

EOTF：HLG（SMPTE ST 2082）。

色域：超广色域。

白点：D65。

5. 总结

色度学定义了颜色的表示方式、色彩空间、色域和白点等参数。

常见的色彩空间包括 sRGB、Adobe RGB、DCI-P3、Rec. 709、Rec. 2020 等。

在 HDR 显示中，色度学参数与 EOTF 共同决定了图像的色彩和亮度表现。

色度学在图像处理、视频制作和显示技术中具有重要作用。

白色的色度坐标值（Chromaticity Coordinates）是用于描述白色在色彩空间中的位置的一组数值。这些坐标通常基于 CIE 1931 XYZ 色彩空间，并通过归一化的 ( x ) 和 ( y ) 值表示。以下是几种常见标准白点的色度坐标值：

1. CIE 1931 色彩空间

在 CIE 1931 色彩空间中，白色的色度坐标值通过 ( x ) 和 ( y ) 表示，计算公式如下：

其中：

( X )、( Y )、( Z ) 是 CIE XYZ 色彩空间中的三刺激值。

( Y ) 通常表示亮度。

2. 常见标准白点的色度坐标

2.1 D50（5000K）

色温：5000K（常用于印刷和出版）。

色度坐标：

( x = 0.3457 )

( y = 0.3585 )

2.2 D55（5500K）

色温：5500K（常用于摄影）。

色度坐标：

( x = 0.3324 )

( y = 0.3474 )

2.3 D65（6500K）

色温：6500K（常用于显示器和电视）。

色度坐标：

( x = 0.3127 )

( y = 0.3290 )

2.4 D75（7500K）

色温：7500K（常用于摄影和设计）。

色度坐标：

( x = 0.2990 )

( y = 0.3149 )

2.5 D93（9300K）

色温：9300K（冷白色，常用于某些显示设备）。

色度坐标：

( x = 0.2848 )

( y = 0.2932 )

3. 色度坐标的应用

白色的色度坐标值在以下场景中非常重要：

色彩管理：确保不同设备之间的颜色一致性。

显示校准：校准显示器以匹配标准白点。

图像处理：在图像处理中转换色彩空间时，需要指定白点。

4. 示例：获取 D65 的色度坐标

以下是一个简单的 Python 示例，计算 D65 白点的色度坐标：

D65 的 XYZ 值

X = 0.95047
Y = 1.00000
Z = 1.08883

计算色度坐标

x = X / (X + Y + Z)
y = Y / (X + Y + Z)

print(f"D65 的色度坐标: x = {x:.4f}, y = {y:.4f}")

输出

D65 的色度坐标: x = 0.3127, y = 0.3290

5. 总结

白色的色度坐标值用于描述白色在色彩空间中的位置。

常见的标准白点包括 D50、D55、D65、D75 和 D93。

色度坐标在色彩管理、显示校准和图像处理中具有重要作用。

量化感知定义：

Perceptual Quantizer（PQ）‌是一种高动态范围（HDR）编码方法，由SMPTE（电影和电视工程师协会）与Dolby Laboratories联合开发。PQ旨在通过基于人眼感知的亮度模型，精确再现高亮度和深暗区域的细节。它采用绝对亮度模型，并通过ST 2084 EOTF（电光转换函数）标准定义了如何将亮度从线性光转化为非线性电信号‌1。

PQ的特点

‌高动态范围‌：PQ支持高达10,000 nits的峰值亮度，尽管大多数显示器目前支持的亮度为1,000-4,000 nits，适用于亮度范围极大的显示需求‌1。

‌精确的亮度区间分配‌：PQ能够将亮度区间分配得非常精确，使得在极端亮度下的颜色依然保持细腻，尤其是在黑暗区域和亮光场景之间的对比‌1。

‌色彩空间‌：PQ基于Rec.2020色彩空间，覆盖了人眼可见色彩的75.8%，明显大于Rec.709的色域‌1。

‌色深支持‌：PQ支持10位或12位色深，允许更精细的颜色表现和动态范围控制‌1。

PQ的应用场景和技术细节

PQ主要用于非实时播放和高精度的HDR内容制作，如点播视频、流媒体播放和电视电影制作。PQ HDR内容通常会使用元数据来帮助显示设备正确解码亮度和颜色信息，因此要求设备具有更高的硬件支持，如HDR10和Dolby Vision‌1。

与其他HDR标准的对比

PQ与HLG（Hybrid Log-Gamma）是两种常见的HDR标准。HLG主要用于广播和实时内容，不需要元数据，可以在HDR和SDR设备上同时播放。HLG的动态范围处理能力较好，能够在不同亮度的显示设备上自适应输出，适合直播等需要无缝转换的场景。而PQ则更适合非实时播放和高精度的HDR内容制作，需要设备具有更高的硬件支持‌1。

SMPTE

（Society of Motion Picture and Television Engineers，电影与电视工程师协会）制定了一系列与 EOTF（Electro-Optical Transfer Function，电光转换函数）相关的标准，特别是在高动态范围（HDR）视频领域。以下是 SMPTE 定义的几种主要 EOTF 标准：

1. SMPTE ST 2084 (PQ, Perceptual Quantizer)

SMPTE ST 2084 定义了 PQ EOTF，它是一种基于人类视觉系统（HVS）的感知量化曲线，用于 HDR 视频的亮度和对比度映射。

1.1 特点

高动态范围：支持高达 10,000 尼特（nits）的亮度。

感知均匀性：根据人类视觉系统的非线性特性设计，确保在不同亮度下的感知均匀性。

广泛应用：用于 HDR10、Dolby Vision 等 HDR 格式。

1.2 数学公式

PQ EOTF 的数学公式如下：xxx

1.3 应用

HDR10：使用 PQ EOTF 和 Rec.2020 色彩空间。

Dolby Vision：使用 PQ EOTF 和动态元数据

2. SMPTE ST 2094 (Dynamic Metadata)

SMPTE ST 2094 是一系列标准，定义了 HDR 视频的动态元数据（Dynamic Metadata），用于优化 HDR 内容的显示效果。

2.1 组成部分

ST 2094-10：定义了动态元数据的基本框架。

ST 2094-20：基于 Dolby Vision 的动态元数据。

ST 2094-30：基于 Philips 的动态元数据。

ST 2094-40：基于 Technicolor 的动态元数据。

2.2 作用

动态元数据可以根据每一帧或场景的亮度范围动态调整显示器的 EOTF 和色调映射，以提供更好的 HDR 效果。

3. SMPTE ST 2086 (Mastering Display Color Volume)

SMPTE ST 2086 定义了 Mastering Display Color Volume（母版显示色彩体积），用于描述 HDR 内容的色彩和亮度范围。

3.1 内容

色彩原色：母版显示器的红、绿、蓝三原色的色度坐标。

白点：母版显示器的白点色度坐标。

亮度范围：母版显示器的最大亮度和最小亮度。

3.2 作用

ST 2086 元数据用于指导显示设备如何正确映射 HDR 内容的色彩和亮度范围。

4. SMPTE ST 2082 (High Dynamic Range Electro-Optical Transfer Function)

SMPTE ST 2082 定义了 HLG（Hybrid Log-Gamma）EOTF，它是一种用于广播 HDR 的 EOTF。

4.1 特点

兼容性：HLG 同时兼容 SDR（标准动态范围）和 HDR 显示设备。

广播应用：广泛用于广播电视和流媒体。

亮度范围：支持高达 1,000 尼特的亮度。

4.2 数学公式

HLG EOTF 的数学公式如下：

4.3 应用

广播 HDR：如 BBC、NHK 等广播公司使用 HLG。

流媒体：如 YouTube 支持 HLG HDR 内容。

5. SMPTE ST 2081 (High Dynamic Range Imaging)

SMPTE ST 2081 定义了 HDR 成像的基本概念和技术要求，包括 EOTF、色彩空间和元数据。

5.1 内容

EOTF：定义了 HDR 视频的亮度映射方法。

色彩空间：定义了 HDR 视频的色彩范围。

元数据：定义了 HDR 视频的元数据格式。

5.2 作用

ST 2081 为 HDR 视频的制作、传输和显示提供了技术规范。

6. 总结

SMPTE ST 2084 (PQ)：定义了用于 HDR10 和 Dolby Vision 的 PQ EOTF。

SMPTE ST 2094：定义了 HDR 视频的动态元数据。

SMPTE ST 2086：定义了母版显示色彩体积。

SMPTE ST 2082 (HLG)：定义了用于广播 HDR 的 HLG EOTF。

SMPTE ST 2081：定义了 HDR 成像的基本概念和技术要求。

这些标准共同构成了 HDR 视频的技术基础，确保了 HDR 内容的制作、传输和显示的一致性和高质量。