文章分享：浅析新一代视频信号ICtCp

smallwhale12

之前上个月写的一篇文章 原文已刊载在《家庭影院技术》杂志2018年6月刊 现转发分享 欢迎一起交流
随着技术的不断发展，视频领域已经经过数次重大变革，从黑白电影到彩色电影，从模拟胶片拍摄到数字拍摄，每一次重大变革都是对整个视频领域的生态链进行全方位的技术升级。不论是拍摄、制作还是播放环节，都伴随着相关标准的迭代更替。近年来，高动态范围（HDR）逐渐成为业界关注的焦点，不同环节的厂商都在为布局下一代视频系统积极行动，而作为承载完整产业链条的视频信号标准也面临着进一步的升级换代。接下来所要探讨的就是新一代视频信号—ICtCp。
1.什么是ICtCp？
ICtCp是一种新型视频信号格式，由Arris、杜比、InterDigital联合提出，受到MPEG委员会的认可，并收录于ATSC3.0规范。杜比曾在2017年美国SMPTE技术峰会上进行过现场技术演示。面对以10bit色彩深度、HDR、广色域为特点的视频发展新阶段，现有信号格式在技术可靠性和准确性上逐渐遇到瓶颈，而通过对信号的升级换代可以提高未来发展空间。作为分量式信号，ICtCp依然采用画面亮度与画面色彩分开的编码格式，其中I代表经过编码后的亮度强度，即黑白画面；Ct代表蓝黄色轴色度信号，Cp代表红绿色轴色度信号，CtCp合并后构成完整色彩画面。

（图1：用CtCp为坐标系显示BT.2020色域）
ICtCp作为信号格式标准收录于ITU针对HDR制定的BT.2100技术规范中，与RGB和YCbCr同为针对HDR内容的信号格式，其中亮度信号部分的I可以采用非线性的视觉量化（PQ）EOTF或混合对数伽马（HLG）方式进行编码记录，可以精准还原最高至10000尼特亮度信号的同时在观看过程中保持自然观感，对拍摄HDR素材具有天然优势。而记录色彩的CtCp由于采用交叉色轴作为色彩数值坐标系同样具有精准性。从信号构成的设计角度分析，这两方面的设计针对人类视觉系统（HVS）的核心性能指标进行优化，即套用PQ EOTF曲线后通过交叉矩阵计算在线性光和非线性信号之间进行转换，然后通过色光分异处理的方式将长中短（LMS）三种不同波长的光线以ICtCp格式进行记录。（见图2）

（图2：光线记录为ICtCp信号的简要流程）

由于在设计上模仿人类视觉系统，因此在信号处理上需要有三段波长的交叉计算、叠加非线性EOTF曲线、交叉计算信号数值这三个步骤（具体细节可以参阅相关白皮书），而在播放的过程中同样也要进行相反的运算还原为光输出来播放内容。正是基于这样一种设计，为ICtCp在画质和传输质量上提供了可靠保障。
2.ICtCp具有哪些优势？
与传统的YCbCr相比，ICtCp有许多相似的地方。同样是分量信号，可以通过压缩和编码处理的方式节省宝贵的带宽。但与ICtCp不同，在BT.709标准下，YCbCr信号中作为亮度信号的Y应用在SDR视频时采用的是模拟旧制式IRE电平的方式从0至1记录明暗变化，标记为Y’，而CbCr通过蓝色和红色色度偏移量记录色彩画面。面对HDR视频的应用环境中，在BT.2020标准下应用YCbCr信号会转化为Y’C’bC’r，其中亮度信号和色彩信号两部分都进行了不同的转换公式以适应高亮度和广色域的环境需求，而经过转换后的Y’C’bC’r同BT.709标准下的Y’CbCr无法进行换算，因此在实际应用中已经分化为两种不同的标准和系统。由于参考系的设计是在8bit色彩深度的条件下制定的，在HDR环境中，10bit色彩深度同8bit相比对于色彩数值的精度要求提高4倍，而高光的精度对色彩的饱和度也会造成相应影响，当YCbCr信号以标准4：2：0的格式制作后传送到显示设备并转换为RGB数据进行显示时，容易出现色彩记录层面和换算层面的误差，反映到实际观看效果中就会出现饱和度过高或噪点增多的现象。（见图3）

（图3：同一画面采用Y’C’bC’r和ICtCp记录的效果对比 图片来源：杜比实验室）
从色彩以坐标形式记录和还原的角度分析，之所以出现这一现象正是由于信号作为数据载体包含计算误差，这种误差从光学上分析可以从四个角度进行对比。首先第一个角度就是亮度，从两种信号记录亮度的方式分析，ICtCp以编码的方式记录绝对光线强度，相比YCbCr以模拟的方式记录相对光线亮度更加准确。而亮度与色彩有着相互影响的关系，最理想的状态是在显示不同色彩饱和度时亮度信号与EOTF曲线编码光线强度能够维持1：1的固定比例，从而实现亮度信号与色彩信号的完美分离。同样是BT.2020色域，两种信号格式在维持恒定亮度比例的表现上出现差异（见图4），其中在Y’C’bC'r中随着亮度信号增加，分离出的色彩饱和度偏移量也会增加，蓝色和红色偏移程度最为明显，应用到实际中表现为高光拍摄时噪点数量增加。而在ICtCp中不同色彩都能够在维持恒定亮度比例的范围内进行饱和度的变化，进行色彩信号还原时取样误差更小，因此ICtCp在高亮度视频应用中可以在高光和复杂色彩层次之间维持优秀的平衡。

（图4：恒定亮度下亮度与色度信号分离对比图 数据来源：杜比实验室）
第二个角度是色调，保持色调一致性对于良好的色彩线性和不同显示设备之间色彩空间转换具有重要作用，色域换算处理在很大程度上都需要从色调和饱和度入手。对于HDR制作来说，将高饱和度的色彩调节至合法性范围之内与信号格式的色调偏移角度有直接关系。实验表明，ICtCp的色调偏移角度整体上小于Y’C’bC’r，同时在蓝色和肤色色调等重要区域有着优异表现（见图5）。另一方面，考虑到两种信号格式的坐标系差异，将规范恒定色调引入各自坐标系中，使用同样的恒定色调计算方法对比后可以看出ICtCp信号的色彩线性和色调一致性均优于Y’C’bC’r（见图6）。

（图5：基于Hung&Berns恒定色调计算ICtCp与基于PQ曲线的BT.2020 Y’C’bC'r最大色调误差对比 数据来源：杜比实验室）

（图6：基于PQ曲线的BT.2020 Y’C’bC’r与ICtCp的色调线性对比 数据来源：杜比实验室）
第三个角度是最小感知差异的均匀性。由于色彩表现的一致性与其算法效率有关，当均匀性效率高时，不同方向的等量增减所呈现的结果差异是一定的，这种结果差异所带来的最小感知差异在色域中一般呈椭圆形。因此在色彩深度相同的情况下，一种编码方式对于不同色彩的最小感知差异越均匀，其质量和效率也就越高。有研究表明，在同样的条件下，Y’C’bC’r的最小感知差异相对集中，能够分辨出差异的范围即椭圆形的曲率差异大，尤其是青色和洋红色，反映到实际表现中会难以呈现出这两种颜色在视觉上的变化。而ICtCp由于采用以波长作为区分的长中短（LMS）不同波长的方式记录光线和色彩变化，所记录的色彩变化精确度从观感上细节增多，特别在混合光方面记录波长变化和记录三原色混合比例的差异明显，因此在最小感知差异的分布和均匀性上都有很大提升。（见图7）这一结果同样得到学者通过计算统计进行验证的支持。

（图7：基于PQ曲线的BT.2020 Y’C’bC’r与ICtCp的最小感知差异分析 数据来源：MacAdam, L, David, “Visual Sensitivities to Color Difference in Daylight”）
第四个角度是信号本身的基准量化性能，反映在测量中就是DeltaE（ΔE）的误差大小。在视频领域中为了记录高质量的影像通常会使用增加信号位数的方式减少画面损失，但在同样位数的条件下受编码效率和带宽的限制，需要在记录画面信息量和噪点、色彩偏移等问题之间进行平衡。在BT.2020色域和ST.2084 EOTF曲线的环境下，通常使用10bit或12bit信号进行传输，而目前通行的ΔE2000在制定时只有1-100cd/m2的范围内有合法性，对于HDR涉及的0.05-10000cd/m2的范围还没有得到业界标准认定。即便如此，使用ΔE2000作为参考对比两种信号在1-10000cd/m2范围内进行基准性能对比依然可以看出，同信号位数的条件下ICtCp的误差值比Y’C’bC’r降低约一倍。（见图8）以DCI对于商业院线要求ΔE小于3.0的标准来看，ICtCp不论是10bit还是12bit都能提供优异的性能，同时为搭建ΔE小于1的完美播放环境提供了可能性，在未来仍有很大发展空间。

（图8：10bit和12bit下信号基准量化性能对比 数据来源：杜比实验室）
3.ICtCp的未来发展前景
从上一节中的分析和对比可以看出，ICtCp作为新一代视频信号，从设计的角度来说既解决了当前信号格式面临的瓶颈，同时在未来的发展中有助于各个环节的技术迭代。从拍摄环节一直到显示环节，采用波长区分光线的方式记录色彩信号在未来相当长的一段时间都会具有充分的前瞻性，同上世纪50年代设计的YCbCr信号相比，ICtCp能够承载的进步空间会吸引更多行业产品和从业者将其应用到商用过程中。从目前的应用情况来看，ICtCp的实际应用依然处在萌芽阶段，由于没有成为4K超高清（UHD）蓝光盘的技术标准，因此目前在光盘领域依然会使用YCbCr信号，错失一次重要的发展机遇。而加入ATSC3.0标准后有望在下一代电视广播系统中得到应用。目前ICtCp信号应用范围最广泛的案例是国外流媒体平台Netflix在播放杜比视界（Dolby Vision，简称DV）格式的HDR片源时使用这一信号格式，而杜比作为ICtCp信号的主要研发者，将这一信号格式同杜比视界相结合，使其成为杜比视界片源的唯一信号格式，这一举措也为技术商业化和不同厂商的战略布局带来影响。众所周知，杜比视界作为优秀的HDR格式在技术上同HDR10相比具有优势，但由于杜比视界复杂的技术规格，如针对不同应用环境划分出完整DV信号、叠加在固有视频流之上的叠加DV信号和针对特定场景优化的DV信号等不同信号格式，导致其对不同厂商和设备兼容性要求较高，为商业推广提高了难度。目前能够播放杜比视界片源的设备都有解码ICtCp信号的能力，由于专利限制的原因，HDR格式在不同阵营之间的竞争对于ICtCp信号的普及也增加了不确定性。
从当前厂商对新产品的研发方向和市场反馈来看，HDR的认知度和应用范围逐渐提升，同之前在业界昙花一现的3D不同，HDR本身已经具有通过不断发展成为业界主流的先决条件，在这一发展过程中，需要有成功的商业策略和技术提供支持。相信随着ICtCp这一信号格式的应用，HDR相关的技术体系会日益完善，为消费者带来更优异的观感体验。

chncwk

LAB空间的像素格式？转换成RGB格式输出会有什么损失吗？

叶落归根1

.新技术.很好仔细看.看

Friday

长知识了，原来DV是采用ICtCp编码视频的，难怪兼容性这么差...不过理论上看，图像质量（尤其是色彩）提升巨大！但是专利是抑制其有效推动的一大障碍。

bluebay999

为什么不能直接进化到RGB编码，非得在显示端作一次RGB转换？

chncwk

bluebay999 发表于 2018-6-8 11:49
为什么不能直接进化到RGB编码，非得在显示端作一次RGB转换？

LAB模型可以容纳所有的色彩，数量级比RGB模型高得多。
在这里面做转换输出应该是最精确的。
只是以后的播放器是否都需要配备硬件LUT表了？

smallwhale12

bluebay999 发表于 2018-6-8 11:49
为什么不能直接进化到RGB编码，非得在显示端作一次RGB转换？

节省带宽啊 视频领域要都用RGB就变成444的信号 带宽成本直线上升 好多卫星转播 地面波转播就难了……

smallwhale12

chncwk 发表于 2018-6-8 07:34
LAB空间的像素格式？转换成RGB格式输出会有什么损失吗？

LAB HSL这些空间都是作为不同的坐标系描述色彩 本身没有记录信号的功能 可以相互转换 这里说的信号是真实记录数据的载体 转换肯定有影响但是IC信号比YC信号好太多

bluebay999

chncwk 发表于 2018-6-8 11:54
LAB模型可以容纳所有的色彩，数量级比RGB模型高得多。
在这里面做转换输出应该是最精确的。
只是以后的 ...

不是这个原因，连ACES都可用RGB表示，不做转换才是最彻底地无损，应该还是楼主说的带宽的限制。

superfire

漲姿勢了！！

michaellv2015

杜比家的都是大流氓，千方百计不让咱免费看

hevc

技术普及贴，必须要支持

bebear

又来厂商枪稿神吹了
学点文化知识吧 仿佛以前的人都是废物 就他杜比一家搞得出来

bebear

各种神吹 就跟大力丸一般 骗骗老人家罢了
人啊 靠骗 能混的了多远的路？

bebear

就一句 那所谓效果图 是真的还是杜比ps出来的？
色度分辨率有亮度的一半 也没人用邻近复制插值 能形成那么大的马赛克？
逗谁呢