承載超高清HDR未來的基石：淺析新一代視頻信號-ICtCp

隨著技術的不斷發展，視頻領域已經經過數次重大變革，從黑白電影到彩色電影，從模擬膠片拍攝到數字拍攝，每一次重大變革都是對整個視頻領域的生態鏈進行全方位的技術升級。不論是拍攝、制作還是播放環節，都伴隨著相關標準的迭代更替。近年來，高動態范圍（HDR）逐漸成為業界關注的焦點，不同環節的廠商都在為布局下一代視頻系統積極行動，而作為承載完整產業鏈條的視頻信號標準也面臨著進一步的升級換代。接下來所要探討的就是新一代視頻信號—ICtCp。

1.什么是ICtCp？

ICtCp是一種新型視頻信號格式，由Arris、杜比、InterDigital聯合提出，受到MPEG委員會的認可，并收錄于ATSC3.0規范。杜比曾在2017年美國SMPTE技術峰會上進行過現場技術演示。面對以10bit色彩深度、HDR、廣色域為特點的視頻發展新階段，現有信號格式在技術可靠性和準確性上逐漸遇到瓶頸，而通過對信號的升級換代可以提高未來發展空間。作為分量式信號，ICtCp依然采用畫面亮度與畫面色彩分開的編碼格式，其中I代表經過編碼后的亮度強度，即黑白畫面；Ct代表藍黃色軸色度信號，Cp代表紅綠色軸色度信號，CtCp合并后構成完整色彩畫面。

（圖1：用CtCp為坐標系顯示BT.2020色域）

ICtCp作為信號格式標準收錄于ITU針對HDR制定的BT.2100技術規范中，與RGB和YCbCr同為針對HDR內容的信號格式，其中亮度信號部分的I可以采用非線性的視覺量化（PQ）EOTF或混合對數伽馬（HLG）方式進行編碼記錄，可以精準還原*高至10000尼特亮度信號的同時在觀看過程中保持自然觀感，對拍攝HDR素材具有天然優勢。而記錄色彩的CtCp由于采用交叉色軸作為色彩數值坐標系同樣具有精準性。從信號構成的設計角度分析，這兩方面的設計針對人類視覺系統（HVS）的核心性能指標進行優化，即套用PQ EOTF曲線后通過交叉矩陣計算在線性光和非線性信號之間進行轉換，然后通過色光分異處理的方式將長中短（LMS）三種不同波長的光線以ICtCp格式進行記錄。（見圖2）

（圖2：光線記錄為ICtCp信號的簡要流程）

由于在設計上模仿人類視覺系統，因此在信號處理上需要有三段波長的交叉計算、疊加非線性EOTF曲線、交叉計算信號數值這三個步驟（具體細節可以參閱相關白皮書），而在播放的過程中同樣也要進行相反的運算還原為光輸出來播放內容。正是基于這樣一種設計，為ICtCp在畫質和傳輸質量上提供了可靠保障。

2.ICtCp具有哪些優勢？

與傳統的YCbCr相比，ICtCp有許多相似的地方。同樣是分量信號，可以通過壓縮和編碼處理的方式節省寶貴的帶寬。但與ICtCp不同，在BT.709標準下 YCbCr信號中作為亮度信號的Y應用在SDR視頻時采用的是模擬舊制式IRE電平的方式從0至1記錄明暗變化，標記為Y’，而CbCr通過藍色和紅色色度偏移量記錄色彩畫面。面對HDR視頻的應用環境中，在BT.2020標準下應用YCbCr信號會轉化為Y’C’bC’r，其中亮度信號和色彩信號兩部分都進行了不同的轉換公式以適應高亮度和廣色域的環境需求，而經過轉換后的Y’C’bC’r同BT.709標準下的Y’CbCr無法進行換算，因此在實際應用中已經分化為兩種不同的標準和系統。由于參考系的設計是在8bit色彩深度的條件下制定的，在HDR環境中，10bit色彩深度同8bit相比對于色彩數值的精度要求提高4倍，而高光的精度對色彩的飽和度也會造成相應影響，當YCbCr信號以標準4：2：0的格式制作后傳送到顯示設備并轉換為RGB數據進行顯示時，容易出現色彩記錄層面和換算層面的誤差，反映到實際觀看效果中就會出現飽和度過高或噪點增多的現象。（見圖3）

（圖3：同一畫面采用Y’C’bC’r和ICtCp記錄的效果對比圖片來源：杜比實驗室）

從色彩以坐標形式記錄和還原的角度分析，之所以出現這一現象正是由于信號作為數據載體包含計算誤差，這種誤差從光學上分析可以從四個角度進行對比。首先第*個角度就是亮度，從兩種信號記錄亮度的方式分析，ICtCp以編碼的方式記錄絕對光線強度，相比YCbCr以模擬的方式記錄相對光線亮度更加準確。而亮度與色彩有著相互影響的關系，最理想的狀態是在顯示不同色彩飽和度時亮度信號與EOTF曲線編碼光線強度能夠維持1：1的固定比例，從而實現亮度信號與色彩信號的完美分離。同樣是BT.2020色域，兩種信號格式在維持恒定亮度比例的表現上出現差異（見圖4），其中在Y’C’bC'r中隨著亮度信號增加，分離出的色彩飽和度偏移量也會增加，藍色和紅色偏移程度最為明顯，應用到實際中表現為高光拍攝時噪點數量增加。而在ICtCp中不同色彩都能夠在維持恒定亮度比例的范圍內進行飽和度的變化，進行色彩信號還原時取樣誤差更小，因此ICtCp在高亮度視頻應用中可以在高光和復雜色彩層次之間維持*秀的平衡。

（圖4：恒定亮度下亮度與色度信號分離對比圖數據來源：杜比實驗室）

第二個角度是色調，保持色調一致性對于良好的色彩線性和不同顯示設備之間色彩空間轉換具有重要作用，色域換算處理在很大程度上都需要從色調和飽和度入手。對于HDR制作來說，將高飽和度的色彩調節至合法性范圍之內與信號格式的色調偏移角度有直接關系。實驗表明，ICtCp的色調偏移角度整體上小于Y’C’bC’r，同時在藍色和膚色色調等重要區域有著優異表現（見圖5）。另一方面，考慮到兩種信號格式的坐標系差異，將規范恒定色調引入各自坐標系中，使用同樣的恒定色調計算方法對比后可以看出ICtCp信號的色彩線性和色調一致性均優于Y’C’bC’r（見圖6）。

（圖5：基于Hung&Berns恒定色調計算ICtCp與基于PQ曲線的BT.2020 Y’C’bC'r最大色調誤差對比數據來源：杜比實驗室）

圖6：基于PQ曲線的BT.2020 Y’C’bC’r與ICtCp的色調線性對比 數據來源：杜比實驗室）

第三個角度是最小感知差異的均勻性。由于色彩表現的一致性與其算法效率有關，當均勻性效率高時，不同方向的等量增減所呈現的結果差異是一定的，這種結果差異所帶來的最小感知差異在色域中一般呈橢圓形。因此在色彩深度相同的情況下，一種編碼方式對于不同色彩的最小感知差異越均勻，其質量和效率也就越高。有研究表明，在同樣的條件下，Y’C’bC’r的最小感知差異相對集中，能夠分辨出差異的范圍即橢圓形的曲率差異大，尤其是青色和洋紅色，反映到實際表現中會難以呈現出這兩種顏色在視覺上的變化。而ICtCp由于采用以波長作為區分的長中短（LMS）不同波長的方式記錄光線和色彩變化，所記錄的色彩變化精確度從觀感上細節增多，特別在混合光方面記錄波長變化和記錄三原色混合比例的差異明顯，因此在最小感知差異的分布和均勻性上都有很大提升。（見圖7）這一結果同樣得到學者通過計算統計進行驗證的支持。

（圖7：基于PQ曲線的BT.2020 Y’C’bC’r與ICtCp的最小感知差異分析 數據來源：MacAdam, L,David, “VisualSensitivities to Color Difference in Daylight”）

第四個角度是信號本身的基準量化性能，反映在測量中就是DeltaE（ΔE）的誤差大小。在視頻領域中為了記錄高質量的影像通常會使用增加信號位數的方式減少畫面損失，但在同樣位數的條件下受編碼效率和帶寬的限制，需要在記錄畫面信息量和噪點、色彩偏移等問題之間進行平衡。在BT.2020色域和ST.2084 EOTF曲線的環境下，通常使用10bit或12bit信號進行傳輸，而目前通行的ΔE2000在制定時只有1-100cd/m2的范圍內有合法性，對于HDR涉及的0.05-10000cd/m2的范圍還沒有得到業界標準認定。即便如此，使用ΔE2000作為參考對比兩種信號在1-10000cd/m2范圍內進行基準性能對比依然可以看出，同信號位數的條件下ICtCp的誤差值比Y’C’bC’r降低約一倍。（見圖8）以DCI對于商業院線要求ΔE小于3.0的標準來看，ICtCp不論是10bit還是12bit都能提供優異的性能，同時為搭建ΔE小于1的完美播放環境提供了可能性，在未來仍有很大發展空間。

（圖8：10bit和12bit下信號基準量化性能對比數據來源：杜比實驗室）

3.ICtCp的未來發展前景

從上一節中的分析和對比可以看出，ICtCp作為新一代視頻信號，從設計的角度來說既解決了當前信號格式面臨的瓶頸，同時在未來的發展中有助于各個環節的技術迭代。從拍攝環節一直到顯示環節，采用波長區分光線的方式記錄色彩信號在未來相當長的一段時間都會具有充分的前瞻性，同上世紀50年代設計的YCbCr信號相比，ICtCp能夠承載的進步空間會吸引更多行業產品和從業者將其應用到商用過程中。從目前的應用情況來看，ICtCp的實際應用依然處在萌芽階段，由于沒有成為4K超高清（UHD）藍光盤的技術標準，因此目前在光盤領域依然會使用YCbCr信號，錯失一次重要的發展機遇。而加入ATSC3.0標準后有望在下一代電視廣播系統中得到應用。目前ICtCp信號應用范圍最廣泛的案例是國外流媒體平臺Netflix在播放杜比視界（Dolby Vision，簡稱DV）格式的HDR片源時使用這一信號格式，而杜比作為ICtCp信號的主要研發者，將這一信號格式同杜比視界相結合，使其成為杜比視界片源的唯*信號格式，這一舉措也為技術商業化和不同廠商的戰略布局帶來影響。眾所周知，杜比視界作為*秀的HDR格式在技術上同HDR10相比具有優勢，但由于杜比視界復雜的技術規格，如針對不同應用環境劃分出完整DV信號、疊加在固有視頻流之上的疊加DV信號和針對特定場景優化的DV信號等不同信號格式，導致其對不同廠商和設備兼容性要求較高，為商業推廣提高了難度。目前能夠播放杜比視界片源的設備都有解碼ICtCp信號的能力，由于專利限制的原因，HDR格式在不同陣營之間的競爭對于ICtCp信號的普及也增加了不確定性。

從當前廠商對新產品的研發方向和市場反饋來看，HDR的認知度和應用范圍逐漸提升，同之前在業界曇花一現的3D不同，HDR本身已經具有通過不斷發展成為業界主流的先決條件，在這一發展過程中，需要有成功的商業策略和技術提供支持。相信隨著ICtCp這一信號格式的應用，HDR相關的技術體系會日益完善，為消費者帶來更優異的觀感體驗。

原文已刊載于《家庭影院技術》2018年6月刊 轉載分享，筆者為THX高級視頻校準工程師，THX-HAA家庭影院集成工程師，長期從事影音調試方面的工作，現任北京圣諦影音技術總監