HDR (High Dynamic Range) video

Công nghệ xử lý hình ảnh trong Video ngày càng phát triển, video đen trắng nhường chỗ cho chuẩn video có màu sắc. Tiếp đến, các hạn chế của chuẩn SD lại nhường chỗ cho HD với độ phân giải cao hơn, màu sắc sinh động hơn. Công nghệ tiếp tục phát triển theo nhu cầu ngày càng cao của con người, và định nghĩa UHD (UltraHigh Definition) ra đời với độ phân giải tốt hơn, màu sắc sâu hơn. Bước tiếp theo trong quá trình phát triển của video là dải tương phản động mở rộng, hay là dải động cao video (HDR – High Dynamic Range) 1. HDR sẽ đem đến dải tương phản động màu sắc cao hơn, nhằm tăng tỷ lệ tương phản giữa vùng sáng và vùng tối cũng như độ bão hòa của màu sắc, qua đó mang lại chất lượng và độ chi tiết tốt hơn để hình ảnh trên video gần hơn với những gì mắt người nhìn thấy trong tự nhiên.

HDR – HIGH DYNAMIC RANGE VIDEO DẢI TƯƠNG PHẢN ĐỘNG MỞ RỘNG VIDEO TRIỂN KHAI HỖ TRỢ HDR SỬ DỤNG CÁC GIẢI PHÁP PHẦN MỀM Nguyễn Hoàng Quốc Việt - BRAC I GIỚI THIỆU Công nghệ xử lý hình ảnh Video ngày phát triển, video đen trắng nhường chỗ cho chuẩn video có màu sắc Tiếp đến, hạn chế chuẩn SD lại nhường chỗ cho HD với độ phân giải cao hơn, màu sắc sinh động Công nghệ tiếp tục phát triển theo nhu cầu ngày cao người, định nghĩa UHD (Ultra-High Definition) đời với độ phân giải tốt hơn, màu sắc sâu Bước trình phát triển video dải tương phản động mở rộng, dải động cao video (HDR – High Dynamic Range) [1] HDR đem đến dải tương phản động màu sắc cao hơn, nhằm tăng tỷ lệ tương phản vùng sáng vùng tối độ bão hòa màu sắc, qua mang lại chất lượng độ chi tiết tốt để hình ảnh video gần với mắt người nhìn thấy tự nhiên Có ba kỹ thuật để cải thiện trải nghiệm video có khả thực tương lai gần: tăng tỷ lệ khung hình, tăng số lượng điểm ảnh khung hình, / cải thiện điểm ảnh Bài viết tập trung vào phương pháp thứ ba cách hệ thống video phục vụ tốt với hỗ trợ HDR phần mềm nhằm tái tạo phần cảnh quan không rõ ràng (hình 1) Hình So sánh khung hình không sử dụng HDR (trái) sử dụng HDR (phải) II HDR - CÔNG NGHỆ ĐANG ĐƯỢC ĐƯA VÀO SỬ DỤNG Phần lớn ý thực lĩnh vực video tập trung vào việc cải thiện chất lượng điểm ảnh cho phép cải tiến phổ biến thông qua truyền hình trả tiền (pay TV), Internet, truyền hình vệ tinh công nghệ video khác để tạo hình ảnh rực rỡ hình 4K ngày trở nên phổ biến thị trường Có nhiều tiêu chuẩn hỗ trợ HDR trình hoàn thiện nó, tiêu chuẩn lại mạnh riêng Rất khó để thỏa mãn hai khía cạnh kỹ thuật kinh doanh, ngành công nghiệp video chưa đạt thống tiêu chuẩn HDR cụ thể Đơn cử câu hỏi cách mà siêu liệu HDR (HDR metadata) mã hóa, truyền giải mã nào, chưa có lời giải đáp Các nhà cung cấp dịch vụ ví dụ, nhà cung cấp dịch vụ pay TV hay chủ sở hữu nội dung sử dụng HDR - phát triển mạnh bị thách thức, tùy thuộc vào thiết lập thông số kỹ thuật cuối thông qua III MỘT LỊCH SỬ LÂU DÀI Từ lâu, ngành phát truyền hình cố gắng để chuyển tín hiệu điện tử thành màu sắc gần với giới thực Nghiên cứu màu sắc tiến hành hàng thập kỷ trước tivi màu giới thiệu, công nghiên cứu có phần bị gián đoạn chiến tranh giới II Năm 1931, Ủy ban Quốc tế chiếu sáng (CIE – International Commission on Illumination) ban hành hệ màu hệ màu RBG CIE 1931 hệ màu XYZ CIE 1931 Sáu mươi năm sau - năm 1990 - tiêu chuẩn truyền hình độ nét cao thiết lập với khuyến nghị 709 (ITU-R Rec.709) Liên minh viễn thông quốc tế (International Telecommunication Union), giới hạn gam màu dải tương đối hẹp hệ màu CIE Trong năm 2012, ITU Rec 2020 – khái niệm siêu nét UHD - ban hành Rec.2020 cho phép thực dải tương phản động mở rộng HDR, nỗ lực nhằm mở rộng hệ màu mà ta thấy hình (hình 2) Hình Hệ màu mở rộng REC.2020 so với REC.709 TÁC ĐỘNG CỦA TỪNG BIT – ĐỘ SÂU BIT [1] Số lượng màu sắc hiển thị gọi độ sâu màu (Color Depth) độ sâu bit (Bit Depth) Độ sâu màu xem số bit sử dụng để màu sắc điểm ảnh nhất, bitmap ảnh khung đệm video, số lượng bit sử dụng cho thành phần màu điểm ảnh Khi sử dụng bit màu ta có độ sâu màu pixel 256 Độ sâu màu lên đến 1024 cho điểm ảnh sử dụng 10 bit Độ sâu màu tăng gấp lần, không tăng thêm độ bóng làm rõ màu nhạt, cho phép chuyển màu mượt mà dải màu sắc (hình 3) Điều quan trọng: Trong dải thể màu, với độ sâu màu bit, bước màu di chuyển từ màu nhạt đến đậm dần nhìn thấy rõ Trong đó, 10 bit cung cấp dải màu sắc mượt hơn, phân biệt bước màu giảm nhiều, nhờ tái màu sắc hình ảnh xác mà mắt người nhìn thấy thực tế (hình 3) Hình Độ sâu màu 10 bit cho dải màu mượt mà chuyển bước màu Hình cho ta ví dụ khác tác dụng việc tăng độ sâu bit, hình ảnh mượt chuyển từ gam màu sang gam màu khác Hình Tăng độ sâu bit tạo hình ảnh mượt, mịn thật Tăng số lượng bit bước đắn để cải thiện điểm ảnh Tuy mang lại giá trị không lớn, bước thiếu Một bước tiến liên quan chặt chẽ đến việc bổ sung bit điểm ảnh cải tiến công nghệ hiển thị Ống tia cathode (CRT – Cathod Ray Tube), kỹ thuật mà suốt bốn thập kỷ lựa chọn cho hình, sử dụng dòng electron (electron guns) hình phát quang (phosphorescent screen) để tái tạo hình ảnh Tương tự vậy, loại hình tinh thể lỏng (LCDs – Liquid crystal displays), sử dụng đèn hai điểm để tạo hình ảnh, cho hình ảnh có màu sắc trung thực độ tương phản không cao Hình Dải ánh sáng mà thiết bị phân tích hiển thị Vấn đề cải thiện với hình LED OLED, có khả cung cấp đèn tối ưu (backlighting) theo vùng phân tán Với hình này, trình chuyển đổi ánh sáng bóng tối – ví dụ, lửa đống lửa bãi biển với bóng tối đại dương – thể với độ tương phản cao sống động thật Một bước tiến làm tảng cho việc di chuyển đến HDR cải thiện sở hạ tầng để hiểu số hóa cho tính chất hình ảnh để sử dụng thông tin trình mã hóa giải mã Trong lịch sử, kỹ thuật gọi gamma curve sử dụng để thực thị từ mã hóa để tái tạo hình ảnh Tuy nhiên, gamma curve công nghệ thời đại CRT, không phù hợp với công nghệ hiển thị đại ngày HDR cung cấp phương tiện để mô tả bảo vệ người sáng tạo nội dung thông qua siêu liệu (metadata), chứa bên ngôn ngữ sử dụng người sáng tạo nội dung để thị cho giải mã HDR cung cấp liệu cách làm nội dung tạo cách trình tự để thiết bị hiển thị hiểu tối đa khả hiển thị Bằng cách đó, HDR cho phép thiết bị hiển thị có luôn cố gắng việc render hình ảnh, thiết bị hỗ trợ HDR làm Một phương pháp sử dụng chuyển điện quang (EOTF – Electro Optical Transfer Function) [1] giới thiệu để thay gamma curve [1] CRT Một số kỹ sư xem EOTF đơn giản chất lượng cảm nhận (PQ – Perceptual Quality) Cho dù tên cung cấp cách chi tiết đồ trình bày độ sáng theo ý định người sáng tạo nội dung EOTF phần chuẩn nén (mã hóa) chất lượng cao (HEVC - High Efficiency Video Coding) [1] Hình So sánh độ sáng (cd/m2) phương pháp Hình cho ta bảng so sánh khả mã hóa độ sáng phương pháp: Gamma REC.709 bit, Gamma REC.709 10 bit phương pháp EOTF SMPTE ST.2084 Dựa vào hình kết so sánh hình 6, ta rút rằng, phương pháp EOTF SMPTE ST.2084 cho độ mã hóa ánh sáng gần với dải ánh sáng mắt người Nó có khả mã hóa độ sáng từ 10 đến 104 cd/m2 (candela / m2) Điều cho phép công nghệ sử dụng EOTF tạo thiết bị hiển thị có khả render hình ảnh gần với tầm nhìn thực tế người Việc sử dụng EOTF HDR đặc biệt quan trọng công việc từ lúc bắt đầu đến cuối quy trình - từ camera, qua mã hóa đường phân phối dẫn đến giải mã cuối hình tivi - đòi hỏi nội dung phải qua nhiều biến đổi Các tiêu chuẩn khác - số tương đối mới, số cũ - sử dụng điểm khác suốt quy trình Sử dụng EOTF cách để đảm bảo chất lượng không làm suy giảm thông qua giai đoạn xem phương tiện để đánh giá toàn vẹn nội dung video kể nghệ thuật ánh sáng theo ý định nhà sản xuất nội dung IV TỪ NGHIÊN CỨU ĐẾN THỰC TIỄN Thách thức lớn phải đối mặt ngành công nghiệp video chuyển nghiên cứu khoa học HDR thành hệ thống (hoặc hệ thống) thực tiễn thực nhiệm vụ biến HDR thành thực, phục vụ cho người tiêu dùng mang lại lợi nhuận đầu tư cho nhà cung cấp Điều phức tạp đưa nghiên cứu từ phòng thí nghiệm vào thị trường Cần hiểu thêm bối cảnh lúc HDR đời Một nhóm tương đối lớn giải pháp HDR tồn tại, có khác biệt đáng kể kỹ thuật chúng Đây mặt ngành công nghiệp lên, lúc, người sáng tạo nội dung nhà cung cấp muốn nhanh chóng tận dụng lợi hình ảnh tuyệt vời chứng minh HDR Ngoài ra, nhà sản xuất TV quảng bá HDR trực tiếp cho người tiêu dùng, với mong muốn tăng số lượng đơn đặt đạt giá cao Sẽ thời gian để tạo môi trường ổn định dựa giải pháp HDR mà phải phù hợp cho truyền dẫn truyền thống OTT Ngày nay, giải pháp quy trình trọn gói end-to-end bắt đầu xuất Hơn nữa, nói đâu phương pháp ưa chuộng ngành công nghiệp khác Trong trường hợp thông tin tảng vậy, công ty truyền hình trả tiền (nhà khai thác truyền hình cáp, công ty viễn thông, vv…) đòi hỏi giải pháp khác dựa yếu tố sách địa phương, quyền sở hữu trí tuệ liên minh doanh nghiệp họ Trong thiếu quy chuẩn chung cho HDR, nhà cung cấp nội dung chủ sở hữu muốn đưa nội dung họ đến với nhiều người dùng, họ phải hỗ trợ nhiều workflow khác Để mang lại hiệu quả, họ buộc phải thích ứng với điều Hình Một quy trình sản xuất nội dung HDR Có không tổ chức đưa nhiều giải pháp HDR Có thể kể tới phương pháp tiêu biểu đến từ Philips, Dolby, Technicolor BBC / NHK, số giải pháp từ đơn vị biết đến Ngoài đề xuất khác có khả xuất tương lai gần Phương pháp tiếp cận dựa tiêu chuẩn đáng ý HDR-10 (còn gọi vanila HDR), kết hợp thông số kỹ thuật Hiệp hội Kỹ sư Điện ảnh Truyền hình (SMPTE – Society of Motion Picture and Television Engineers) Các nhóm khác, chẳng hạn Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI – European Telecommunications Standards Institute), làm việc hệ thống đầy đủ phần hệ thống Nhóm chuyên gia hình ảnh động (MPEG - Motion Pictures Experts Group) [1] chèn vào tín hiệu thông tin bổ sung (SEI – Supplemental Enhancement Information) để chuẩn HEVC để hỗ trợ HDR Và, tất nhiên, bên muốn giải pháp trở thành tiêu chuẩn chung Sự khác thông số chi tiết phương pháp tiếp cận HDR đáng kể, xét tổng thể, có hai yêu cầu phương pháp Đầu tiên, giải pháp cần có hệ thống có tính tương thích ngược (tức là, sử dụng thiết bị mã hóa / giải mã có không yêu cầu thiết bị riêng) Thứ hai, làm để truyền dẫn siêu liệu tương thích ngược HDR SDR Hình So sánh SDR - Standard Dynamic Range (bên trái) HDR - High Dynamic Range TƯƠNG THÍCH NGƯỢC [1] Một giải pháp HDR mà không cần thay mã hóa / giải mã quan trọng số công ty truyền hình trả tiền (pay TV), nhà phân phối nhà sản xuất thiết bị Các giải pháp từ Dolby Vision, Technicolor, Philips BBC / NHK cho tính tương thích ngược Với giải pháp có tính tương thích ngược, máy truyền hình SDR nhận tín hiệu video, siêu liệu HDR đơn giản bị bỏ qua, set-top box chẳn hạn Tuy nhiên, tương thích ngược mối quan tâm tất khách hàng tiềm HDR Đối với số môi trường phân phối, chẳng hạn OTT (over-the-top) Blu ray 2, tương thích ngược vấn đề nhỏ Do đó, nhiều tình phát sinh, yêu cầu thay đổi mã hóa / giải mã set-top box, vv Một giải pháp không mang tính tương thích ngược, rõ ràng dẫn đến tăng chi phí đáng kể cho phận khác toàn môi trường làm việc, đặc biệt để trì cho nội dung (SDR HDR) ONE or TWO Layer [1] Sự khác biệt phương pháp khác cách liệu truyền suốt quy trình làm việc Trong phương pháp dual layer, luồng SDR HDR video mang độc lập với suốt workflow Trong phương pháp single layer, luồng SDR video tích hợp thêm phần siêu liệu để tạo tín hiệu HDR Những thách thức giải pháp dual layer hệ thống cũ (bộ mã hóa, TV, set-top box, vv…) yêu cầu luồng video Sự đời luồng video thứ hai làm cho số tính quan trọng hiển thị thông điệp khẩn cấp, hiển thị thông số hình hay nối, chèn đoạn quảng cáo trở nên khó khăn Một giải pháp dual layer cung cấp trải nghiệm xem với chất lượng cao không hạn chế kích thước liệu Tuy nhiên, với môi trường ngành công nghệ video nay, giải pháp single layer phù hợp không yêu cầu nhiều băng thông cho đường truyền Hình Bảng so sánh giải pháp HDR Một mối quan tâm cuối ngành công nghiệp cần có giải pháp để sử dụng trực tiếp HDR (Live HDR) tương lai gần Điều đặc biệt quan trọng, chương trình truyền hình thể thao trực tiếp chương trình cần áp dụng HDR Lấy ví dụ trận đấu bóng đá chơi sân cỏ, khu vực chiếu sáng khu vực khác tối (có thể gây bóng khán đài), lúc HDR cho phép tất khu vực sân bóng nhìn tốt Ngược lại, việc sử dụng SDR buộc hệ thống phải đưa định tập trung hiển thị cho khu vực sân bóng để đảm bảo trải nghiệm xem thỏa đáng V KẾT LUẬN: GIẢI PHÁP PHỀN MỀM LÀ CHÌA KHÓA Những lợi ích HDR lớn, ngành công nghiệp truyền hình muốn cung cấp cho khách hàng họ sớm tốt Các công ty lớn giới thiệu kỹ thuật khả thi họ để thực HDR, công ty khác thúc đẩy hướng thiết kế mở để tìm tiếng nói chung, chấm dứt đối đầu công nghệ video gia VHS (Video Home System) [2] Betamax (một công nghệ hình ảnh chuyên dụng studio) [2] hay đối đầu Blu-ray [1] HDDVD Sẽ khoảng thời gian để HDR làm rõ giải vấn đề Không có đảm bảo phương pháp tạo HDR công nhận tiêu chuẩn Điều đặc biệt quan trọng nhà quản lý nội dung, chủ sở hữu nội dung Ví dụ, nhà sở hữu nội dung yêu cầu việc phân chia nội dung HDR vào định dạng khác cung cấp cho nhà phân phối khác Điều giúp nhà sáng tạo nội dung (content creator) bán nội dung cho bên khác cho mục đích tái sử dụng hay phát lại Tuy nhiên, khó khăn trước mắt giải cách thỏa đáng Một phương pháp đơn giản mà giúp nhà sản xuất nội dung công ty kinh doanh mang lợi nhuận cho họ Đó tạo sở hạ tầng phần mềm HDR (Software-Base) dựa giải pháp phần mềm đến từ Elemental Lúc này, màu sắc ánh sáng sinh động mà không buộc phải tốn chi phí trì chạy song song phần cứng HDR HDR chìa khóa quan trọng phát triển chung video phần tranh tổng thể phát triển kỹ thuật không ngừng Trong môi trường vậy, phần mềm có nhiều chức có lợi thế, làm giảm vốn lẫn chi phí hoạt động Elemental tiếp cận thách thức từ công nghệ HDR giải pháp phần mềm Phần mềm có tính linh hoạt khả mở rộng từ Elemental thiết kế để tận dụng lợi phát triển nhanh công nghệ uy điện toán đám mây nhằm tối đa hóa xử lý video phân phối mà không cần đầu tư phần cứng đáng kể VI TÀI LIỆU THAM KHẢO High Dynamic Range Video – The Future of TV Viewing Experience, Keepixo by Allegro DVT, 2015 Wikipedia, https://www.wikipedia.org/ The Complete UHD Guidebook – A Reference Tool For Next-Generation Video, Harmonic collaborate with Dolby® and tdg (The Diffusion Group) High Dynamic Range Video – Implementing Support For HDR Using SoftwareDefined Video Solutions, Elemental Technologies, 2015  ... truyền dẫn siêu liệu tương thích ngược HDR SDR Hình So sánh SDR - Standard Dynamic Range (bên trái) HDR - High Dynamic Range TƯƠNG THÍCH NGƯỢC [1] Một giải pháp HDR mà không cần thay mã hóa / giải... Tool For Next-Generation Video, Harmonic collaborate with Dolby® and tdg (The Diffusion Group) High Dynamic Range Video – Implementing Support For HDR Using SoftwareDefined Video Solutions, Elemental... luồng SDR video tích hợp thêm phần siêu liệu để tạo tín hiệu HDR Những thách thức giải pháp dual layer hệ thống cũ (bộ mã hóa, TV, set-top box, vv…) yêu cầu luồng video Sự đời luồng video thứ