log-gamma híbrido

La función de transferencia log-gamma híbrida ( HLG ) fue desarrollada conjuntamente por la BBC y la NHK para la visualización de alto rango dinámico (HDR). ^{[ 1 ]} Es compatible con versiones anteriores de la función de transferencia de SDR (la curva gamma ). ^{[ 2 ]} Fue aprobada como ARIB STD-B67 por la Asociación de Industrias y Empresas de Radio (ARIB). ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 4 ]} También está definida en ATSC 3.0 , Radiodifusión de vídeo digital (DVB) UHD -1 Fase 2 y la Recomendación 2100 de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) . ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

HLG es un formato HDR que utiliza la función de transferencia HLG, los colores primarios BT.2020 y una profundidad de bits de 10 bits. ^{[ 8 ]} HLG fue diseñado para ser retrocompatible con SDR UHDTV . Sin embargo, HLG no está diseñado para ser totalmente retrocompatible con las pantallas SDR tradicionales que no pueden interpretar la colorimetría BT.2020. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Tanto la función de transferencia HLG como el formato HLG son libres de regalías . ^{[ 2 ]} La retrocompatibilidad permite utilizarlos con los estándares de transmisión existentes cuando el receptor es compatible con el contenedor de color BT.2020, lo que reduce la complejidad y el costo tanto para los fabricantes de equipos como para los distribuidores de contenido. ^{[ 1 ] [ 10 ] [ 9 ]} Son compatibles con HDMI 2.0b, HEVC , VP9 y H.264/MPEG-4 AVC , ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} y son utilizados por servicios de video como BBC iPlayer , DirecTV , Freeview Play y YouTube . ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

HLG está diseñado para ser más adecuado para la transmisión de televisión , donde los metadatos requeridos para otros formatos HDR no son retrocompatibles con pantallas que no son HDR, consumen ancho de banda adicional y también pueden desincronizarse o dañarse durante la transmisión. HLG define una función de transferencia óptico-electro no lineal , en la que la mitad inferior de los valores de la señal utiliza una curva gamma y la mitad superior de los valores de la señal utiliza una curva logarítmica . ^{[ 20 ] [ 21 ]} En la práctica, la señal es interpretada como normal por pantallas de rango dinámico estándar (aunque capaces de mostrar más detalles en las zonas brillantes), pero las pantallas compatibles con HLG pueden interpretar correctamente la porción logarítmica de la curva de la señal para proporcionar un rango dinámico más amplio. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} A diferencia de los otros formatos HDR, no utiliza metadatos. ^{[ 25 ]}

La función de transferencia HLG es retrocompatible con la curva gamma de SDR . Sin embargo, HLG se usa comúnmente con colores primarios Rec. 2020 , que producen una imagen desaturada con cambios de tono visibles en dispositivos no compatibles. ^{[ 26 ]} Por lo tanto, HLG es retrocompatible con SDR- UHDTV y mostrará distorsión de color en dispositivos SDR comunes que solo admiten colores primarios Rec. 709. ^{[ 26 ]}

HLG define una función de transferencia no lineal en la que la mitad inferior de los valores de la señal utiliza una curva gamma y la mitad superior de los valores de la señal utiliza una curva logarítmica . ^{[ 4 ] [ 27 ]}

La referencia HLG OETF es la siguiente (tal como se define en ARIB STD-B67):

$${\displaystyle E'={\begin{cases}r\,{\sqrt {E}}\ &0\leq E\leq 1,\!\\a\ln(Eb)+c&1<E\end{cases}}}$$

o de la siguiente manera (según se define en la Rec. 2100 ): ^{[ 5 ]}

$${\displaystyle E'={\begin{cases}{\sqrt {3E}}\ &0\leq E\leq {\frac {1}{12}},\!\\a\ln(12E-b)+c&{\frac {1}{12}}<E\leq 1\end{cases}}}$$

dónde

• E es la señal de luz lineal normalizada por el nivel de blanco de referencia en el rango${\displaystyle \left[0,12\right]}$en ARIB STD-B67 y en el rango${\displaystyle \left[0,1\right]}$en Rec. 2100.
• E' es la señal no lineal resultante
• r es el nivel de blanco de referencia y tiene un valor de señal de 0,5.
• y las constantes a , b y c se definen como a = 0,17883277, b = 1 - 4 a = 0,28466892 y c = 0,5 - a ln(4 a ) = 0,55991073

El valor de la señal es 0,5 para el nivel de blanco de referencia, mientras que el valor de la señal para 1 tiene una luminancia relativa 12 veces mayor que el nivel de blanco de referencia. ^{[ 27 ]} ARIB STD-B67 tiene un rango nominal de 0 a 12. ^{[ 28 ]} HLG utiliza una curva logarítmica para la mitad superior de los valores de la señal debido a la ley de Weber . ^{[ 27 ]}

La referencia HLG OOTF es la siguiente: ^{[ 5 ]}

$${\displaystyle {\begin{cases}F_{D}=OOTF[E]=\alpha Y_{S}^{\gamma -1}E\!\\R_{D}=\alpha Y_{S}^{\gamma -1}R_{S}\!\\G_{D}=\alpha Y_{S}^{\gamma -1}G_{S}\!\\B_{D}=\alpha Y_{S}^{\gamma -1}B_{S}\!\\Y_{S}=0.2627R_{S}+0.6780G_{S}+0.0593B_{S}\end{cases}}}$$dónde

• ${\displaystyle F_{D}}$es la luminancia de un componente lineal mostrado${\displaystyle R_{D},G_{D},B_{D}}$en cd/m ² .
• ${\displaystyle E}$es una señal para cada componente de color {Rs, Gs, Bs} proporcional a la luz lineal de la escena normalizada al rango${\displaystyle \left[0,1\right]}$.
• ${\displaystyle Y_{S}}$es la luminancia lineal normalizada de la escena.
• ${\displaystyle \alpha }$es la variable para la ganancia del usuario en cd/m ² . Representa LW, la luminancia máxima nominal de una pantalla para píxeles acromáticos.
• ${\displaystyle \gamma }$es el sistema gamma.${\displaystyle \gamma }$= 1,2 a la luminancia máxima nominal de la pantalla de 1000  cd/m ² .

La referencia EOTF de HLG es la siguiente: ^{[ 5 ]}

${\displaystyle F_{D}=OOTF[OETF^{-1}[max(0,(1-\beta )E'+\beta )]]}$

dónde

• ${\displaystyle F_{D}}$es la luminancia de un componente lineal mostrado${\displaystyle R_{D},G_{D},B_{D}}$en cd/m ² .
• ${\displaystyle E'}$es la señal eléctrica no lineal${\displaystyle R',G',B'}$en el rango${\displaystyle \left[0,1\right]}$.
• ${\displaystyle \beta ={\sqrt {3(L_{B}/L_{W})^{1/\gamma }}}}$es la variable para el ajuste del nivel de negro del usuario.
• ${\displaystyle L_{W}}$es la luminancia máxima nominal de la pantalla en cd/m ² para píxeles acromáticos.
• ${\displaystyle L_{B}}$es la luminancia de la pantalla para el negro en cd/m ² .

HLG no necesita usar metadatos ya que es compatible con pantallas SDR y HDR . ^{[ 1 ] [ 3 ]} HLG se puede usar con pantallas de diferente brillo en una amplia gama de entornos de visualización. ^{[ 3 ]}

El rango dinámico que puede percibir el ojo humano en una sola imagen es de aproximadamente 14 pasos . ^{[ 27 ]} Una pantalla de video SDR con una curva gamma de 2,4 y una profundidad de bits de 8 bits por muestra puede mostrar un rango de aproximadamente 6 pasos sin bandas visibles . ^{[ 27 ]} Las pantallas de video SDR profesionales con una profundidad de bits de 10 bits por muestra extienden ese rango a aproximadamente 10 pasos. ^{[ 27 ]} Cuando HLG se muestra en una pantalla de 2000  cd/m² ^con una profundidad de bits de 10 bits por muestra, puede mostrar un rango de 200 000:1 o 17,6 pasos sin bandas visibles. ^{[ 27 ]}

HLG aumenta el rango dinámico del vídeo en comparación con una curva gamma convencional mediante el uso de una curva logarítmica para la mitad superior de los valores de la señal. ^{[ 27 ]} HLG también aumenta el rango dinámico al no incluir la parte lineal de la curva gamma convencional utilizada por Rec. 601 y Rec. 709. [ ^{29 ] La} parte lineal de la curva gamma convencional se utilizaba para limitar el ruido de la cámara en vídeos con poca luz, pero ya no es necesaria con las cámaras HDR . ^{[ 29 ]}

HLG es compatible con Rec. 2100 con una luminancia máxima nominal de 1000  cd/m² ^y un valor gamma del sistema que se puede ajustar según la luminancia del fondo. ^{[ 5 ] [ 30 ]}

HLG es compatible con HEVC mediante una fórmula matemáticamente equivalente a ARIB STD-B67, pero con un rango nominal de 0 a 1 en lugar de 0 a 12: ^{[ 28 ]}

$${\displaystyle V={\begin{cases}{\sqrt {3}}\cdot L_{c}^{0.5}&{\frac {1}{12}}\geq L_{c}\geq 0,\!\\a\cdot \ln(12L_{c}-b)+c&1\geq L_{c}>{\frac {1}{12}}\end{cases}}}$$

dónde

• L _c tiene un rango nominal de 0 a 1 y V es la señal no lineal resultante.
• Las constantes a , b y c se definen como a = 0,17883277, b = 1 - 4a = 0,28466892 y c = 0,5 - a ln(4a ) = 0,55991073

• Rango dinámico
• Corrección gamma
• Renderizado de alto rango dinámico
• Imágenes de alto rango dinámico
• Vídeo de alto rango dinámico

• ARIB STD-B67
• T. Borer y A. Cotton, Un sistema de televisión de alto rango dinámico "independiente de la pantalla" , Libro blanco de investigación y desarrollo de la BBC WHP 309, septiembre de 2015.