[opendtv] Re: TV Technology: A New Day Dawning... HDR Delivery

  • From: Mike Tsinberg <Mike@xxxxxxxxxxxxxx>
  • To: "opendtv@xxxxxxxxxxxxx" <opendtv@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Tue, 31 May 2016 15:19:08 +0000

Let me share my personal experience with HDR 4K OLED from LG I bought a few 
days ago.

I have not tested it with HDR source, only with regular broadcast and streaming 
content -  yet I see two remarkable differences to any other TV monitor I ever 
had before: of course OLED blacks are total and there is NO WHITE CLIPPING at 
most of the useful contrast and brightness levels. This monitor easily competes 
with bright daylight in the room. The absence of white clipping makes picture 
remarkably three dimensional and real. Also totally white areas of artificial 
images such as white OSD graphics produced by internal APP's  are very bright 
and a bit unusual. I assume the white clipping level was moved up because of 
HDR. 

Best Regards,
Mike Tsinberg
http://keydigital.com

-----Original Message-----
From: opendtv-bounce@xxxxxxxxxxxxx [mailto:opendtv-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On ;
Behalf Of Manfredi, Albert E
Sent: Sunday, May 29, 2016 8:20 PM
To: opendtv@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [opendtv] TV Technology: A New Day Dawning... HDR Delivery

Considering that HDR may just be more of a significant improvement than 4K, 
this article is particularly interesting.

Being averse to enforced, brute force simulcasting, I think the 
Technicolor/Philips "Prime Single" system sounds intriguing. The FM stereo 
approach - compatible with the installed base, but carries the info needed for 
the new displays. Seems like the right way to go, unless we believe that in the 
future, essentially all displays will be HDR capable.

Bert

-----------------------------------------
http://www.tvtechnology.com/expertise/0003/a-new-day-dawning-hdr-delivery/278733

A New Day Dawning... HDR Delivery
A look at the proposed distribution methods for HDR May 27, 2016 By Jim 
DeFilippis

LOS ANGELES-My last post introduced high dynamic range concepts and some 
background to the technology. We discussed the concept of 'whiter whites' and 
'darker shadows' with the ability of modern display technology that can not 
only output more light but also increase the dynamic range of the displayed 
image by reducing the minimum black level.

SMPTE standardized a HDR EOTF (electronic to optical transfer function) called 
PQ (perceptual quantization) as ST-2084. The PQ transfer function has been 
optimized to cover a wide range of light values (from .0001 to 10,000 cd/m2) 
while minimizing the visual effect of 10-bit or 12-bit quantization 
(contouring).

We touched on an alternate approach called hybrid log gamma (HLG) transfer 
curve. HLG is not associated with a specific light value(s) but rather is a 
relative light value based on an assumed dynamic range and peak white. HLG can 
be used as an image capture curve as well as the final display transfer curve. 
While HLG has no metadata associated with the HDR signal, one has to have an 
agreed upon peak white reference value (typically 1000 cd/m2) for a display to 
be able to process the HLG HDR signal and render the image appropriately for 
the given display capabilities.

I promised to talk about the distribution of HDR video over a variety of 
channels such as Blu-ray, OTT, OTA, satellite and cable in the this next 
article. Each mode of distribution has it's own unique challenges and options 
to delivery of video content.

A common element for the delivery of HDR is HEVC (high-efficiency video 
coding). The latest video codec from MPEG not only has the ability to encode 4K 
video but enables full 10-bit resolution to the consumer display. HEVC also 
supports wide color gamut, defined in BT.2020. However, HEVC still relies on 
the non-constant luminance equations (YCrCb) that are defined in BT.1886. HEVC 
has the ability to signal HDR metadata in a variety of methods (SEI and VUI 
metadata) to assist the HDR display to properly process the HDR imagery. While 
MPEG-4 AVC does have a mode to support 10-bit encoding, it has not been 
deployed in the consumer product space, thus limiting HDR consumer delivery to 
8-bits.

I'll go over the different methods of distribution for HDR in the order that 
they have been adopted and/or proposed:

BLU-RAY

 The Blu0-ray spec was amended for 4K (UHDTV) including HDR and wide color (BT 
2020). This spec, known as HDR10 is summarized as:
- HEVC Main level encoding
- 10-bit
- (PQ) EOTF (HDR)
- BT.2020 color space (wide color)
- 4:2:0 subsampling (YCrCb)

This format for 4K/HDR has also been adopted by some over-the-top (OTT) 
delivery platforms including Netflix and Amazon. HDR10 is one of the simpler 
methods of HDR distribution but does require static metadata (MaxFLL and 
MaxCALL) to inform the display device of the average brightness as well as peak 
brightness values. HDR 10 is not backward compatible for non-HDR displays, 
although some Blu Ray players may provide conversion to SDR if the detected 
display is not HDR compatible. For the OTT services, based on the type of 
display, the appropriate format is streamed to the display.

LIVE LINEAR BROADCAST OF HDR

 While HDR10 works for optical media and internet delivery of content, for 
broadcast channels HDR10 has some drawbacks with respect to live broadcasting: 
- Requires static HDR meta data
- Requires 'two layer' approach (simulcast of HDR and SDR).

A joint proposal from Samsung, Sharp and Qualcomm support use of HDR10 for ATSC 
3.0. Here are the other proposals being considered by S34-1 of the ATSC 3.0 
Technical Standards Group:

HYBRID LOG GAMMA (HLG), PROPOSED BY BBC AND NHK

 As mentioned above, HLG uses a dual curve approach, gamma in the dark region 
and a log function for the bright region. By optimizing the coefficients of the 
HLG equation, the tone mapping for HDR and SDR can be accommodated without 
metadata or additional processing.

However in practice it has been shown that the optimization leads to 
limitations in terms of the overall dynamic range of the HLG HDR signal to 
protect the SDR signal. In addition, while there is no defined meta data, there 
needs to be an assumed reference peak white level so that the displayed image 
tonal range can match the image as 'graded' by the video operator. Finally, 
there is the challenge of color space conversion between BT.2020 and BT.709 
(HDTV color gamut).

HLG is documented in ARIB standard B67 and will be included in an update to ITU 
BT.1886.

DOLBY VISION

Dolby's proposal is based upon the use of the PQ EOTF curve and optionally a 
new color space with a new set of color difference equations called ITP 
(Intensity, Tritanope, Protanope). ITP, compared to the established YCrCb color 
space, has three components, I (lightness, similar to Y'), CP(red-green 
dimension, similar to C'r) and CT( yellow-blue dimension, similar to C'b). The 
underlying color space is based on LMS, which is based on long-medium-short 
cone color response of human vision. Dolby summarizes this format as ITP-PQ. 
The key benefit of ITP is the property of isoluminance that minimizes the 
chroma/luma cross-talk that can happen with the classic Y'Cr'Cb' non-constant 
luminance approach as well as 'linearize' hue versus saturation.

In the encoding process, the ST 2084 PQ-based HDR video (along with static ST 
2086 metadata) is converted to ITP-PQ space and subsampled to 4:2:0. Adaptive 
reshaping is applied prior to the HEVC encoder to improve compression 
efficiency. Specific Dolby metadata is combined with the converted HDR signal 
and transmitted as part of the HEVC encoding (SEI messages). 

On decoding, the signal is processed through tonal mapping and then converted 
to full 4:4:4 color. This reconstructed 10-bit/4:4:4 HDR/BT.2020 signal is 
converted from 10-bit to 12-bit and then reverse ITP matrix is applied to 
output HDR RGB.

Additional metadata (ST 2094) can be created to provide tonal mapping of full 
range HDR signals to displays with constrained HDR performance or to SDR 
displays, either for professional or consumer conversions.

PRIME SINGLE, PROPOSED BY TECHNICOLOR/PHILIPS

Prime Single is a single layer approach that converts the HDR signal to a SDR 
signal with dynamic metadata to provide both tone re-mapping as well as color 
gamut correction. Prime Signal supports PQ, HLG, Log or SDR input video 
signals. At the decoding side, Prime Signal takes the SDR as decoded and with 
the tone mapping and CRI color correction metadata can provide HDR outputs 
signals (PQ or HLG) as well as a native SDR (without any further processing or 
meta data).

This approach provides a backward compatible SDR output, which is determined by 
the pre-processing encoding process. The tone mapping and CRI metadata is used 
to re-create the HDR signal from the SDR. The Prime Signal metadata is carried 
within the HEVC data stream as SEI messages, with an ability to update on a 
frame by frame basis.

ERICSSON PROPOSAL

Ericsson has proposed a pre-processing approach to a HDR10 HDR signal to 
mitigate errors caused by 4:2:0 subsampling in the HEVC process. Basically the 
pre-process calculates the error due to conversion of RGB to YCrCb, 
quantization to 10-bit and downsample to 4:2:0 and then compensates the luma 
samples to minimize errors on the decode/reconstruction end.

In addition there is an optimization of the HEVC QP Chroma offset values to 
mitigate chroma errors.

No support for conversion to SDR or BT.709 color space.

QUALCOMM PROPOSAL

Pre-processing analysis of the input HDR signal (HDR 10) to create a set of 
dynamic range adjustment parameters to minimize errors in the HEVC (4:2:0 
YCrCb) encoding. These parameters are carried in private SEI messages inside of 
the HEVC bit stream. Similar to Ericsson's proposal, no support for conversion 
to SDR/BT.709 color space.

SUMMARY

While there are common features between the HDR proposals, there are different 
approaches to fitting the full HDR signal into the limitations of HEVC as well 
as providing a solution for multiple display and production formats. Key to 
evaluating these proposals will be the head to head evaluation of each proposal 
scheduled for this June at the ATSC 3.0 S34-1 committee meeting.


 
 
----------------------------------------------------------------------
You can UNSUBSCRIBE from the OpenDTV list in two ways:

- Using the UNSUBSCRIBE command in your user configuration settings at 
FreeLists.org 

- By sending a message to: opendtv-request@xxxxxxxxxxxxx with the word 
unsubscribe in the subject line.

 
 
----------------------------------------------------------------------
You can UNSUBSCRIBE from the OpenDTV list in two ways:

- Using the UNSUBSCRIBE command in your user configuration settings at 
FreeLists.org 

- By sending a message to: opendtv-request@xxxxxxxxxxxxx with the word 
unsubscribe in the subject line.

Other related posts: