HDR (High Dynamic Range) video

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 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 (Ultra-High 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.
Có ba kỹ thuật để cải thiện trải nghiệm video có khả năng được thực hiện trong tương lai
gần: tăng tỷ lệ khung hình, tăng số lượng điểm ảnh trong từng khung hình, và / hoặc cải thiện
chính từng điểm ảnh. Bài viết này tập trung vào các phương pháp thứ ba và cách hệ thống video
được phục vụ tốt nhất với sự hỗ trợ của HDR trong phần mềm nhằm tái tạo các phần cảnh quan
không rõ ràng (hình 1).

Hình 1. So sánh khung hình không sử dụng HDR (trái) và sử dụng HDR (phải).
II. HDR - CÔNG NGHỆ ĐANG ĐƯỢC ĐƯA VÀO SỬ DỤNG.
Phần lớn sự chú ý thực sự trong lĩnh vực video hiện nay tập trung vào việc cải thiện chất
lượng điểm ảnh và cho phép những cải tiến đó được phổ biến thông qua truyền hình trả tiền (pay
TV), Internet, truyền hình vệ tinh và các công nghệ video khác để tạo ra hình ảnh rực rỡ trên màn
hình 4K đang ngày càng trở nên phổ biến trên thị trường.
Có nhiều tiêu chuẩn hỗ trợ HDR trong quá trình hoàn thiện nó, mỗi tiêu chuẩn lại có 1
thế mạnh riêng. Rất khó để thỏa mãn cả hai khía cạnh chính là kỹ thuật và kinh doanh, do vậy
ngành công nghiệp video vẫn chưa đạt được một sự thống nhất nào về những tiêu chuẩn HDR cụ

thể. Đơn cử những câu hỏi cơ bản như cách mà siêu dữ liệu HDR (HDR metadata) sẽ được mã
hóa, truyền đi và giải mã như thế nào, vẫn còn chưa có lời giải đáp. Các nhà cung cấp dịch vụ ví dụ, nhà cung cấp dịch vụ pay TV hay các chủ sở hữu nội dung sử dụng HDR - sẽ phát triển
mạnh hoặc bị thách thức, tùy thuộc vào các thiết lập thông số kỹ thuật cuối cùng được thông qua.
III. MỘT LỊCH SỬ LÂU DÀI.
Từ lâu, ngành phát thanh truyền hình đã cố gắng để chuyển các tín hiệu điện tử thành
màu sắc gần với thế giới thực. Nghiên cứu màu sắc đã tiến hành hàng thập kỷ trước khi tivi màu
được giới thiệu, mặc dù công cuộc nghiên cứu có phần bị gián đoạn bởi chiến tranh thế giới II.
Năm 1931, Ủy ban Quốc tế về chiếu sáng (CIE – International Commission on Illumination) ban
hành 2 hệ màu là hệ màu RBG CIE 1931 và hệ màu XYZ CIE 1931. Sáu mươi năm sau - năm
1990 - các tiêu chuẩn truyền hình độ nét cao đã được thiết lập với các khuyến nghị 709 (ITU-R
Rec.709) của Liên minh viễn thông quốc tế (International Telecommunication Union), nó giới
hạn các gam màu trong một dải tương đối hẹp của hệ màu CIE. Trong năm 2012, ITU Rec. 2020
– khái niệm siêu nét UHD - được ban hành. Rec.2020 cho phép thực hiện dải tương phản động
mở rộng HDR, đây là một nỗ lực nhằm mở rộng hệ màu mà ta có thể thấy trong hình dưới đây
(hình 2).

Hình 2. Hệ màu mở rộng của REC.2020 so với REC.709.
TÁC ĐỘNG CỦA TỪNG BIT – ĐỘ SÂU BIT [1].
Số lượng màu sắc có thể hiển thị được gọi là độ sâu màu (Color Depth) hoặc độ sâu bit
(Bit Depth). Độ sâu màu có thể xem là số bit được sử dụng để chỉ màu sắc của một điểm ảnh duy
nhất, trong một bitmap ảnh hoặc khung đệm video, hoặc là số lượng các bit được sử dụng cho
mỗi thành phần màu của một điểm ảnh duy nhất. Khi sử dụng 8 bit màu ta có độ sâu màu của
một pixel là 256. Độ sâu màu sẽ lên đến 1024 cho một điểm ảnh nếu sử dụng 10 bit. Độ sâu màu
tăng gấp 4 lần, nó không chỉ tăng thêm độ bóng và làm rõ các màu nhạt, nó còn cho phép chuyển


màu mượt mà trong cả dải màu sắc (hình 3). Điều này có thể là rất quan trọng: Trong dải thể hiện
màu, với độ sâu màu là 8 bit, thì mỗi bước màu di chuyển từ màu nhạt đến đậm dần có thể nhìn
thấy rõ. Trong khi đó, 10 bit cung cấp một dải các màu sắc mượt hơn, sự phân biệt giữa các bước
màu giảm đi rất nhiều, nhờ đó nó có thể tái hiện màu sắc của hình ảnh chính xác hơn những gì

mà mắt người có thể nhìn thấy trong thực tế (hình 3).

Hình 3. Độ sâu màu 10 bit cho dải màu mượt mà hơn khi chuyển bước màu.
Hình 4 cho ta một ví dụ khác về tác dụng của việc tăng độ sâu bit, hình ảnh mượt hơn khi
chuyển từ gam màu này sang gam màu khác.

Hình 4. Tăng độ sâu bit tạo ra hình ảnh mượt, mịn như thật hơn.
Tăng số lượng các bit là bước đi đầu tiên đúng đắn để cải thiện điểm ảnh. Tuy nó mang
lại giá trị không lớn, nhưng cũng là một bước đi không thể thiếu. Một bước tiến liên quan chặt
chẽ đến việc bổ sung các bit điểm ảnh là những cải tiến trong công nghệ hiển thị. Ống tia
cathode (CRT – Cathod Ray Tube), là kỹ thuật mà trong suốt bốn thập kỷ là lựa chọn duy nhất
cho màn hình, sử dụng dòng electron (electron guns) và màn hình phát quang (phosphorescent
screen) để tái tạo hình ảnh. Tương tự như vậy, các loại màn hình tinh thể lỏng (LCDs – Liquid
crystal displays), sử dụng đèn nền hai điểm để tạo hình ảnh, nó cho hình ảnh có màu sắc trung
thực nhưng độ tương phản không cao.


Hình 5. Dải ánh sáng mà mỗi thiết bị có thể phân tích và hiển thị.
Vấn đề này đã được cải thiện với màn hình LED và OLED, có khả năng cung cấp đèn
nền tối ưu hơn (backlighting) theo từng vùng hoặc phân tán đều. Với các màn hình này, quá trình
chuyển đổi giữa ánh sáng và bóng tối – ví dụ, giữa những ngọn lửa của một đống lửa trên bãi
biển với bóng tối của đại dương – được thể hiện với độ tương phản cao và sống động như thật.
Một bước tiến làm nền tảng cho việc di chuyển đến HDR chính là sự cải thiện cơ sở hạ
tầng để hiểu và số hóa cho các tính chất của hình ảnh để sử dụng thông tin trong quá trình mã
hóa và giải mã. Trong lịch sử, một kỹ thuật được gọi là gamma curve đã được sử dụng để thực
hiện các chỉ thị từ các bộ mã hóa để tái tạo hình ảnh. Tuy nhiên, gamma curve là công nghệ của
thời đại CRT, nó không còn phù hợp với công nghệ hiển thị hiện đại ngày nay.
HDR cung cấp một phương tiện để mô tả và bảo vệ những người sáng tạo nội dung thông
qua siêu dữ liệu (metadata), nó chứa bên trong là một ngôn ngữ được sử dụng bởi những người
sáng tạo nội dung để chỉ thị cho các bộ giải mã. HDR sẽ cung cấp dữ liệu về cách làm thế nào

một nội dung được tạo ra một cách trình tự để thiết bị hiển thị có thể hiểu được và tối đa khả
năng hiển thị của mình. Bằng cách đó, HDR sẽ cho phép các thiết bị hiển thị hiện có luôn luôn
cố gắng hết sức trong việc render hình ảnh, chứ không phải chỉ những thiết bị được hỗ trợ HDR
mới làm được.
Một phương pháp sử dụng bộ chuyển điện quang (EOTF – Electro Optical Transfer
Function) [1] đã được giới thiệu để thay thế gamma curve [1] trong CRT. Một số kỹ sư xem
EOTF đơn giản là chất lượng cảm nhận (PQ – Perceptual Quality). Cho dù là tên gì đi nữa thì
nó cũng cung cấp một cách chi tiết hơn về bản đồ trình bày độ sáng theo ý định của người sáng
tạo nội dung. EOTF là một phần chuẩn nén (mã hóa) chất lượng cao (HEVC - High Efficiency
Video Coding) [1].

Hình 6. So sánh độ sáng (cd/m2) của các phương pháp.
Hình 6 cho ta bảng so sánh về khả năng mã hóa độ sáng của 3 phương pháp: Gamma
REC.709 8 bit, Gamma REC.709 10 bit và phương pháp EOTF SMPTE ST.2084. Dựa vào hình
5 và kết quả so sánh ở hình 6, ta có thể rút ra rằng, phương pháp EOTF SMPTE ST.2084 cho độ
mã hóa ánh sáng gần với dải ánh sáng của mắt người nhất. Nó có khả năng mã hóa độ sáng từ 10 3
đến 104 cd/m2 (candela / m2). Điều này cho phép các công nghệ sử dụng EOTF tạo ra các thiết
bị hiển thị có khả năng render hình ảnh gần với tầm nhìn thực tế của con người nhất.


Việc sử dụng EOTF trong HDR là đặc biệt quan trọng bởi vì các công việc từ lúc bắt đầu
đến cuối quy trình - từ camera, qua các bộ mã hóa và các đường phân phối dẫn đến các bộ giải
mã và cuối cùng là màn hình tivi - đòi hỏi nội dung phải đi qua nhiều biến đổi. Các tiêu chuẩn
khác nhau - một số tương đối mới, một số đã cũ - được sử dụng tại các điểm khác nhau trong
suốt quy trình. Sử dụng EOTF là một cách để đảm bảo rằng chất lượng không làm suy giảm
thông qua các giai đoạn và nó được xem là một phương tiện để đánh giá sự toàn vẹn của nội
dung video kể cả những nghệ thuật ánh sáng theo ý định của nhà sản xuất nội dung.
IV. TỪ NGHIÊN CỨU ĐẾN THỰC TIỄN.
Thách thức lớn tiếp theo phải đối mặt của ngành công nghiệp video là chuyển các nghiên
cứu khoa học về HDR thành một hệ thống (hoặc các hệ thống) thực tiễn có thể thực hiện các

nhiệm vụ biến HDR thành hiện thực, phục vụ cho người tiêu dùng và mang lại lợi nhuận đầu tư
cho các nhà cung cấp. Điều này càng phức tạp khi đưa các nghiên cứu từ phòng thí nghiệm vào
thị trường.
Cần hiểu thêm về bối cảnh lúc HDR ra đời. Một nhóm tương đối lớn về các giải pháp
HDR tồn tại, nhưng có sự khác biệt đáng kể về kỹ thuật giữa chúng. Đây chỉ là một mặt của
ngành công nghiệp mới nổi lên, nhưng cùng một lúc, người sáng tạo nội dung và các nhà cung
cấp đều muốn nhanh chóng tận dụng lợi thế của những hình ảnh tuyệt vời đã được chứng minh
bởi HDR. Ngoài ra, các nhà sản xuất TV đang quảng bá HDR trực tiếp cho người tiêu dùng, với
mong muốn tăng số lượng đơn đặt và đạt được giá cao hơn.
Sẽ mất một thời gian để tạo được một môi trường ổn định dựa trên các giải pháp HDR
khi mà nó phải phù hợp cho cả truyền dẫn truyền thống và OTT. Ngày nay, các giải pháp quy
trình trọn gói end-to-end chỉ mới bắt đầu xuất hiện. Hơn nữa, không thể nói đâu là phương pháp
sẽ được ưa chuộng bởi các ngành công nghiệp khác nhau. Trong trường hợp không có thông tin
nền tảng cơ bản như vậy, các công ty truyền hình trả tiền (nhà khai thác truyền hình cáp, công ty
viễn thông, vv…) có thể sẽ đòi hỏi các giải pháp khác nhau dựa trên các yếu tố chính sách địa
phương, quyền sở hữu trí tuệ và liên minh doanh nghiệp của họ. Trong khi thiếu một quy chuẩn
chung nhất cho HDR, các nhà cung cấp nội dung và chủ sở hữu muốn đưa nội dung của họ đến
với nhiều người dùng, họ sẽ phải hỗ trợ nhiều workflow khác nhau. Để mang lại hiệu quả, họ
buộc phải thích ứng với điều đó.

Hình 7. Một quy trình sản xuất nội dung HDR.


Có không ít các tổ chức đã đưa ra nhiều giải pháp HDR. Có thể kể tới các phương pháp
tiêu biểu đến từ Philips, Dolby, Technicolor và BBC / NHK, cũng như một số giải pháp từ các
đơn vị ít được biết đến. Ngoài ra còn các đề xuất khác có khả năng xuất hiện trong tương lai gần.
Phương pháp tiếp cận dựa trên tiêu chuẩn đáng chú ý nhất cho đến nay là HDR-10 (còn được gọi
là vanila HDR), đó là một sự kết hợp của các thông số kỹ thuật của Hiệp hội Kỹ sư Điện ảnh và
Truyền hình (SMPTE – Society of Motion Picture and Television Engineers). Các nhóm khác,
chẳng hạn như Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI – European Telecommunications

Standards Institute), đang làm việc trên các hệ thống đầy đủ hoặc một phần hệ thống. Nhóm các
chuyên gia hình ảnh động (MPEG - Motion Pictures Experts Group) [1] đã chèn vào các tín hiệu
về thông tin bổ sung (SEI – Supplemental Enhancement Information) để chuẩn HEVC của
mình để hỗ trợ HDR. Và, tất nhiên, mỗi bên đều muốn giải pháp của mình trở thành tiêu chuẩn
chung.
Sự khác nhau về thông số chi tiết giữa các phương pháp tiếp cận HDR là đáng kể, nhưng
xét tổng thể, có hai yêu cầu chính đối với một phương pháp. Đầu tiên, giải pháp đó cần có một
hệ thống có tính tương thích ngược (tức là, nó có thể sử dụng thiết bị mã hóa / giải mã hiện có
chứ không yêu cầu thiết bị riêng). Thứ hai, là làm thế nào để truyền dẫn các siêu dữ liệu tương
thích ngược của HDR và SDR.

Hình 8. So sánh SDR - Standard Dynamic Range (bên trái) và HDR - High Dynamic Range.
1. TƯƠNG THÍCH NGƯỢC [1].
Một giải pháp HDR mà không cần thay thế các bộ mã hóa / giải mã là rất quan trọng đối
với một số công ty truyền hình trả tiền (pay TV), các nhà phân phối và nhà sản xuất thiết bị. Các
giải pháp từ Dolby Vision, Technicolor, Philips và BBC / NHK đều cho tính tương thích ngược.
Với một giải pháp có tính tương thích ngược, khi một máy truyền hình SDR nhận tín hiệu video,
các siêu dữ liệu HDR chỉ đơn giản là bị bỏ qua, bởi các set-top box chẳn hạn.
Tuy nhiên, tương thích ngược không phải là mối quan tâm nhất của tất cả các khách hàng
tiềm năng của HDR. Đối với một số môi trường phân phối, chẳng hạn như OTT (over-the-top)
và Blu ray 2, tương thích ngược chỉ là một vấn đề nhỏ. Do đó, nhiều tình huống có thể phát sinh,
có thể nó sẽ yêu cầu thay đổi bộ mã hóa / giải mã hay là các set-top box, vv... Một giải pháp
không mang tính tương thích ngược, rõ ràng sẽ dẫn đến tăng chi phí đáng kể cho các bộ phận
khác nhau của toàn bộ môi trường làm việc, đặc biệt là để duy trì cho cả 2 nội dung (SDR và
HDR).
2. ONE or TWO Layer [1].


Sự khác biệt giữa các phương pháp khác nhau là cách dữ liệu được truyền trong suốt quy
trình làm việc. Trong phương pháp dual layer, các luồng SDR và HDR video được mang độc lập

với nhau trong suốt workflow. Trong phương pháp single layer, luồng SDR video được tích hợp
thêm một phần siêu dữ liệu để tạo tín hiệu HDR.
Những thách thức của giải pháp dual layer là hệ thống cũ (bộ mã hóa, TV, set-top box,
vv…) yêu cầu một luồng video duy nhất. Sự ra đời của một luồng video thứ hai làm cho một số
tính năng quan trọng như hiển thị thông điệp khẩn cấp, hiển thị các thông số trên màn hình hay
nối, chèn các đoạn quảng cáo trở nên khó khăn. Một giải pháp dual layer sẽ cung cấp các trải
nghiệm xem với chất lượng cao nhất nếu không hạn chế về kích thước dữ liệu. Tuy nhiên, với
môi trường ngành công nghệ video hiện nay, giải pháp single layer sẽ phù hợp hơn khi nó không
yêu cầu quá nhiều băng thông cho đường truyền.

Hình 9. Bảng so sánh các giải pháp HDR.
Một mối quan tâm cuối cùng đó là ngành công nghiệp cần có giải pháp để sử dụng trực
tiếp HDR (Live HDR) trong tương lai gần. Điều này đặc biệt quan trọng, bởi vì các chương trình
truyền hình thể thao trực tiếp sẽ là các chương trình chính cần được áp dụng HDR. Lấy ví dụ một
trận đấu bóng đá được chơi trên sân cỏ, một khu vực được chiếu sáng và một khu vực khác tối
hơn (có thể gây ra do bóng của khán đài), lúc này HDR cho phép tất cả các khu vực của sân bóng
đều được nhìn tốt như nhau. Ngược lại, việc sử dụng SDR buộc hệ thống phải đưa ra quyết định
tập trung hiển thị cho khu vực nào của sân bóng để đảm bảo trải nghiệm xem thỏa đáng.
V. KẾT LUẬN: GIẢI PHÁP PHỀN MỀM LÀ CHÌA KHÓA.
Những lợi ích của HDR là rất lớn, và ngành công nghiệp truyền hình muốn cung cấp cho
khách hàng của họ càng sớm càng tốt. Các công ty lớn đang giới thiệu các kỹ thuật khả thi của
họ để thực hiện HDR, trong khi các công ty khác đang thúc đẩy một hướng thiết kế mở để tìm
được tiếng nói chung, chấm dứt cuộc đối đầu giữa công nghệ video tại gia VHS (Video Home
System) [2] và Betamax (một công nghệ hình ảnh chuyên dụng trong các studio) [2] hay cuộc
đối đầu giữa Blu-ray [1] và HDDVD.


Sẽ mất một khoảng thời gian để HDR có thể làm rõ và giải quyết các vấn đề của mình.
Không có gì đảm bảo rằng một phương pháp tạo HDR nào đó sẽ được công nhận là tiêu chuẩn.
Điều đó là đặc biệt quan trọng đối với các nhà quản lý nội dung, các chủ sở hữu nội dung. Ví dụ,

một nhà sở hữu nội dung nào đó có thể yêu cầu việc phân chia một nội dung HDR vào 2 định
dạng khác nhau và cung cấp nó cho 2 nhà phân phối khác nhau. Điều này có thể giúp các nhà
sáng tạo nội dung (content creator) có thể bán nội dung của mình cho các bên khác nhau cho
mục đích tái sử dụng hay phát lại.
Tuy nhiên, những khó khăn trước mắt có thể được giải quyết một cách thỏa đáng. Một
trong những phương pháp đơn giản mà sẽ giúp các nhà sản xuất nội dung và các công ty kinh
doanh mang về lợi nhuận cho chính họ. Đó là tạo ra một cơ sở hạ tầng phần mềm HDR
(Software-Base) dựa trên các giải pháp phần mềm đến từ Elemental. Lúc này, màu sắc và ánh
sáng sinh động hơn mà không buộc phải tốn kém chi phí duy trì chạy song song bằng phần cứng
HDR.
HDR là chìa khóa quan trọng trong sự phát triển chung của video và là một phần trong
bức tranh tổng thể của sự phát triển kỹ thuật không ngừng. Trong một môi trường như vậy, phần
mềm càng có nhiều chức năng càng có lợi thế, nó làm giảm cả vốn lẫn chi phí hoạt động.
Elemental tiếp cận những thách thức từ công nghệ HDR bằng các giải pháp phần mềm của mình.
Phần mềm có tính linh hoạt và khả năng mở rộng từ Elemental được thiết kế để tận dụng lợi thế
của sự phát triển rất nhanh của công nghệ và uy thế của điện toán đám mây nhằm tối đa hóa xử
lý video và phân phối mà không cần đầu tư phần cứng đáng kể.
VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO.
1. High Dynamic Range Video – The Future of TV Viewing Experience, Keepixo by
Allegro DVT, 2015.
2. Wikipedia, />3. The Complete UHD Guidebook – A Reference Tool For Next-Generation Video,
Harmonic collaborate with Dolby® and tdg (The Diffusion Group).
4. High Dynamic Range Video – Implementing Support For HDR Using SoftwareDefined Video Solutions, Elemental Technologies, 2015.