IDMS-HDR: HDR 디스플레이 계측에 대한 최신 가이드

추상적 인

디스플레이 계측을 위한 국제 위원회(International Committee for Display Metrology) 는 새로운 HDR(High Dynamic Range) 장과 HDR 튜토리얼이 포함된 정보 디스플레이 측정 표준 버전 1.1을 출시했습니다 . 이 기사는 새로운 콘텐츠에 대한 배경 정보를 제공하고 HDR에 관심이 있는 모든 사람이 이러한 기여를 반드시 읽어야 하는 이유를 설명합니다.

 

현대 이미징 생태계의 기능 은 지난 10년 동안 크게 증가했습니다. 시청자는 이제 영화, 방송 이벤트 또는 비디오 게임과 같은 콘텐츠를 고해상도 또는 증가된 프레임 속도로 즐길 수 있을 뿐만 아니라 더 밝은 하이라이트와 더 깊은 블랙에서 차별화와 디테일을 높일 수 있습니다. 이러한 콘텐츠 발전에는 일반적으로 더 풍부하고 생생한 색상을 용이하게 하는 확장된 색 영역이 포함됩니다. 이러한 개선을 위해서는 기본 기술에 상당한 변경이 필요하여 신호 범위와 세분성을 높일 수 있습니다. 이러한 기술을 총칭하여 일반적으로 HDR(High Dynamic Range) 이미징이라고 합니다.

 

전자 디스플레이는 모든 현대 이미징 생태계에서 중요한 구성 요소이며, 표시된 바와 같이 이 분야는 최근 몇 년 동안 상당한 변화와 개선을 보였습니다. 디스플레이 하드웨어, 재료, 화학, 광학 스택 및 처리 기능은 이제 명목상 새로운 신호 기술을 사용하여 전송된 HDR 콘텐츠의 렌더링을 가능하게 합니다. 이러한 새로운 디스플레이는 일반적으로 HDR 디스플레이라고 합니다. 그러나 "HDR"이라는 제목으로 그룹화된 광범위한 화질 측면이 있으므로 이러한 구성 요소 중 궁극적인 이미지 충실도에 가장 큰 영향을 미치는 구성 요소를 식별하는 것이 항상 쉬운 것은 아닙니다. 현대 디스플레이 기술의 복잡성이 증가하고 다양하기 때문에 객관적이고 반복 가능하며 유사한 방법을 사용하여 현대 디스플레이 장치의 기능을 특성화하는 것이 특히 어렵습니다.

 

HDR의 맥락에서 계측의 일부 상위 수준 측면은 최근 몇 년 동안 확립되었습니다. 그러나 현대 디스플레이의 복잡성이 증가함에 따라 오늘날에는 평가되지 않거나 고려조차 되지 않는 측면이 여전히 많이 있습니다. 이러한 요구는 HDR 디스플레이 품질 평가에 대한 새로운 접근 방식을 찾을 수 있는 기회를 제공했습니다.

 

정보 표시 측정 표준

IDMS( Information Display Measurements Standard )는 2012년 6월에 처음 출시된 이후 디스플레이 계측 에 널리 사용되는 기준으로 자리 잡았습니다. 최근까지 IDMS에는 HDR 응용 프로그램에 대한 전용 장이 포함되어 있지 않았습니다. 이 공백은 이제 HDR에 대한 새 장이 포함된 IDMS 버전 1.1로 해결되었습니다. 또한 도량형 관점에서 HDR 개념, 방법 및 기술에 대해 독자를 교육하기 위해 광범위한 HDR 튜토리얼이 포함되었습니다. HDR 장과 튜토리얼은 모두 독자가 HDR 계측과 관련된 복잡성을 이해하도록 돕는 동시에 주제에 대한 명확한 지침을 수립하는 것을 목표로 합니다. 수정된 IDMS 가이드는 https://www.sid.org/Standards/ICDM 에서 PDF 파일로 무료로 다운로드할 수 있습니다. 특정 워크플로, 용어 및 절차를 정의하고 설명하여 초보자와 전문가를 지원합니다.

HDR 안내

HDR 이미징은 우리 업계에서(그리고 학계에서는 더 오래) 거의 10년 동안 존재했지만 주제는 매우 복잡합니다. 이는 기술자 또는 기타 관련 당사자 간에 혼동, 오해 또는 잘못된 의사소통으로 이어질 수 있습니다. 또한 HDR 이미징은 전력(감마) 함수를 기반으로 하는 표준 동적 범위(SDR) 방법과 같이 이전 접근 방식과 크게 다른 새로운 방법과 개념을 많이 도입했습니다. HDR 계측의 복잡한 주제에 대한 이해를 높이거나 해당 주제에 대한 사전 경험이 있는 기술자에게 복습을 제공하기 위해 IDMS v.1.1에는 일반적인 HDR 신호 비선형성 및 신호 양자화 변경 사항에 대해 자세히 설명하는 광범위한 HDR 자습서가 포함되어 있습니다. 오늘날의 일반적인 HDR 형식, 메타데이터 및 기타 여러 측면에 대한 설명' ■ HDR 생태계(측정에 중점을 둠). 다루는 내용에 대한 아이디어를 제공하기 위해 다음은 신호 양자화, 휘도 범위 속성, HDR 생태계 고려 사항 및 주변 효과의 영향에 대해 설명하는 자습서에서 발췌한 내용입니다.

 

그림 . 1 은 신호 비선형성 및 비트 심도가 그레이스케일 윤곽과 같은 양자화 아티팩트의 잠재적 가시성에 미치는 영향을 설명합니다. 이러한 고려 사항은 HDR 신호가 일반적으로 10비트 또는 12비트 양자화를 사용하는 이유와 인지 양자화기(PQ) 또는 하이브리드 로그 감마(HLG) 비선형 신호(ITU-R Rec. BT.2100)의 개발 및 현재 널리 사용되는 동기를 설명합니다. 1 감마 또는 전력 함수 대신. 그림의 상단 부분에 있는 3개의 램프는 모두 상대적인 최소값과 최대값이 동일합니다. 그러나 이러한 극단 사이의 단계 수 또는 세분성은 다양합니다. 그림 . 1a1비트로만 양자화하며, 이는 두 극단을 인코딩하기에 충분하지만 중간 톤 값은 인코딩하지 않습니다. 이 예에서  . 도 1b 는 낮은 비트 깊이로 인코딩된 동일한 램프의 모양을 보여주어 극단 사이에 더 많은 톤 값의 가시성을 제공합니다. 그러나 비트 깊이 제한으로 인해 윤곽선 단계가 매우 두드러집니다. 마지막 예  . 도 1c 는 더 많은 수의 비트로 인코딩된 램프를 보여주며, 그 결과 가시적인 윤곽 아티팩트 없이 연속적인 램프가 나타납니다. 그러나 비선형성을 현명하게 선택하지 않으면 충분히 높은 비트 깊이를 사용하는 경우에도 컨투어링 아티팩트가 보일 수 있습니다. (자세한 내용은 IDMS 섹션 B33.5.2를 참조하십시오.)

그림 1

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서로 다른 비트 심도와 지각적으로 균일하고 불균일한 신호 인코딩을 사용한 양자화의 영향.

그림 . 도 2 는 SDR과 비교하여 HDR 이미징의 맥락에서 상당히 다른 또 다른 요소를 예시한다. 도형 방송 신호 전체 범위 (간의 휘도 범위  . 도 2a ), 디스플레이 마스터 HDR의 능력 (  . 2B ), 특히 콘텐츠 프레임 (  . 2C-E ). 기본적으로 (장면 유형, 노출 스타일 및 조명 상황으로 인해) 상당히 다른 다이내믹 레인지 브래킷이 있는 장면과 샷을 단일 콘텐츠 신호로 결합할 수 있으며, 반사 하이라이트를 위한 헤드룸을 유지하면서 모든 영역에서 여전히 차별화를 촉진합니다. (자세한 내용은 IDMS v1.1 섹션 B33.5.4를 참조하십시오.)

그림 2

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(a) 신호 범위, (b) 콘텐츠 생성 표시 범위, (ce) 세 가지 다른 장면 또는 샷 동적 범위의 차이점.

최신 디스플레이의 기능은 크게 다를 수 있으므로 신호가 디스플레이 기능과 다릅니다. 콘텐츠 조각의 창의적 의도를 최대한 유지하기 위해 메타데이터 개념(섹션 B33.6, "HDR 메타데이터")을 사용하여 안내될 수 있는 톤 및 색역 매핑 개념이 사용됩니다(섹션 B33.7, "톤 매핑"). . 새 자습서에서는 공간 및 시간 변동성, SDR 대 HDR 정확도와 같은 디스플레이 장치 속성도 간략하게 설명합니다(섹션 B33.8, "디스플레이 장치 속성").

HDR 신호 및 매핑 개념의 기초를 넘어 HDR 생태계를 살펴보고 디스플레이를 "만" 평가하는 작업인 경우에도 다양한 구성 요소 간의 상호 작용이 필수적입니다. 그림과 같이 . 3 쇼에서 HDR이 촉진되는 방식에는 상당한 차이가 있습니다. 예를 들어 콘텐츠 생성, 포스트 프로덕션, 콘텐츠 전달 및 소비자 보기 측면에서. IDMS 섹션 B33.9("응용 및 배포")는 일반적인 이미징 파이프라인의 인과 관계를 설명하고 "콘텐츠 생성 단계에서 어떤 형식, 신호 유형 및 장치가 사용됩니까?", "어떤 유형의 콘텐츠 전달 HDR에 유효합니까?" 및 "소비자 디스플레이는 HDR 신호로 무엇을 합니까?"

그림 3

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디스플레이 계측과 관련된 세 가지 기본 이미징 파이프라인 세그먼트가 있는 HDR 에코시스템: (a) 콘텐츠 생성, (b) 콘텐츠 전달, (c) 소비자 디스플레이.

신호가 디스플레이 기능과 다를 때마다 가능한 한 창의적 의도를 유지하기 위해 다른 매핑 전략이 필요합니다. 이 튜토리얼에서는 다이어그램과 일러스트레이션을 사용하여 톤 매핑, 색역 매핑, 지각 매핑까지 설명합니다. 또한 공간적 변동성, 시간적 변동성, SDR 대 HDR 정확도와 같은 디스플레이 장치 속성에 대해 간략하게 설명합니다. HLG, HDR10, HDR10+ 및 Dolby Vision을 비롯한 HDR 형식 간의 가장 중요한 차이점 중 일부에 대해서도 설명합니다.

보기 환경 고려 사항은 HDR에 더 중요합니다. 특히 주변 조명 조건은 블랙 레벨의 인식과 HDR 이미지 품질의 거의 모든 측면에 큰 영향을 미칩니다. 그림 . 4 는 이러한 고려 사항을 나타냅니다. 이 자습서에서는 주변 조명의 효과에 대해 자세히 설명합니다(IDMS 섹션 B33.9.3.2, "환경 고려 사항 보기").

그림 4

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이미지 표시 품질에 영향을 미치는 다양한 유형의 조명 및 보기 환경 속성.

HDR 디스플레이 성능 평가

IDMS-HDR 튜토리얼은 오로지 정보 제공과 교육을 위한 것입니다. 기술자와 계측학자에게 참조 지침을 제공하기 위해 버전 1.1에 포함된 20장에서는 HDR 계측에 특정한 방법을 정의합니다.

ICDM(International Committee for Display Metrology)은 성능 임계값을 설정하려고 시도하지 않습니다. 성능이나 인증 기준을 지정하는 것이 아니라 디스플레이 측정이 일관되고 정확하게 수행될 수 있는 방법을 설명하는 것이 철학입니다. IDMS에는 독자가 특정 상황에 적합한 방법을 선택할 수 있는 뷔페 스타일 형식이 포함되어 있습니다. 주요 기업, 학계 및 정부 기관의 국제 산업 전문가가 IDMS 내에서 방법을 선별합니다. ICDM은 IDMS에 문서화된 대로 기술적으로 불가지론적인 방법, 테스트 대상, 응용 프로그램 및 기타 도구를 만드는 것을 목표로 합니다. 결과를 통해 기술이나 제품 아키텍처에 관계없이 디스플레이 장치를 평가하고 비교할 수 있습니다.

최신 디스플레이의 성능에 대한 객관적인 정보를 얻거나 전달하려고 할 때 한 가지 일반적인 문제는 제조업체의 사양이 종종 마케팅 목표와 깊이 얽혀 있다는 것입니다. 이 문제는 방법론 및 보고의 정확한 커뮤니케이션을 허용하기 위해 기존 측정 접근 방식이 범위가 제한적이거나 범위가 잘 정의되지 않는다는 사실로 인해 더욱 악화될 수 있습니다.

하나의 두드러진 예는 HDR 애플리케이션과, 상기 신호 포락선은 디스플레이 능력보다 큰 것이있다 : PQ HDR (.. ITU-R 권고안 BT.2100)에 대한 공통 신호 용기 1 10000 CD 0의 휘도 범위를 허용 / m². 마찬가지로, HDR 시그널링은 일반적으로 ITU-R Rec. BT.2020, 2단색 원색을 사용합니다. 오늘날의 어떤 물리적 디스플레이도 그러한 신호의 휘도와 색상 범위를 재현할 수 없습니다. 특히 컴퓨터 모니터와 소비자용 TV의 경우 그렇습니다. 사용 가능한 색상 볼륨(최소 및 최대 휘도와 색도 범위의 3D 조합)은 일반적으로 신호 컨테이너에서 제공하는 것보다 훨씬 작습니다. 따라서 들어오는 HDR 신호의 완벽하고 정확한 렌더링은 원본 마스터링 디스플레이에서 콘텐츠를 보는 것 외에는 어떤 경우에도 달성할 수 없으며 전체 휘도 또는 BT.2020 색상 범위도 달성할 수 없습니다. 소스 콘텐츠의 창의적 의도를 유지하기 위해 콘텐츠 소비를 위한 디스플레이는 톤 및 영역 매핑을 통해 지각적으로 의미 있는 방식으로 휘도 범위와 색 영역을 줄이는 비선형 압축 방식을 구현합니다.*

가장 큰 명암비 범위 또는 가장 넓은 색 영역에 도달하기 위해 디스플레이 하드웨어가 한계에 도달하는 경우가 종종 있으며, 그 결과 일반적으로 더 높은 전력 소비 또는 백라이트 변조 사용을 포함하는 보다 공격적인 운전 전략이 필요합니다. 이러한 요구는 일반적으로 100cd/m²와 같이 훨씬 낮은 피크 휘도 값을 갖는 기존 SDR 이미지의 재생과 대조되며, 이에 따라 많은 디스플레이에서 이러한 신호를 높은 정확도로 편안하게 재생할 수 있습니다.

IDMS-HDR 장에서는 "이론적 디스플레이"라는 용어를 사용하여 테스트 중인 디스플레이 장치(DUT)가 HDR 신호를 실시간으로 완벽하게 재현할 것으로 기대해서는 안 된다는 점을 분명히 합니다.

예를 들어 HDR의 최대 휘도 측면에서 디스플레이의 성능을 생각할 때 측정할 수 있는 휘도 값에 영향을 미치는 많은 영향 요인(또는 상호 의존성)이 있습니다. 예를 들어, 테스트 패치의 크기, 위치 및 모양, 측정 기간, 테스트 패치의 배경(검정색, 회색 또는 동영상), 신호 메타데이터 및 그림 설정이 측정에 큰 영향을 미칩니다. 어떤 단일 값도 실제 동영상 콘텐츠와 관련하여 디스플레이의 기능을 적절하게 설명하지 못합니다. HDR을 위한 새로운 IDMS는 상호 의존성에 대한 계측학자의 인식을 높이고 재료 생성에서 화면 표시에 이르기까지 HDR 파이프라인에서 일어나는 일을 설명함으로써 이 문제에 접근합니다.

디스플레이 참조 접근 방식

IDMS-HDR은 이 용어의 정의부터 시작하여 디스플레이 참조 신호 접근 방식을 따릅니다. 컨텍스트가 없는 비디오 신호에는 의도한 색상 출력에 대한 정의가 없습니다. 즉, 정의된 동적 범위, 색 공간 또는 명암비가 없으며 디스플레이가 이러한 성능에서 더 크거나 더 낮은 기능으로 이 신호에 응답하는 것을 방해하는 것은 없습니다. 카테고리. HDR 생태계의 주요 차별화 요소는 신호에 명확하게 정의된 의도가 있다는 것입니다. HDR 콘텐츠는 광범위한 기능을 갖춘 보정된 디스플레이에서 마스터링됩니다. 신호의 특정 코드 값은 콘텐츠 작성자의 의도를 설명합니다(즉, 시청자가 볼 의도와 정확히 일치). 이 디스플레이 참조 신호는 HDR 계측에 대한 IDMS 접근 방식의 기초를 형성합니다.

IDMS-HDR 테스트 신호 형식

IDMS-HDR은 미리 정의된 HDR 테스트 신호 형식을 사용합니다. 지정되고 모호하지 않은 단일 테스트 신호를 정의함으로써 가능한 많은 혼동 소스가 제거됩니다. 이 신호는 ITU BT.2100 1 및 소비자 기술 협회(CTA-861.3-A) 표준 에서 직접 파생됩니다 . 그러나 이러한 표준이 결합되어 해당 표준을 허용하는 변수의 값이 고정되었습니다. 따라서 IDMS-HDR 테스트 신호는 HDR10 구현이라고 할 수 있습니다. 단일 테스트 신호를 사용하면 테스트 신호 자체가 측정 결과에 도입할 수 있는 많은 변수를 제어할 수 있습니다. 정확성, 일관성 및 재현성은 적절한 계측의 기초입니다. 더 넓은 HDR 생태계에는 많은 신호 전달 방법이 있습니다. 단일 표준 테스트 신호를 사용하여 HDR 계측의 재현성이 용이합니다. 계측 학자는 다른 신호로 테스트를 수행할 수 있습니다. 그러나 다른 디스플레이 장치의 결과 간에 비교 가능성을 유지하고 결과에 마케팅 메시지가 얽히는 것을 방지하기 위해

설명된 기본 작업이 완료되면 ICDM은 이제 IDMS의 다음 릴리스에서 실제 HDR 측정을 정의할 수 있는 위치에 있습니다.

IDMS-HDR 약관

IDMS 접근 방식의 몇 가지 예는 HDR 장에서 정의된 특정 용어로 찾을 수 있습니다.

디스플레이 참조

표시 참조는 신호가 이론적인 표시를 설명하는 개념입니다. 표시 참조 신호는 콘텐츠 작성자의 의도를 나타내며 신호 컨테이너의 비선형성, 최소/최대 휘도 및 색상 인코딩에 대한 정의가 필요합니다. 인코딩된 신호 값은 절대 CIE XYZ로 직접 변환될 수 있습니다. IDMS-HDR 테스트 신호는 디스플레이 참조입니다.

IDMS-HDR 테스트 신호

IDMS-HDR 테스트 신호는 섹션 20.1.5에 정의된 테스트 신호를 나타냅니다. 업계에서 정의된 다른 유형의 HDR 신호도 있습니다. 제어된 계측을 위해 단일 세트의 신호 매개변수가 사용됩니다. 이 신호는 표시 참조된다는 점에서 IDMS에 설명된 다른 신호와 비교하여 고유합니다. 신호에는 원색뿐만 아니라 최소 및 최대 휘도에 대해 정의된 매개변수가 포함됩니다. 고정된 색 영역 볼륨을 나타냅니다. 신호 식별 메타데이터가 사용됩니다(ST 2084, 4BT.2020 시스템 비색)을 사용하여 테스트 대상 설계(DUT)에 필요한 매개변수를 전달합니다. 인코딩된 신호 값은 절대 CIE XYZ로 직접 변환될 수 있습니다. 추가 HDR 정적 메타데이터 또는 HDR 동적 메타데이터는 테스트 중인 디스플레이 시스템의 색상 매핑을 변경할 수 있습니다. IDMS-HDR 테스트 신호에는 고정 값에 할당된 ST 2086 5 HDR 정적 메타데이터가 있습니다. 다른 메타데이터는 현재 테스트 신호에 사용되지 않습니다.

상호 의존성

잠재적인 인과 관계를 조사하는 도량형에서는 결과에 영향을 미치는 추가 변수가 존재할 수 있습니다. 이 문서에서 상호 의존성이라는 용어는 IDMS-HDR 테스트 신호에 대한 디스플레이의 응답에 영향을 미치며 직접적인 신호-디스플레이 관계의 일부가 아닌 변수를 나타내는 데 사용됩니다. 이러한 상호 의존성에 대한 예는 20.1.3절에서 찾을 수 있습니다.

추가 연구

HDR 측정 절차는 향후 IDMS 릴리스에서 제공될 예정이지만 20장 및 튜토리얼 B33의 초기 문서를 통해 독자는 혁신적인 HDR 측정에 접근할 수 있는 방법을 이해할 수 있습니다. 중요한 측면에는 IDMS 테스트 신호를 사용하고 측정 결과에 영향을 미칠 요소인 상호 의존성을 인식하는 것이 포함됩니다.

후보 메트릭은 현재 버전 1.2에 포함하기 위해 고려 중이며 ICDM은 항상 새로운 메트릭을 개발, 논의 및 검증하기 위해 업계 전문가의 추가 도움을 찾고 있습니다. 현재 ICDM HDR 분과위원회에서 향후 IDMS 버전에 포함하기 위해 조사 중인 HDR 메트릭 중 일부는 다음과 같습니다.

  • 영화 피크 휘도 - 신중하게 선택된 실제 콘텐츠 또는 1/f 노이즈 패턴을 시공간적으로 변화시키는 스케일 불변과 같이 통계적으로 잘 정의된 영화 배경과 휘도 테스트 패치를 결합합니다.
  • HDR 디스플레이의 휘도 프로파일 - 시간적 및 공간적 측면을 포함하여 다양한 조건에서 최대 광 출력을 프로파일 링합니다.
  • 참조 적응 휘도를 기반으로 하는 CIELAB 컬러 볼륨 - 정의된 휘도 레벨에서 디스플레이의 컬러 볼륨을 측정합니다.

결론

IDMS의 새로운 HDR 챕터와 튜토리얼은 모든 디스플레이 계측 전문가와 HDR에 관심이 있는 모든 사람들이 반드시 읽어야 할 책입니다. 독자가 신호, 디스플레이 기술에만 관심이 있는지, 아니면 단순히 HDR 측정을 수행하려는지 여부에 관계없이 HDR의 전체 생태계를 이해하는 데 도움이 됩니다. 독자가 HDR을 주제로 매우 익숙하더라도 튜토리얼을 읽으면 HDR에 접근하는 방법에 대한 새로운 생각이 촉발될 것입니다.

 

  • * HDR 및 WCG 기능이 있는 전문가용 디스플레이는 일반적으로 지각 톤 및 색역 매핑을 적용하지 않습니다. 자세한 내용은 자습서를 참조하세요.

 

전기

  • Florian Friedrich 는 ICDM 내 HDR 소위원회 의장입니다. 그는 약 20년 동안 소비자 전자 제품에 대한 ISO 인증 테스트 연구소를 운영했습니다. 그는 현재 독일 FF 픽처스의 CEO입니다. 그의 HDR 영상 분석 소프트웨어 "HDRmaster 8K"와 테스트 패턴은 업계에서 널리 사용됩니다. 그는 도달할 수 있습니다.
  • Timo Kunkel 은 Dolby Labs CTO 사무실의 선임 컬러 및 이미징 연구원입니다. 그는 15년 이상 HDR 이미징 개념으로 작업해 왔습니다. 그는 ICC, SID ICDM 및 IEC TC(International Electrotechnical Commission Technical Committees) 100 및 110의 회원이자 기술 전문가입니다. Kunkel은 박사 학위를 받았습니다. 영국 브리스톨 대학교에서 컴퓨터 공학 박사. 그는 도달할 수 있습니다.

참고문헌

 

https://sid.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/msid.1242?utm_campaign=&utm_content=HDR+for+Nerds%3A+Mastering+Monitor%2C+OLED%2C+NeoQLED%2C+HDR10%2B+and+Dolby+Vision&utm_medium=email&utm_source=getresponse 

 

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sid.onlinelibrary.wiley.com

 

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