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VP9 HDR 编码

高动态范围 (HDR) 视频是一项日趋成熟的技术。如今，许多标准正在逐步统一。

如需了解 HDR 视频演变的最新情况，请参阅维基百科文章高动态范围视频。

FFmpeg 可与 VP9 搭配使用，以实现以下两个目的：(1) 将 HDR 源压缩为标准动态范围 (SDR) 输出；(2) 将 HDR 源重新封装为适合在网络上播放的 HDR 格式。

输入源

目前，使用 VP9 编码 HDR 时，FFmpeg 支持的任何高位深度（10 位）编解码器都可以用作输入（例如 VP9 Profile 2 和 3、H.264（10 位）、DNxHR、HEVC、ProRes 等）。另请参阅 YouTube 支持文章上传高动态范围 (HDR) 视频。

编码后输出的覆盖面：

目前，支持的目标设备通常包括任何可以解码 VP9 Profile 2 并输出到 HDR 显示屏的设备。

Chromecast Ultra + 支持 HDR 的电视
在 Windows 10 Fall Creators Update 上运行的 Chrome 64 Canary 版，HDR 标志已开启。（这是一个不错的调试工具）。
任何支持 VP9 Profile 2 的 HDR TV
- 所有三星 2017 年 HDR 型号（flatpanelshd.com 列表）以及以“KS”开头的 2016 年型号
- 所有 LG 2017 HDR 型号（以及部分 2016 LG G6 型号）
- 在移动设备上，支持硬件加速 VP9 Profile 2 10 位 HDR 解码的设备（魅族 Pro 7）
- 2017 年的超高清蓝光

用于启用 VP9 Profile 2 和 HDR EOTF 的 FFmpeg 命令行设置

您的 FFmpeg 需要已构建为支持 10 位（甚至 12 位）。

在下面的示例中，我们使用静态构建的 ffmpeg，并支持 10 位。您可以使用我们的构建脚本自行创建，也可以按照 FFmpeg 网站上的指南进行操作。

以下是一个可用的 FFmpeg 命令行，用于将 HDR 编码为 SMPTE 2084 (PQ EOTF) 标准（使用 VP9）：

ffmpeg -i strobe_scientist_18Mbps.webm -b:v 18000000 -pass 1 \
  -pix_fmt yuv420p10le \
  -color_primaries 9 -color_trc 16 -colorspace 9 -color_range 1 \
  -maxrate 26800000 -minrate 8040000 -profile:v 2 -vcodec libvpx-vp9 /dev/null && \
   ffmpeg -i strobe_scientist_18Mbps.webm -b:v 18000000 -pass 2 \
   -pix_fmt yuv420p10le \
   -color_primaries 9 -color_trc 16 -colorspace 9 -color_range 1 \
   -maxrate 26800000 -minrate 8040000 -profile:v 2 -vcodec libvpx-vp9 \
   strobe_scientist_18Mbps.webm

以下是此处介绍的关键参数：

ffmpeg	支持 10 位的静态 build
`-pass 1`	HDR 需要进行双遍编码。在此示例中，第一次传递的输出结果会写入 `/dev/null`，并在第二次传递期间在内存中进行处理。
`-pix_fmt yuv420p10le`	设置 YUV 4:2:0 10 位像素格式
`-color_primaries 9`	设置 `BT2020` 详情请参阅本文档的第 5 页和第 6 页。
`-color_trc 16`	`16` 将转移特征设置为 SMPTE 2084。PQ `18` 将传递特性设置为 SMPTE 2086 HLG
`-colorspace 9`	`colorspace` 是“matrix_coefficients”。此值应与内容母带的制作方式保持一致。（例如，bt709、bt2020_ncl）。在此示例中，对于 bt2020_ncl，它应为 `9`。如需进一步参考，请参阅本文档第 12 页
`-color_range 1`	色彩范围（`0` = 未指定，`1` = mpeg/studio/tv，`2` = jpeg/full/pc）
`-profile:v 2`	对于 HDR，必须提供配置文件或 `2` 或 `3`。
`-vcodec libvpx-vp9`	使用 VP9 编码器。

编码示例

以下示例均使用源文件 strobe_scientist.mkv

关于采用 HDR 编码时的比特率，一般建议比同等的 8 位 SDR 编码高出 25-30%。这些示例通常以 18 Mbps 为目标。通过最佳调整，12 Mbps 的比特率即可实现良好的 HDR 效果。

编码是在具有以下规格的 Ubuntu Linux 系统上执行的：

处理器：4 个 Intel(R) Core(TM) i5-6500 CPU (3.20GHz)
内存 (RAM)：8060MB（已用 1492MB）
显卡：Intel HD Graphics 530 (Skylake GT2)
操作系统：Ubuntu 16.04 LTS

转换为 YUV 4:2:0 10 位 PQ

示例 A：6 Mbps 4K 双遍

ffmpeg -y -report -i strobe_scientist.mkv -b:v 6000000 -speed 4 -pass 1 \
  -pix_fmt yuv420p10le \
  -color_primaries 9 -color_trc 16 -colorspace 9 -color_range 1 \
  -maxrate 8000000 -minrate 4000000 \
  -profile:v 2 -vcodec libvpx-vp9 -f webm /dev/null && \
  ffmpeg -y -report -i strobe_scientist.mkv -b:v 6000000 -pass 2 \
  -pix_fmt yuv420p10le \
  -color_primaries 9 -color_trc 16 -colorspace 9 -color_range 1 \
  -maxrate 8000000 -minrate 4000000 \
  -profile:v 2 -vcodec libvpx-vp9 \
  2pass_HDR_strobe_scientist_6Mbps-static.webm

输出文件：2pass_HDR_strobe_scientist_6Mbps-static.webm
编码时间：142 分 30 秒
光盘上的文件大小：51.2MB

示例 B1：18 Mbps 4k 双遍

ffmpeg -y -report -i strobe_scientist.mkv -b:v **18000000** -speed 4 -pass 1 \
  -pix_fmt yuv420p10le \
  -color_primaries 9 -color_trc 16 -colorspace 9 -color_range 1 \
  -maxrate **20800000** -minrate **15040000** \
  -profile:v 2 -vcodec libvpx-vp9 -f webm /dev/null && \
  ffmpeg -y -report -i strobe_scientist.mkv -b:v 18000000 -pass 2 \
  -pix_fmt yuv420p10le \
  -color_primaries 9 -color_trc 16 -colorspace 9 -color_range 1 \
  -maxrate **20800000** -minrate **15040000** \
  -profile:v 2 -vcodec libvpx-vp9 \
  2pass_HDR_strobe_scientist_18Mbps-static.webm

输出文件：2pass_HDR_strobe_scientist_18Mbps-static.webm
编码时间：213 分 32 秒
光盘上的文件大小：161MB

示例 B2：18 Mbps 1080p 双遍

ffmpeg -y -report -i strobe_scientist.mkv -b:v 18000000 -speed 4 -pass 1 \
  -pix_fmt yuv420p10le \
  -color_primaries 9 -color_trc 16 -colorspace 9 -color_range 1 \
  -maxrate 20800000 -minrate 15040000 \
  -profile:v 2 **-vf ****scale=-1:1080**** **-vcodec libvpx-vp9 \
  -f webm /dev/null && \
  ffmpeg -y -report -i strobe_scientist.mkv -b:v 18000000 -pass 2 \
  -pix_fmt yuv420p10le \
  -color_primaries 9 -color_trc 16 -colorspace 9 -color_range 1 \
  -maxrate 20800000 -minrate 15040000 \
  -profile:v 2 **-vf ****scale=-1:1080**** **-vcodec libvpx-vp9 \
  1080_2pass_HDR_strobe_scientist_18Mbps-static.webm

输出文件：1080_2pass_HDR_strobe_scientist_18Mbps-static.webm
编码时间：113 分 9 秒
光盘上的文件大小：160MB

使用查询表 (LUT) 将 HDR 转换为 SDR

将 HDR 转换为 SDR 需要转码器了解如何将亮度级别和颜色映射到较小的 BT.709 色彩空间和非 HDR 亮度范围。为获得最佳效果，可以使用描述如何执行该映射的 LUT（通常特定于内容）。示例 C 和 D 展示了如何使用 LUT。我们使用了 bt2020_to_bt709_example.cube

示例 C：18 Mbps 4K HDR 到 SDR（使用 LUT）

ffmpeg -i strobe_scientist.mkv -y -b:v 18000000 -speed 4 -pass 1 \
  -pix_fmt yuv420p \
  -color_primaries 1 -color_trc 1 -colorspace 1 -color_range 1 \
  -maxrate 26800000 -minrate 8040000 -profile:v 0 \
  -vf scale=-1:-1:in_color_matrix=bt2020,format=rgb48,lut3d=bt2020_to_bt709_example.cube,scale=-1:-1:out_color_matrix=bt709 \
  -vcodec libvpx-vp9 -f webm /dev/null && \
  ffmpeg -i strobe_scientist.mkv -y -b:v 18000000 -pass 2 \
  -pix_fmt yuv420p \
  -color_primaries 1 -color_trc 1 -colorspace 1 -color_range 1 \
  -maxrate 26800000 -minrate 8040000 -profile:v 0 \
  -vf scale=-1:-1:in_color_matrix=bt2020,format=rgb48,lut3d=bt2020_to_bt709_example.cube,scale=-1:-1:out_color_matrix=bt709 \
  -vcodec libvpx-vp9 -f webm SDR_strobe_scientist_18Mbps-static.webm

注意： -profile 已设置为 0 (4:2:0)，-pix_fmt 已更改为 yuv420p。

输出文件：SDR_strobe_scientist_18Mbps-static.webm
编码时间：124 分 23 秒
光盘上的文件大小：165MB

将 HLG 转换为 VP9 HLG10 10 位 PQ

需要 HLG 源。我们使用了输入文件 strobe_scientist_hlg.mkv

示例 D：18Mbps 4k 双遍 HLG

ffmpeg -y -i strobe_scientist_hlg.mkv -b:v 18000000 -pass 1 -speed 4 \
  -pix_fmt yuv420p10le \
  -color_primaries 9 -color_trc 18 -colorspace 9 -color_range 1 \
  -maxrate 26800000 -minrate 8040000 \
  -profile:v 2 -vcodec libvpx-vp9 -f webm /dev/null && \
  ffmpeg -y -i strobe_scientist_hlg.mkv -b:v 18000000 -pass 2 \
  -pix_fmt yuv420p10le \
  -color_primaries 9 -color_trc 18 -colorspace 9 -color_range 1 \
  -maxrate 26800000 -minrate 8040000 \
  -profile:v 2 -vcodec libvpx-vp9 \
  HLG_HDR_strobe_scientist_18Mbps-static.webm

注意： -color_trc 已设置为 18，以表示 HLG。

输出文件：HLG_HDR_strobe_scientist_18Mbps-static.webm
编码时间：186 分 10 秒
光盘上的文件大小：165MB

摘要

输出文件的大小各不相同。输入为 4.3GB。

示例	目标输出	磁盘大小	编码时间
A	6 Mbps 4K 未缩放 HDR	51.2MB	142 米
B1	18Mbps 4k 未缩放 HDR	161MB	213m
B2	18Mbps 1080 缩放 HDR	160 MB	1.13 亿
C	18Mbps HDR 到 SDR 未缩放	165MB	1.24 亿
D	18Mbps HLG 转换	165MB	168m

请注意，建议对 HDR 使用双遍编码，因为单遍编码在某些配置中可能会有所不同。

在 WebM 和 MP4 输出中发出 HDR 信号所需的工具（Matroska 命令行工具）

在撰写本文时，FFmpeg 不提供在 WebM/MKV 中指定 SMPTE 2086 静态元数据的机制，但如果输入流包含该元数据，FFmpeg 会将其从输入流中传播出去。

如果您的应用需要，可以使用 mkvtoolnix 的一部分 mkvmerge 工具插入或修改此元数据。

以下示例展示了如何将 HDR 元数据插入到上述创建的文件之一中。它尤其适合准备 HDR 内容以供上传到 YouTube。

mkvmerge \
  -o HDR_strobe_scientist_18Mbps.mkv\
  --colour-matrix 0:9 \
  --colour-range 0:1 \
  --colour-transfer-characteristics 0:16 \
  --colour-primaries 0:9 \
  --max-content-light 0:1000 \
  --max-frame-light 0:300 \
  --max-luminance 0:1000 \
  --min-luminance 0:0.01 \
  --chromaticity-coordinates 0:0.68,0.32,0.265,0.690,0.15,0.06 \
  --white-colour-coordinates 0:0.3127,0.3290 \
  HDR_strobe_scientist_18Mbps.webm

此示例在 0.6 秒内生成了 HDR_strobe_scientist_18Mbps.mkv 文件。