HDR의 Banding

HDR (High Dynamic Range) 기술은 Contrast 증가와 풍부한 Color를 제공하여 컨텐츠의 시각적인 경험을 향상시키지만 종종 "Banding"이라는 현상이 발생할 수 있다.
Banding 은 부드러운 색상 전환 대신 급격한 줄무늬 모양의 선이 나타나는 것을 말한다. 이는 색상 표현이 제한되거나 데이터가 균일하지 않게 분포될 때 발생할 수 있다. Banding 은 주로 color uniformity 감소와 관련이 있으며 특정 범위 내에서 색상 간 경계를 만들어낸다.

UHDA white paper 참고

HDR에서의 Banding이 발생하는 원인

1. bit-depth  제한: 색상을 나타내는 데 사용되는 bit-depth가 제한되면 색상 경계에서 특히 밴딩이 발생하기 쉽다. 예를 들어 8bit 색상에서는 한정된 색상 정밀도로 미묘한 색의 차이를 나타내기 어려울 수 있다.
2. 높은 밝기 변동: 밝기에 큰 변동이 있는 경우, 더 높은 bit-depth가 필요할 때 발생할 수 있다. 밝기 변화가 bit-depth와 비교하여 너무 큰 경우에는 부드러운 밝기 전환이 어려워져 Banding 이 발생할 수 있다.
3. 압축 알고리즘의 영향: 대용량 파일 크기를 갖는 HDR 콘텐츠는 압축 시 정보 손실을 야기할 수 있으며, 결과적으로 Banding이 유발될 수 있다. 고해상도 및 높은 Bit의 HDR 콘텐츠를 효과적으로 압축하는 것은 어려운 과제이다.

Banding 1: 밝기와 Bit-depth의 Trade Off  

Bit-depth의 제한: 높은 Bit-depth와 넓은 밝기 범위는 상당히 큰 데이터를 생성한다. 이는 파일 크기가 커지고 전송에 필요한 대역폭이 증가함을 의미하고, 상당히 큰 파일 크기는 저장 공간이나 데이터 전송에 추가 비용과 복잡성을 초래할 수 있다.
현재 HDR의 기술 발전 단계에서 Bit-depth와 밝기 모두를 만족하는 것은 어렵다.(PQ curve 참고 )

• Bit-depth를 고정하고 밝기만 높이면 밝기의 표현 범위가 더 넓어져서, 같은 색상 수준에서 더 밝거나 어두운 부분을 표현할 수 있게 된다. 하지만 색상 간의 간격이 더 넓어질 수 있어 세밀한 색상 차이를 구분하기 어려워질 수 있다.
• 반대로 밝기를 고정하고 Bit-depth만 높이면, 색상의 정밀도가 증가하게 된다. 이는 색상 간의 세부 차이를 더 정확하게 표현할 수 있게 해준다. 그러나 이 경우 밝기 표현 범위가 한정되기 때문에 어두운 영역이나 매우 밝은 영역에서 세부 묘사가 손실될 수 있다.

Banding 2: 낮은 APL의 높은 밝기

APL (Average Picture Level)은 낮은 (어두운) 영역에서 최대 밝기 범위를 증가시키면 밴딩 문제가 발생할 수 있다.
HDR의 PQ Curve는 낮은 APL 조건에서 최대 밝기 범위를 늘리는 알고리즘은 넓은 밝기 범위를 나타내기에  Bit-depth가 부족할 수 있어 Banding이 발생할 수 있다는 것을 나타낸다.
따라서 HDR 콘텐츠를 생성할 때 APL을 기반으로 적절한 비트 깊이와 밝기 범위를 선택하는 것이 중요하다. 특히 어두운 영역에서는 충분한 Bit-depth를 사용하여 세부 사항을 유지하는 것이 필요하다. 
밝기를 증가시키면 밝기 차이를 나타내는 데 도움이 되지만, 최적의 성능을 위해서는  Bit-depth도  중요하다.

Perceptual Quantizer Curve

PQ (Perceptual Quantizer) 곡선은 HDR에서 밝기와 색상 간의 관계를 정의한다. 이는 밝기를 더 정확하게 표현하고 인간 시각 체계의 밝기와 색상 인식과 일치시키기 위해 설계되었다.

PQ 곡선은 일반적으로 HDR10 및 Dolby Vision과 같은 HDR 형식에서 사용되며 SMPTE ST 2084 표준을 준수한다. 일반적으로 10bit  또는 12bit-depth 와 함께 사용되며 PQ Curve와 bit-depth 는 HDR 콘텐츠가 화면에 정확하게 표시되는 데 중요한 역할을 한다.

PQ 곡선과 bit-depth간의 관계는 다음을 포함한다:

1. 밝기 표현: PQ 곡선은 화면에 표시되는 밝기를 조절하는 데 사용된다. 이 곡선은 어두운 영역에서의 세부 묘사를 더 정확하게 나타낼 수 있도록 설계되어 있어, 어두운 부분에서 세부 묘사를 뚜렷하게 보이도록 한다. 또한 밝은 영역에서도 세부 묘사를 유지하여 넓은 밝기 범위에서도 세밀한 디테일을 표현할 수 있게 해준다.
2. bit-depth: 높은 bit-depth는 더 많은 밝기 수준을 표현할 수 있도록 한다. 특히 어두운 영역에서 세부 사항을 나타내는 데 높은 bit-depth가 유용하다. PQ 곡선의 특성을 고려하면 어두운 영역에서 세부 묘사를 효과적으로 표현하기 위해 높은 bit-depth가 필요하다.
3. 색상과 밝기의 정밀도: PQ 곡선과 높은 bit-depth는 특히 고채도 색상 및 고밝기에서 정밀한 표현을 가능하게 하며 HDR에서 밝기 및 세부 묘사의 넓은 범위를 커버한다.

요약하면 PQ 곡선과 높은 bit-depth는 HDR에서 더 풍부하고 정확한 색상 및 밝기 표현을 가능하게 하며, 어두운 및 밝은 영역의 세부 묘사를 효과적으로 처리한다.

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Dolby Perceptual Quantizer

 

The Ins and Outs of HDR ― What is HDR? | EIZO

 

Dolby Vision - Official Site