HDR视频是高动态范围视频(High Dynamic Range的缩写)，SDR视频是标准动态范围视频(Standard Dynamic Range的缩写)，动态范围指的是亮度最大值和最小值的比值。
如下图所示SDR和HDR对比发现动态范围越高，颜色更鲜艳，亮度暗部细节越多。
先从遇到的问题开始讲起，之所以要处理HDR视频是因为线上反馈HDR视频又暗又灰，HDR视频正确播放需要特殊处理才行。
本系列文章主要讲Android中如何正确处理HDR视频，从开发遇到的问题作为切入点浅显易懂讲解HDR理论，你会从中学到以下10点。
- 如何用MediaCodec实现HDR解码渲染
- HDR视频转换SDR流程
- OpenGL纹理如何支持10位YUV数据
- SurfaceTexture如何支持10位BT2020YUV
- 10位YUV420(i420、YV12、NV12、NV21)如何用Shader转换成RGB
- YUV转RGB矩阵、BT2020转BT709色域矩阵是如何计算出来的
- 传递函数(Gamma矫正、光电转换、电光转换)的正确认知和参数详解
- 各种ToneMapping色调映射技术汇总
- 如何利用HDR视频和屏幕亮度信息动态调整效果
- 全网最全HDR开发资源汇总(测试视频、LUT、经验分享、标准文档)
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HDR效果虽好也给拍摄、存储、显示阶段带来了各种问题
摄像头的图像传感器能捕捉的动态范围有限，怎么收集更多亮度信息呢?用不同的曝光得到多张图融合成一张，其中低曝光拿到亮处信息，高曝光拿到暗处信息，下图根据多张曝光度不一样的照片(a)融合生成亮处暗处都清晰的照片©。
下图HDR图像用8位数据存储会出现色晕、暗部和亮部看不清等情况，如何用更小的数据存储更多更亮的颜色？用更多位数、更大色域、压缩率更高的格式存储数据(10位_BT2020色域_PQ_H265视频)。
如何让屏幕支持更高亮度、更多颜色？更换屏幕材料(量子点、OLED)是种做法，下图OLED屏幕比起LCD屏幕亮的更亮、黑的更黑，也有厂商为了减小成本用抖色方案支持更高位数的颜色(假HDR)。
如何让屏幕中的颜色更真实？根据屏幕和图像的亮度信息重新调整效果，下图把左边的颜色通过色调映射到右边三种屏幕上。
本篇文章讲的就是HDR显示问题，HDR视频如何在SDR屏幕正确播放的开发流程。
HDR视频和SDR视频相比色域更大、亮度更高、细节更多，理论上播放起来也就不够鲜艳而已，怎么播放起来又暗又灰呢？变暗还好理解，HDR视频比SDR视频亮，把HDR视频当SDR视频处理当然会变暗了，那怎么还变灰了呢？下图中说明了R颜色都是0.5宽色域用窄色域的屏幕会变灰。
那怎么正确播放HDR视频，也不要求视频效果很好至少也不要变灰呀，让我们先来梳理一下原先的SDR视频播放流程。
如上图SDR视频播放流程分3步
第1步: Mp4解封装的数据送入MediaCodec
第2步: MediaCodec解码到SurfaceTexture
第3步: SurfaceTexture绑定的纹理经过处理后渲染到SurfaceView或TextureView上屏
刚开始认为问题出在第2步，SurfaceTexture不支持10位只取HDR视频的低8位数据忽略高2位，测试发现SurfaceTexture支持10位，绑定的RGB纹理和视频原始YUV换算后基本上一样，其实问题出在第三步，纹理用OpenGL渲染时屏幕不知道要开启HDR，这需要对屏幕Surface开启HDR标识。针对这个问题有两个思路，一个是让屏幕开启HDR来适应视频，另外一个是让视频变成SDR来适应屏幕，根据这两个思路有4个解决方案。
| 方案 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 直接解码并渲染到SurfaceView(不需OpenGL的HDR标识) | 真HDR | 1.不支持编辑 2.不支持TextureView 3.屏幕需支持HDR |
| 解码到SurfaceTexture再渲染SurfaceView(HDR标识) | 1.真HDR 2.支持纯HDR编辑 | 1.不支持HDR和SDR混合编辑 2.不支持TextureView 3.屏幕需支持HDR 4.不支持HLG视频 5.存在兼容性问题(小米手机上发现10位HDR标识导致HDR效果延时，用16位HDR标识正常) |
| 解码到SurfaceTexture后转成8位BT709再渲染 | 1.支持编辑 2.支持TextureView和SurfaceView 3.屏幕不需支持HDR 4.支持HLG、PQ视频 | 1. HDR转SDR效果相对而言差一点 2. 部分手机可能存在SurfaceTexture不支持10位BT2020，暂时未发现 |
| 解码到Buffer后把10位YUV数据转成8位BT709RGB纹理再渲染 | 1.支持编辑 2.支持TextureView和SurfaceView 3.屏幕不需支持HDR 4.支持HLG、PQ视频 | 1. HDR转SDR效果相对而言差一点 2. 部分手机对HDR视频不支持Buffer解码(如华为的麒麟芯片手机) |
结论： 只播放不需要编辑用方案1，纯HDR编辑用方案2，HDR和SDR混合编辑的话综合方案3、4解决兼容性问题。
注意点：
HDR视频播放只需要用SurfaceView就行，编辑需要HDR转SDR，下图说明HDR视频相对于SDR视频是宽色域、高亮度、高位深的，只要改变这三要素就能把HDR视频转成SDR视频。
如下图所示HDR转换流程就是用色域转换矩阵把宽色域变成窄色域，用色调映射保证亮度变化时颜色不失真，归一化后量化改变位深，而所有的前提要在线性空间操作才行(拍摄视频时会把自然场景的线性场景光变成非线性的电信号，编辑视频时当然要转换回来啦)。所谓线性空间指的是颜色连续均匀(颜色之间可以插值)，其中线性变非线性叫光电转换，非线性转线性叫电光转换，很好记，光是自然生成的，自然界的东西都是线性的，光变电就是线性变非线性，这两种转换都被叫做传递函数。
名词解释：
归一化： 将数值压缩到[0,1] 范围
电光转换： 视频用非线性电信号存储，处理的时候需要转成线性光数据，实际操作是代入特定的数学公式
色调映射： 目的是为了高亮度转成低亮度保证色彩不失真，实际操作是一段曲线映射
色域转换： 宽色域视频直接用窄色域进行显示会变灰，需要用宽色域转换成窄色域，实际操作是矩阵转换
光电转换： 屏幕只能显示非线性电信号，线性光数据需要转成非线性电信号，用线性光数据显示会导致变亮，实际操作是代入特定的数学公式，和电光转换的公式反了反
量化： 将数值还原到[0,2^n-1] 范围内，n=8就是变成0-255，n=10就是变成0-1023
以下就是在Android中HDR视频转SDR的具体步骤：
HDR视频转SDR视频在实际操作中其实就是把10位BT2020YUV转成8位BT709RGB，前者动态范围高，后者动态范围低。
第一步： 解码处理得到归一化线形RGB有3种方式，其中方式1代码写起来最简单。
第二步： 电光转换把归一化非线性的RGB数据转换成线性
第三步： 根据视频元数据里面的亮度信息和屏幕亮度数据用色调映射调整RGB颜色
第四步： 色域转换矩阵把BT2020转换BT709，BT2020是宽色域BT709是窄色域
第五步： 光电转换把线性数据还原成非线性，量化得到8位BT709RGB
下面3个问题留给大家思考
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