SDR vs HDR a fondo: PQ, HLG, mapeo de tonos y codificación HDR10

Lo esencial

SDR y HDR se diferencian en cómo un vídeo convierte los valores de código en luz. El SDR usa una curva gamma pensada para una pantalla de 100 nits y el color BT.709; el HDR usa la curva PQ o HLG de ITU-R BT.2100, el color BT.2020, al menos 10 bits y, a menudo, metadatos que le dicen a la pantalla cuánto brillo tenía el máster.

• SDR y HDR se diferencian en cuatro capas: función de transferencia, primarios de color, profundidad de bits y metadatos.
• PQ asocia cada valor de código a un nivel de luz fijo de hasta 10.000 nits. HLG es relativo al pico de la pantalla, así que no necesita metadatos de masterización.
• PQ necesita al menos 10 bits: según nuestros cálculos, un escalón de PQ a 8 bits cerca de 100 nits supone un salto de luz del 4,7 %, y uno a 10 bits, del 1,1 %.
• El mapeo de tonos encaja las altas luces HDR en una pantalla menos luminosa, con una curva estática por título o con metadatos dinámicos (HDR10+, Dolby Vision) por escena.
• Las etiquetas solo rotulan los píxeles. Cambiar lo que significan exige una conversión de verdad, y ffprobe comprueba ambas cosas.

¿Qué hace que un vídeo sea HDR?

Un vídeo HDR es aquel cuyos valores de código describen un rango de luz mucho más amplio que el SDR, codificado con la función de transferencia PQ o HLG de ITU-R BT.2100 y transportado con primarios BT.2020 a 10 o 12 bits.

Las capas son independientes: un archivo puede ser SDR a 10 bits, o PQ sin metadatos. Cada una tiene su propia etiqueta, y los reproductores leen las etiquetas en lugar de adivinar a partir de los píxeles.

Funciones de transferencia: BT.1886, PQ y HLG

Una función de transferencia asigna valores de señal a luz. ITU-R BT.1886 define la curva de pantalla SDR como una función potencia de 2,4 con un blanco de referencia de 100 nits; la curva de cámara BT.709 es su contrapartida, una potencia de 0,45 con un tramo lineal cerca del negro.

PQ (SMPTE ST 2084) está referida a la pantalla: cada valor de código significa una luminancia concreta, hasta 10.000 nits. BT.2100 indica que PQ alcanza un rango de brillo muy amplio para una profundidad de bits dada, con una curva ajustada a la visión humana. Aplicando su fórmula, 100 nits quedan en el 51 % de la señal, 203 nits en el 58 % y 1000 nits en el 75 %; la mitad inferior del rango cubre de 0 a unos 92 nits.

HLG (ARIB STD-B67) está referida a la escena: la señal describe la luz relativa de la escena y la pantalla decide con cuánto brillo mostrarla. El informe ITU-R BT.2390 describe una curva de raíz cuadrada en la mitad inferior de la señal, próxima al SDR, y una curva logarítmica por encima. BT.2100 fija la gamma de sistema de la pantalla en 1,2 a 1000 nits y la ajusta para otros picos (γ = 1,2 + 0,42 log10(Lw / 1000)), de modo que una misma señal HLG se adapta a un televisor de 600 nits o a un monitor de 1500 nits sin metadatos.

Nota: BT.2100 pide a las producciones que usen un solo sistema de forma coherente y no mezclen PQ y HLG. Pasar de uno a otro es una conversión, no un cambio de etiqueta.

Primarios de color: BT.709 frente a BT.2020

Los primarios fijan el rojo más rojo, el verde más verde y el azul más azul que puede describir una señal. BT.709 los sitúa en (0,640; 0,330), (0,300; 0,600) y (0,150; 0,060) en el diagrama xy CIE 1931; BT.2100 usa los primarios BT.2020 en (0,708; 0,292), (0,170; 0,797) y (0,131; 0,046). Ambos usan el punto blanco D65. Según nuestros cálculos, el triángulo BT.2020 tiene unas 1,9 veces el área del de BT.709, y pocos másteres lo llenan: los monitores de etalonaje suelen ser P3-D65, y por eso la propia cadena de ejemplo de masterización de x265 describe uno.

El mismo color tiene valores de código distintos en cada contenedor: el rojo BT.709 puro pasa a ser un RGB lineal de aproximadamente (0,627; 0,069; 0,016) en BT.2020. Reetiquetar píxeles BT.709 como BT.2020 sin convertirlos satura más todos los colores; YouTube advierte de que los másteres P3 etiquetados con primarios Rec. 2020 se ven sobresaturados y con los tonos desplazados.

Profundidad de bits: por qué PQ necesita 10 bits o más

Las bandas aparecen cuando el salto de luz entre valores de código vecinos es lo bastante grande para verse, y PQ reparte de 0 a 10.000 nits en el rango de códigos que el SDR dedica a 0 a 100 nits. Nuestro cálculo a partir de las fórmulas de BT.2100 y BT.1886, para códigos de rango limitado:

Cerca de 100 nits, PQ a 10 bits es más o menos tan fino como el SDR a 8 bits en su blanco, y además cubre hasta 10.000 nits. BT.2390 compara estos escalones con un umbral de visibilidad del modelo de Barten: PQ a 12 bits se mantiene por debajo desde 10.000 nits hasta menos de 0,001 nits, y PQ a 10 bits queda ligeramente por encima, algo que en la práctica enmascara el ruido realista de cámara.

Así que mantenga los pasos intermedios a 10 bits o más, y aplique dithering al bajar a 8 bits. En nuestra prueba, el d=error_diffusion de zscale conservó los mismos niveles en una rampa oscura con mapeo de tonos, pero rompió los bordes rectos de las bandas en un ruido fino. Para eliminar bandas, consulte vídeo de 8 bits frente a 10 bits.

Metadatos HDR: estáticos y dinámicos

HDR10 es PQ con primarios BT.2020 a 10 bits, más metadatos estáticos: una sola descripción para todo el título.

Con metadatos estáticos, una película casi toda oscura con una sola explosión brillante recibe una curva elegida pensando en la explosión. HDR10+ describe sus metadatos dinámicos como instrucciones que permiten a la pantalla optimizar el mapeo de tonos en tiempo real, y Dolby afirma que Dolby Vision adapta cada imagen a las capacidades del televisor. HLG no lleva metadatos de masterización; la adaptación corre a cargo de la gamma de sistema de la pantalla.

Consejo: Describa su monitor de etalonaje real y los niveles medidos. Si no puede medir MaxCLL, x265 le permite indicar 0 para «sin máximo indicado», que es preferible a una estimación a ojo.

Mapeo de tonos: encajar el HDR en una pantalla menos luminosa

El mapeo de tonos reduce el rango dinámico de una imagen para que quepa en una pantalla; el informe ITU-R BT.2446 llama a la operación contraria mapeo de tonos inverso. Un mapeo estático usa una sola curva para todo el título, normalmente elegida a partir del pico de masterización o de MaxCLL. Un mapeo dinámico cambia con el tiempo, a partir de metadatos o midiendo los fotogramas; BT.2390 señala que puede adaptarse a estadísticas como el máximo de la escena.

La EETF normaliza la señal PQ al rango de masterización, sitúa el inicio del codo en KS = 1,5 × maxLum − 0,5 (donde maxLum es el pico de destino en esa escala) y curva la parte alta para que el pico de la fuente caiga en el pico de la pantalla. Para un máster de 1000 nits, eso coloca el codo en unos 28 nits en una pantalla de 100 nits y en unos 161 nits en una de 300.

El filtro tonemap de FFmpeg implementa clip, lineal, gamma, Reinhard, Hable y Möbius. Su documentación indica que las curvas solo funcionan sobre luz lineal en coma flotante, así que la cadena linealiza con zscale, aplica el mapeo de tonos y vuelve a convertir:

ffmpeg -i hdr10.mp4 -vf "zscale=t=linear:npl=100,format=gbrpf32le,zscale=p=bt709,tonemap=tonemap=mobius:peak=10:desat=0,zscale=t=bt709:m=bt709:r=tv:d=error_diffusion,format=yuv420p" -c:v libx264 -crf 18 -color_primaries bt709 -color_trc bt709 -colorspace bt709 -color_range tv -c:a copy sdr.mp4

npl=100 hace que el valor lineal 1,0 equivalga a 100 nits, así que peak=10 significa 1000 nits; si se deja en 0, el pico se toma de los metadatos del archivo. desat=0 desactiva el desvanecimiento por defecto de los píxeles muy brillantes hacia el blanco. Sobre una rampa PQ sintética de 0 a 1000 nits, los códigos de salida a 8 bits fueron estos (promediados, rango limitado, así que 235 es el blanco):

Clip convirtió todo lo que superaba los 100 nits en un único blanco; Hable mantuvo la mayor separación en las altas luces y fue la que más oscureció los tonos medios; Möbius dejó intactos los valores por debajo de su codo. Júzguelas con su propio metraje. Para los síntomas en el lado SDR, consulte por qué el vídeo se ve lavado tras exportarlo.

Nota: tonemap no tiene modo BT.2390, y la compilación de FFmpeg 8.1 que probamos no incluye los filtros libplacebo, tonemap_opencl ni tonemap_vaapi, así que no los probamos.

De SDR a HDR: colocar frente a expandir

Colocar mantiene el rango dinámico de la imagen y la recodifica como PQ o HLG, para que el material SDR pueda integrarse en un programa HDR. BT.2446 remite para esto al informe ITU-R BT.2408, y el ancla es el blanco de referencia HDR, que BT.2100 define en 203 nits:

ffmpeg -i input_sdr.mp4 -vf "zscale=t=linear:npl=203,format=gbrpf32le,zscale=p=bt2020:t=smpte2084:m=bt2020nc:r=tv:npl=203,format=yuv420p10le" -c:v libx265 -preset slow -crf 18 -profile:v main10 -color_primaries bt2020 -color_trc smpte2084 -colorspace bt2020nc -color_range tv -tag:v hvc1 -c:a copy sdr_in_pq.mp4

En nuestra prueba, el blanco SDR pleno salió en el código 573 a 10 bits, que en PQ son 203 nits; npl=100 dio el código 509 (100 nits) y npl=1000 dio 723 (1000 nits). El archivo es PQ válido, pero nada en él es más brillante que el blanco de referencia.

Expandir es el mapeo de tonos inverso: subir las altas luces por encima del blanco de referencia y ampliar el color. BT.2446 pide que las sombras y los tonos medios se mantengan próximos al original, sin elevar tanto el brillo medio que ver la imagen resulte incómodo, y advierte de que la expansión puede amplificar los artefactos que ya trae la fuente. Sus métodos son curvas estáticas; señala que también existen métodos adaptativos con variación espacial, que es donde se sitúa el paso de SDR a HDR basado en IA. Para ver cómo se combina con otros pasos, consulte SDR a HDR y movimiento fluido.

Nota: Cambiar solo las etiquetas no hace ni una cosa ni la otra. El blanco SDR pleno a 10 bits (código 940) leído como PQ le pide a la pantalla 10.000 nits.

Codificar HDR10 con x265 y SVT-AV1

El codificador tiene que escribir un perfil de 10 bits, la descripción del color y los metadatos estáticos.

x265 (HEVC Main 10)

ffmpeg -i master_pq.mov -c:v libx265 -preset slow -crf 18 -pix_fmt yuv420p10le -x265-params "profile=main10:colorprim=bt2020:transfer=smpte2084:colormatrix=bt2020nc:range=limited:hdr10=1:repeat-headers=1:master-display=G(13250,34500)B(7500,3000)R(34000,16000)WP(15635,16450)L(10000000,50):max-cll=1000,400" -tag:v hvc1 -c:a copy hdr10.mp4

Cada clave de -x265-params corresponde a una opción de x265 (--colorprim, --hdr10, --master-display, etc.):

Los primarios son el ejemplo documentado de x265 para un monitor P3-D65 de 1000 nits; use los suyos. Para HLG, ponga transfer=arib-std-b67, quite los valores de masterización y añada atc-sei=18, que x265 indica como necesario para HLG; la guía de HDR para YouTube trae el comando completo. hdr10-opt=1 añade el ajuste de QP por bloque de x265 para entradas PQ BT.2020 4:2:0 a 10 bits.

SVT-AV1 (AV1, 10 bits)

ffmpeg -i master_pq.mov -c:v libsvtav1 -preset 6 -crf 30 -pix_fmt yuv420p10le -color_primaries bt2020 -color_trc smpte2084 -colorspace bt2020nc -color_range tv -svtav1-params "mastering-display=G(0.265,0.690)B(0.150,0.060)R(0.680,0.320)WP(0.3127,0.3290)L(1000,0.005):content-light=1000,400" -c:a copy hdr10_av1.mkv

SVT-AV1 toma las coordenadas CIE x,y como decimales y la luminancia en nits; FFmpeg trasladó sus opciones -color_* a las opciones de color del codificador. Con FFmpeg 8.1 y SVT-AV1 4.0.1, ambos comandos produjeron archivos de 10 bits etiquetados como BT.2020, PQ y BT.2020 NCL, con metadatos de masterización y de nivel de luz en el primer fotograma.

Corregir etiquetas que faltan sin recodificar. Si los píxeles ya son PQ, el filtro de flujo de bits hevc_metadata reescribe la descripción del color y deja la imagen tal cual:

ffmpeg -i untagged.mp4 -c copy -bsf:v "hevc_metadata=colour_primaries=9:transfer_characteristics=16:matrix_coefficients=9" retagged.mp4

En nuestro archivo de prueba HEVC en MP4, los fotogramas decodificados tenían sumas de comprobación idénticas antes y después, y las etiquetas pasaron de desconocidas a BT.2020, PQ y BT.2020 NCL (códigos 9, 16 y 9; HLG es 18). No añade ST 2086 ni MaxCLL; para eso hace falta recodificar.

Verificar el archivo con ffprobe

ffprobe -v error -select_streams v:0 -show_entries stream=profile,pix_fmt,color_range,color_space,color_transfer,color_primaries:frame=side_data_list -read_intervals "%+#1" -show_frames -of json hdr10.mp4

Una sola llamada devuelve las etiquetas de color y los datos auxiliares del primer fotograma. Para el archivo x265 de arriba:

Los valores se imprimen como fracciones en las unidades de cada códec: nuestro archivo AV1 mostraba max_luminance=256000/256, que también son 1000 nits. Los archivos HLG muestran arib-std-b67 y normalmente no llevan datos de masterización. Un archivo etalonado en HDR que aparezca como bt709 o unknown se reproducirá como SDR.

Cómo trata KwaFlux el HDR

• SDR a HDR es mapeo de tonos inverso. En Corrección de color IA, SDR a HDR expande un clip SDR con un modelo de IA hacia un rango dinámico más amplio, altas luces más brillantes y sombras más claras. Escena fija el aspecto: Paisaje (el valor por defecto), Paisaje nocturno o Personalizado, con un control deslizante de Brillo de 2,0 a 5,0 (3,8 por defecto).
• Opciones de exportación. Espacio de color ofrece HDR PQ (Rec.2020) (el valor por defecto), HDR HLG (Rec.2020) y SDR (BT.709), con H.265 (recomendado) o AV1, y MKV como contenedor recomendado. Las exportaciones HDR son de 10 bits y las SDR de 8 bits, y los ajustes de exportación emparejan cada opción con las etiquetas correspondientes de transferencia, primarios y matriz BT.2020, y rango limitado.
• Compruebe antes de entregar. Ejecute el comando de ffprobe de arriba sobre la exportación; si una plataforma necesita valores ST 2086 y MaxCLL que no están, recodifique con los ajustes de x265.
• Vistas previas HDR en pantallas SDR. El renderizador de la vista previa decodifica PQ y HLG, convierte el color BT.2020 a BT.709 y comprime las altas luces con una curva de tipo Reinhard, y tiene un modo de paso directo HDR para la salida HDR.
• Reparación y trabajos de varios pasos. Las exportaciones de Reparación de calidad no tienen opción de espacio de color, así que compruebe las etiquetas de un archivo HDR reparado. Entre los pasos de un trabajo de varios pasos, KwaFlux usa archivos intermedios de 10 bits, de modo que el redondeo a 8 bits no se acumula hasta formar bandas.

Problemas habituales

Lo que esto no puede hacer

• El mapeo de tonos no puede mostrar 1000 nits en una pantalla de 100. Elige qué conservar: el detalle de las altas luces, el contraste de los tonos medios o el color.
• El mapeo de tonos inverso no puede recuperar detalle recortado, y BT.2446 advierte de que puede hacer visibles los artefactos de compresión.
• Los metadatos no arreglan un etalonaje. Describen el máster para que la pantalla pueda adaptarlo.
• Las etiquetas no convierten píxeles. Cambiarlas sin una conversión cambia la imagen.

Conclusión

SDR frente a HDR son cuatro decisiones, no una: curva, primarios, profundidad de bits y metadatos. Fije cada una a propósito, compruébelas con ffprobe y, cuando una imagen pase de SDR a HDR o al revés, conviértala en lugar de reetiquetarla.

KwaFlux ejecuta la Corrección de color IA en su propia GPU, incluidas las exportaciones de SDR a HDR en PQ o HLG. El procesamiento de IA corre en su propia GPU y sus archivos multimedia no se suben para procesarlos. Funciona en Windows 10 (64 bits, versión 1809 o posterior), Windows 11 y macOS 12 o posterior en Apple Silicon. Las vistas previas no requieren cuenta: renderice una vista previa de 1, 3 o 5 segundos de cualquier clip. Iniciar sesión con un plan de pago solo hace falta para exportar, convertir, reparar un archivo o descargar un archivo desde un enlace.