将 16 位灰度 PNG 转换为 HEVC/x265

问题描述

我想将 12 位图像信号转换为 HEVC 以进行有效压缩。因为我需要能够重建原始的 12 位信号，所以压缩需要是无损可逆的。目前我的数据是 16 位 PNG 文件。

我的第一次尝试是使用 ffmpeg：

ffmpeg -y -framerate 1 -i input.png -c:v libx265 -x265-params "lossless=1" output.mp4

不幸的是，输出是不可逆的。从mp4中提取图像时，像素值略有偏差。

ffmpeg -i output.mp4 -vframes 1 reconstructed.png

以下答案建议先将输入转换为 YUV444 以避免 ffmpeg 的意外行为：Lossless x264 compression

到目前为止，我未能成功将我的 16 位文件转换为 YUV，将其转换为 x256 并在解码时收到正确的重建。

是否有直接的方法将 16 位图像转换为 HEVC？

解决方法

我找到了一个带有轻微舍入错误的解决方案：

编码：

• 基于以下帖子：How to render png's as h.265 12 bit video?
  使用可以使用以下编解码器参数：-x265-params lossless=1 -pix_fmt yuv444p12le 用于有损 12 bpc 编码。

• 通过反复试验，我意识到 12 位数据必须位于每个 16 位元素的高 12 位。 您需要将输入像素放大 16 以将数据放置在高位。
  （缩放 16 相当于将 uint16 元素左移 4）。
  要放大像素，您可以使用 colorlevels 视频过滤器：
  -vf colorlevels=rimax=0.0625:gimax=0.0625:bimax=0.0625

以下命令对单个帧进行编码：

 ffmpeg -i input.png -vf colorlevels=rimax=0.0625:gimax=0.0625:bimax=0.0625 -c:v libx265 -x265-params lossless=1 -pix_fmt yuv444p12le output.mkv

解码：

• 对于解码，您需要将像素除以 16，以便将数据放置在低 12 位中。
  （除以 16 相当于将 uint16 元素右移 4）。
  我无法使用 colorlevels 找到解决方案，所以我使用了 curves 过滤器：
  -vf "curves=r='0/0 1.0/0.0625':g='0/0 1.0/0.0625':b='0/0 1.0/0.0625'"
• 适合 16 位 PNG 的像素格式为 rgb48be。

以下命令解码单个帧（并除以 16）：

ffmpeg -i output.mkv -vf "curves=r='0/0 1.0/0.0625':g='0/0 1.0/0.0625':b='0/0 1.0/0.0625'" -pix_fmt rgb48be reconstructed.png

区别：
input.png 和 reconstructed.png 之间的最大绝对差为 4 级。
产生差异的原因可能是RGB转YUV再转回来导致的舍入误差。

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我使用以下 MATLAB 代码进行测试：

I = imread('peppers.png');

% Build 10 PNG images (used as input).
for i = 1:10
    J = insertText(I,[size(I,2)/2-18,size(I,1)/2-36],num2str(i),'FontSize',72);
    J = imnoise(im2double(J),'gaussian',0.01); % Add some noise
    J = uint16(round(J*4095)); % Convert to 12 bits range (range [0,4095])
    imwrite(J,sprintf('input%02d.png',i),'fmt','png','BitDepth',16,'Mode','lossless'); % Write to PNG file
end

 %Encode video file using x265 codec,and 12 bits YUV444 format. 
[status,cmdout] = system('ffmpeg -y -i input%02d.png -vf colorlevels=rimax=0.0625:gimax=0.0625:bimax=0.0625 -c:v libx265 -x265-params lossless=1 -pix_fmt yuv444p12le output.mkv');
if (status ~= 0),disp(cmdout);end

% Decode output.mkv into 10 PNG image files
[status,cmdout] = system('ffmpeg -y -i output.mkv -vf "curves=r=''0/0 1.0/0.0625'':g=''0/0 1.0/0.0625'':b=''0/0 1.0/0.0625''" -pix_fmt rgb48be reconstructed%02d.png');
if (status ~= 0),disp(cmdout);end

% Compare input and output:
for i = 1:10
    I = imread(sprintf('input%02d.png',i));
    J = imread(sprintf('reconstructed%02d.png',i));
    max_abs_diff = max(max(max(imabsdiff(I,J))));
    disp(['max_abs_diff = ',num2str(max_abs_diff)]);
end

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更新：

使用灰度格式：
在工作灰度时，您不需要将像素格式转换为 YUV。
从灰度转换到YUV444，输入数据的大小乘以3，所以最好避免转换。

以下命令对单个灰度帧进行编码：

 ffmpeg -i input.png -vf "curves=all='0/0 0.0625/1.0'" -c:v libx265 -x265-params lossless=1 -pix_fmt gray12le -bsf:v hevc_metadata=video_full_range_flag=1 output.mkv

以下命令解码单个灰度帧（并除以 16）：

ffmpeg -i output.mkv -vf "curves=all='0/0 1.0/0.0625'" -pix_fmt gray16be reconstructed.png

最大绝对差为 2。

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关于使用 -bsf:v hevc_metadata=video_full_range_flag=1 的注意事项：

在 H.265 中，Y 颜色通道的默认范围是“有限范围”。
对于 8 位，“有限范围”适用 [16,235]。
对于 12 位，“有限范围”适用 [256,3760]。
当使用 "full range" [0,255] 表示 8 位或 [0,4095] 表示 12 位时，您需要在流的元数据中指定它。
使用 FFmpeg 设置元数据的方法是使用 bitstream filter。