前几天因为某些需求，使用nV家的ShadowPlay（下称：SP）进行录屏。我录屏一般都是用较高的码率（60Mbps）录制，然后再手动二压一次。这次由于视频比较长而且质量不是很关键，就用NVEnc直接压了遍。
压完之后随便拖了下进度条对比——咦，颜色怎么有点不一样？
左：原始SP录制视频用Pot播放；右：NVEnc压制后用Pot播放
可以明显看到，左边的图红色要暗一些，右边（压制后）则艳丽许多。
根据我的经验，知道这肯定是YUV色彩空间的问题。赶紧来看看metatag：好家伙，SP录出来的视频居然是：
Color range : Limited
Color primaries : BT.601 NTSC
Transfer characteristics : BT.601
Matrix coefficients : BT.601
（注：比较老版本的SP，transfer用的是 BT.470 System M。）
那么看来，似乎应该很简单就是NVEnc转换时没有进行任何处理，生成的视频又没有tag，导致播放器默认按照BT.709播放错误了呗。至于原始视频，虽然是BT.601，但是由于有加正确的tag，那么肯定解码、转换成RGB域之后是正确的。
不过为了谨慎起见，让我们换个播放器来试试。一般而言，如果出现播放异常的情况，我第一个排查的方式就是分别用：MPV、LAV+MadVR（MPC-BE）、LAV+EVR各播放一遍来和PotPlayer的结果对比。即是说，我一般是不信任Pot的结果的“正确性”的。虽然我的PotPlayer在我调教下已经基本可以*正确*播放99%的视频，但是总有无法覆盖的奇怪情况不是。
这么一对比果然就发现了问题：同样播放原始视频的情况下，MPV和LAV+EVR结果一致，但是和LAV或者Pot内置解码器+MadVR的结果不一致。不过这里的不一致和上面情况不一样，更加微小：
左：MPV 右：Pot或LAV+MadVR
这里可以看到，会导致不同的是MadVR，而不是解码器部分。在继续分析为什么不同之前，我们需要知道哪个是“正确”的结果。这里有个很简单的方案：用PS绘制一张红色（BT.601和709矩阵区别在红色最明显）图片（我测试时没用纯红而是用了250,0,0，防止clipping影响对比），然后SP录屏，查看结果用吸管工具取色看哪个对即可。图我懒得贴了，结果就是，用MPV的结果是正确的，MadVR错误。
接下来的过程，我尝试使用ffmpeg的各种色域转换命令对视频”修复“，搜索了不少网上的帖子，花了几个小时也绕了很多弯路，感觉按时间顺序叙述就过于啰嗦，所以我直接写最终结论。
结论1：SP录制的视频确实是BT.601的color matrix，但是并不是BT.601的color primaries。metatag标注错误。
这里首先要复习下我在这个帖里讲过的matrix、primaries、和transfer function的区别（下称M、P、T）。
- Color primaries：指定gamut的范围（三个原色[即“primaries”]的位置，白点位置）。理论上回放时只和校准（显示器）颜色有关，所以绝大部分播放器不会使用这个属性。
- Transfer characteristics：指定gamma ramp。譬如，你可以指定为linear等。几乎所有播放器都无视，直接用那个标准的nonlinear的ramp（见下文）。
- Matrix coefficients：这个是比较关键的也几乎是唯一会被播放器读取并采用的，指定了YUV和RGB的转换矩阵。
然后他们的值的区别：
- P：BT.601 NTSC=SMPTE 170M，不等于BT.601 PAL=BT.470 B/G，不等于BT.709，标错理论上会导致显示错误（下述）
- T：所有常见标准的 transfer function 基本都一致，所以即使标错也影响不大
- M：BT.601=BT.470 B/G (PAL)=SMPTE 170M但是同样不等于 BT.709，标错几乎一定会导致显示错误
SP录制出来的视频，确实是用了BT.601的矩阵（M），但是实际上用的依然是BT.709的P——这里可以通过强行修改metatag之后再播放来验证。至于T，由于所有的标准其实都一样，所以标成601还是709不重要。
结论2：一般播放器会无视P，所以metatag写成什么都无所谓；但是MadVR开启calibration之后会对P进行转换。
如上所述，由于P的特性导致在屏幕没有校准的情况下是无法去适配的，所以一般播放器都完全无视了这个metatag。这也是为什么上述SP录制出来的视频用MPV或者LAV+EVR播放显示“正确”。但是MadVR这边，虽然我的屏幕并没有校准，但是为了能让BT.2020的HDR内容tone-mapping到感知上比较合理的SDR颜色，我“被迫”开启了MadVR的“我的屏幕已经calibrated“的选项并且把校准目标设置为BT.709：
否则，HDR视频的颜色直出，和屎一样：
我不知道为什么MadVR没有单独的tone-mapping HDR content的选项，反正我试了hdr tab下的所有选项，都没有用。MPV其实也需要设置，需要开启vo=gpu（或者直接开启copyback的硬解hwdec=auto-copy，会自动开启vo=gpu）。
这里提供一段BT.2020的视频谁想用可以拿去测试自己的视频播放方案： https://1drv.ms/u/s!Akq11jtCTJYwguclNUTq5MsccSRZ3w
呃，有点跑题了。总之，为了能”正确“显示BT.2020的内容，我开启了这个“我的屏幕已经calibrated”的选项。然而这就导致MadVR会把BT.601的Primaries也转换到BT.709。而SP的视频虽然metatag标注是P=BT.601，但是实际是只有按照P=BT.709来播放才能显示正确的RGB颜色，所以在M转换之后（这个是正确的、应该的）MadVR又进行了一次额外的P转换，导致显示结果错误。
细心点可以看到这里transfer function也被指定了。根据我的测试，如果在发生P转换的时候，这个T选项（尤其是gamma）也是会对结果有影响的。不过，如果如果仅有M转换发生时，这个选项选成什么都没有区别。
要不重新编码修复这个视频，最简单的办法是：
- 用ffmpeg指定P：
ffmpeg -i shadowplay.mp4 -color_primaries bt709 -c copy fixed.mkv
这里注意，要保存成mkv，mp4容器无法覆盖掉视频流的P的metatag。麻烦点也可以先直接转换成MKV，然后用MKVToolNix的header editor编辑。总之，最后出来的MKV用mediainfo查看大概是这样：
Color range : Limited
Color primaries : BT.709
colour_primaries_Original : BT.601 NTSC
Transfer characteristics : BT.601
Matrix coefficients : BT.601
播放是正常的，会认为是BT.709的P，MadVR不会再进行转换，结果和MPV一致了（这里Pot的OSD是显示错误的，大概他直接读取了视频流的tag，没有显示MKV容器覆盖上的，请无视）：
以上就是SP视频的Primaries metatag的错误和修复方式。
MadVR转换Primaries的正确性
虽然我们看到了如果开启calibrated，MadVR会对P不为BT.709的视频进行一次转换，但是这个转换结果是否正确呢？
让我们试验一下。还是用250,0,0的颜色来举例——我先用zscale制作一个BT.709的视频，用MPV和MadVR播放都正常显示为250,0,0。然后，我们用ffmpeg的colorspace vf，分别转成bt601-6-625、smpte170m、bt601-6-525：
ffmpeg -i zscale.mp4 -vf colorspace=iall=bt709:all={target_colorspace}:format=yuv420p -sws_flags accurate_rnd zscale_to_{target_colorspace}.mp4
(Where target_colorspace = bt601-6-625, bt601-6-525, smpte170m)
接下来我们分别用Pot和MPV播放生成的视频，然后截图取色，结果如下（前两行其实是一样的）：
| New colorspace | mediainfo P | mediainfo T | mediainfo M | MadVR | MPV |
| smpte170m | BT.601 NTSC | BT.601 | BT.601 | 235,37,0 | 243,0,0 |
| bt601-6-525 | BT.601 NTSC | BT.601 | BT.601 | 235,37,0 | 243,0,0 |
| bt601-6-625 | BT.601 PAL | BT.601 | BT.470 System B/G | 249,0,0 | 245,0,0 |
这里辨析一下几个非常迷惑的term，基本上：
NTSC标准系列：BT.601 NTSC = smpte170m = bt601-6-525（转换矩阵在mediainfo里就叫“BT.601”无后缀）
PAL标准系列：BT.601 PAL = BT.470 System B/G = bt601-6-625
有些细节问题（比如这俩的M其实是一样的；又比如T在FFMPEG里SMPTE-170M, BT.601-6 625 or BT.601-6 525都用同一个，bt470bg反而是略有不同）这里按下不表。
其中，MPV的结果就是仅做M转换，不做P转换的数值。而MadVR做了P转换之后，可以看到只有PAL的结果是比较正确的，如果是NTSC，反而比不做转换还要差好远。为什么？鬼知道。这里我不是说MadVR的结果一定是错误，毕竟整个流程可以出错的地方太多了（ffmpeg滤镜可能算法有误，我对整个流程的理解可能有误，等等）。但是总体而言，不同matrix的回放已经很成熟，也一般都很准确；但是我们尽可能要规避回放时的Primaries的转换。
我在前文“用ffmpeg静态图转视频”提到过静态图转视频需要进行一次BT.601到BT.709的转换，这个说法是没错的。但是这个转换仅限于矩阵，P是不需要转换的。所以如果真的想用我提到的“不转换，只添加metatag”的方式，也只需要添加M的tag，而不需要添加P的（添加了反而错了——虽然大部分播放器不会表现出区别）。同理，如果要用colorspace vf，也别用iall和all了，而是用ispace和space（但是这个vf要求你必须把所有的转换都显式写出来才能运行，所以你得用超长的 -vf colorspace=iprimaries=bt709:primaries=bt709:ispace=smpte170m:space=bt709:itrc=bt709:trc=bt709:format=yuv420p）。（这里用 bt601 或者 smpte170m 都可以，一样的。）
转换BT.601 Matrix到BT.709
OK，我们已经讲了如何修复SP录制的视频的P的tag的问题，但是他这个BT.601 NTSC的Matrix，虽然正常的播放器播放不会有啥大问题，但是为了兼容性（而且我们本来就要二压），还是把他转成BT.709吧。我们已经知道了P和T没有转换的必要，所以只需要转换M。
基本上，之前提到过的那些转静态图的命令都能用。唯一需要注意的是某些滤镜，例如scale，会复制旧视频的metatag而不是生成新的BT.709的，需要显式覆盖掉。
# in_color_matrix不用写，默认是auto。需要手动加output的metatag覆盖。
ffmpeg -i bt601.mp4 -vf scale=out_color_matrix=bt709:flags=accurate_rnd+full_chroma_int -colorspace bt709 -color_primaries bt709 -color_trc bt709 scale.mp4
# 因为P的tag错误，所以别用iall，逐个显式声明罢。Output metatag自动加。
ffmpeg -i bt601.mp4 -vf colorspace=iprimaries=bt709:primaries=bt709:ispace=smpte170m:space=bt709:itrc=bt709:trc=bt709:format=yuv420p -sws_flags accurate_rnd+full_chroma_int colorspace.mp4
# Input不能自动识别，需要显式声明。Output metatag自动加。
ffmpeg -i bt601.mp4 -vf colormatrix=smpte170m:bt709,format=yuv420p -sws_flags accurate_rnd+full_chroma_int colormatrix.mp4
# 还是推荐用zscale了，精度高。Input自动识别，output metatag自动加
ffmpeg -i bt601.mp4 -vf zscale=matrix=709,format=yuv420p zscale.mp4
用NVEnc的话，是
nvencc64 -i input.mp4 --vpp-colorspace matrix=smpte170m:bt709 -o output.mp4 --audio-copy --colormatrix bt709 --colorprim bt709 --transfer bt709 --colorrange limited
NVEnc的输出默认没tag，这里显式加上正确的tag（虽然一般播放器都会guess所以还好）。
参考文献
おお！ハピネス 
