HDR技術(shù)在彩電行業(yè)卷起一波熱浪 連iPhone X都用上了

• 2017年10月16日 LuYouJun來源：PConline 268 10
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HDR真正誕生的時(shí)間是2015年，美國消費(fèi)者技術(shù)協(xié)會(huì)公布了HDR10標(biāo)準(zhǔn)，并提供17.6檔的動(dòng)態(tài)范圍，但這之前我們?cè)跀?shù)碼相機(jī)、手機(jī)上早就聽聞HDR了。其實(shí)“此HDR”非“彼HDR”。

HDR究竟是有多火?

iPhone X同時(shí)支持了HDR10和Dolby Vision兩種HDR標(biāo)準(zhǔn)，基于OLED面板。這帶來的最直觀的感覺，就是手機(jī)上的畫面，更加接近于真實(shí)世界的樣子。色域覆蓋和亮度增加，帶來更高的色彩空間，這是除了分辨率提升之外，最賞心悅目的改變了。

為何HDR顯示近兩年才火起來?

數(shù)碼相機(jī)時(shí)代的“HDR”是通過算法調(diào)光校正不同亮度下的色彩和細(xì)節(jié)，歸根結(jié)底還屬于SDR的范疇。而真正的HDR有著嚴(yán)格的硬件標(biāo)準(zhǔn)，以及一套完整的工業(yè)體系。

HDR與SDR

拍攝上需要能記錄高動(dòng)態(tài)范圍的攝影機(jī)、后期處理上又需要HDR算法處理(不同的視頻場景還需要不同的參數(shù)調(diào)整)、傳輸上需要更大的寬帶支持、放映上需要解碼支持，以及廣色域高亮度硬件的支持。

顯示技術(shù)上一切的努力都是圍繞還原更接近真實(shí)世界的畫面而進(jìn)行。視頻技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了相當(dāng)漫長的時(shí)間，影響視頻畫質(zhì)的分辨率、色深(灰度)、幀率、色域空間，都已經(jīng)有了非常成熟的發(fā)展，而唯獨(dú)亮度動(dòng)態(tài)范圍還停留在一個(gè)比較基礎(chǔ)的水平——SDR時(shí)代。

1000nit

而行業(yè)迫切需求新的色彩空間標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)視頻和顯示技術(shù)的發(fā)展方向。HDR可以說是隨著硬件技術(shù)的進(jìn)步應(yīng)運(yùn)而生的，比如亮度可以達(dá)到1000nit、色域達(dá)到Rec.2020，這都是近些年才廣泛發(fā)生的硬件革命。

HDR為何更能接近真實(shí)世界的畫面?

什么樣的體驗(yàn)叫做終極視覺體驗(yàn)?zāi)?我們觀看電視電影最想獲得的是什么樣的效果呢?其實(shí)不過是再現(xiàn)我們?cè)谧匀唤缰畜w驗(yàn)到的視覺享受罷了。要想用顯示設(shè)備模擬人眼所觀察到的世界，必須具備三個(gè)關(guān)鍵的要素：清晰度、亮度動(dòng)態(tài)范圍(HDR)、顏色。

視頻技術(shù)和顯示設(shè)備的分辨率最高已經(jīng)達(dá)到了8K，色域也早就到了可以“以假亂真”的地步，可以你卻從未驚呼過，電視里的太陽好刺眼。

峰值亮度

真實(shí)世界中，最高亮度來源是太陽，可達(dá)到10^9cd/m2，最暗的莫過于黑暗中微弱的星光10^-6cd/m2。而人眼系統(tǒng)能捕捉到大動(dòng)態(tài)范圍里面的10^5cd/m2，人眼雖看不到整個(gè)范圍，但有一定適應(yīng)性，通過瞳孔的放大和縮小來適應(yīng)不同的亮度動(dòng)態(tài)范圍。比如睡前關(guān)燈之后的1秒左右，會(huì)覺得眼前一片漆黑，但是瞳孔放大之后眼前的一切又逐漸清晰。

某些高端攝像機(jī)可以將10^5cd/m2亮度記錄下來，高端的顯示設(shè)備也能還原出這個(gè)亮度，但是視頻格式的記錄和傳輸，還是沿用了50年前的SDR的標(biāo)準(zhǔn)，最大只能承載到10^3cd/m2。無法滿足人眼視覺系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境光線感知的需求。

顯色體積

或許你會(huì)質(zhì)疑亮度那么高有什么用，亮瞎眼?然而事實(shí)是，亮度和色彩是不可分割的孿生兄弟，它們之間共同構(gòu)成了一個(gè)新的概念“顯色體積”。當(dāng)亮度動(dòng)態(tài)范圍和色彩相結(jié)合時(shí)，就會(huì)形成立體的色彩空間。這個(gè)立體色彩空間就可稱之為“顯色體積”，它意味著視頻格式能帶來多大的色彩數(shù)量。如果離開亮度談色彩，就會(huì)變成偽命題。

舉個(gè)例子，視頻中觀看火山噴發(fā)和煙火表演，無論視頻畫質(zhì)多清晰，總是沒辦法體驗(yàn)到親臨現(xiàn)場的那種壯闊。原因就在于，雖然視頻中有火山噴發(fā)和煙火綻放時(shí)的準(zhǔn)確顏色，可是這個(gè)顏色沒有在合適的亮度下來展示，比如火山噴發(fā)有1500nit，但顯示設(shè)備最高只有800nit，實(shí)際顏色的層次就會(huì)大大壓縮，從而沒辦法給到你真實(shí)的感受。

火山噴發(fā)

從理論上來看，所有定制顏色編碼的方法，無論是BT.709、SDR、HDR，都需要用色域空間×亮度范圍，才能變成一個(gè)立體的概念，更高亮度寬容度的HDR的顯示設(shè)備，才能把更極端亮度下的顏色和細(xì)節(jié)展現(xiàn)清晰。

HDR10和Dolby Vision有何差異?

HDR興起之初一度陷入了格式之爭，主流的三種格式包括Dolby Vision、HDR10和HLG。拋開原理不說，三者的區(qū)別非常簡單，Dolby Vision>HDR10>HLG。三者呈遞減關(guān)系，越來越簡化HDR的制作流程，也更方便于內(nèi)容制作和目前帶寬條件下的傳播。從這種“包含”關(guān)系來看，格式之爭自然不攻兒破，他們都有各自不同的使命。

當(dāng)然仔細(xì)來看他們的關(guān)系也并非如此簡單。Dolby Vision和HDR10是同門師兄，屬于SMPTE主導(dǎo)的Perceptual Quantizer技術(shù)(感知量化)，也就是把電信號(hào)進(jìn)行HDR編碼轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。只不過，Dolby Vision的硬件要求更高，HDR10照顧到了更多普通的顯示設(shè)備。而HLG則是ITU(國際電信聯(lián)盟)主導(dǎo)的Hybrid Log-Gamma技術(shù)，在攝像機(jī)內(nèi)直接完成HDR的編碼，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

所以不需耗費(fèi)大量后期工作的HLG廣泛運(yùn)用在電視廣播領(lǐng)域，而Dolby Vision和HDR10主要運(yùn)用在電影、電視劇領(lǐng)域。HLG目前還并非4K藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)的一部分，畫質(zhì)上略遜一籌，但是貴在兼容性極高，甚至在CRT電視上也能呈現(xiàn)HDR的效果，但體驗(yàn)可能不盡人意。

HDR三種主流格式標(biāo)準(zhǔn)

最大亮度 色域 色深 兼容性 授權(quán)

Dolby Vision 1000cd/m2 Rec.2020 12bit 兼容SDR 有償授權(quán)

HDR10 1000cd/m2 Rec.2020 10bit 不兼容SDR 免費(fèi)授權(quán)

HLG 1200% Rec.2020 10bit 兼容SDR 免費(fèi)授權(quán)

接下來我們主要看看Dolby Vision和HDR10之間的差異。HDR10相當(dāng)于低配版的Dolby Vision，為了滿足大部分設(shè)備的平均性能而做出的妥協(xié)產(chǎn)物。而后者在前者的基礎(chǔ)上提供了更多的功能，擁有更好的表現(xiàn)效果。從表格中參數(shù)對(duì)比也可以看出，HDR10不兼容SDR，色深僅有10bit，使用靜態(tài)元數(shù)據(jù)，對(duì)不同設(shè)備性能間的映射能力不足。但是HDR10無授權(quán)費(fèi)，也就有著更低的傳播門檻。

三星、索尼等電視廠商堅(jiān)持了HDR10的標(biāo)準(zhǔn)，LG、TCL、創(chuàng)維等支持擁有更多功能的Dolby Vision。對(duì)Dolby Vision的支持，也就意味著同樣支持了HDR10。他們之間的差異在主流設(shè)備上而言，并不明顯。但是隨著顯示技術(shù)硬件性能的進(jìn)一步提升，Dolby Vision將會(huì)被越來越多的企業(yè)采納。

HDR與SDR效果實(shí)測對(duì)比

談了這么多HDR的特點(diǎn)及分類，接下來我們具體的實(shí)測一下，看看HDR與SDR之間有多大的差距。

人物的特寫也能夠清晰的看出兩者差異，HDR對(duì)皮膚顏色的描寫更加真實(shí)，在大逆光下，HDR對(duì)畫面的寬容度更高，人物臉部皮膚的細(xì)節(jié)、胡須的細(xì)節(jié)、衣服的紋理都要強(qiáng)過SDR，而SDR顯得密不透風(fēng)。

較暗的環(huán)境下，HDR更是表現(xiàn)出了亮度高動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)力，天空云朵的層次感，三臺(tái)逆光下飛機(jī)的暗部細(xì)節(jié)、朝陽的濃郁和生機(jī)HDR都明顯要更出色。

從實(shí)際的對(duì)比來看，HDR的表現(xiàn)效果幾乎擁有壓倒性的優(yōu)勢。我們可以看到HDR帶來的不僅僅只是亮度的提升，而是在更高的亮度范圍中，攜帶有更豐富的色彩層次、灰度層次，以及對(duì)比度，這是在SDR時(shí)代不曾想象的。

總結(jié)：疲軟的顯示設(shè)備市場需要?jiǎng)?chuàng)造新的消費(fèi)刺激，HDR無疑是重頭戲。然而我們不得不考慮一點(diǎn)，HDR是為內(nèi)容而生的，這項(xiàng)新技術(shù)還面臨著內(nèi)容匱乏的尷尬，而且這種尷尬并不會(huì)很快化解，因?yàn)閮?nèi)容創(chuàng)作是一次性的，越來越龐大的電視節(jié)目庫不可能整體升級(jí)，可以期待的只是增量，只有新內(nèi)容可以用更高的技術(shù)規(guī)格進(jìn)行制作。

除了iPhone X之外，還有Apple TV也擁有HDR10和Dolby Vision功能，并且還和最大的好萊塢制片商達(dá)成合作，促成它們將更多4K HDR搬到iTunes商店上;各大電視制造商也在積極同視頻運(yùn)營商合作，越來越多的HDR內(nèi)容將出現(xiàn)在各種視頻終端。我們離顯示設(shè)備上還原真實(shí)世界，又近了一步。

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