視頻名詞淺析——HDR

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相信大家選購電視的時候經常會看到支持 HDR 標準的設備。

到底顯示設備上的 HDR 指的是什麼，對於作為觀眾的消費者，或者作為專業人士的調色師來說到底意味著什麼。這篇文章會簡單得闡述一下視頻（顯示器） HDR（High Dynamic Range，高動態範圍）標準。

1 照片 HDR（色調映射）

要說明白什麼是視頻 HDR，首先就要從一個也是叫做 HDR 的東西說起——照片 HDR。

HDR 這個詞對大家來說肯定不陌生，在手機和數碼相機上都有拍攝 HDR 照片的設置。在大光比的拍攝環境下可以兼顧高光和暗部的細節。

這裡的照片 HDR 與顯示器 HDR 是兩種不同的技術，照片 HDR 的原理是拍攝的時候同時拍多張照片包括：較低曝光值、正常曝光值、較高曝光值。根據演算法選取各個曝光值中的細節，合成出一張同時兼具高光和暗部細節的照片。

這種基於多張照片合成的方法稱為色調映射（Tone Mapping）。在部分手機上，由於演算法的限制，會存在矯枉過正、對比度不自然的情況。

由於照片 HDR 合成只涉及到演算法的合成，並未涉及光電轉換，所以合成出來的照片還是處於 SDR（Standard Dynamic Range，標準動態範圍）的標準。

2 SDR 與 HDR

所謂的 SDR（Standard Dynamic Range，標準動態範圍） 就是被目前主流電視、顯示器所接受的 Rec.709 標準，SDR 的主要參數如下：

• EOTF（Electro-Optical Transfer Function，電光轉換函數）： BT.1886
• 峰值亮度：ST-2080-1，100 nits
• 色彩空間：Rec.709，sRGB
• 解析度：SD、HD、UHD

SDR 的掣肘之處在於峰值亮度僅為 100 nits（nits 為亮度單位 的簡寫，關於亮度單位在之前的文章 調色名詞淺析——Gamma（伽瑪）校正 人眼的感光特性一章中有對應的解釋）。

SDR 的亮度範圍在 0.117nits - 100nits 之間，色彩空間也僅支持到 sRGB（有關色彩空間的解釋可以參考之前的文章：調色名詞淺析——色彩空間與色域）。

這些標準其實都是來自 CRT（Cathode Ray Tube，陰極射線管） 時代的遺產。現代的顯示設備已經可以提供更高的亮度以及更豐富的色彩空間了，只是為了兼容 CRT 才一直使用 SDR 的標準。

其實，自然界的光照遠超 100nits 的標準，就拿拍攝的一朵花來說：

在黃色花瓣部分最高亮度達到了 14700nits，顯然一般的 SDR 標準顯示器是沒有辦法完美還原這一亮度的。可見自然界比目前藍光、影院再現的視頻擁有更廣的亮度範圍，為了完美還原這些亮度，HDR 標準就應運而生了。

HDR 的主要參數如下：

• EOTF 或 OETF：ST.2084（PQ） 或者 Hybrid Log-Gamma（混合編碼，下文會詳細說明）
• 峰值亮度：可變，500nits - 10000nits
• 色彩空間：P3 或者 Rec.2020
• 解析度：SD、HD、UHD

可見 HDR 顯示具有更高的亮度和更廣的色彩範圍以及更高的色深，由於 OETF 的不同，HDR 與 SDR 不能互相兼容。

3 HDR 的分類

HDR 標準目前主要分為三類：

• 杜比開發： Dolby Vision
• 電視機製造聯盟：HDR 10
• 電視台主打： Hybrid Log-Gamma

這三個標準各有其特點，下面來一一說明。

3.1 Dolby Vision（杜比視界）

HDR 的標準是由杜比主導的，包括 OETF 曲線也是由杜比和 SMPTE 主導開發，杜比系的 OETF 曲線稱為 PQ（Perceptual Quantizer，感知量化），同時也屬於 SMTPE ST.2084 標準。PQ 規定峰值亮度為 10000nits，PQ 會將光信號量化成一個值對應到電信號中，當顯示器亮度不夠時，會切去高光信號來適配。

Dolby Vision 色域為 Rec.2020，最高支持 12bit 的色深。

Dolby Vision 擁有兩層視頻流，基礎層（SDR 視頻內容）和增強層（HDR 視頻內容），如下圖所示：

這種雙層視頻流使得 Dolby Vision 同時兼容 SDR 與 HDR 顯示器。

值得一提的是，雙層視頻流中間還有一層藝術指導元數據，解碼和編碼過程如下：

可以看出，當顯示器的峰值亮度未達到最高亮度時，演算法會自動混合基礎層和增強層，使得畫面的高光部分不至於因為 PQ 的演算法而被切去。這令 Dolby Vision 可以兼容各種亮度峰值的顯示設備，更能在所有設備上體現出創作者的真實意圖。

另外，Dolby Vision 是付費許可的。

3.2 HDR 10

HDR 10 是電視製造廠商聯盟 Ultra HD Premium 為了有一個更開放的平台，並且不受 Dolby 制約而製作的 HDR 標準（可以節約專利費）。

HDR 10 是基於 Dolby Vision 而開發的，EOTF 曲線依舊為 PQ，色域為 Rec.2020；不過 HDR 10 的峰值亮度為 1000nits，而色深也只支持 10bit。

HDR 10 標準亦沒有 Dolby Vision 的雙層視頻流，這意味著不兼容 SDR 的視頻內容。當顯示器的亮度不夠時，由於 PQ 演算法的特性，高光部分也會被切去。

簡而言之，HDR 10 可以看作是 Dolby Vision 的簡化標準，並被大多數電視所接受。

HDR 10 標準是免費許可的。

3.3 Hybrid Log-Gamma（HLG，混合編碼）

HLG 標準是由 BBC 和 NHK 合作開發的，它簡化了 HDR 的製作流程，更利於電視信號的傳輸。

HLG 的編碼方式準確來說屬於 OETF（Optical-Electro Transfer Function，光電轉換函數），這種轉換在拍攝過程中就已經在進行了，可以在拍攝過程中將高光信息保留。類似於 Log 視頻的處理方法，函數曲線如下：

HLG 可以有 1200% 的亮度範圍，這個圖像很像我之前文章提到過的 Log 視頻的曲線。看曲線圖不難發現，這種轉換在信號強度 0.5 之前為 Gamma 曲線，之後為 Log 曲線，這種編碼方式能更好得記錄高光的範圍，使之滿足 HDR 的亮度範圍。

HLG 對於廣播電視的好處在於可以簡化廣播節目的製作流程。因為電視台的預算有限，且要滿足24小時不間斷播放，無法使用 PQ 編碼來生成 HDR 圖像，這樣會浪費大量編碼解碼的時間。

同時，HLG 也擁有良好的兼容性，可以同時兼容 HDR 和 SDR 的播放標準。考慮到各家電視機的品種，鑒於 HLG 使用的依舊是 YUV 編碼（PQ 為 RGB 編碼），其甚至可以兼容到最早的 CRT 黑白電視系統。這種良好的兼容性顯然是電視系統需要優先考慮的。

HLG 也為免費授權，目前索尼已經能夠支持這一標準。

4 HDR 的優勢

隨著大家顯示設備的更新換代，HDR 將進入各種場景，給觀眾和專業人士帶來全新的視覺體驗和創作靈感。下面就分兩方面來說。

4.1 普通觀眾

HDR 技術給觀眾帶來了更高的亮度範圍、更多的顏色以及更好的細節顯示，終於不用受制於 CRT 的標準。這對於觀影體驗來說是質的飛躍，普通觀眾在家也可以體驗到更好的畫質。

4.2 專業調色師

HDR 技術對於調色師來說是一項新的挑戰，更高的亮度範圍同時也意味著更高的飽和度，因為在 100nits 的亮度下，如果要再提高亮度就必須犧牲飽和度，HDR 下就沒有這樣的煩惱。

同時，更高的亮度範圍意味著我們將擁有更多的高光細節以及明暗對比，調出的畫面可以更有想像空間。

大家可以通過下面視頻體會一下 SDR 和 HDR 的區別：

鑒於大家的顯示器可能沒達到 HDR 的標準，視頻只是模擬一下觀看的區別。

關於 HDR 的內容就寫到這裡，如有錯誤或遺漏，歡迎在評論區指正。

下篇準備好好寫一下 OETF 函數，如果大家有其他內容想了解，也可以寫在評論里。

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參考資料：

[1] WikiPedia-HDRI | High-dynamic-range imaging

[2] 杜比視界(Dolby Vision)白皮書 | white-paper10_V2.pdf

[3] 杜比官網 | Dolby Vision - 超越 HDR 的顯示技術

[4] BBC HLG 白皮書 | BBC Research & Development White Paper WHP 309