河套IT TALK 62：（原創(chuàng)）由淺入深說高清——聊聊高動態(tài)范圍（HDR）

當(dāng)我們談?wù)?a href="http://www.ttokpm.com/v/" target="_blank">視頻技術(shù)時，超高清視頻（Ultra High Definition，簡稱UHD）無疑是當(dāng)今最令人興奮的領(lǐng)域之一。UHD視頻技術(shù)不僅可以提供比傳統(tǒng)高清視頻更為逼真的畫面，還可以為觀眾帶來更加沉浸式的體驗。對超高清的理解，很多人第一個直覺就是4K、8K的高分辨率，其實超高清技術(shù)的進(jìn)步不僅僅是分辨率提升這么簡單，它還包括更多的技術(shù)提升，包括但不局限于：高動態(tài)范圍（HDR）、編解碼、先進(jìn)計算、三維立體聲、超分技術(shù)、數(shù)字版權(quán)管理和視頻云等等。從本期開始，我們會從淺入深，帶您走近超高清，探討其背后的技術(shù)原理，希望這個系列的文章能讓您對UHD視頻技術(shù)有更深入的了解。

關(guān)聯(lián)回顧

全圖說電視的發(fā)展歷史

全圖說視頻編解碼的發(fā)展歷史

關(guān)于超高清視頻（UHD）有很多可聊的技術(shù)，衡量一臺超高清電視的技術(shù)指標(biāo)，以下可能都會涉及：

我們重點來談?wù)勂渲械腍DR。HDR是high Dynamic Range（高動態(tài)范圍）的英文縮寫。今天我們就拆開了、掰碎了，好好聊聊到底什么是HDR。

HDR和SDR

HDR（高動態(tài)范圍）是個相對概念，相對于SDR而言。SDR是Standard Dynamic Range（標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)范圍）的英文首字母縮寫。

SDR這個概念要追隨到陰極射線管（CRT）顯示器的時代。在液晶電視推廣之前（也才不到20年前的事兒），帶著一個大鼓包的CRT電視仍是普遍的存在。SDR就是根據(jù)CRT顯示器的亮度、對比度和顏色特性和限制來規(guī)范電視光強(qiáng)度的一個標(biāo)準(zhǔn)。這些陳舊的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在面臨整個電視系統(tǒng)硬件性能的大幅度提升的時代，已經(jīng)顯得不夠用了。

HDR相對于SDR，HDR擁有更廣的色彩容量和更高的動態(tài)范圍，為圖像保留更多的細(xì)節(jié)。通過豐富的圖像亮部和暗部細(xì)節(jié)，在對比度、灰度等維度上提升影像質(zhì)量，讓用戶眼中的影像更加細(xì)膩真實，更富有感染力。

下面，我們就從幾個參數(shù)維度入手，逐一對比說明，HDR到底好在哪里？

亮度-圖像照明的強(qiáng)度

國際單位制(SI)中的亮度單位是每平方米坎德拉（cd/m 2），非正式的名稱nit（尼特）。用來描述每單位面積發(fā)出的光的量度?，F(xiàn)實世界具有極大的動態(tài)范圍。比如：星光可以低至 0.000001 尼特，太陽輻射量超過 10 億尼特。人眼可以檢測到的亮度從10 ? 6 或0.000001尼特到 10 8 或一億 (100,000,000) 尼特。（也就是人眼感知亮度的范圍為 10 14 尼特，或一百萬億 100,000,000,000,000，大約 46.5 f 級）。

通常，SDR顯示器的峰值亮度為100尼特。在配備專業(yè)投影儀的傳統(tǒng)商業(yè)影院中，圖像的標(biāo)準(zhǔn)化峰值亮度為 48 尼特（杜比影院的峰值亮度約為 100 尼特）。對于 HDR，這個峰值亮度數(shù)字增加到大約 1,000–10,000尼特。這就意味著高光（圖像中最亮的部分）可以更亮、色彩更豐富、細(xì)節(jié)更豐富。更大的亮度容量可以在不增加整體圖像亮度的情況下，增加小范圍的亮度，例如：閃亮金屬物體的明亮反光，漆黑夜空中閃爍的明星，燃燒中的篝火和絢麗多彩的日落晚霞。

亮度還有一個最黑，專業(yè)叫法是最低亮度（黑電平）。SDR，這個值一般為0.1尼特。HDR這個黑電平?jīng)]有定義，但肯定比0.1尼特要低很多。特別是對OLED顯示器，它可以將像素關(guān)閉到純黑色，所以在很多OLED規(guī)范中，黑電平不高于 0.0005 尼特。所以HDR除了表現(xiàn)的更亮，同樣還可以表現(xiàn)的更暗，更黑。

對比度也是衡量亮度動態(tài)變化范圍的指標(biāo)。這是用最亮部分和最暗部分之間差異的指標(biāo)。它通常表示為圖像或視頻最亮部分的亮度與最暗部分的亮度之比。從對比度上來看：

SDR 顯示器的對比度通常在 1000:1 到 4000:1 左右。

而HDR 顯示器的對比度可以達(dá)到 10,000:1 到 100,000:1 甚至更高。

顏色深度-色彩漸變的精細(xì)程度

但是否亮度范圍變大，設(shè)備的表現(xiàn)就好了嗎？不一定。還有一個非常重要的指標(biāo)顏色深度（簡稱色深）。在計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域表示在位圖或者視頻幀緩沖區(qū)中存儲每一像素的顏色所用的位數(shù)，常用單位為位/像素（bpp）。色彩深度越高，可用的顏色就越多。色彩深度是用“n位顏色”（n-bit colour）來說明的。若色彩深度是n位，即有2n種顏色選擇，而儲存每像素所用的位數(shù)目就是n。常見的有：

1位：2種顏色，單色光，黑白二色，用于compact Macintoshes。

4位：16種顏色，用于EGA及不常見及在更高的分辨率的VGA標(biāo)準(zhǔn)，color Macintoshes。

8位：256種顏色，用于最早期的彩色Unix工作站，低分辨率的VGA，Super VGA，AGA，color Macintoshes。其中紅色和綠色各占3位，藍(lán)色占2位?；译A，有256種灰色（包括黑白）。若以24位模式來表示，則RGB的數(shù)值均一樣，例如(200,200,200)。 16位：65,536種顏色，用于部分color Macintoshes（紅色占5個位、藍(lán)色占5個位、綠色占6個位，所以紅色、藍(lán)色、綠·色各有32、32、64種明暗度的變化總共可以組合出65,536種顏色）。 24位：16,777,216種顏色，真彩色，能提供比肉眼能識別更多的顏色，用于顯示照片。彩色圖像，就是常說的24位真彩，約為1670萬色。 30位：通常是紅色、綠色和藍(lán)色各10位，共1,073,741,824種顏色。 36位：紅色、綠色和藍(lán)色各12位，共68,719,476,736種顏色。 48位：每個顏色通道使用 16 位產(chǎn)生 48 位，即 281,474,976,710,656 種顏色。 為了說明色彩深度的重要性，我們舉一個具體的例子。如下圖，海邊的篝火場景，如果遮住火焰，邊上的海岸很顯然是SDR的，而篝火便是動態(tài)范圍的關(guān)鍵所在。

1. 我們用8bit去記錄場景，0對應(yīng)海岸的最暗處，255對應(yīng)海岸區(qū)域的最亮處。于是大部分區(qū)域可以被8bit完美還原，而篝火因為大大超過了255對應(yīng)的亮度，因此只能被約束到255。呈現(xiàn)過曝狀態(tài)（最左邊）

2. 對于HDR圖形，他在1.的基礎(chǔ)上額外增加了一些bit去記錄高亮度區(qū)域，因此依然可以相對更好地還原篝火地感覺。（中間）

3. 如果非要用8bit去記錄HDR呢？假設(shè)圖例的SDR區(qū)域亮度是2，那么篝火部分便是256。于是我們可能得到最右側(cè)的結(jié)果。黑暗區(qū)域只能用1bit來記錄，篝火用7bit記錄，這樣會導(dǎo)致大面積的黑色。

所以沒有足夠的色彩深度的支撐，HDR根本無法體現(xiàn)出優(yōu)勢。道理很簡單，亮度范圍是大了，但是精度不夠用，亮度信息被稀疏掉了，效果自然大打折扣。一般而言：

SDR 顯示器通常支持 8 位色深，這意味著它們可以顯示多達(dá) 1670 萬種顏色。

HDR 顯示器可以支持 10 位甚至 12 位色深，這意味著它們可以顯示多達(dá) 10.7 億種顏色或更多。

色彩空間-色彩的生動或者豐富程度

色彩空間（英語：Color space）是對色彩的組織方式。我們一般談到色彩空間，都是基于人眼可見色彩范圍這個角度來界定的。它是一種將色彩映射到一組坐標(biāo)或值的數(shù)學(xué)模型，允許它們在不同的設(shè)備和系統(tǒng)上準(zhǔn)確地再現(xiàn)。

CIE 1931 XYZ色彩空間（也叫做CIE 1931色彩空間）就是國際照明委員會（CIE）于1931年創(chuàng)立的一個模型。它根據(jù)人眼三種視錐細(xì)胞的感光能力（波長和光譜敏感度）繪制。外側(cè)曲線邊界是光譜（或單色）光軌跡，波長用納米標(biāo)記。注意描繪的顏色依賴于顯示這個圖象的設(shè)備的色彩空間，目前沒有設(shè)備能有足夠大色域來在所有位置上提供精確的色度表現(xiàn)。舉個例子，如果你看到的這個CIE 1931 色彩空間很多顏色很接近，甚至一致，這不是眼睛的問題，大概率是因為您的屏幕在此圖像中顯示的顏色是使用sRGB指定的，因此無法正確顯示sRGB色域之外的顏色。

回到今天的話題，HDR和SDR能承載的色彩空間是不同的。與 SDR 相比，HDR 的另一個好處是顏色范圍更廣（通常稱為廣色域或 WCG）（見下圖）。就目前而言，SDR 的色域被稱為 BT.709（可以顯示人眼可見顏色的35%左右），而 HDR 的色域在技術(shù)上是 BT.2020（可顯示高達(dá) 75% 或更多的可見顏色）。但是，很少有顯示器能夠真正顯示 BT.2020 的全部范圍，因此稱為 DCI-P3 的中間色域通常用于 HDR 內(nèi)容。

值得注意的是，對比度、色深和色彩空間的確切數(shù)字可能會因具體的顯示器和正在查看的內(nèi)容而異。但是，總的來說，HDR 顯示器在對比度和色深方面比 SDR 顯示器有顯著改進(jìn)。

為了正確顯示HDR圖像，僅僅提高亮度是不夠的 - 以與人類視力相匹配的方式顯示色彩和色調(diào)至關(guān)重要。色彩和色調(diào)受每個輸入和輸出設(shè)備具有的稱為伽瑪?shù)妮斎?- 輸出特性的影響。

伽瑪曲線

圖像的伽馬曲線（Gamma Curve）編碼矯正用于通過利用人類感知光和顏色的非線性方式來優(yōu)化編碼圖像時的位使用或用于傳輸圖像的帶寬。在普通照明條件下（既不是漆黑也不是刺眼的明亮），人類對亮度（亮度）的感知遵循近似冪函數(shù)。對較暗色調(diào)之間的相對差異更敏感比在較輕的音調(diào)之間，符合史蒂文斯冪定律。而伽馬曲線編碼利用了這一點。如果圖像不是伽馬編碼的，它們會為人類無法區(qū)分的高光分配太多的比特或太多的帶寬，而為人類敏感的陰影值分配太少的比特或太少的帶寬，并且需要更多的比特/帶寬來維持相同的視覺質(zhì)量。

BT.2100標(biāo)準(zhǔn)提供兩條伽瑪曲線作為不同類型生產(chǎn)工作的標(biāo)準(zhǔn)。

對于互聯(lián)網(wǎng)流媒體和電影：PQ (感知量化)

PQ伽瑪曲線基于人類視覺感知的特征，并且最適合于在互聯(lián)網(wǎng)上制作電影或串流視頻的內(nèi)容，其中再現(xiàn)準(zhǔn)確性是關(guān)鍵。

PQ伽瑪曲線的最高亮度固定為1,000 cd/m2 （或更高）。換句話說，無論顯示設(shè)備的最高亮度如何，伽瑪曲線始終相同，上限為1,000 cd/m2，從而實現(xiàn)一致的圖像再現(xiàn)。

對于廣播電視：HLG(混合對數(shù)伽瑪)

HLG伽瑪曲線旨在允許在現(xiàn)有的SDR電視上顯示而不會看不到位置，并且最適合于廣播電視和直播視頻饋送。

HLG伽瑪曲線的最高亮度與顯示設(shè)備的最高亮度無關(guān)。換言之，因為伽瑪曲線根據(jù)顯示設(shè)備的最高亮度而變化，即使在現(xiàn)有的SDR顯示器上，伽瑪曲線也可允許接受觀看HDR內(nèi)容，并且圖像劣化較小。

總而言之，PQ在圖像質(zhì)量和可顯示的亮度范圍方面要好得多，但如果從攝像機(jī)到最終顯示器的整個廣播鏈沒有得到適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控，那么要想保證圖像的正確顯示就會變得復(fù)雜又昂貴；PQ伽馬曲線基于人類視覺感知的特性，更適合應(yīng)用在電影制作和互聯(lián)網(wǎng)視頻流中。

HLG伽馬曲線基于較舊的SDR（709）標(biāo)準(zhǔn)，并對其進(jìn)行了擴(kuò)展，以便能夠顯示更高的亮度范圍，這對于人類視覺系統(tǒng)來說并不是最佳選擇，但就制作而言HLG更易操作也更具有兼容性，允許在現(xiàn)有SDR電視上顯示更高動態(tài)范圍的內(nèi)容，更適合應(yīng)用于廣播電視和直播視頻中。

好了，今天我們就先聊到這兒，下篇，我們再談?wù)凥DR標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜狀況。

————未完待續(xù)————