主流HDR標(biāo)準(zhǔn)解析

近年來，伴隨4K影視內(nèi)容和技術(shù)的發(fā)展，HDR成為了非常熱門的話題，4K不帶HDR，猶如炒菜不放鹽，上陣不帶槍。目前HDR已經(jīng)發(fā)展出了HDRlO、HDRlO+、Dolby Vision、HLG等好幾種標(biāo)準(zhǔn)，它們各自有什么特點以及應(yīng)用性如何，是要拼個你死我活還是求同存異共同發(fā)展？這是本文要研究的問題。

很多人都知道.4K和HDR是一對隨時都成雙成對不可分割的組合。4K影像為什么一定要有HDR？因為在4K的分辨率下，HDR能夠帶來更多的色彩空間、更廣的動態(tài)范圍，才能讓畫面的各種細(xì)節(jié)纖毫畢現(xiàn)，而SDR無法滿足這種要求。HDR并不是具體的某種技術(shù)，而是一些類似標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)稱，目前HDR已經(jīng)發(fā)展出了多種標(biāo)準(zhǔn)。其中，電影和流媒體運(yùn)營商大多支持Dolby Vision和HDRlO，BBC，NHK等電視臺支持HLG，三星和松下則玩起了HDRlO+。鑒于要介紹這些標(biāo)準(zhǔn)都避不開那幾個專業(yè)名詞，我們還是有必要解釋—下這些名詞。

先從伽馬談起

首先要提到伽馬曲線，它用來衡量所有圖像輸入或輸出的設(shè)備對于光線亮度的反應(yīng)。這里涉及到線性和非線性的問題。人類對外界刺激的變肥，比如聲音大小、氣味濃淡、明暗程度等，作出的反應(yīng)的非線性的。例如，一杯水加一勺糖，人們會覺得甜：再加一勺糖，糖度已經(jīng)是原來的2倍，但人不會覺得比原來甜2倍，只會覺得“甜一點”。同樣的道理，人眼也是非線性的，一顆燈泡會讓人覺得亮，但兩顆燈泡也只會讓人覺得”亮一點”而不是“亮了2倍”。當(dāng)年的CRT顯示設(shè)備也具備這種非線性特征。用電子槍通過高壓轟擊熒光粉，它會發(fā)光。然而將高壓再提到2倍，熒光粉的亮度卻不會提高兩倍。將這種亮度和電壓的矣系畫出一條冪律曲線，就是CRT的伽馬曲線。未經(jīng)過校正的CRT的伽馬值通常是2.5。

人眼這種特性，讓我們可以識別明暗差別很大的場景，例如逆著陽光也能看清云朵，看見樹上的葉子，但同樣的場景要通過CMOS和CCD這類線性元件來“看”，那就什么都看不清，因為線性和非線性的成像元件輸出結(jié)果差別非常大，這就需要對圖像的伽馬曲線進(jìn)行調(diào)整，也就是所謂的伽馬校正。以前膠爿時代沒有這些問題，因為膠片用化學(xué)成像的方式模擬了人眼的非線性感光能力，因此多數(shù)人覺得膠片電影效果更好，因為它最接近人眼看到的效果。

明白了伽馬的概念，再來說說OETF，EOTF、OOTFo這些奇怪的字母組合其實定義著實現(xiàn)HDR的關(guān)鍵：光與電的轉(zhuǎn)換函數(shù)。OETF是指光電轉(zhuǎn)換函數(shù)，只有攝像機(jī)能將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，因此OETF通常也相當(dāng)于攝像機(jī)的伽馬。

EOTF是電光轉(zhuǎn)換函數(shù)，只有終端顯示設(shè)備能將電信號轉(zhuǎn)變成人眼可見的光信號，這也代表了顯示設(shè)備的伽馬。

OOTF則囊括了光信號輸入到光信號輸出，也就是整個影像制作流程。

因此，一套真正的HDR影像實現(xiàn)條件，需要上述這幾個“TF”都有統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換機(jī)制，或者說端到端的系統(tǒng)解決方案和標(biāo)準(zhǔn)。順便提—下，目前十分熱門的手機(jī)HDR拍照并不是真的HDR，實際上是一種多幀合成技術(shù)。手機(jī)連續(xù)拍攝多張照片，然后通過算法將這些照片疊加處理，以達(dá)到同時保留高光和暗部細(xì)節(jié)的目的，從技術(shù)上講這叫“色調(diào)映射”，它依然屬于SDR的范疇。并且，軟件算法要由人來調(diào)試，這就使得不同品牌甚至同品牌不同系列手機(jī)的效果都參差不齊。

HDR和SDR的根本區(qū)別就在于，兩者用了不同的伽馬曲線。HDR的伽馬曲線能讓圖像有著更強(qiáng)的色深表現(xiàn)和更廣的動態(tài)范圍。但因為HDR和SDR的伽馬曲線不同，因此還要解決HDR與SDR的兼容問題。

沒錯，HDR必須兼容SDR。因為現(xiàn)在很多的視頻標(biāo)準(zhǔn)是CRT時代就制定下來的，除了SDR還有BT.709，sRGB色域、100cd/m2亮度等等。因為當(dāng)時世界上所有的顯示設(shè)備都是基于CRT，它有著一套自己的圖像標(biāo)準(zhǔn)，所有的影像內(nèi)容提供者都要遵循這個標(biāo)準(zhǔn)。后來，LCD的顯示能力超過了CRT的水平，但相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)卻沒有跟上來。CRT標(biāo)準(zhǔn)的畫面用在LCD上就會相當(dāng)糟糕，為了解決這個問題，電視廠商開發(fā)了各種畫質(zhì)增強(qiáng)技術(shù)，例如廣色域顯示、動態(tài)背光調(diào)節(jié)等。所謂動態(tài)背光調(diào)節(jié)就是根據(jù)畫面的明暗不同來分別控制背光燈亮度。索尼的精銳光控、三星的局域控光、夏普的煌彩技術(shù)，都是這一原理，能夠大幅度提升畫面動態(tài)范圍。

現(xiàn)在我們可以明白了，HDR的核心就在于如何定義光電互相轉(zhuǎn)換的函數(shù)，也就是用什么樣的伽馬。數(shù)字影像的本質(zhì)是數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，伽馬就是它的算法。當(dāng)算法統(tǒng)—之后，就能讓影像在色彩、亮度不同的設(shè)備上都能做到顯色一致性。

兩種最基礎(chǔ)的伽馬

2015年8月，美國消費者技術(shù)協(xié)會公布了HDRlO標(biāo)準(zhǔn)，世界上第一個HDR標(biāo)準(zhǔn)終于誕生。時至今日，出現(xiàn)了眾多的HDR標(biāo)準(zhǔn)，但它們都只是基于兩種不同的伽馬曲線：PQ和HLG。這是由國際電信聯(lián)盟針對HDR，TV的建議書BT.2100中提出的兩種伽馬方案。

PQ.即Perceptual Quantizer，感知量化技術(shù)。前面說過，2勺糖并不會讓人覺得甜了兩倍，實際上人也很難通過感官將甜度量fb。但杜比實驗室提出了PQ編碼，通過一系列數(shù)學(xué)模型將亮度等級以絕對值進(jìn)行記錄，也就是每個輸入的電平都有對應(yīng)的絕對輸出亮度值，不存在變化.除非改變EOTF的函數(shù)。這便是PQ的核心一一絕對亮度。這是一個完全按照人眼的感知來設(shè)計的伽馬，其設(shè)計理念是要讓顯示終端輸出的畫面亮度和拍攝場景的實際亮度相同（看戰(zhàn)爭片可得當(dāng)心了）oPQ要求顯示終端的峰值亮度達(dá)到10000cd/m2.而目前沒有設(shè)備能達(dá)到這個亮度，要知道以前的CRT亮度頂多也就200cd/m2。那怎么辦？只能把高亮部分切掉，這會使得畫面看起來很奇怪。杜比給出了解決這個問題的方案，要么觀眾必須在亮度達(dá)到我們要求的影院里觀看，目前這一亮度大概就是4000cd/m2;要么終端顯示設(shè)備的亮度必須和制作過程中的監(jiān)視器亮度相同，這一才能保證在亮度不同的顯示設(shè)備上呈現(xiàn)出相同的效果。因此基于PQ制作的內(nèi)容必須明確其制作流程中使用的監(jiān)視器峰值亮度.PQ輸出的元數(shù)據(jù)也包含了場景亮度絕對值等信息。PQ與傳統(tǒng)的SDR完全不同，是一個為了再現(xiàn)絕對亮度的全新體系。但受硬件技術(shù)限制.PQ只能在一定范圍內(nèi)重現(xiàn)它想達(dá)到的絕對亮度。

HLG，是由BBC和NHK聯(lián)合發(fā)布的混合對數(shù)伽馬（Hybrid Log Gamma）.它是一種非線性的光電信號轉(zhuǎn)換算法，將圖像的伽馬分為兩部分，在SDR標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)采用常規(guī)的伽馬曲線，在偏向高光部分則采用特殊的非線性伽馬曲線，這也是HLG名字中“混合”一詞的由來。HLG不帶元數(shù)據(jù)，其亮度編碼是按照百分比轉(zhuǎn)換出來的相對值，這樣就能在不同的顯示設(shè)備上再現(xiàn)拍攝場景的相對亮度。BT.2100建議HLG的峰值亮度為1000cd/m2.是SDR的10倍，這并不能再現(xiàn)拍攝場景的絕對亮度，但呈現(xiàn)其相對亮度就能解決問題，HLG的核心也在于相對亮度。HLG對于傳統(tǒng)SDR有著非凡的兼容性，基于HLG流程制作的影像，理論上可以在市售的所有電視上播放，而PQ就不行。

PQ和HLG的另一個區(qū)別在于，PQ需要對攝像機(jī)之后的信號進(jìn)行處理，來適配監(jiān)視器亮度等級一稱為“顯示參考”。制作者參考監(jiān)視器的亮度等級來對內(nèi)容進(jìn)行編輯，最終內(nèi)容能夠反映出制作者的創(chuàng)作意圖。因此PQ適合電影等復(fù)雜的視頻內(nèi)容。

HLG是在攝像機(jī)內(nèi)完成HDR的編碼工作，屬于“場景參考”.它只受到攝像機(jī)光學(xué)特性和硬件特性的影響，而與制作者的好惡無關(guān)，因此適合于傳統(tǒng)的廣播電視制作流程。

PQ和HLG，是所有HDR標(biāo)準(zhǔn)的基石。

Dolby Vision

這是高清愛好者們非常耳熟的兩種標(biāo)準(zhǔn)。其實嚴(yán)格說來， Dolby Vision是一系列圖像增強(qiáng)技術(shù)的統(tǒng)稱，HDR只是其中一個部分。Dolby Vision就是最典型的使用PQ伽馬的標(biāo)準(zhǔn)，它將HDR圖像數(shù)據(jù)重新編碼為雙層數(shù)據(jù)：代表SDR圖像的基本層和代表高動態(tài)范圍信息的加強(qiáng)層，實現(xiàn)了SDR與HDR的自動兼容。其技術(shù)指標(biāo)，除了亮度標(biāo)準(zhǔn)定義到10000cd/m2以外，還必須滿足12bit色深、Rec.2020色域以及4K分辨率。

Dolby Vision是目前為止技術(shù)要求最高的HDR標(biāo)準(zhǔn)，它的內(nèi)容、播放源、顯示設(shè)備都必須兼容Dolby Vision標(biāo)準(zhǔn)才能使用，信號源根據(jù)顯示設(shè)備的圖像輸出能力來逐幀優(yōu)化輸出。所有的Dolby Vision兼容顯示設(shè)備都采用這種優(yōu)化算法，并且是通過硬件來實現(xiàn)，因此普通設(shè)備無法通過固件更新來支持Dolby Vision。而要想支持DolbyVision，就必須繳納授權(quán)費。是的杜比就是這么硬氣，根本不怕廠商們被“收費”二字嚇跑。因為杜比是當(dāng)今影院技術(shù)的領(lǐng)袖級企業(yè)，它推出的DolbyCinema是全方位提升影院視聽效果的完整解決方案，包含了分別負(fù)責(zé)聲音和畫面的Dolby Atmos和Dolby Vision.共同組成這一全方位提升影院音畫效果的完整解決方案。要想在影院體驗最好的畫面和聲音，除了IMAX影院，就只能是DolbyCinema影院了。

對于家庭用戶而言，盡管需要授權(quán)，但DolbyVision設(shè)備還是越來越多了。硬件方面，LG、索尼、海信、飛利浦、TCL等老牌廠商紛紛拿出了支持Dolby Vision的電視機(jī);去年9月發(fā)布的新款A(yù)pple TV能同時支持Dolby Vision和HDRlO;支持Dolby Vision的UHD藍(lán)光播放器和影碟也已面市。內(nèi)容方面，索尼、華納、環(huán)球和米高梅將與杜比合作發(fā)行Dolby Vision格式的家用視頻內(nèi)容。亞馬遜、Netflix、沃爾瑪?shù)腣UDU等也打算通過兼容的電視直接播放Dolby Vision內(nèi)容。

HDR10和HDRlO+

HDRlO同樣使用PQ伽馬，但它只有單層的圖像數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，因此它無法支持SDR和HDR自動兼容。典型例子就是SDR設(shè)備由于不能識別HDRlO的PQ和顯示元數(shù)據(jù)信息，伽馬值會遠(yuǎn)低于該設(shè)備的伽馬值，導(dǎo)致畫面惶不忍睹。

ITU給出的標(biāo)準(zhǔn)是要滿足Rec.2020色彩空間和4K分辨率，但只要求色深達(dá)到10bit，亮度達(dá)到lOOOnit以上，所以HDRlO和Dolby Vision根本就是同根生，是Dolby Vision的簡化版本。DolbyVision的影像可以轉(zhuǎn)成HDRlO的影像，但反過來就不行。HDR10的一個關(guān)鍵特性是是免費授權(quán)，世界上再沒有比免費二字更吸引人的了。并且，它還是UHD藍(lán)光格式指定的HDR標(biāo)準(zhǔn)。于是，HDRlO集齊了生得早（誕生于2015年）、免費、技術(shù)要求低、有貴人提攜（UHD藍(lán)光）這幾大優(yōu)勢，在內(nèi)容和發(fā)展上也搶得了先機(jī)。

硬件上，支持HDRlO的電視機(jī)品牌更多，無需再一一列舉;P54，Xbox One、各種UHD藍(lán)光播放器更是只支持HDR10。內(nèi)容上，除了Vudu以外，所有的HDRL媒體服務(wù)都使用HDRlO，頂多就是同時支持Dolby Vision。全球各大主流制片廠推出了UHD藍(lán)光電影全部采用HDRlO標(biāo)準(zhǔn)，而采用Dolby Vision的寥寥無幾?？偟膩碚f，DolbyVision多用在需要頂級視聽享受的專業(yè)場合，例如影院;HDRlO則在家里也能享用。

這里要順便說說HDRlO+，這個名字沒有想象力的標(biāo)準(zhǔn)是由三星主導(dǎo)的。它和Dolby Vision一樣用動態(tài)元數(shù)據(jù)處理圖像，它與HDRlO最大的區(qū)別在于加入了“動態(tài)色調(diào)映射（Dynamic ToneMapping）”，采用可變的動態(tài)元數(shù)據(jù)來幫助實時調(diào)整亮度和對比度，并逐幀優(yōu)化，確保畫面不論明暗部分的細(xì)節(jié)都一清二楚oHDRlO+能夠兼容HDRlO，并且同樣免費。三星這種想主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)的底氣，也是緣于它在全球電視市場中擁有最大的份額，這足夠說服硬件廠商和內(nèi)容提供商加入HDRlO+的陣營。三星拒絕使用Dolby Vision，并在其生態(tài)系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)大力推廣HDRlO+，還與Multicore Ware合作，在HEVC編碼中加入對HDRlO+的支持。

不過目前，只有松下電視機(jī)、20世紀(jì)?？怂购蛠嗰R遜明確表態(tài)入伙，其他廠商仍然態(tài)度不明。

另一方面，盡管HDRlO+某些技術(shù)特征和Dolby Vision相似，但Dolby Vision依然是技術(shù)含量最高的HDR標(biāo)準(zhǔn)，而且杜比公司仍然在技術(shù)的天花板上反復(fù)試探。此外， Dolby Vision可兼容HDMI l.4a，而HDRlO+則需要HDMI 2.0，所以，HDRlO+遠(yuǎn)沒有達(dá)到能打敗Dolby Vision的程度。到目前為止，Dolby Vision和HDRlO依然是最流行、應(yīng)用最廣泛的HDR標(biāo)準(zhǔn)。

HLG

前面提到，PQ適合電影這種需要花時間對畫面精雕細(xì)琢的場合，但對于電視臺則不行，他們的預(yù)算和精力有限，并且電視節(jié)目都是24小時播放t不可能像電影那樣花費大量時間進(jìn)行內(nèi)容再制作和HDR編碼。廣播電視領(lǐng)域面對的問題復(fù)雜得多，因為它得面向所有的電視用戶，用戶家里的電視機(jī)更是五花八門，仍在使用等離子電視機(jī)的不在少數(shù)。Dolby Vision無法適配那么多的電視機(jī)，或者說，PQ伽馬的HDR標(biāo)準(zhǔn)不適合廣播電視。

而HLG就很好地解決了這個問題。前面我們介紹了過，HLG可以在拍攝階段直接完成，通過相對亮度來適配各種電視機(jī)，它不像PQ那樣明確標(biāo)識亮度，而是采用動態(tài)的百分比范圍來輸出亮度，這個范圍為1200%，這樣大的動態(tài)范圍足夠兼容任何新舊電視。亮度低于400cd/m2的SDR顯示設(shè)備，HLG能夠保證色彩表現(xiàn)基本一致：對于亮度高于400cd/m2的廣色域顯示設(shè)備，能表現(xiàn)出更艷麗的色彩和更高的動態(tài)范圍。在真正的HDR顯示設(shè)備上，HLG同樣具備一套轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)保證顯示一致性。原理就在于，它把圖像的伽馬信號在50%電平處進(jìn)行分離。50%以下是圖像中的中間調(diào)和陰影的部分，HLG使用傳統(tǒng)的伽馬曲線對圖像進(jìn)行編碼。高于50%的部分，HLG采用另一種伽馬曲線以獲得更多的亮度細(xì)節(jié)，將圖像信息直接映射到HDR兼容顯示設(shè)備的高光范圍內(nèi)。這種混合算法除了保留圖像暗部細(xì)節(jié)外，在高光部分也能較好地還原圖像細(xì)節(jié)，得到高動態(tài)范圍的圖像。

HLG同樣支持Rec.2020廣色域、10bit色深，支持HEVC，VP9，H.264/MPEG，4 AVC等視頻編碼格式，可以輕松的融人傳統(tǒng)SDR的廣播電視流程。而且，HLG是免費的，設(shè)備可以通過固件升級的方式支持HLG。

HLG并不是4K藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)的一部分，未來它可能只會使用在電視廣播信號上。另外，HLG能否在所有的電視上都呈現(xiàn)出高質(zhì)量的畫面也尚不清楚，畢竟亮度信號的拉升也可能造成渲染質(zhì)量的下降。

2017年以來，HLG的“漲粉”速度很快。索尼、三星、LG紛紛加入該陣營，推出的新品可以自動識別HLG和HDRlO信號。由于HLG的開源特性，現(xiàn)有的HDRlO設(shè)備都能通過固件更新方式來支持HLG，因此二者可以在同一臺設(shè)備上共存oHDRlO偏重于游戲和電影，HLG更適合數(shù)字電視、攝影等。實際上，HLG也在成為數(shù)碼界的新寵，日本幾大傳統(tǒng)相機(jī)廠旗下的新款高端單反/單電相機(jī)，以及大量的商用錄像設(shè)備，都提供了HLG的伽馬選項。索尼還提供了HLG、HLGl/2/3四種預(yù)設(shè)選項，其中HLG2保持了噪點消除和動態(tài)范圍的平衡;HLG1的噪點少，動態(tài)范圍相對更窄;HLG3則正好相反。HLG甚至開始蠶食移動端。目前手機(jī)上的BBCiPlayer、谷歌YouTube等已經(jīng)支持HLG格式視頻的回放。

誰能笑到最后

現(xiàn)在，又該回到本文最初的問題：這么多的HDR標(biāo)準(zhǔn)，誰能笑到最后？答案恐怕是：大家一起笑。

這些年來，作為消費者的我們被動地經(jīng)歷過很多標(biāo)準(zhǔn)大戰(zhàn)，比如錄像機(jī)時代的VHS和Beta，光盤時代的藍(lán)光和HD DVD.高清時代的HDMI和DisplayPort，移動時代的GSM和CDMA，在這些競爭中，我們只是“吃瓜”群眾，并沒有決定誰勝出的權(quán)利，還帶來了選擇上的痛苦。而面對這么多的HDR標(biāo)準(zhǔn)，我們終于不再選擇困難，因為，它們對應(yīng)著不同的領(lǐng)域。HDRlO是目前應(yīng)用最廣泛的HDR標(biāo)準(zhǔn)，Dolby Vision在電影領(lǐng)域獨孤求敗，而HLG會成為廣播電視信號的主流標(biāo)準(zhǔn)。大家不會，也不能聚到一起拼個你死我活，除非有一天，影院消失，或者廣播電視消失，否則這些HDR標(biāo)準(zhǔn)必然伴隨左右并一起發(fā)展。

現(xiàn)在，想要選購平板電視機(jī)的人也不用再被廠商的宣傳所迷惑。除了了解屏幕的亮度、色域、延遲等硬件指標(biāo)外，未來所有的電視機(jī)都將支持HLG。所以能夠同時支持HDR10+HLG將是選購HDR電視的必要條件，其他的，不用再去矣注，也能避免掉坑。