對于圖像顯示技術(shù)而言，追求貼近人眼所能見到的真實(shí)世界是必然趨勢。在4K電視技術(shù)的普及、廣色域的使用，以及視頻播放流暢度提高到60fps，都已逐步朝人眼所見前進(jìn)。而下一關(guān)卡，“亮度動態(tài)范圍”是目前圖像顯示畫質(zhì)欲突破的關(guān)卡。此時(shí)，“高動態(tài)范圍 （High Dynamic Range，HDR）”就應(yīng)運(yùn)而生，成為近年在國際消費(fèi)性電子展（CES），圖像顯示技術(shù)最熱門的討論議題，各家音像制造廠商更以提高圖像的動態(tài)范圍為目標(biāo)，相繼投入高動態(tài)范圍技術(shù)，并訂定出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，期望對此高規(guī)格質(zhì)量把關(guān)。

本文首先簡要介紹了HDR技術(shù)；然后深入介紹了目前知名的PQ－HDR——“杜比視界 （Dolby Vision）”提出的感知量化編碼，以及BBC／NHK連手研發(fā)的混合對數(shù)伽瑪分布（HLG－HDR），剖析如何將HDR技術(shù)運(yùn)用至顯示器，使得傳輸不失真；最后則是以宜特科技（Integrated Service Technology；iST）信號測試實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際案例，介紹目前顯示器主要接口HDMI如何納入HDR，以及其對應(yīng)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

HDR技術(shù)

究竟，電視／電影和手機(jī)／相機(jī)講的“HDR”到底有什么不一樣？

HDR，多數(shù)人熟知是應(yīng)用在相機(jī)的拍攝上，然而相機(jī)上所使用的HDR技術(shù)與電視視頻的HDR，是完全不一樣的事情。

手機(jī)／相機(jī)的HDR：多數(shù)人應(yīng)該都有逆光拍照的經(jīng)驗(yàn)，大部份逆光拍照的結(jié)果，不是陰影部分黑漆漆一片，就是明亮部分全都過飽和。因此，手機(jī)／相機(jī)的HDR，就是利用加減曝光指數(shù)所拍攝的多張圖像，再通過芯片將這幾張圖像演算成為一張完整的相片；或是，由單張相片做區(qū)域性的加減光，演算達(dá)到高動態(tài)的成像，使各區(qū)域都呈現(xiàn)相對清楚的圖像。

電視／電影的HDR：指的更像是一種標(biāo)準(zhǔn)／格式，由于視頻屬于持續(xù)的動態(tài)圖像，如果要求顯示器每一格都像照相機(jī)一樣由3到5張組合，傳輸?shù)膸拕荼貢黾?到5倍，這在現(xiàn)實(shí)的環(huán)境是達(dá)不到的。視頻所討論的HDR便定義在，如何把先進(jìn)高動態(tài)廣色域的攝影圖像重新分布，并傳輸給顯示器，讓顯示器能正確的還原先進(jìn)高動態(tài)的圖像——這也是作者在宜特實(shí)驗(yàn)室協(xié)助TFT／IPS電視及投影機(jī)等多項(xiàng)產(chǎn)品廠商進(jìn)行HDR調(diào)校時(shí)發(fā)現(xiàn)多數(shù)廠商關(guān)切的議題。

將HDR技術(shù)運(yùn)用至顯示器

首先討論杜比實(shí)驗(yàn)室（Dolby Laboratories Inc．）的Dolby Vision與BBC／NHK如何將HDR技術(shù)運(yùn)用至顯示器，使得傳輸不失真。

（一） Dolby Vision PQ－HDR EOTF（感知量化－HDR電光轉(zhuǎn)換功能）

2014年就可以看到杜比實(shí)驗(yàn)室公告的Dolby Vsion白皮書，內(nèi)容是杜比實(shí)驗(yàn)室投入HDR的成果，此后在電影電視工程師協(xié)會（The Society of Motion Picture and Television Engineers；SMPTE）收納為SMPTE 2084規(guī)范，使HDR不僅成為動態(tài)視頻錄制及播放的討論重點(diǎn)，SMPTE 2084所定義的版本也成為業(yè)界沿用HDR產(chǎn)品的第一代規(guī)范。

杜比HDR的核心技術(shù)叫做“感知量化 （Perceptual Quantizer，PQ）”的電－光轉(zhuǎn)換功能（EOTF，將電信號轉(zhuǎn)為可見光），這項(xiàng)技術(shù)將亮度標(biāo)準(zhǔn)定義在10，000Nits（普通的電視亮度僅100－200nits左右）。但是，目前還沒有實(shí)際顯示設(shè)備能達(dá)到這一亮度，因此目前Dolby Vision的亮度目標(biāo)是4，000nits。

目前針對亮度處理的技術(shù)包括CMOS與CCD傳感器，均已能感應(yīng)高動態(tài)范圍亮度的圖像，然而，如何將HDR圖像正確處理、儲存并傳輸至顯示器？Dolby通過重新安排亮度分布曲線、增加傳輸及處理深度（bit width）達(dá)12bit、制作環(huán)境參數(shù)（meta data）后送等方式，以避免重新分布后亮度不連續(xù)的問題，更能在圖像傳輸至顯示器時(shí)，精準(zhǔn)還原HDR圖像。（此技術(shù)收錄在SMPTE 2084規(guī)范中。）

1．重新安排亮度分布曲線以及增加傳輸與處理深度達(dá)12bit

Dolby的主要核心技術(shù)EOTF建構(gòu)在兩部分上：依照Barten Ramp重新安排亮度分布曲線；以及增加傳輸與處理深度12bit。

根據(jù)Barten Ramp，暗部（亮度極低時(shí)）人眼視覺靈敏度較低，亮度極高時(shí)，人眼對對比的感覺較飽和，而這個(gè)曲線是建構(gòu)在人眼剛剛好可以分辨的亮度改變（JND）上。由圖像輸出端的光－電轉(zhuǎn)換功能（OETF，EOTF的反向）曲線，可以得知當(dāng)暗部的分辨率低，跳階比較粗，亮部視覺比較靈敏，所以跳階比較密。而正確的亮度分配，正好可以把暗部多出來的階數(shù)貢獻(xiàn)給明亮部分，從而達(dá)到亮度重新分布的目的。

增加傳輸與處理深度達(dá)12bit，則可以確保此分布變化不至于使視覺觀察到不連續(xù)的狀況，而總體亮度也可獲得更多階數(shù)的處理單位。

圖2：PQ－HDR圖像輸出端的OETF曲線，xy坐標(biāo)皆為0～10000亮度。

不過，任何圖像修正或重新分布的技術(shù)，必須同時(shí)提供還原的模式，否則在應(yīng)用上會有一定的困難。圖像輸出前的技術(shù)即為OETF，而圖像輸出后制處理過的視頻技術(shù)，定義為EOTF，兩者都是一條“非線性的曲線”。然而，在處理亮度校正及色域轉(zhuǎn)換議題時(shí)，必須先將信號還原成“線性曲線”，以減少后續(xù)處理的復(fù)雜度。

圖3：PQ－HDR圖像輸出端的EOTF曲線，x坐標(biāo)為0～1標(biāo)準(zhǔn)化亮度，y坐標(biāo)為0～1，024的10位編碼。

在圖像分布曲線成功還原后，HDR 將“亮度”及“色域”兩路分開處理，Dolby的處理方式之一是將YCbCr色域先轉(zhuǎn)為IPT色域，再處理亮度及色彩飽和度。而色域映射（Gamut mapping）更提出由更復(fù)雜的3D查找表（3D LUT）來完成。

當(dāng)然，使用這種HDR的技術(shù)在EOTF線性還原之后，并不一定要使用與上述一模一樣的處理方式，多數(shù)的芯片都具備有其他定制化處理方式，差別在最終的畫質(zhì)好壞而已。

圖4：PQ－HDR IPT處理方式之一。

2． 制作環(huán)境參數(shù)后送

要能使顯示器正確的還原圖像，錄像及后制的環(huán)境因素必須傳輸給顯示器，才能得到更精確的圖像還原。制作HDR環(huán)境參數(shù)必須包含以下幾項(xiàng)重要信息（CEA－8614．3規(guī)范及HDMI2．0a規(guī)范皆可看到詳細(xì)信息定義）：

——信號源的RGBW色域范圍

——顯示器的最大／最小亮度值

——視頻內(nèi)容的最大亮度值（MAX CLL）

——一個(gè)畫面中的最大亮度平均值（MAX Fall）

在實(shí)際應(yīng)用案例上，例如宜特實(shí)驗(yàn)室收到多數(shù)送來測試的HDR視頻，大多都以DCI P3色域及Mastering 4000 Cd／m2占多數(shù)，其他部分有些資料并不正確，因此顯示器在處理時(shí)可能要有一些機(jī)制判斷環(huán)境參數(shù)是否為合理值。

在HDR信號處理完畢之后，顯示器在處理系統(tǒng)時(shí)，還必須設(shè)法把亮度曲線校正為較適合人眼的Gamma 2．0～2．4，以及顏色還原到顯示器定義的色域范圍，才能完成HDR的顯示流程。

所以，正確的校正流程應(yīng)該是由信號源產(chǎn)生HDR的亮度信號，并產(chǎn)生對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，顯示器收到環(huán)境參數(shù)后計(jì)算出適當(dāng)?shù)倪€原曲線，并校正為符合顯示器規(guī)格的亮度分布。

（二） BBC／NHK的HLG－HDR對應(yīng)方案

英國BBC及日本NHK電視臺，也提出了對應(yīng)的HDR 方案，稱之為對數(shù)伽瑪分布（Hybrid Log－Gamma；HLG），相對于Dolby 的PQ－HDR，HLG在應(yīng)用上的方便性，是不需要Meta data 的傳輸，并在大部分既有的顯示芯片上經(jīng)過運(yùn)算就可以執(zhí)行，最后，再經(jīng)過最終顯示器亮度及色域的校正，便能達(dá)到HLG所宣稱的效果（技術(shù)細(xì)節(jié)參考ITU－R BT．2100．0規(guī)范）。此版本也成為業(yè)界沿用HDR產(chǎn)品的第二代規(guī)范。

圖5：HLG－HDR處理方塊圖

與PQ－HDR類似的，HLG－HDR也同樣提出對應(yīng)的OETF曲線，但是在HLG的作法上比較單純也相對精確，信號源部分將亮度依照HLG OETF分布編碼。而顯示器部分則根據(jù)反向的OETF （OETF－1），先將信號線性化再做定制化的亮度及色彩修正，最后再根據(jù)顯示屏幕的最大、最小亮度及環(huán)境亮度還原為HLG定義的亮度分布，稱之為光－光轉(zhuǎn)換功能（OOTF）。

OOTF部分HLG特別加入了環(huán)境的亮度，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是以對數(shù)（Log）的方式呈現(xiàn)，關(guān)系式如下：

r＝1＋（1／5） ＊Log（Ypeak ／ Ysrround） 

完整的EOTF則包含OOTF部分：

Yd＝αYsr＋β

α＝Lw－Lb （for Y range 0～1），β＝Lb 

Lw： 標(biāo)準(zhǔn)亮度峰值

Lb： Display luminance for black．

目前，HLG的最大亮度只在1，000Cd／m2下討論，并不像PQ－HDR可以延伸到4000甚至10，000Cd／m2。有趣的是在ITU－R BT．2100附錄中提到了PQ－HLG相互轉(zhuǎn)換的方式，其實(shí)只要能夠還原成線性曲線，各規(guī)范之間互轉(zhuǎn)其實(shí)都做得到的。

為HDMI導(dǎo)入HDR及其對應(yīng)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

由于HDMI是顯示型消費(fèi)性產(chǎn)品的主要接口，多數(shù)顯示產(chǎn)品會傾向先取得HDMI HDR的認(rèn)證（HDMI2．0a），作為導(dǎo)入HDR產(chǎn)品的第一步。

HDMI協(xié)會在2015公告了HDR的標(biāo)準(zhǔn)后，便成為第一個(gè)導(dǎo)入HDR的有線傳輸界面，不再局限于圖像串流的應(yīng)用。

HDMI目前對于HDR的認(rèn)證僅限于協(xié)議（Protocol）的部分，認(rèn)證項(xiàng)目包括：

——HF1－53：Source Dynamic Range and Mastering InfoFrame–High Dynamic Range 

——HF2－54：Sink EDID–HDR Static Metadata Data Block 

——HF3－21：Repeater Repeated Output Port HDR 

——HF3－22：Repeater Repeated Output Port Source Functionality HDR 

——HF3－23：Repeater Repeated Input Port HDR 

——HF3－24：Repeater Repeated Input Port Sink Functionality HDR 

從作者在宜特信號測試實(shí)驗(yàn)室協(xié)助客戶取得HDMI2．0a認(rèn)證與HDR定制化算法調(diào)校與量測的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，大部分的客戶顯示器機(jī)種，除了“延伸顯示辨識編碼”（EDID，即有關(guān)廠商名稱分辨率與序號等屏幕數(shù)據(jù)）的編輯可能有些小問題之外，客戶通常都可以非常順利取得認(rèn)證。