什么是HDR?
农步祥 于 2018.03.16 00:00:01 | 源自:www.soomal.com | 版权:原创
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HDR是英文高动态范围的缩写,在彩电、手机和显示器等硬件以及影视资源网站上有着很高的出镜率,索尼Xperia XZ Premium、三星Galaxy S8和苹果iPhone X等2017年高端手机均开始支持HDR视频播放功能,PS4和XBOX One同样支持HDR,那么究竟HDR是什么,对于消费者用户又有哪些价值?

HDR是什么?

HDR是一整套从硬件到软件、从制作到播放多种技术规范的综合体。一般将非HDR内容称为SDR,即标准动态范围。在HDR普及前,用户的观看体验主要集中在分辨率和像素细节上,现在主流的QHD[2560x1440]甚至4K[3840x2160]使得景物越发细腻,但一帧帧静态的高分辨率图像也无非是一张高清的普通照片,色彩、质感和光线远远无法和“现实”相比。

例如在非HDR屏幕上,一张白纸和一道白色闪电的明亮程度是一致的,很显然后者的真实亮度、色彩被大幅度压缩,这也正是SDR的局限性。HDR本质上就是从多方面恢复补充这些原来无法记录的信息,获得更逼真的影像体验。目前主流的HDR标准有两种,较为开放的HDR10和杜比的Dolby Vision[杜比视界],在基本的技术规范部分,两者是大体相通的。

更生动的色彩:在1990年以来,SDR视频影像制作都遵循着REC.709标准[近似sRGB]的色域,可显示的色彩数量约为1600万,仅占人眼可识别色彩数量的36%,位深为8bit。而在HDR中,视频记录的色彩空间可扩展至2012年新推出的BT.2020[或称为REC.2020]超广色域标准,达到75%,可用色彩数量达到10亿级别,10bit位深的图像色彩将更为鲜艳和丰富。

在各类关于屏幕色彩的测试中,都可以看到一个不规则的色彩块,这一色块是通常情况下人眼能识别的色彩光谱,也被称为色域。能直观体现广色域的色彩数量优势。

高亮度[明度]范围:但对于现实世界来说,色域并不是色彩的全部要素。显示的亮度范围对于色彩显示非常重要,并且将影响颜色的观感。色彩显示范围和明度范围的结合被称为色量[3D Color Volume],其包含的色彩范围数据将呈现为基于色域为底面的3D的柱状图,在SDR中,最高亮度峰值仅为100nits,而HDR则支持最高10000nits。

这会带来什么变化?例如上图中,如果在真实世界用分光色度计测量向着阳光盛开的花朵,其黄色区域亮度最高可达14700nits,边缘的红色是2300nits,中央的花蕊和绿叶只有200nits以下,这样的光差同样能被肉眼识别,是这个世界丰富多彩的重要原因,然而根本无法在这张SDR照片和视频中体现出来。

另一个问题则是用户在使用显示设备时定义屏幕亮度带来的观感差距,例如同样的红色块,在100%、50%、0%的亮度下变成了三种实际上不同的红色。在高亮度下,色彩感觉会更强烈,在低亮度下则显得黯淡。这还不算上不同的环境光、不同的屏幕色温设定下,同样的色彩的显示差异。在HDR技术加成下,影像可记录的亮度上限提高了100倍,能够更好的还原场景原本的明暗和影调,让画面更为真实。

显示效果一致性:HDR的关键目标之一,就是尽可能保持不同设备间播放效果的一致性,由于100nit峰值亮度的SDR能显示的动态范围有限,而人眼对暗部画面的细节相对较为敏感,因此SDR以牺牲高亮度部分的画面细节而保住暗部。

传统SDR视频记录亮度只有100nits,这还会给电视厂商带来许多麻烦,我们在日常使用中,无论手机、显示器还是电视机,实际亮度通常都远大于这个数字。为了让视频信号适配更高的亮度级别便于观看,厂商通常要修改信号的色调、明暗输出以匹配当前设备的亮度,带来了不同设备之间各种五花八门的影调和色彩效果滤镜,通常还会导致画面再度失真,背离了影视作品原本的艺术表达。

即使支持HDR特性,不同的显示设备能显示的色彩和最大亮度、最小亮度差别是巨大的,显示色彩上也有很大差异,不同彩电和显示器在峰值亮度、色域表现上都会有差距。如果没有一致化的显示标准转换方式,那么即使设备支持HDR也将会同样会存在这些问题而重蹈覆辙。

感知量化器:为了HDR内容制作和HDR显示的一致性,HDR10和Dolby Vision都采用了被称为感知量化器[Perceptual Quantizer,PQ,或被称为SMPTE ST 2084]算法用于正确转换显示内容。虽然HDR可以记录BT.2020色域和10000nit峰值亮度的原始显示信息,但最终会通过PQ根据个体显示设备的能力将显示信号进行标准化的转换。我们知道,影响画面整体色彩反差程度的一个重要参数是Gamma曲线,例如在sRGB色彩标准中,Gamma值2.2正是基于SDR的100nit峰值亮度标准而定,并不适用于HDR内容。

HDR内容会使用PQ标准下的Gamma曲线来展现内容。在新的显示模式下能更好地展现景物的亮度变化和明暗细节特征。即使用户的HDR屏幕峰值亮度只有400nits,在PQ的助力下整体画面的动态和色彩丰富程度也将大幅度超越SDR。

显示元数据:除了亮度外,在色彩一致性方面,HDR内容还记录了一些显示元数据[Display Metadata]供设备使用,例如影像内容制作时所用的设备默认色域、白点颜色和亮度范围[有些类似相机的EXIF信息]。以及视频本身的数据,例如影视内容场景中的峰值亮度和平均亮度。客户端的显示设备可以根据这些元数据信息进行色调映射[从BT.2020转换至sRGB或P3]等调整,以适应自身的硬件显示水平。

HDR特征总结

从以上特点可以得知,无论是照片、在线视频、UHD蓝光、游戏等静态动态显示,HDR这一词包含的内容主要特点是:

  • 1、内容记录的色彩空间扩展至BT.2020广色域级别[更多的色彩]
    2、至少400nits以上的高亮度范围,更符合人眼对光影和色彩的观感[更高的动态范围]
    3、采用感知量化器和显示元数据将原始内容转换至显示设备能支持的色彩和明度[更好的一致性]
这些是目前HDR10和Dolby Vision等主流HDR标准共通的特征。这些特性也让HDR标准带来的视觉震撼和逼真程度远超过所有非HDR内容,如果消费者有升级和购买彩电、显示器等终端显示设备的计划,HDR硬件支持将是优先级最高的考虑因素。

HDR除了以上的基本特征,在市场和技术竞争中也逐渐产生出不同的技术标准,例如HDR10和Dolby Vision,它们尽管大致相同,但标准和技术细节上仍有明显差别,三星等企业也针对自己的电视设备推出优化版的HDR10+。又例如和感知量化器对位的另一种显示转换技术标准Hybrid Log-Gamma[HLG],后者将成为索尼、佳能、尼康等相机设备的HDR影像记录标准。如果未来有机会,我们也会针对这些细项进行科普。

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发表于2018.03.18 22:19:14
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不过依然秒杀各路手机相机传感器。最近一个被借鉴去的大概就是视杆细胞和视锥细胞的区分吧。
此帖使用Android设备提交
发表于2018.03.17 22:08:28
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发表于2018.03.17 16:25:11
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深入浅出讲明白了一个摄影常用的词,涨知识了
此帖使用HUAWEI NXT-DL00提交
发表于2018.03.16 20:01:33
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这个优化的软件还是很有用的。
发表于2018.03.16 17:39:01
27
117.177.***.***
117.177.***.***
人眼在暗光环境里对场景色彩明暗动态变化很敏感,同时也造就了“眼球”这人体上伟大的器官之一!!(哈哈,突然更想要爱护自己这个宝贝器官了)
此帖使用Win10提交
发表于2018.03.16 16:12:49
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发表于2018.03.16 15:36:26
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