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什麼是HDR?HDR標準如何劃分?

2018-01-12

 

HDR 原本是電視行業的一個名詞,最近兩年開始越來越多地出現在移動裝置當中:首先是智能手機加入一項 HDR 拍照模式,然後有廠商宣稱自家手機有一塊 HDR 螢幕,緊接著有視頻平臺宣佈支援 HDR 播放,HDR 的確是這麼一項牽動整條影視產業鏈上下游的技術。那麼,HDR 到底指的是什麼?

HDR 是英文片語 High Dynamic Range 的縮寫,直譯過來就是“高動態範圍”,這裡的動態範圍主要指的是圖像的亮度、對比度(亮度的最小值與最大值之間的比率)。

自然界的物體顯示到螢幕上,要經過拍攝 - 壓縮 - 編碼 - 傳輸 - 解碼 - 顯示 等一系列過程,如果最終圖像能夠在螢幕上完全無損還原人眼所觀察到的景象,那麼我們就不需要“高動態範圍”這個詞了,你可以認為動態範圍是 100%。

人眼、HDR、SDR 的顏色範圍對比

而實際上,人眼能感受的亮度範圍約為10-³nit~106 nit (尼特,亮度單位),所能感受到的瞬時對比度範圍可達10000∶1,而你眼前的這塊螢幕,平均亮度也許在 300nit~400nit 左右,對比度可能在 2000∶1 ,可見螢幕要還原人眼所觀察到的景象,還有相當漫長的一條路要走。

HDR 的色深

在說明 HDR 所帶來的畫質提升之前,我們不得不先解釋 SDR (Standard Dynamic Range),即標準動態範圍,這是目前影視內容製作的主流標準。無論是影視公司製作內容,還是螢幕廠商確定產品參數,無不需要遵循這一標準。

我們知道,每一種顏色都可以由紅綠藍三原色混合而成,在 SDR 標準下,三原色的亮度被劃分成 256 級(0-255,也就是通常講的 RGB 數值),這樣,在 SDR 標準下一共可以顯示的顏色種類是 1667 萬種(256*256*256)。

256 是 2 的 8 次方,因此人為引入一個 8bit 的概念,被稱為色深,表示 SDR 標準下所能還原的顏色種類的數量。

256 級是人為強制劃分的,實際上一種顏色從最亮到最暗之間遠遠不止 256 種顏色,甚至可以無限劃分下去。

在 HDR 標準下適用的色深是 10Bit,即紅綠藍三原色均被劃分為 1024 級亮度(2 的 10 次方),這樣所能顯示的顏色種類數量為 1024 的 3 次方,約 10.7 億,對比 SDR 標準是一個指數級的提升。

下圖是 8bit 和 10bit 標準下所能顯示的顏色對比,可以很明顯地看到在 10bit 標準下,顏色的層次感更強。

8 bit 和 10 bit 所能顯示的顏色對比

因此,HDR 所謂的高動態範圍,其中之一指的就是顏色還原的亮度範圍,HDR 10bit 色深標準的圖像,擁有更加細膩的明暗顏色過渡,更加貼近人眼看到的真實情況。

而相機中所謂的 HDR 拍照模式,其實是在按下快門的瞬間連拍 3 張照片,1 張過曝,一張標準曝光,一張欠曝,最後通過軟件演算法將 3 張照片合成 1 張,截取更多的亮部和暗部細節。

這也是為什麼使用早期的 HDR 拍照模式,手機需要一定的處理時間,因為處理器性能不夠,而最新發佈的 iPhone 8 系列手機,得益於 A11 仿生處理器的強大計算能力,已經把 HDR 功能設置為默認開啟,幾乎察覺不到照片合成造成的成像延遲。

SDR 和 HDR 圖像對比

HDR 的色域

與色深相對應的另一個概念叫色域,前者表示所能顯示顏色的數量,後者表示所能顯示顏色的範圍。

目前民用 LCD/OLED 螢幕所覆蓋的顯示色域大概是 BT.709,約等於手機廠商宣傳的 95% NTSC 色域(72%NTSC = 100% sRGB),近兩年有不少手機和筆記型電腦開始支援 DCI-P3 色域,HDR 的色域標準是 BT.2020。

BT.709 和 BT.2020 的顏色還原範圍如下圖,也就是說,HDR 標準的 BT.2020 色域要遠超過現有的色域,能夠顯示更加豐富的顏色範圍。

人眼、BT.2020、BT.709 色域對比

HDR 是顏色顯示數量和顯示範圍的一次躍升,在 HDR 標準下,圖像擁有更好的亮部細節和暗部細節還原,色彩飽滿,畫質感強,能夠更加豐富逼真地顯示人眼所觀察到的色彩。

HDR 能在一張圖像中呈現從 145nit 到 14700nit 的亮度範圍

如果說智能手機發展初期螢幕解像度的飆升是對顯示像素數量的提升,那麼 HDR 則是對像素品質的一次全面提升。解像度的提升需要在合適的螢幕尺寸和觀影距離上才能感受到, HDR 則無論螢幕大小,觀影距離多少,對畫質的提升都是顯而易見的,你甚至可以理解為是從黑白電視到彩色電視的革命性體驗。

索尼公佈的超高清畫質標準,包括 5 個 維度的提升

不同的 HDR 標準

任何一項新技術的普及都伴隨著標準之爭,就好比當下手機行業炒得如火如荼的全面屏,如果沒有一家協會或者機構出來定義全面屏,那麼誰都可以宣稱自己是全面屏。當然,全面屏不是一個涉及上下游產業鏈的概念,因此制定相關標準也顯得沒那麼必要。

說回 HDR ,為了定義圖像還原能力是否真正達到相應的 HDR 標準,不同的機構制定了不同的 HDR 標準,你平常也許看到過某些電視或者顯示器宣稱支援 HDR10,這裡的 HDR10 就是其中一種 HDR 標準。

支持 HDR10 的 Dell S2718d 顯示器

在 HDR10 標準下對圖像還原能力規定了一系列條件,其中就包括我們前面提到的 10Bit 色深和 BT.2020 色彩空間,以及其他一些規範條件,只有滿足這些條件,才能宣稱自己是 HDR10。

HDR10 是一個開源標準,也是目前你能看到的最普遍的 HDR 標準,HDR10 於 2015 年 8 月 27 日由消費者科技協會公佈,迄今為止得到了戴爾,LG,三星,夏普,索尼和 Vizio 等監控和電視製造商的支援認可, PS4 和 X Box One S 遊戲主機均已支援 HDR10 標準。

在 HDR10 的基礎上,2017 年 4 月 20 日,三星和亞馬遜又聯合搞了一套 HDR10+ 標準,主要提升在於逐幀切換場景下的亮度調節,HDR10+ 目前鮮有提及,據說亞馬遜視頻後續會提供 HDR10+ 標準的視頻內容。

HDR10+ 標準公佈

另外一個不得不提的重要標準是 Dolby Vision(杜比視覺),這是杜比實驗室開發的一項超高清藍光電視標準,和開源的 HDR10 不同,只有經過杜比實驗室認證的設備,才能宣稱支援 Dolby Vision 標準,而這個認證的過程是需要給杜比公司繳費的,這些費用也間接計算到設備成本裡面,支援 Dolby Vison 標準的設備一般價格不菲。

LG Dolby Vision 畫質和普通 SDR 畫質對比

Dolby Vision 標準的色深進一步提升到 12Bit,顯示器至少需要滿足 4000 尼特的亮度,目前已經支援 Dolby Vision 超高清顯示的電視有索尼、LG 等。

此外,使用於移動裝置還有一個 Mobile HDR Premium 標準,其技術指標和 HDR10 類似,但是還有略低,大約為覆蓋 90% 的 P3 色域和 500 尼特的亮度,相比之下,HDR10 標準亮度至少在 1000 尼特以上。

總結

作為一項顯示技術,HDR 用來表示顏色還原在亮度範圍和亮度層級上的巨大提升,逼近人眼所看到的的真實畫質,是內容和顯示技術行業孜孜不倦的追求,解像度和 HDR 分別代表了在像素數量和品質兩個維度上所作出的努力。

HDR 正在從電視行業向移動裝置普及,索尼 Xperia XZ Premium 搭載了世界上第一塊手機 4K HDR 螢幕,LG G6 和 V30 也開始搭載 HDR 螢幕,HDR 有望成為手機曲面屏、全面屏之後,在移動顯示技術上的又一次技術進化。

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來源:沙發管家資訊

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