運用HDR技術讓高畫質(zhì)圖像傳輸不失真

對于圖像顯示技術而言，追求貼近人眼所能見到的真實世界是必然趨勢。在4K電視技術的普及、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。而下一關卡，“亮度動態(tài)范圍”是目前圖像顯示畫質(zhì)欲突破的關卡。此時，“高動態(tài)范圍 (High Dynamic Range，HDR)”就應運而生，成為近年在國際消費性電子展(CES)，圖像顯示技術最熱門的討論議題，各家音像制造廠商更以提高圖像的動態(tài)范圍為目標，相繼投入高動態(tài)范圍技術，并訂定出相關標準，期望對此高規(guī)格質(zhì)量把關。

本文首先簡要介紹了HDR技術；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技術運用至顯示器，使得傳輸不失真；最后則是以宜特科技(Integrated Service Technology；iST)信號測試實驗室的實際案例，介紹目前顯示器主要接口HDMI如何納入HDR，以及其對應的認證標準。

究竟，電視/電影和手機/相機講的“HDR”到底有什么不一樣？

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

手機/相機的HDR：多數(shù)人應該都有逆光拍照的經(jīng)驗，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/相機的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：指的更像是一種標準/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)實的環(huán)境是達不到的。視頻所討論的HDR便定義在，如何把先進高動態(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高動態(tài)的圖像——這也是作者在宜特實驗室協(xié)助TFT/IPS電視及投影機等多項產(chǎn)品廠商進行HDR調(diào)校時發(fā)現(xiàn)多數(shù)廠商關切的議題。

首先討論杜比實驗室(Dolby Laboratories Inc.)的Dolby Vision與BBC/NHK如何將HDR技術運用至顯示器，使得傳輸不失真。

2014年就可以看到杜比實驗室公告的Dolby Vsion白皮書，內(nèi)容是杜比實驗室投入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，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)，這項技術將亮度標準定義在10,000Nits(普通的電視亮度僅100-200nits左右)。但是，目前還沒有實際顯示設備能達到這一亮度，因此目前Dolby Vision的亮度目標是4,000nits。

目前針對亮度處理的技術包括CMOS與CCD傳感器，均已能感應高動態(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，精準還原HDR圖像。(此技術收錄在SMPTE 2084規(guī)范中。)

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2017-4-4 16:16 上傳

Dolby的主要核心技術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)人眼視覺靈敏度較低，亮度極高時，人眼對對比的感覺較飽和，而這個曲線是建構(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)貢獻給明亮部分，從而達到亮度重新分布的目的。

增加傳輸與處理深度達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。

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圖2：PQ-HDR圖像輸出端的OETF曲線，xy坐標皆為0~10000亮度

不過，任何圖像修正或重新分布的技術，必須同時提供還原的模式，否則在應用上會有一定的困難。圖像輸出前的技術即為OETF，而圖像輸出后制處理過的視頻技術，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，必須先將信號還原成“線性曲線”，以減少后續(xù)處理的復雜度。

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圖3：PQ-HDR圖像輸出端的EOTF曲線，x坐標為0~1標準化亮度，y坐標為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)更提出由更復雜的3D查找表(3D LUT)來完成。

當然，使用這種HDR的技術在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。

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圖4：PQ-HDR IPT處理方式之一

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)必須包含以下幾項重要信息(CEA-8614.3規(guī)范及HDMI2.0a規(guī)范皆可看到詳細信息定義)：

?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)

?一個畫面中的最大亮度平均值(MAX Fall)

在實際應用案例上，例如宜特實驗室收到多數(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可能要有一些機制判斷環(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，還必須設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，正確的校正流程應該是由信號源產(chǎn)生HDR的亮度信號，并產(chǎn)生對應的環(huán)境參數(shù)，顯示器收到環(huán)境參數(shù)后計算出適當?shù)倪€原曲線，并校正為符合顯示器規(guī)格的亮度分布。

英國BBC及日本NHK電視臺，也提出了對應的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，便能達到HLG所宣稱的效果(技術細節(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。

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圖5：HLG-HDR處理方塊圖

與PQ-HDR類似的，HLG-HDR也同樣提出對應的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，實驗的結(jié)果是以對數(shù)(Log)的方式呈現(xiàn)，關系式如下：

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: 標準亮度峰值

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，其實只要能夠還原成線性曲線，各規(guī)范之間互轉(zhuǎn)其實都做得到的。

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

HDMI協(xié)會在2015公告了HDR的標準后，便成為第一個導入HDR的有線傳輸界面，不再局限于圖像串流的應用。

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

?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驗室協(xié)助客戶取得HDMI2.0a認證與HDR定制化算法調(diào)校與量測的實際經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)，大部分的客戶顯示器機種，除了“延伸顯示辨識編碼”(EDID，即有關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證。