HDR 从 入门到精通。全面了解次时代影像技术核心

本文内容均为技术干货，文字共计1.1万字

然而，超高清不仅仅是提高空间分辨率。还有其他更明显的改进。其中包括更高的帧速率(HFR)、更大范围的颜色（通常称为广色域或WCG）、更高的峰值亮度以及代表每种颜色的更大位深度，从而提供从一种颜色到另一种颜色以及从一种亮度的更平滑的渐变水平到另一个。

最后两项改进相结合，可实现高动态范围或HDR。这比增加像素数的效果还要重要。在HDR显示器上播放来自UHDBlu-ray流媒体提供商的HDR内容对几乎所有看到它的人来说都是一种巨大的提升。

但投影仪是另一回事。今天的模型可以比他们的前辈产生更多的光，但它们仍然无法接近平板的亮度。另外，简单地增加投影仪的亮度实际上可能适得其反。因此，投影仪制造商必须使用HDR内容是适应其产品的功能。那么，现代投影仪该如何处理HDR内容呢？请仔细阅读，找出答案

它直接类似于音频动态范围，即音频系统可以表示和再现的最柔和和最响亮的声音之间的比率。在音频再现中，动态范围的低端是系统的本底噪声，对应于显示器的黑电平，高端是最大可再现幅度，对应于显示器的峰值亮度。

我们所看到的任何事物的亮度——或者更确切地说，是亮度——以称为坎德拉/平方米(cd/m2)的单位表示。但这是相当多的一口，所以更常见和更有效的术语是“尼特”。在谈论动态范围时，这个术语经常出现。

同样，人类视觉系统的感知动态范围非常大，但也没有那么大（见图1）。视力正常的人可以感知大约1010:1或33档的总动态范围——但不是一次性的。如果您曾经从明亮的户外直接进入黑暗的剧院，您可能会注意到有一段时间看不到太多东西。或者，您可能已经从黑暗的剧院直接进入明亮的户外，有一段时间眩光让您感到非常不舒服。

这些影响的发生是因为人类视觉系统的瞬时动态范围在任何给定时刻包含大约10,000:1或13停止，具体取决于环境中的环境光量。如果您在明亮的户外，您的动态范围会向上移动；如果你在黑暗的剧院里，它会向下移动。这些转变需要一些时间，因此当您从一个环境移动到另一个环境时，您的眼睛需要一些时间来适应。

有趣的是，虽然SDR的峰值亮度被定义为100尼特，但黑电平根本没有定义；它可以使用任何显示器的功能。0.1尼特的值很常见，但像Pioneer的Kuro等离子电视这样的显示器达到的水平要低得多，这就是它们受到如此好评的原因。（“Kuro”在日语中的意思是“黑色”。）黑电平越低，显示的动态范围越大，图像“弹出”越多。

但即使在黑电平非常低的显示器上，SDR也不能充分利用人类视觉系统的瞬时动态范围，这主要是由于当时使用的相机和显示器的限制。从那时起，技术有了显著改进，可以捕捉和显示更大的动态范围。因此，当UHD处于开发阶段时，决定将所谓的“高动态范围”（HDR）包括在UHD生态系统中。

为了准备这次升级，杜比对人类视觉、视觉图像的性质以及观众在峰值亮度方面的喜好进行了广泛的研究。该研究得出了几个结论，旨在尽可能地适应未来的HDR。

其次，重要的是要了解大多数视觉图像只有很小的超高亮度区域——例如，从汽车的镀铬保险杠反射的太阳，这被称为镜面高光。大多数图像的亮度要低得多；事实上，大多数电影大部分场景的APL（平均画面水平）都在100nits以下——也就是在SDR的范围内。

第三，经过详尽的测试，杜比发现大多数观众更喜欢高达10,000尼特的镜面高光（见图1）。没有任何商用显示器可以达到接近峰值亮度的任何地方，因此将10,000尼特作为上限有效地证明了HDR系统的未来。即使显示技术有朝一日能达到如此高的峰值亮度，也没有理由超过它，因为观众可能会抱怨不舒服。事实上，如果图像的一小部分甚至1,000尼特，他们可能会抱怨。

与SDR一样，没有定义HDR的黑电平。当然，它应该尽可能低，理想情况下，低于SDR显示器可以产生的。作为其认证过程的一部分，超高清联盟有两个最低规格。一方面，显示器必须具有至少1,000尼特的峰值亮度和不高于0.05尼特（20,000:1或13.5档）的黑电平。这显然是针对液晶电视，其亮度高于OLED显示器。在另一个规范中，显示器必须具有至少540尼特的峰值亮度和不高于0.0005尼特（1,080,000:1或20档）的黑电平。这显然是针对OLED电视的，它可以将像素关闭到纯黑色，但不能像LCD平板一样明亮。

不幸的是，几乎没有投影仪能够满足这些要求，至少在峰值亮度方面，并且没有这样的规格。

除了更深的黑色和更亮的高光外，与SDR相比，HDR的另一个好处是颜色范围更广（通常称为广色域或WCG）（见图2）。这很容易成为单独文章的主题；就目前而言，SDR的色域被称为，而HDR的色域在技术上是。但是，很少有显示器能够真正显示的全部范围，因此称为P3的中间色域通常用于HDR内容。

图2：在此图中，SDR的色域通常称为，但更准确地称为。UHD的最终色域是（在此图中称为），但很少有显示器可以达到该颜色范围，因此大多数HDR内容使用称为P3的数字电影(DCI)色域。

关于HDR中的颜色的另一点。色域实际上是在一个亮度级别上可用的颜色范围。但由于HDR包含更广泛的亮度范围，因此重要的是要考虑不同亮度级别的颜色会发生什么变化。因此，颜色体积的概念得到了更广泛的讨论（见图3）。HDR的色彩量比SDR的色彩量大得多，并且色彩在更高的亮度水平下保持更饱和。

图3：三维颜色体积考虑了亮度级别以及色调和饱和度。当亮度接近其最大值或最小值时，颜色的饱和度会降低。

当动态范围增加到远远超过SDR时，8位不再足够；连续值之间的步长变大，所以我们开始看到条带。因此，HDR必须使用更多位来保持平滑的渐变。另一方面，更多的位意味着更大的文件和带宽要求，因此必须达到平衡。

最终决定是每种颜色使用10位（见图6）。12位本来会更好，但通过仔细分配从黑色到白色的亮度值，结果证明10位就足够了。与SDR一样，黑色和白色的值不是0和1,024；他们是64和960。

图6：在SDR（8位）和HDR（10位）中，黑色和白色都没有定义为0和最大可能值，以模拟模拟电子管的软削波行为。

伽马的另一个特征是它是相对的。它与以尼特为单位的特定亮度级别无关；它只是从最小亮度到最大亮度，而没有关于显示器发出多少光的信息。我们知道SDR的峰值亮度为100尼特，因此显示器应设置为在接收到最高亮度值时输出那么多的光。

杜比对HDR的研究的一个结果是一种称为感知量化器(PQ)的新EOTF，此后它已被正式化为称为ST2084的SMPTE标准（见图8）。与伽马一样，PQ看起来有点像一条对数倒数曲线，从黑色缓慢上升，然后随着亮度值的增加而变得更陡峭。但是，伽马基于磷光体的行为并且恰好与人类视觉反应相关，而PQ实际上基于人类视觉反应，使其更适合其任务。

与gamma不同，PQ曲线只有一条；您不能像使用gamma一样选择不同的曲线。此外，PQ曲线表示以尼特为单位的绝对亮度级别。例如，亮度值为480（50%码值）时，对应的光输出为100尼特；在亮度值为720（75%代码值）时，对应的光输出为1,000尼特。如您所见，大多数亮度值表示低于1,000尼特的光级，即使PQ在亮度值为960（100%代码值）时扩展到10,000尼特。

好的，既然我们已经了解了所有背景，现在是时候了解如何为商业分发准备HDR内容，这个过程称为母版制作（见图9）。

图9：在SDR中，母带制作过程需要大大降低捕获内容的动态范围；在HDR中，一直到消费者显示器都保留了更多的动态范围。

那么，母带高峰应该是什么？许多现代液晶电视提供1000尼特甚至更高的峰值亮度，并且有几种常用的母带监视器具有相同的功能。因此，目前大多数HDR内容的峰值亮度为1,000尼特。使用称为Pulsar的特殊杜比监听器（它是液体冷却以防止过热！），一些标题以2,000甚至4,000尼特进行母带处理。为什么？我怀疑这是为了在消费者显示器可以达到4,000尼特峰值亮度的那一天对内容进行验证。

然后是使用哪种格式的问题。杜比的第一个HDR格式是HDR10，它结合了具有10位亮度值的PQ。此外，它还包括两个称为元数据的小块信息：MaxCLL和MaxFALL。MaxCLL（MaximumContentLightLevel）是整个程序中任意单个像素的最大光照度，MaxFALL（MaximumFrame-AverageLightLevel）是整个程序中任意帧的最大平均光照度。因为这些元数据只与整个程序相关，所以统称为静态元数据。

MaxCLL和MaxFALL的目的是通知显示器有关用于掌握内容的最大亮度级别。这允许显示器调整其操作以适应超过其原生能力的光照水平，这一过程称为色调映射（我将在稍后详细讨论）。

不幸的是，仅指定两个光照级别并不是很有用。例如，整部电影的一帧中可能有一个像素的亮度为4,000尼特，而大部分内容的亮度低于1,000尼特。（事实上，大多数电影和电视节目中的绝大多数图像都在100-250尼特的范围内；见图10。）因此，显示器降低了整体亮度以补偿该单个像素，并且整部电影看起来比它应该的更暗。这是静态元数据的一个大问题。尽管如此，HDR10可能是当今内容中最常用的HDR格式。

三星最近在HDR10中添加了动态元数据，称之为HDR10+。这种格式不像HDR10或杜比视界那样广泛，但亚马逊、20世纪福克斯、环球和华纳兄弟的内容以及三星、松下和TCL制造的显示器都支持它。

另一种HDR格式是HLG（混合对数伽马），分别由英国和日本广播公司BBC和NHK开发。顾名思义，HLG是一种混合格式，它对低亮度值使用伽马，对高值使用对数曲线，它根本不使用元数据（见图11）。因此，它完全向后兼容SDR显示器。HLG主要用于直播，而不是预先打包好的内容。

不幸的是，投影仪对面HDR格式的支持更为有限。所有支持HDR消费类投影仪都支持HDR10，许多还支持HLG。此外，三星Premiere超短焦投影机也支持HDR10+。但是，没有支持杜比视界的消费类投影机。事实上，唯一支持它的投影机是杜比影院中使用的科视商用投影机。

从好的方面来说，即使整个屏幕是100%的白色，投影机也可以保持其最高亮度。如果屏幕的一小部分是100%白色，则平板必须降低其峰值亮度，以防止过热和烧坏。

您可能认为增加投影仪的光输出将有助于将它们进一步带入HDR世界。但除了一些非常昂贵的例外，它真的没有。如果您大幅增加投影仪的光输出，那么黑电平也会不成比例地增加。在所有投影仪中，来自光源的光都被导向成像器，无论是DLP、LCD还是LCoS。尽管制造商尽了最大努力，光还是会在光路中的几个点上发生散射，其中一些光会从主镜头中泄漏出来，从而提高了黑电平。

另一个问题是房间反射。对于所有投影仪，从屏幕反射的一些光会在房间周围反射，最终再次撞击屏幕，从而使图像变暗。当您增加投影机的光输出时，您也会增加从房间反射返回到屏幕上的光量。当然，您可以使用深色墙壁和家具以及环境光抑制(ALR)屏幕来缓解此问题，但在许多实际情况中，投影仪的使用条件并不理想。

就HDR而言，依赖单独的屏幕是投影仪和平板之间的根本区别。平板是一个独立的系统，具有明确定义的亮度级别，而投影图像的最终亮度在很大程度上取决于屏幕的大小和类型。投影机不知道屏幕的特性或图像的最终亮度，这使得将HDR信号适应其功能变得更加困难。此外，大多数消费级平板都有抗反射屏幕，可减轻房间反射，而投影屏幕设计为反射性，导致上述问题。

接下来，考虑成像技术。为了产生黑色，DLP旋转DMD芯片上的微镜，将光引导到“光汇”并远离投影镜头，但这远非100%有效地将杂散光排除在投影图像之外。LCD和LCoS单元变暗以减少光线通过，但同样，这不是100%有效；总有一些光透过。（LCoS通常具有最佳的原生对比度，可能是因为光必须通过其LCD层两次，而不是像LCD成像中的一次。）因此，增加照射到成像器的光量意味着更多的光将泄漏到暗部图像，提高黑电平并降低动态范围。

LCD平板也有同样的问题——一些光线总是从已经关闭以产生黑色的单元中泄漏，这就是LCD电视传统上具有高黑色电平的原因。但是现在许多LCD电视都具有带局部调光(FALD)的全阵列背光，这允许图像暗部后面的背光部分或区域变暗，而图像亮部后面的区域变亮。这导致更低的黑电平和更高的动态范围。

不幸的是，几乎没有投影仪具有任何形式的局部调光。相反，大多数投影仪仅使用动态光圈或激光光源的动态调制进行全局调光。这提高了一个场景与另一个场景的对比度，但它对单帧或静态场景内的动态范围没有任何作用。

广为流传，Christie的DolbyVision投影机使用双调制——一组DMD形成图像，而另一组将其微镜划分为提供局部调光形式的区域——但杜比和科视都不会证实这一点。科视已确认其新型Eclipse投影机采用双调制技术来实现惊人的黑电平和对比度。（纽约市的海登天文馆最近安装了六台Eclipse投影仪，我们在此介绍过。）

唯一可以产生完美黑色的显示器是OLED和microLED平板显示器。这些是自发光技术，其中每个红色、绿色和蓝色子像素都发出自己的光，可以完全独立地将其调暗至0或调至最大。正如我之前提到的，OLED电视的峰值亮度可以达到700尼特左右，而microLED显示器可以达到1000尼特左右。

顺便说一句，OLED和microLED显示器会导致对比度谬误。由于它们可以在0尼特下实现真正的黑色，因此许多制造商声称这意味着它们具有无限的对比度。毕竟，任何数字除以0都等于无穷大，对吧？错误的。从技术上讲，除以0是不确定的。此外，如果黑电平为0尼特的显示器具有无限对比度，它的峰值亮度可能为1尼特，而对比度仍然是无限的！

SDR使用一组定义明确且标准化的参数来创建和显示内容（100尼特峰值亮度，色域），而HDR则不然。可以以1,000尼特、2,000尼特、4,000尼特或其他的峰值亮度来控制内容。（在内容创建和显示期间，色域可能是P3，但不一定是。）而且消费者将在具有100尼特到1,000多尼特峰值亮度的显示器上观看该内容。

因此，消费者显示器必须有某种方法来处理在不同峰值亮度级别掌握的内容，同时考虑显示器自身的峰值亮度。此过程称为色调映射，可根据需要将内容中的总亮度范围重新映射到显示器的亮度功能。

在平板的情况下，峰值亮度至少为500尼特，通常高达1,000尼特或更高，远低于面板峰值的亮度值通常准确显示在内容中的编码状态。请记住，大多数电影中的大多数场景的APL范围为100-250尼特，因此几乎任何平板都可以在不进行任何修改的情况下呈现该亮度级别。当亮度值接近并超过面板的能力时，它们会按比例缩小以保持在这些能力范围内。这是通过随着亮度值增加超过某个点而从PQ曲线“滚降”EOTF来实现的。

例如，如果平板的峰值亮度为1000尼特，并且接收到使用1,000尼特MaxCLL编码的HDR信号，则不会执行色调映射。但是，如果内容的MaxCLL为4,000尼特，则任何高于1,000的值（以及稍低于该值的一些值）都会衰减，因此内容的整个亮度范围都在显示器的亮度范围内。

杜比视界和HDR10+中的动态元数据通过告诉显示器如何对每个场景甚至每个帧进行色调映射来避免这种妥协（见图13）。

图13：使用动态元数据，显示器调整色调映射曲线以适应具有不同APL的不同类型的场景。因此，所有场景看起来都是最好的，而不是为了高APL场景而牺牲低APL，反之亦然。

色调映射的一个重要方面是保留超出显示器颜色体积的颜色的色调。例如，如果您降低蓝色的饱和度，它可能会变得有点紫色。所以任何好的色调映射算法都必须考虑到这一点。

在一种方法中，工程师将HDR母版监视器上显示的HDR内容与投影仪产生的相同内容进行比较，然后他们调整投影仪的色调映射曲线，使其图像看起来尽可能接近母版监视器。在大多数情况下，高光和深阴影细节优先于亮度范围的中间，Deering说这看起来有点人为。

另一种方法是模拟投影机峰值亮度能力的实际母带制作等级。这通常称为“修剪通道”，其中母带工程师使用与伽马非常相似的对数EOTF曲线将HDR内容重新分级，以获得峰值亮度，例如100尼特。当然，就峰值亮度而言，它变成了SDR，但具有4K/UHD分辨率、宽色域和10位亮度等级的额外好处。Deering说这种方法看起来更自然，但他强调这是个人选择。

在任何一种情况下，默认的色调映射曲线很可能是在一个黑暗的、光线控制的房间里建立的，就像母带工作室一样。但是，如果随后将投影仪安装在更明亮的环境中（例如家庭房间），图像会显得非常暗。因此，许多兼容HDR的投影仪提供了一种控件，可以针对不同的环境光量调整色调映射曲线。这些控件还提供了一些调整以解决不同HDR标题的不同亮度。Epson把这个控件叫做HDR10Setting或者HLGSetting（取决于信号的格式），JVC把它叫做HDRLevel，Sony把它叫做Contrast（HDR）。此外，JVC的影院优化器功能会根据屏幕尺寸、材料、投射距离和灯泡使用时间自动调整画面级别以获得最佳屏幕亮度。

正如我之前提到的，没有消费投影机支持杜比视界的动态元数据，在撰写本文时，只有三星的PremiereUST投影机支持HDR10+。因此，有几家公司开发了自己的动态色调映射技术。例如，JVC的FrameAdaptHDR完全忽略元数据；相反，它实时测量每一帧的平均图像电平和峰值亮度，并相应地调整色调映射曲线。LG还在其部分投影机中提供逐帧动态色调映射，称为动态色调映射，而索尼也在其最新投影机中提供一种称为动态HDR增强器的动态色调映射形式。

作为旁注，杜比影院的HDR内容是专门为他们使用的杜比视界投影机分级的。IMAX激光影院也是如此，与传统影院相比，它也具有更高的亮度和更低的黑电平。结果，那些商用投影仪根本不使用色调映射；内容完全在投影仪的能力范围内。这是专业修整通行证的一个例子。

不幸的是，SDR和HDR之间的区别在投影仪上并不明显，主要是因为大多数投影仪的图像远不及任何平板显示器那么明亮。许多现代投影机确实比它们的前辈具有更高的亮度和更低的黑色，但它们不是真正的HDR。许多业内人士认为，即使是杜比影院中的杜比视界，也不是真正的HDR。充其量，他们称之为EDR（扩展动态范围）。

这并不意味着HDR内容不能比投影仪的SDR看起来更好，但我们必须有现实的期望。此外，这在很大程度上取决于房间。如果环境光太多，图像中的中低层次细节将不可见。在这种情况下，您将调整EOTF控件以将动态范围压缩到更高级别，这实际上违背了HDR的目的。

这类似于音频母带制作中的“响度战争”，其中动态范围被压缩到接近最大电平的窄带中，因此可以在嘈杂的环境中听到一切——例如，通过汽车中的收音机。相比之下，为SACD或DVD音频制作的具有宽动态范围的音频捕获的微妙得多，但只能在安静的环境中完全欣赏。

同样，投影机可以将大部分动态范围压缩到它可以再现的最亮区域，这对于家庭房间等更明亮的环境来说是很好的。但是，如果投影仪牺牲一些整体亮度来在较低的光线水平下显示细节，那么在较亮的房间中，很多细节将是不可见的；它们只能在黑暗、光控的房间里看到，这是发烧友的领域，而不是普通消费者。

HDR内容对投影仪提出了独特的挑战，但这是一个值得面对的挑战，尤其是如果您有一个黑暗的专用影院室。查找有关如何针对HDR优化和校准投影仪的后续文章，该文章将解释如何获得最佳的HDR图像。

同时，我对HDR投影的未来充满希望。也许某种类型的双调制，例如在Christie'sEclipse中使用的那种，将在消费投影仪中提供一种局部调光形式。一种称为光控制的技术，将投影仪激光的光从图像的暗区引导到较亮的区域，也可以大大增加每帧内的动态范围。

诚然，这些创新非常昂贵，目前仅限于投影研究实验室和专业商业应用。但在未来，他们可以将消费级投影仪一路带入HDR的世界，这对于我们这些看重只有投影仪才能提供的巨幕电影体验的人来说，将是美妙的。