剖析如何將HDR技術運用至顯示器實現(xiàn)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。

　　HDR技術

　　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驗，大部份逆光拍照的結果，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品廠商進行HDR調校時發(fā)現(xiàn)多數(shù)廠商關切的議題。

　　將HDR技術運用至顯示器

　　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。

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

　　2014年就可以看到杜比實驗室公告的Dolby Vsion白皮書，內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-光轉換功能(EOTF，將電信號轉為可見光)，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。)

　　1.重新安排亮度分布曲線以及增加傳輸與處理深度達12bit

　　Dolby的主要核心技術EOTF建構在兩部分上：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。

　　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。

　　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。