剖析如何将HDR技术运用至显示器实现传输不失真

　　对于图像显示技术而言，追求贴近人眼所能见到的真实世界是必然趋势。在4K电视技术的普及、广色域的使用，以及视频播放流畅度提高到60fps，都已逐步朝人眼所见前进。而下一关卡，“亮度动态范围”是目前图像显示画质欲突破的关卡。此时，“高动态范围 (High Dynamic Range，HDR)”就应运而生，成为近年在国际消费性电子展(CES)，图像显示技术最热门的讨论议题，各家音像制造厂商更以提高图像的动态范围为目标，相继投入高动态范围技术，并订定出相关标准，期望对此高规格质量把关。

　　本文首先简要介绍了HDR技术;然后深入介绍了目前知名的PQ-HDR——“杜比视界 (Dolby Vision)”提出的感知量化编码，以及BBC/NHK连手研发的混合对数伽玛分布(HLG-HDR)，剖析如何将HDR技术运用至显示器，使得传输不失真;最后则是以宜特科技(Integrated Service Technology;iST)信号测试实验室的实际案例，介绍目前显示器主要接口HDMI如何纳入HDR，以及其对应的认证标准。

　　HDR技术

　　究竟，电视/电影和手机/相机讲的“HDR”到底有什么不一样?

　　HDR，多数人熟知是应用在相机的拍摄上，然而相机上所使用的HDR技术与电视视频的HDR，是完全不一样的事情。

　　手机/相机的HDR：多数人应该都有逆光拍照的经验，大部份逆光拍照的结果，不是阴影部分黑漆漆一片，就是明亮部分全都过饱和。因此，手机/相机的HDR，就是利用加减曝光指数所拍摄的多张图像，再通过芯片将这几张图像演算成为一张完整的相片;或是，由单张相片做区域性的加减光，演算达到高动态的成像，使各区域都呈现相对清楚的图像。

　　电视/电影的HDR：指的更像是一种标准/格式，由于视频属于持续的动态图像，如果要求显示器每一格都像照相机一样由3到5张组合，传输的带宽势必会增加3到5倍，这在现实的环境是达不到的。视频所讨论的HDR便定义在，如何把先进高动态广色域的摄影图像重新分布，并传输给显示器，让显示器能正确的还原先进高动态的图像——这也是作者在宜特实验室协助TFT/IPS电视及投影机等多项产品厂商进行HDR调校时发现多数厂商关切的议题。

　　将HDR技术运用至显示器

　　首先讨论杜比实验室(Dolby Laboratories Inc.)的Dolby Vision与BBC/NHK如何将HDR技术运用至显示器，使得传输不失真。

　　(一) Dolby Vision PQ-HDR EOTF(感知量化-HDR电光转换功能)

　　2014年就可以看到杜比实验室公告的Dolby Vsion白皮书，内容是杜比实验室投入HDR的成果，此后在电影电视工程师协会(The Society of Motion Picture and Television Engineers;SMPTE)收纳为SMPTE 2084规范，使HDR不仅成为动态视频录制及播放的讨论重点，SMPTE 2084所定义的版本也成为业界沿用HDR产品的第一代规范。

　　杜比HDR的核心技术叫做“感知量化 (Perceptual Quantizer，PQ)”的电-光转换功能(EOTF，将电信号转为可见光)，这项技术将亮度标准定义在10，000Nits(普通的电视亮度仅100-200nits左右)。但是，目前还没有实际显示设备能达到这一亮度，因此目前Dolby Vision的亮度目标是4，000nits。

　　目前针对亮度处理的技术包括CMOS与CCD传感器，均已能感应高动态范围亮度的图像，然而，如何将HDR图像正确处理、储存并传输至显示器?Dolby通过重新安排亮度分布曲线、增加传输及处理深度(bit width)达12bit、制作环境参数(meta data)后送等方式，以避免重新分布后亮度不连续的问题，更能在图像传输至显示器时，精准还原HDR图像。(此技术收录在SMPTE 2084规范中。)

　　1.重新安排亮度分布曲线以及增加传输与处理深度达12bit

　　Dolby的主要核心技术EOTF建构在两部分上：依照Barten Ramp重新安排亮度分布曲线;以及增加传输与处理深度12bit。

　　根据Barten Ramp，暗部(亮度极低时)人眼视觉灵敏度较低，亮度极高时，人眼对对比的感觉较饱和，而这个曲线是建构在人眼刚刚好可以分辨的亮度改变(JND)上。由图像输出端的光-电转换功能(OETF，EOTF的反向)曲线，可以得知当暗部的分辨率低，跳阶比较粗，亮部视觉比较灵敏，所以跳阶比较密。而正确的亮度分配，正好可以把暗部多出来的阶数贡献给明亮部分，从而达到亮度重新分布的目的。

　　增加传输与处理深度达12bit，则可以确保此分布变化不至于使视觉观察到不连续的状况，而总体亮度也可获得更多阶数的处理单位。

　　图2：PQ-HDR图像输出端的OETF曲线，xy坐标皆为0～10000亮度。

　　不过，任何图像修正或重新分布的技术，必须同时提供还原的模式，否则在应用上会有一定的困难。图像输出前的技术即为OETF，而图像输出后制处理过的视频技术，定义为EOTF，两者都是一条“非线性的曲线”。然而，在处理亮度校正及色域转换议题时，必须先将信号还原成“线性曲线”，以减少后续处理的复杂度。

　　图3：PQ-HDR图像输出端的EOTF曲线，x坐标为0～1标准化亮度，y坐标为0～1，024的10位编码。