剖析如何將HDR技術(shù)運(yùn)用至顯示器實(shí)現(xiàn)傳輸不失真

　　對(duì)于圖像顯示技術(shù)而言，追求貼近人眼所能見到的真實(shí)世界是必然趨勢(shì)。在4K電視技術(shù)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(jìn)。而下一關(guān)卡，“亮度動(dòng)態(tài)范圍”是目前圖像顯示畫質(zhì)欲突破的關(guān)卡。此時(shí)，“高動(dòng)態(tài)范圍 (High Dynamic Range，HDR)”就應(yīng)運(yùn)而生，成為近年在國際消費(fèi)性電子展(CES)，圖像顯示技術(shù)最熱門的討論議題，各家音像制造廠商更以提高圖像的動(dòng)態(tài)范圍為目標(biāo)，相繼投入高動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)，并訂定出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，期望對(duì)此高規(guī)格質(zhì)量把關(guān)。

　　本文首先簡(jiǎn)要介紹了HDR技術(shù);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(duì)數(shù)伽瑪分布(HLG-HDR)，剖析如何將HDR技術(shù)運(yùn)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(hào)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際案例，介紹目前顯示器主要接口HDMI如何納入HDR，以及其對(duì)應(yīng)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

　　HDR技術(shù)

　　究竟，電視/電影和手機(jī)/相機(jī)講的“HDR”到底有什么不一樣?

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

　　手機(jī)/相機(jī)的HDR：多數(shù)人應(yīng)該都有逆光拍照的經(jīng)驗(yàn)，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(jī)/相機(jī)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(dá)到高動(dòng)態(tài)的成像，使各區(qū)域都呈現(xiàn)相對(duì)清楚的圖像。

　　電視/電影的HDR：指的更像是一種標(biāo)準(zhǔn)/格式，由于視頻屬于持續(xù)的動(dòng)態(tài)圖像，如果要求顯示器每一格都像照相機(jī)一樣由3到5張組合，傳輸?shù)膸拕?shì)必會(huì)增加3到5倍，這在現(xiàn)實(shí)的環(huán)境是達(dá)不到的。視頻所討論的HDR便定義在，如何把先進(jìn)高動(dòng)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(jìn)高動(dòng)態(tài)的圖像——這也是作者在宜特實(shí)驗(yàn)室協(xié)助TFT/IPS電視及投影機(jī)等多項(xiàng)產(chǎn)品廠商進(jìn)行HDR調(diào)校時(shí)發(fā)現(xiàn)多數(shù)廠商關(guān)切的議題。

　　將HDR技術(shù)運(yùn)用至顯示器

　　首先討論杜比實(shí)驗(yàn)室(Dolby Laboratories Inc.)的Dolby Vision與BBC/NHK如何將HDR技術(shù)運(yùn)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(zhuǎn)換功能)

　　2014年就可以看到杜比實(shí)驗(yàn)室公告的Dolby Vsion白皮書，內(nèi)容是杜比實(shí)驗(yàn)室投入HDR的成果，此后在電影電視工程師協(xié)會(huì)(The Society of Motion Picture and Television Engineers;SMPTE)收納為SMPTE 2084規(guī)范，使HDR不僅成為動(dòng)態(tài)視頻錄制及播放的討論重點(diǎn)，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(shù)叫做“感知量化 (Perceptual Quantizer，PQ)”的電-光轉(zhuǎn)換功能(EOTF，將電信號(hào)轉(zhuǎn)為可見光)，這項(xiàng)技術(shù)將亮度標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際顯示設(shè)備能達(dá)到這一亮度，因此目前Dolby Vision的亮度目標(biāo)是4，000nits。

　　目前針對(duì)亮度處理的技術(shù)包括CMOS與CCD傳感器，均已能感應(yīng)高動(dòng)態(tài)范圍亮度的圖像，然而，如何將HDR圖像正確處理、儲(chǔ)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(dá)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(shí)，精準(zhǔn)還原HDR圖像。(此技術(shù)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(dá)12bit

　　Dolby的主要核心技術(shù)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(shí))人眼視覺靈敏度較低，亮度極高時(shí)，人眼對(duì)對(duì)比的感覺較飽和，而這個(gè)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(dāng)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(xiàn)給明亮部分，從而達(dá)到亮度重新分布的目的。

　　增加傳輸與處理深度達(dá)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(biāo)皆為0～10000亮度。

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

　　圖3：PQ-HDR圖像輸出端的EOTF曲線，x坐標(biāo)為0～1標(biāo)準(zhǔn)化亮度，y坐標(biāo)為0～1，024的10位編碼。