不仅仅是更亮——HDR显示浅谈

我们希望用显示器材还原出一切人眼所能看见的事物，我们希望用音响还原出一切人耳所能听见的声响。

但这还原过程中的一大难关出在了动态范围之上----因为人眼与人耳所能捕捉到的动态范围实在太过宽广。

动态范围一般用一个物理量的最大值与最小值的比来表达。根据维基百科，我们人眼的动态范围如下：

同样的一件物体，无论是把它放在明亮的日光下，还是把它放在昏暗无月的星空下，人眼都能正常观测到它。而无月的星空之下物体的反射光强度只有烈日下的 1/1,000,000,000，这意味人眼的动态范围相当于90 dB。如果换算成档，则相当于整整30档。

--翻译自维基百科[1]

与之相对的，一块IPS LCD的典型对比度值只有1000:1，30 dB或说10档。这意味着要么这块屏幕只能还原出我们肉眼所能见到的很小一部分内容，要么则必须将原本巨大的动态范围大幅度压缩----这会让人感到一定的失真感。

另一方面来说，随着数字摄影技术的进步，如今消费级数码相机静态拍摄的动态范围也已经达到了15档甚至16档之上。这愈发显得很多消费级显示器只有1000:1的动态范围在还原诸多内容时已经显得捉襟见肘了。

在这样的情形下，HDR显示 ----即高动态范围显示的概念开始发展并进入消费者的视野。而要真正让高动态范围显示对普通消费者来说成为可行，我们既需要硬件上的升级，亦需要能匹配硬件的标准。

在本文中，我希望通过对HDR的一些标准的解析来帮助大家理解HDR和SDR理应呈现出何种不同、如何才能良好地进行HDR显示、以及现阶段的HDR显示还有哪些不足。

PQ曲线----PQ系HDR最重要的内核

在音频演进为Hi- res音频的过程中，音乐制作人们将音频文件的位深从16bit升级至24bit，从而将音频信号的动态范围从原本的96dB提升至了144dB。然而对于视频信号来说，大幅提高位深无论从制作成本、容量、传输带宽、现有硬件能力的角度来考虑都难以实现，因此在标准制定上，HDR视频只能另寻出路 ----比如在色调响应函数（后文一律简称为EOTF）上为HDR显示做出针对性的优化。

不少人都知道HDR有着众多标准，如HDR10，HDR10+，Dolby Vision，HLG等。尽管看上去标准繁复众多，但在这些标准当中，我们常见的HDR10/10+/Dolby Vision都是以PQ（为HDR显示而专门设计的一种EOTF）为根本内核，只在一些细节方面的处理上略有差别，我们可以把它们统称为PQ系HDR。了解PQ曲线的特性因而成了我们认识HDR的基础。

下图分别是PQ EOTF定义与完整的PQ 亮度vs电平图：

PQ EOTF定义

完整PQ EOTF曲线

PQ全称Perceptual Quantizer，译为中文即感知量化器，由SMPTE制定标准。这个为HDR而生的EOTF在设计之初是为了满足如下的目标[2]：

• 覆盖从0至10,000 cd/m²的动态范围

• 假设采用此曲线的实际标准使用的位深在10至12bit之间

• 通过量化人眼感知亮度的变化规律来决定该EOTF的最终表现

• 在初始灰阶尽量去吻合现有SDR标准的一些EOTF曲线。

既然需要为这些目标专门建立一个新的EOTF，那就意味现存的旧EOTF标准不能满足上述目标，那么问题出在什么地方？这就需要我们先了解旧EOTF的工作特性上为什么被认为不适合用来呈现HDR。

旧EOTF，即SDR内容通常采用的几种EOTF标准。除了之前文章中简单介绍过的sRGB以外，还有在视频制作领域更加常用的BT1886标准。sRGB与BT1886都与理想的Gamma 2.2 EOTF相当接近，但又略有不同。

Gamma 2.2 EOTF即理想的幂值为2.2的幂函数。理想情形下，如果有一块亮度范围从0到100 cd/m²的屏幕完美符合Gamma 2.2 EOTF，那么它会用50%的灰阶来显示前0 - 21.7 cd/m²的亮度，用剩下50%的灰阶显示后21.7 - 100 cd/m²的亮度。

但从CRT到今天市场上占主流份额的LCD，都存在一个客观问题，即黑位不可能达到理想情况的0 cd/m²。另外，由于大多数用户不会在完全无光的环境里观看电视，如白天不可避免的日光或夜晚的室内灯都会产生环境光，而在这样的前提下如果显示内容完全遵循Gamma 2.2的话，那么用户会感到他们看到的内容过于昏暗。

因此，sRGB在低亮度区的亮度要比Gamma 2.2明亮不少，在高亮度区则基本和Gamma 2.2没有区别。

sRGB的白点亮度被设计为80 cd/m²，而其在低亮度区较低的伽马值，也使得它假如被用于HDR显示，其效果将不会很理想。

BT1886 EOTF定义[3]

BT1886的情况则更加复杂。这个EOTF根据显示设备的具体黑位与白位性能而进行修正函数的走向。

对于黑位为0 cd/m²的理想屏幕来说，BT1886完全等同Gamma 2.4；而对于现实中一个对比度为1000:1的非理想屏幕来说，BT1886的走向则有些接近sRGB：这也使得BT1886曲线可以根据调整，让SDR内容变得类似sRGB一样，在较亮的环境下观看也不致显得过于灰暗。

该元素无法显示，请去原网站观看

尽管在实际内容制作中，0.1 cd/m²的黑位与100 cd/m²的白位是非常常见的设定，但严格意义上来说，BT1886并没有限制限制视频内容的动态范围，也就是说，它满足SMPTE的目标一，即它完全可以覆盖0-10000 cd/m²的动态范围；而同样的，BT1886-sdr内容制作时完全可以按制作人的意愿去选用10bit的位深，即是说至少从位深上并不次于HDR10标准。

BT1886从亮度变化规律来说并非不能用来呈现HDR内容。当黑位设置为0时，BT1886不像sRGB一样在低亮度区伽马过高，而10bit下BT1886也有相对来说足够的灰阶数量来显示0-100 cd/m²亮度（至少相比于8bit BT1886来说）。

由于BT1886可变最大亮度的特性，在显示设备最大亮度有限（小于10000 cd/m²时），BT1886甚至可以有效利用更多的灰阶而不像PQ一样直接将高光截断。

当纵轴继续增加到PQ的上限10000 cd/m²时，BT1886和PQ的差别变得更加明显：

既然BT1886在理论上并非不能用于呈现HDR内容，那么，PQ在表现上与BT1886的差异就成了我们理解PQ系HDR的实际设计目标的关键点。

通过对比，我们可以看出以下PQ曲线设计上刻意异于传统EOTF的地方：

• PQ曲线的值是绝对的。这意味着PQ曲线不会去匹配一块屏幕的工作特性，而是正相反：屏幕必须去匹配PQ曲线。当一块屏幕的实际最大亮度与最小亮度都无法达到理想值----0 cd/m²与10000 cd/m²时（在目前的技术水平下可以说是必然情况），它会丢失掉显示设备允许的动态范围之外的内容。
• PQ曲线的曲率极大，对灰阶的分配极不平均：PQ曲线使用520个灰阶来呈现最初100 cd/m²的亮度范围，而只用不到80个灰阶来呈现最后的整整5000 cd/m²的亮度范围。
• 因为上述两点，PQ保证了当内容灰阶均匀分布时，PQ系HDR画面的APL（average picture level，平均画面亮度）为固定的100 cd/m²----即PQ曲线的参考白点位（reference white），而不使用绝对值的EOTF（包括HLG在内）的画面平均亮度都会随着屏幕最大亮度的改变而改变。

通过这些特点我们不难看出， PQ系HDR在设计上并不希望HDR画面从整体上与SDR产生较大的亮度差异 。PQ系HDR倾向于只将高亮度用于还原极亮的高光物体上，也因此认为这部分高光区域并不需要太多的细节即可呈现；

PQ系HDR内容的主体是0-100 cd/m ²部分（我们可以将这部分简称为SDR亮度范围），PQ系HDR使用超过一半的灰阶（520个）来呈现这部分。得益于更多的灰阶数，PQ系HDR在展现SDR亮度范围内容时，将比8bit下的真SDR内容更加细腻。

这样的设计也便于内容制作者在制作HDR内容时，可以将其中的SDR亮度范围内容通过色调映射(tone mapping)后变成真正的SDR内容。

总而言之，PQ系HDR的设计目的是对现有的SDR进行延伸，而并非整体上的改变 。绝大多数SDR内容由于其白电平限制在100 cd/m²亮度，大幅度压缩了如爆炸的火焰、烈日、烛焰中心等我们感知上十分明亮的物体应有的动态，而HDR则能将这些物体的亮度更忠实地还原出来，使画面在亮度上显得更加立体。

如果要用图片来模拟HDR显示与SDR显示之间的差别，我认为是类似下图的：

左HDR右SDR（模拟）

左右两图除了高光的灯罩外，其余区域并无明显差异。对于SDR的右图来说，由于白点亮度较低，高光被截止在一个较低的亮度，因而整张图在动态范围上显得有一定的压缩感。HDR的左图的高光区域具有更多的高光细节（这点在模拟图中没能很好的展示还请谅解），同时峰值亮度也更高，使得整张图在亮度分布上更加有立体感。但如图片展示的一样，HDR并不能产生整张图片变得更加鲜艳的效果，SDR与之对比也不该显得昏暗和欠饱和。

PQ曲线设计上的一些缺陷：

作为硬币的另一面，PQ曲线与传统EOTF的差异也不可避免地带来了一些缺陷：

一、只要显示设备不能完全覆盖0-10000 cd/m ² ，那么PQ曲线就无法利用所有灰阶，显示设备也就因此无法显示出所有内容。

现阶段所有消费级显示设备都不可能完整覆盖如此大的动态范围，因此也可以说，目前的所有HDR电视/显示器都是通过 色调映射（Tone Mapping） 来显示HDR内容的。色调映射算法众多，在方向上可分为hard-clip和roll-off。hard- clip为简单但精确的方式，即将无法覆盖的内容完全截去。更好一点的做法是roll-off，即将无法覆盖的内容降低一定亮度再显示---- 尽管这样做无法忠实还原内容的绝对亮度，但相较hard-clip来说无疑能保留更多细节。

不同厂商的色调映射方法都可能不同，而较劣的色调映射算法可能导致细节缺失、高光区域欠饱和等负面效果。

除了厂商本身的色调映射算法外，HDR10+和Dolby Vision相比HDR10的一点重要差别正在于前者在视频信号中会包含动态的MetaData，用来指导显示设备做出更好的色调映射。

横线部分为丢失的高光信息，即使峰值亮度1000尼特的高端电视，也将丢失超过20%的灰阶

二、PQ曲线不可调整的特性导致PQ系HDR在不同的观看环境下无法保持一致的效果。

同样的内容，在不同的观看环境下会产生不同的效果。为解决这一问题，SDR时代的数种影音标准都可以通过一定调整从而匹配观看环境。

与之相异的，由于不可调整，PQ曲线并不能匹配用户的环境，只能由用户自行调整环境以获得理想的观看效果。

BT2100建议书给出的参考级HDR观看环境

在BT2100建议书中，我们可以查找到HDR的建议观看环境：环境光亮度不宜超过5 cd/m²。

白天或是开灯的房间环境光亮度都会远远超过5 cd/m²，而在这些观看环境下，PQ系HDR画面会不可避免地显得相对较暗。

除此之外，当用户真的将观看环境打造为理想的暗室时，电视/显示器的黑位表现在此时就显得格外重要了。在环境光强度只有 5 cd/m²的室内，几乎只有OLED等像素级控光的面板显示出来的黑色才足够暗沉。

有些厂商会因为上述原因，而将HDR显示设备的EOTF刻意设置地略高于原本的PQ曲线，但这样的偏离并不一定是内容制作人希望看到的。

三、PQ曲线在高光区域极少的灰阶分配也被人质疑不利于对高光内容进行还原。

不过好在此缺陷可以通过增加位深来解决：比如Dolby Vision就将位深增加至12bit。

广色域之于HDR的意义

PQ曲线决定HDR内容在亮度上的走向，而除了亮度外，色彩还原也是HDR显示中的重要部分。

在之前的文章中，我已经简单地介绍了色域的定义，这里不再做累述。

大部分SDR内容以sRGB/BT709作为源色域，无论从内容制作的角度来说，还是从今天消费级产品已能达到的色域来说，sRGB/BT709都已经显得太狭小了。因此，HDR标准们纷纷拥抱了更大的色域标准。

PQ系HDR皆以BT2020作为内容源色域。 与BT709不同，BT2020在色域上极为宽广，以至于BT2020 xy色度三角形边缘部分的颜色已经难以在天然的颜色中被找到，只在人工制造的霓虹灯等人造光源中才会出现如此极端的颜色。

源色域的宽广意味着内容制作人在制作时有更多余裕，但倒并不意味着消费级显示设备在还原HDR内容时也必须要拥有同等宽广的色域（目前来说也没有任何消费级产品能达到BT2020色域，not even close）

事实上因为上面提到的原因，内容制作人实际并不会轻易使用BT2020中较极端的色彩，其使用的大部分颜色仍然可以被较小的色域标准（如DCI-P3，Adobe RGB等）所覆盖。也正是因此，UHD联盟认为 消费级产品只要能覆盖超过90%的DCI-P3色域，即可认为能够良好地回放HDR内容。

对于目前的消费级显示设备来说，更重要的任务在于 色域映射。 与前文提到的色调映射相似，色域映射将源色域内容映射到较小的目标色域上。厂家实现色域映射的方法同样各不相同，理想的色域映射结果，应该是目标色域内的固有颜色相比源色域的颜色来说不会显得欠饱和，目标色域之外的颜色则按算法以不同的方式呈现。

即使一台电视原生色域表现良好，错误的色域映射仍可能导致其在饱和度上与目标产生偏移；而如果一台电视在饱和度上与目标存在较大偏移，那么其HDR显示效果是不会理想的。

两种常见的色域映射方法：相对色度与感知

HDR相关的常见错误认知与解析

应用我们对PQ曲线和色域映射的理解，我们不难发现，常见的对HDR的理解中有一些其实是错误认知：

• HDR画面应该比SDR更亮
  • 解析：亮度均匀分布的HDR画面中应该只有一部分内容比SDR更亮；如果画面中没有高光物体，那么HDR画面则可能与SDR完全一致；
• HDR画面在显示黑色时可以比SDR更黑
  • 解析：理论来说，无论显示HDR还是SDR（BT1886），显示内容的黑位都取决于显示设备本身的黑位性能；
• HDR画面出来比SDR整体上更鲜艳
  • 解析：正确的色域映射后不该产生全局性的差异，全局性的差异意味着色域映射错误；
• 买HDR显示器/电视时，最大亮度越高表现则越好
  • 解析：不一定。后文会做进一步解释。

现有硬件实现HDR的方式与存在的一些问题

我们来谈谈现有硬件实现HDR的方式，以及同时存在的一些客观问题。

HDR与字面意思一致，是以实现高动态范围为根本目标的技术。那么那些本身动态范围（对比度）不足的显示设备可能通过此技术获益吗？

或者说，假如有一块对比度1000:1的IPS LCD面板A，亮度范围为0.1 cd/m²至100 cd/m²，我可否把它的亮度提升十倍变成面板B，使其在HDR显示时具有更好的效果？

面板的对比度无法随着提高亮度而变高。B面板提升10倍亮度后亮度范围变成1 - 1000 cd/m²，但动态范围相比于之前没有任何变化，所以我们自然不能说B面板比A面板更HDR。

实际上假如这两块面板都支持HDR而遵循PQ曲线，那么B的显示效果一定会比A面板更糟。

前文已经说过，HDR内容的主体仍是0-100 cd/m²的SDR亮度范围。A面板的亮度范围按PQ曲线可以覆盖SDR亮度范围中88%的灰阶，以及整10档的动态范围；而B面板只覆盖70%的灰阶，以及不到7档的动态范围。无疑B面板能呈现更多的高光内容，然而PQ曲线的特性使得高光区域的重要性低于暗部区域，而人眼的感知规律同样是对暗部比对高光更敏感。

另一方面，前文解释过理想情况下，PQ曲线的设计目标是让APL（画面平均亮度）保持在100 cd/m²，B面板过高的黑位也将导致APL过高而整体上远离内容制作者本意。

我们可以得出一个结论： 只有在拥有高对比度的前提下，较高亮度的面板才会是更良好的HDR显示设备。

然而在市场上，不少人"HDR即等于亮"的片面观念给了商家钻空子的空间。很多原生对比度1000：1刚出头的入门级IPS显示器为了在宣传上赚足噱头而开始支持起了HDR10。这些显示器只要在hdr模式下过驱到峰值亮度400 cd/m²，就能满足vesa的hdr400认证要求，更能以高亮度的卖点吸引不了解相关知识的买家。但如上文所解释的一样，这种所谓的"HDR"并不能提升动态范围，却只会把黑点位从本已不算低的0.1 cd/m²进一步提升到0.4 cd/m²，再加上此类产品在原生位宽与色域上的不足……如此支持"HDR"，让产品在效果上相比SDR显示不但不会有提升，反而只有劣化。

相比于几乎能认证一切产品的Vesa 400/600/1000 HDR认证，UHD 联盟的HDR标准相对来说，至少更符合"高动态范围"的定义一些：

UHD联盟要求HDR设备使用10bit位深面板，色域覆盖超过90% DCI-P3，并在亮度范围上符合以下两个标准之一：

1. 0.05 cd/m² to ≥1000 cd/m²
2. 0.0005 cd/m² to ≥540 cd/m²

第一个选项对比度达20000:1, 总共超过14档动态范围。在PQ曲线的SDR亮度范围覆盖92%的灰阶以及11档的动态范围；

第二个选项对比度达1080000:1，达20档动态范围。在PQ曲线的SDR亮度范围几乎覆盖完整的灰阶以及超过17档的动态范围。

目前来说，消费级产品如要实现符合以上标准的高对比度只有两种方法：OLED与全矢量分区调光（Full Array Local Dimming，简称FALD）LCD。

OLED由于像素自发光，在显示黑色时几乎完全无光，极高的原生对比度完美符合高动态范围要求；而对于LCD来说，FALD将面板分为多个区域，不同区域按画面要求对背光强度进行调整。尽管远不如OLED理想，FALD仍能有效降低面板的黑位，以达到提升动态范围的效果。

但相对应的，当FALD区块数量有限时，在高对比度区域会出现如下图一样的Blooming效果，不仅影响观感，也影响暗部区域颜色精准度。

索尼x900f（国内x9000f）的FALD blooming演示

但LCD也存在两个胜过OLED的地方：较高的峰值亮度与较轻的ABL（自动亮度限制，Auto Brightness Limiting）。

峰值亮度较低意味着OLED上更多的高光内容会被截除；除此之外，与LCD不同，OLED为考虑寿命，不能长时间保持全像素高亮度。当HDR内容中出现短暂的、区域较小的高亮度场景时，OLED可以让这部分像素达到很高的亮度，然而当这个区域扩大、显示时间变长时，这部分区域的亮度就不得不降低，从而导致LCD在显示HDR的高光内容时会比OLED更加稳定准确。

所以也有观点认为现阶段OLED和顶级LCD在HDR显示上不分轩轾、各有所长：顶级LCD更注重高光区域的还原效果，OLED则更注重暗部区域的还原效果。像索尼这样的电视厂商也因此在市场上推行双旗舰模式： A系旗舰使用OLED技术，Z系旗舰采用LCD技术。

HDR产品的未来以及现在能做的改进

现有的消费级产品在显示HDR时皆非完美。但技术在不断进步，未来的Micro- LED技术也许就能面世并改善上面提到的大多数问题；也许全像素调光级LCD也能下降成本，不再只成为少数专业级监视器的专利，而走入面向大众的消费级产品。

即使不靠提升硬件水平，现阶段仍有一些提升HDR产品显示质量的有趣想法，比如：我们能不能通过改进色调映射的算法来提升显示质量？

事实上，像LG最新的E9电视已经内置了可由用户调控的色调映射系统；madvr的作者madshi的构想则更远大，他正在参与制作一种外置的家庭影院设备---- madvr envy[5]，用之接驳在HDR输出源与接入源之间，就能以内置的madvr对HDR信号进行处理，从而在任何HDR显示设备上都能实现智能色调映射的功能。各个途径、各个渠道都有人切实地用行动在让HDR产品变得更好。越来越多的UHD BD的发行，Netflix等流媒体的助力，以及本世代后期两大主机对HDR10的全面支持让HDR一天比一天更普及。随着市场的变大，我毫不怀疑未来的视听产品不但会变得更好，也会变得更有趣、更多样。

谨以此文写给所有对HDR显示技术感兴趣的玩家们，也希望本文中的信息能帮助想要购买HDR电视/显示器的玩家们在选择产品时变得更加得心应手。

参考资料

1. 动态范围-维基百科
2. SMPTE-A Perceptual EOTF for Extended Dynamic Range Imagery
3. ITU-R BT1886
4. ITU-R BT2100
5. madvr envy

Lightillusion - UHDTV - HDR and WCG

作者暂无likerid, 赞赏暂由本网站代持，当作者有likerid后会全部转账给作者（我们会尽力而为）。


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