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(guó)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(guò)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(guò)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(méi)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(guò)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(wèn)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(jué)靈敏度較低，亮度極高時(shí)，人眼對(duì)對(duì)比的感覺(jué)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(jué)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(lái)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(jué)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(guò)，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(guò)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。

在圖像分布曲線成功還原后，HDR 將“亮度”及“色域”兩路分開處理，Dolby的處理方式之一是將YCbCr色域先轉(zhuǎn)為IPT色域，再處理亮度及色彩飽和度。而色域映射(Gamut mapping)更提出由更復(fù)雜的3D查找表(3D LUT)來(lái)完成。

當(dāng)然，使用這種HDR的技術(shù)在EOTF線性還原之后，并不一定要使用與上述一模一樣的處理方式，多數(shù)的芯片都具備有其他定制化處理方式，差別在最終的畫質(zhì)好壞而已。

圖4：PQ-HDR IPT處理方式之一。

2. 制作環(huán)境參數(shù)后送

要能使顯示器正確的還原圖像，錄像及后制的環(huán)境因素必須傳輸給顯示器，才能得到更精確的圖像還原。制作HDR環(huán)境參數(shù)必須包含以下幾項(xiàng)重要信息(CEA-8614.3規(guī)范及HDMI2.0a規(guī)范皆可看到詳細(xì)信息定義)：

——信號(hào)源的RGBW色域范圍

——顯示器的最大/最小亮度值

——視頻內(nèi)容的最大亮度值(MAX CLL)

——一個(gè)畫面中的最大亮度平均值(MAX Fall)

在實(shí)際應(yīng)用案例上，例如宜特實(shí)驗(yàn)室收到多數(shù)送來(lái)測(cè)試的HDR視頻，大多都以DCI P3色域及Mastering 4000 Cd/m2占多數(shù)，其他部分有些資料并不正確，因此顯示器在處理時(shí)可能要有一些機(jī)制判斷環(huán)境參數(shù)是否為合理值。

在HDR信號(hào)處理完畢之后，顯示器在處理系統(tǒng)時(shí)，還必須設(shè)法把亮度曲線校正為較適合人眼的Gamma 2.0～2.4，以及顏色還原到顯示器定義的色域范圍，才能完成HDR的顯示流程。

所以，正確的校正流程應(yīng)該是由信號(hào)源產(chǎn)生HDR的亮度信號(hào)，并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，顯示器收到環(huán)境參數(shù)后計(jì)算出適當(dāng)?shù)倪€原曲線，并校正為符合顯示器規(guī)格的亮度分布。

(二) BBC/NHK的HLG-HDR對(duì)應(yīng)方案

英國(guó)BBC及日本NHK電視臺(tái)，也提出了對(duì)應(yīng)的HDR 方案，稱之為對(duì)數(shù)伽瑪分布(Hybrid Log-Gamma;HLG)，相對(duì)于Dolby 的PQ-HDR，HLG在應(yīng)用上的方便性，是不需要Meta data 的傳輸，并在大部分既有的顯示芯片上經(jīng)過(guò)運(yùn)算就可以執(zhí)行，最后，再經(jīng)過(guò)最終顯示器亮度及色域的校正，便能達(dá)到HLG所宣稱的效果(技術(shù)細(xì)節(jié)參考ITU-R BT.2100.0規(guī)范)。此版本也成為業(yè)界沿用HDR產(chǎn)品的第二代規(guī)范。

圖5：HLG-HDR處理方塊圖

與PQ-HDR類似的，HLG-HDR也同樣提出對(duì)應(yīng)的OETF曲線，但是在HLG的作法上比較單純也相對(duì)精確，信號(hào)源部分將亮度依照HLG OETF分布編碼。而顯示器部分則根據(jù)反向的OETF (OETF-1)，先將信號(hào)線性化再做定制化的亮度及色彩修正，最后再根據(jù)顯示屏幕的最大、最小亮度及環(huán)境亮度還原為HLG定義的亮度分布，稱之為光-光轉(zhuǎn)換功能(OOTF)。

OOTF部分HLG特別加入了環(huán)境的亮度，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是以對(duì)數(shù)(Log)的方式呈現(xiàn)，關(guān)系式如下：

r=1+(1/5) *Log(Ypeak / Ysrround)

完整的EOTF則包含OOTF部分：

Yd=αYsr+β

α=Lw-Lb (for Y range 0～1)，β=Lb

Lw： 標(biāo)準(zhǔn)亮度峰值

Lb： Display luminance for black.

目前，HLG的最大亮度只在1，000Cd/m2下討論，并不像PQ-HDR可以延伸到4000甚至10，000Cd/m2。有趣的是在ITU-R BT.2100附錄中提到了PQ-HLG相互轉(zhuǎn)換的方式，其實(shí)只要能夠還原成線性曲線，各規(guī)范之間互轉(zhuǎn)其實(shí)都做得到的。

為HDMI導(dǎo)入HDR及其對(duì)應(yīng)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

由于HDMI是顯示型消費(fèi)性產(chǎn)品的主要接口，多數(shù)顯示產(chǎn)品會(huì)傾向先取得HDMI HDR的認(rèn)證(HDMI2.0a)，作為導(dǎo)入HDR產(chǎn)品的第一步。

HDMI協(xié)會(huì)在2015公告了HDR的標(biāo)準(zhǔn)后，便成為第一個(gè)導(dǎo)入HDR的有線傳輸界面，不再局限于圖像串流的應(yīng)用。

HDMI目前對(duì)于HDR的認(rèn)證僅限于協(xié)議(Protocol)的部分，認(rèn)證項(xiàng)目包括：

——HF1-53：Source Dynamic Range and Mastering InfoFrame–High Dynamic Range

——HF2-54：Sink EDID–HDR Static Metadata Data Block

——HF3-21：Repeater Repeated Output Port HDR

——HF3-22：Repeater Repeated Output Port Source Functionality HDR

——HF3-23：Repeater Repeated Input Port HDR

——HF3-24：Repeater Repeated Input Port Sink Functionality HDR

從作者在宜特信號(hào)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室協(xié)助客戶取得HDMI2.0a認(rèn)證與HDR定制化算法調(diào)校與量測(cè)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，大部分的客戶顯示器機(jī)種，除了“延伸顯示辨識(shí)編碼”(EDID，即有關(guān)廠商名稱分辨率與序號(hào)等屏幕數(shù)據(jù))的編輯可能有些小問(wèn)題之外，客戶通常都可以非常順利取得認(rèn)證。