前言
不知道從什么時候起，商場里的電視機、顯示器，以及手機視頻軟件在播放視頻影像時，都開始出現(xiàn)“HDR”的字樣。最初，大家對于這個概念還比較陌生。然而，時至今日，大多數(shù)消費者看到時會心一笑——這個是提升我觀看體驗的一種新技術(shù)，能讓我看清更多圖像細(xì)節(jié)。然后會在條件允許的情況下選擇HDR模式，以體驗更棒的視覺效果。
技術(shù)的推廣，往往就是這樣”潤物細(xì)無聲“，我們今天科普的主題就是剛剛提到的另一位熟悉的陌生人——HDR。
認(rèn)識HDR
定義
HDR(High-Dynamic Range)高動態(tài)范圍技術(shù)是一種在圖像處理和顯示領(lǐng)域中常用的技術(shù)，旨在提供更廣泛的亮度范圍和更豐富的色彩細(xì)節(jié)。它通過在圖像中捕捉和顯示更多的亮度級別來提高圖像的質(zhì)量。提高了圖像和視頻的質(zhì)量和逼真度，在攝影、顯示和娛樂領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
與SDR的對比
傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)范圍（SDR）圖像通常具有相對較低的亮度級別（通常為8位），限制了它們能夠顯示的細(xì)節(jié)和色彩范圍。相比之下，HDR圖像使用更高的亮度級別（通常為10位、12位或更高），可以顯示更多的細(xì)節(jié)和更豐富的色彩。
在攝影領(lǐng)域，使用HDR技術(shù)可以通過在多個曝光下拍攝同一場景，并將這些曝光合并在一起，從而捕捉到更廣泛的亮度范圍。這樣可以在照片中還原出細(xì)節(jié)豐富的陰影區(qū)域和高亮區(qū)域，使圖像更加真實和生動。
在顯示技術(shù)中，HDR可以提供更好的視覺體驗。高動態(tài)范圍顯示器能夠顯示更高的亮度和對比度，以及更豐富的色彩范圍。這使得影片、游戲和其他圖像內(nèi)容能夠以更真實的方式展示，更好地逼近人眼所能感知的亮度和顏色。
如果從技術(shù)參數(shù)的角度而言，就是相較于SDR而言，HDR技術(shù)能提供更寬廣的色域、更深的色深以及更寬的亮度范圍（在實際情況下，顯示屏的峰值亮度能體現(xiàn)其亮度范圍）
概念描述
那么接下來我們就一起來了解一下，影像HDR功能的哪些參數(shù)究竟是什么含義？具體的概念是什么。
色域
色域（ color space），也稱色彩空間，是描述顏色范圍的一個概念。通俗描述，如果把色域看成一條過渡絲滑彩帶，這條彩帶能展現(xiàn)的顏色范圍就是色域的概念。
我們用 CIE 1931 色彩空間色度圖來表示人類所能看到的所有色彩。對比HDR的常見色域BT-2020（也稱Rec-2020），美國國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會在 1953 年訂制的NTSC色域，以及SDR常用的色域REC-709（也稱sRGB），可以看出BT-2020色域面積明顯要比其它大，所以HDR技術(shù)下的影像能展示的色彩豐富度會比較高。
色深
色深（ color depth），是描述顏色的“細(xì)膩程度”的概念，一般用單位bit來衡量。簡單理解就是單位面積內(nèi)為顏色數(shù)量的多少。數(shù)值越大畫面越細(xì)膩，同時色彩過渡就更加平滑自然。目前主流顯示器的色深一般是6 bit、8bit和10bit。
我們通過一張圖感受一下8bit和10bit的區(qū)別，可以明顯發(fā)現(xiàn)10bit影像會更細(xì)膩，而HDR技術(shù)的色深基本都是10bit及以上的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。所以呈現(xiàn)的畫面細(xì)節(jié)更多，過度更自然。
峰值亮度
峰值亮度是指顯示器可以短時間維持的最大亮度規(guī)格，單位為nit，SDR技術(shù)的峰值亮度基本在500nit左右，而HDR技術(shù)的峰值亮度基本在1000nit以上，這意味著HDR技術(shù)在色彩信息等同的情況下，可以呈現(xiàn)更有層次的圖像信息，通過差異化的灰度值使圖像的整體對比度更高。
HDR的攝影應(yīng)用
剛剛了解到HDR（高動態(tài)范圍）技術(shù)，通過擴展圖像的亮度范圍和色彩細(xì)節(jié)來提高圖像質(zhì)量。它的工作原理涉及攝影和顯示兩個方面。在攝影中，HDR技術(shù)通過多曝光和圖像合成來捕捉更廣泛的亮度范圍。具體步驟如下：
多曝光技術(shù)
攝影師拍攝同一場景的多張照片，每張照片使用不同的曝光設(shè)置。一般會拍攝一張正常曝光的照片、一張曝光過度的照片（用于捕捉陰影細(xì)節(jié)）和一張曝光不足的照片（用于捕捉高光細(xì)節(jié)）。
圖像合成
將這些曝光不同的照片合成為一張HDR圖像。合成過程中，通過比較不同曝光下的像素值，選擇最佳的像素值以還原出更廣泛的亮度范圍和更豐富的細(xì)節(jié)。
HDR的顯示應(yīng)用
在顯示設(shè)備中，HDR技術(shù)通過使用高動態(tài)范圍顯示器和相應(yīng)的HDR格式來實現(xiàn)更好的圖像質(zhì)量。具體步驟如下：
高動態(tài)范圍顯示器
HDR顯示器具有更高的亮度范圍和更高的對比度，通常使用本地區(qū)域調(diào)光（local dimming）技術(shù)來實現(xiàn)。本地區(qū)域調(diào)光允許顯示器控制特定區(qū)域的背光亮度，從而在顯示過程中提供更準(zhǔn)確的亮度級別和對比度。
HDR格式和編碼
HDR圖像和視頻使用特定的HDR格式進行編碼和傳輸。這些格式通常包含動態(tài)元數(shù)據(jù)，用于描述圖像的亮度范圍和色彩信息。在顯示過程中，顯示器會讀取這些元數(shù)據(jù)，并相應(yīng)地調(diào)整亮度和色彩，以呈現(xiàn)出更準(zhǔn)確和真實的圖像。
HDR格式類型
我們有介紹到HDR圖像有許多不同的格式，之所以會這樣，是因為存在不同的組織在運用HDR技術(shù)時，采用了不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這樣使得生成的HDR圖像格式并不統(tǒng)一，現(xiàn)存的HDR格式類型有非常多。
我們這邊列舉一些比較常見的格式，包括國外的HDR10、HDR10+、Dolby Vision、HLG（Hybrid Log-Gamma）、國內(nèi)推出的HDR Vivid（菁彩），以及DP推出的DisplayHDR。還有其它格式類型，限于篇幅這里不一一說明。上圖將這些HDR的不同數(shù)據(jù)類型的性能參數(shù)做了一個簡單對比。
元數(shù)據(jù)
在正式介紹HDR格式前，我們先要明白一個概念——元數(shù)據(jù)。
HDR的元數(shù)據(jù)表示描述視頻或圖像處理過程中的關(guān)鍵信息或者特征， 主要有兩種：靜態(tài)元數(shù)據(jù)和動態(tài)元數(shù)據(jù)。
靜態(tài)元數(shù)據(jù)規(guī)定了整個片子像素級別最大亮度上限，在ST 2086中有標(biāo)準(zhǔn)化的定義。靜態(tài)元數(shù)據(jù)的缺點是必須做全局的色調(diào)映射，沒有足夠的調(diào)節(jié)空間，兼容性不好。
動態(tài)元數(shù)據(jù)可以很好地解決這個問題。動態(tài)元數(shù)據(jù)主要有兩個方面的作用：與靜態(tài)元數(shù)據(jù)相比，它可以在每一個場景或者每一幀畫面，給調(diào)色師一個發(fā)揮的空間，以展現(xiàn)更豐富的細(xì)節(jié)；另一個方面，通過動態(tài)元數(shù)據(jù)，在目標(biāo)顯示亮度上做色調(diào)映射，可以最大程度在目標(biāo)顯示器上呈現(xiàn)作者的創(chuàng)作意圖。
HDR10
HDR10是由美國消費者技術(shù)協(xié)會（CTA）于2015年推出，是目前最常見和廣泛支持的HDR格式，被亞馬遜和Netflix等用戶，應(yīng)用在電視、顯示器和藍(lán)光光盤等媒體上。
HDR10制定了基本的標(biāo)準(zhǔn)，包括4:2:0顏色采樣，10bit色深和rec.2020顏色空間等基本規(guī)則，支持最大亮度1000nit，并且包含靜態(tài)元數(shù)據(jù)，描述了整個內(nèi)容的亮度范圍。
HDR10+
2017年4月20日由三星和亞馬遜 Video 、松下共同公布，由于杜比視界 HDR 極高的版權(quán)費用，三星等廠商不愿意支付，所以與松下、亞馬遜和20世紀(jì)福斯創(chuàng)建了 HDR10 + 聯(lián)盟，以推廣HDR10 +標(biāo)準(zhǔn)。HDR10+ 通過添加動態(tài)元數(shù)據(jù)來更新 HDR10，動態(tài)元數(shù)據(jù)可用于在逐個場景或逐幀的基礎(chǔ)上更精確地調(diào)整 HDR 的亮度級別，和杜比視界 HDR 類似，不過色深依舊是 10bit。
Dolby Vision
杜比實驗室（Dolby Laboratories）推出開發(fā)的高級HDR格式。它使用12bit色深（每個顏色通道有4096個級別），支持最大亮度為10000nit，以保證更大的亮度范圍和更高的對比度。與HDR10不同，Dolby Vision使用動態(tài)元數(shù)據(jù)，使得每個場景和幀都可以進行動態(tài)調(diào)整，以最佳方式顯示。
從Dolby Vision高規(guī)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以看出，杜比支持的HDR技術(shù)確實會更好，然而這也意味著在體驗上會更難。要想體驗到Dolby Vision，首先要求片源支持杜比格式，其次拍攝設(shè)備和輸出設(shè)備要有杜比實驗室認(rèn)證，最后需要繳納不算便宜的Dolby Vision授權(quán)費用。所以，目前而言Dolby Vision對于大多數(shù)普通人而言還比較難觸及。
HLG（Hybrid Log-Gamma）
英國BBC和日本NHK電視臺合作開發(fā)的，是4K廣播電視系統(tǒng)采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。將SDR和HDR合二為一，在SDR顯示器上也能正常播放。相比HDR10，它可以適應(yīng)檔次較低的顯示設(shè)備，亮度區(qū)間為500~2000nit，目前各大電視臺還有SONY一直在用這個技術(shù)，HLG也是免費授權(quán)，市場接受度也比較高，成本較低，最大的優(yōu)勢是兼容性特別好。然而HLG跟HDR10一樣只支持靜態(tài)元數(shù)據(jù)，這方面比起杜比視界和HDR10+稍微有所遜色。
HDR Vivid
中國超高清視頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ CUVA）聯(lián)合華為的廠商主導(dǎo)的HDR Vivid，中文名稱菁彩HDR。HDR Vivid 是中國超高清視頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，以華為海思的技術(shù)為主導(dǎo)，推出的一個中國獨創(chuàng)的HDR新標(biāo)準(zhǔn)，免授權(quán)費，同時支持動態(tài)元數(shù)據(jù)，可以對畫面信息進行幀級調(diào)整。并且對圖像的亮區(qū)和暗區(qū)有更精細(xì)化的調(diào)整。
從技術(shù)上來講已經(jīng)是和杜比視界一個層次了，但是由于起步較晚，之前的幾大 HDR 標(biāo)準(zhǔn)都已近形成了比較固定的市場份額，HDR Vivid 的在國外推廣普及會比較困難。但是目前在國內(nèi)許多媒體平臺已經(jīng)支持HDR Vivid。2021年初騰訊視頻成為全球首個上線 HDR Vivid 內(nèi)容的互聯(lián)網(wǎng)綜合視頻內(nèi)容平臺，2021年9月愛奇藝成為了網(wǎng)絡(luò)視聽行業(yè)首個全量的HDR Vivid內(nèi)容，未來HDR Vivid的支持平臺可以預(yù)見會越來越多。
DisplayHDR
視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（VESA）專為PC顯示器設(shè)定的HDR標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)最新的CTS 2019.1的 VESA DisplayHDR 和 DisplayHDR 真黑標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，將DisplayHDR標(biāo)準(zhǔn)分為5類，本別為 DisplayHDR 400、DisplayHDR 500、DisplayHDR 600、DisplayHDR 1000、DisplayHDR 1400；將DisplayHDR 真黑標(biāo)準(zhǔn)分為三類。分別為DisplayHDR True Black 400
、DisplayHDR True Black 500、DisplayHDR True Black 600。
DisplayHDR 和 DisplayHDR 真黑標(biāo)準(zhǔn)的劃分級別主要是根據(jù)色域、色深和上升時間等特性的不同來進行區(qū)分，詳見上圖。
HDR應(yīng)用范圍
攝影和攝像
在攝影和攝像領(lǐng)域，HDR技術(shù)被廣泛用于捕捉和呈現(xiàn)更廣泛的亮度范圍和更豐富的色彩細(xì)節(jié)。攝影師可以通過多曝光和圖像合成來拍攝HDR照片，以還原真實的場景光照條件。在攝像中，HDR技術(shù)能夠帶來更逼真的影像，特別是在復(fù)雜光照條件下，如室內(nèi)和室外對比度較大的情況。
電影和電視制作
在電影和電視制作中，HDR技術(shù)能夠提供更好的圖像質(zhì)量和視覺效果。通過使用HDR技術(shù)，制片人可以還原影片拍攝時真實的光照條件，呈現(xiàn)更真實、更細(xì)膩的畫面，使觀眾有更加沉浸式的觀影體驗。
游戲和VR
在游戲產(chǎn)業(yè)和虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，HDR技術(shù)可以提升游戲畫面的品質(zhì)和沉浸感。HDR游戲能夠呈現(xiàn)更真實的光照效果、更生動的場景和更豐富的色彩細(xì)節(jié)，增強了游戲的視覺吸引力和沉浸感。
顯示技術(shù)和消費電子產(chǎn)品
HDR技術(shù)在顯示器、電視和移動設(shè)備等消費電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。高動態(tài)范圍顯示器能夠提供更高的亮度和對比度，使圖像更為逼真。越來越多的電視、手機和平板電腦產(chǎn)品支持HDR功能，為用戶帶來更好的觀看體驗。
發(fā)展趨勢
AI技術(shù)的結(jié)合
近年，AI在視頻領(lǐng)域的應(yīng)用，讓我們看到視頻內(nèi)容發(fā)展的新路徑。基于AI的超分辨率技術(shù)可以實現(xiàn)低分辨率向高分辨率的提升，從而還原出大量的圖像細(xì)節(jié)；基于AI的逆色調(diào)映射（Inverse Tone Mapping）技術(shù)和色彩增強技術(shù)，可以實現(xiàn)對比度、色彩飽和度等多個層面的提升。這些提升的細(xì)節(jié)，需要用HDR視頻的高動態(tài)范圍和寬色域來進行表達(dá)。
應(yīng)用場景來說，可以將智能視頻重制劃分為智能畫質(zhì)提升和智能老片修復(fù)兩個分類。其中智能老片修復(fù)可以極大地提升傳統(tǒng)的人工修復(fù)效率，而超分和HDR則進一步提升彌補細(xì)節(jié)，調(diào)節(jié)亮度和飽和度，盡量提升到接近真4K的水平。
互聯(lián)網(wǎng)平臺的普及
HDR顯示技術(shù)的另一個趨勢是線上平臺的普及，目前在終端線下設(shè)備的應(yīng)用日趨完善，隨著HDR終端播放設(shè)備、移動終端尤其是智能手機的不斷發(fā)展，HDR顯示技術(shù)的線上化技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)十分成熟，我們可以看到，越來越多的互聯(lián)網(wǎng)平臺在普及HDR顯示技術(shù)。
以國內(nèi)為例，愛奇藝融合4K+HDR+高幀率+全景聲的技術(shù)，打造一個比“藍(lán)光”更高檔次的選項“幀綺映畫”，騰訊視頻應(yīng)用HDR10+環(huán)繞音效+藍(lán)光的技術(shù)打造了“臻彩視聽”的高級選項。還有許多其他互聯(lián)網(wǎng)視頻平臺都有對應(yīng)的HDR技術(shù)應(yīng)用極大提升了用戶的使用體驗。未來HDR在互聯(lián)網(wǎng)平臺的普及和應(yīng)用會更廣泛和深入。
格式類型的分化
短期看，現(xiàn)存的種類繁多的HDR格式不會有統(tǒng)一的趨勢，未來不短時間內(nèi)，不同類型的HDR技術(shù)會進一步分化，背后的主導(dǎo)單位為了搶占市場份額，將會繼續(xù)在自家的HDR技術(shù)上研發(fā)差異化內(nèi)容。HDR多樣格式類型的局面將會以百花齊放的形式持續(xù)在行業(yè)呈現(xiàn)。
充電頭總結(jié)
HDR（High Dynamic Range）作為一項通過提高圖像亮度范圍和色彩深度來改善圖像質(zhì)量的技術(shù)。這項技術(shù)在電視、電影、攝影、游戲等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，并且未來還有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
HDR目前存在多種不同的格式和標(biāo)準(zhǔn)，這給消費者的體驗過程帶來一些不便，但另一方面也給市場帶來了更豐富的產(chǎn)品類型，增加了可選擇性；同時在這種良性競爭中間接提升了技術(shù)改進的效率，總體而言，有利有弊。
無論如何，標(biāo)準(zhǔn)和格式的統(tǒng)一總歸是行業(yè)發(fā)展的規(guī)律，我們既期待技術(shù)壁壘消除的便利情形，也期待技術(shù)變革的美好體驗。這要求行業(yè)和消費者共同努力，將HDR的技術(shù)生態(tài)構(gòu)建的更加和諧、完善。
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