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HDR10技术

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发表时间:2017-12-07 15:48来源:小雪人兄弟
  • HDR10技术解析
  • 一、HDR概况

    HDR,全称High Dynamic Range,即高动态范围。通俗来说,HDR可以拓展显示的亮度范围,展现更多的亮部和暗部细节,为画面带来更丰富的色彩和更生动自然的细节表现,从而使得电视画面更接近人眼所见。如果说4K分辨率是对像素数量的一次提升,那么HDR显示技术则是对像素质量的一次升级。相较于4K分辨率,HDR技术所带来的视觉震撼更为明显。无论屏幕尺寸如何、观影距离多少,其对画质的提升效果都是显而易见的。

    HDR10标识

  • 二、HDR技术介绍
  • HDR概念中的“动态范围”,是指一个图像中最亮处和暗处之间的比值。
  • 人眼所能感受的亮度范围约为10-3~106nit,所能感受的瞬时对比度范围可达10000:1,而目前消费级液晶显示器的亮度一般在300~400nit左右,其亮度范围一般为2000:1。可见,人眼的亮度分辨能力远高于当前主流的显示设备。而HDR显示技术就是要提升显示的亮度范围,在使得显示亮度更亮的同时,又让呈现的黑色更黑。
  • 目前显示器对比度的限制是由1990年发布的ITU BT.709标准决定的。为了达到最佳的观看效果,该标准中的电光转换函数(EOTF)是以过去CRT显示器的特性为基础设定的。但CRT显示器的亮度一般不超过100nit,对于现在亮度可达400nit甚至1000nit的显示器而言,BT.709标准已经束缚了最佳显示效果的呈现。因此,当前不少广播电视界的机构组织均提出了新的HDR显示技术,以实现更高动态范围的显示。
  • HDR显示技术的关键是对于电光转换函数(EOTF)和光电转换函数(OETF)的定义,即电信号与光信号之间的转换规则。目前主要存在两种新的电光转换方案来替代CRT时代所使用的伽马曲线。一是杜比实验室的Dobly Vision HDR方案提出的感知量化编码(PQ,perceptual quantizer),二是由BBC和NHK联合研发的对数伽马分布(HLG, Hybrid Log Gamma)。杜比PQ可采用12bit色彩深度实现107高动态范围,其亮度范围达到10-3~104nit。该方案根据显示器端人眼对亮度分辨的阈值来确定量化比特的要求,符合人的视觉生理和视觉心理,对量化比特的使用更为经济。而BBC与NHK提出的HLG方案通过两种不同的方式来分别对HDR信号当中所包含的高光和低光部分进行解码,其中低光部分使用了标准伽马曲线(这与BT.709的标准基本相同),而高光部分(超过100nit)则使用了对数曲线,在支持HDR的同时可以兼容SDR超高清电视。
  • 然而,不同的HDR技术需要相对应的显示设备进行解码调整。一个能够显示Dobly Vision HDR格式内容的电视机,未必就能显示BBC制作的HDR内容。这就给HDR技术的大规模推广带来的一些阻碍。因此,在技术条件已经具备的情况下,标准化已经成为HDR发展亟需解决的问题。
  • 、HDR标准化

    当前,世界各地的行业标准组织都已经投入到HDR标准的制定工作中来。美国电影电视工程师协会(SMPTE)于2015年3月率先公布了电光转换函数标准SMPTE ST 2084,采纳了Dolby vision的PQ曲线。而这一标准又被其他行业组织采纳为自身标准体系的电光转换标准。

    1、蓝光光碟协会(BDA)

    BDA致力于制定超高清蓝光系列标准。2015 年 5 月 12 日,BDA 宣布完成 Ultra-HD Blu-ray 标准和商标。该标准将包括 4K 3840×2160 像素的分辨率、广色域(提升到 BT.2020 标准)、高帧速率(60fps)等,将从2015年8月24日开始授权。

    此外,该标准将支持开放 HDR,使用 10-bit HEVC 编码和 SMPTE ST 2084 标准,同时准备采用 Dolby Vision 和 Philip 建议作为选项。BDA也会将10-bit 编码和宽色域用于目前的SDR内容。

    2、美国消费电子协会(CEA)

    2015年8月,CEA 初步起草了关于电视和显示器行业产品支持 HDR 技术的内容,对“兼容HDR显示器”进行了定义。其中包括:在电视、显示器或者投影机中,至少有一个接口,可以支持 HDR 技术,而且要符合数字电视规范文件 CEA-861-F 以及未经压缩视频规范 CEA-861.3 文件中的规定。另外,还要支持 HDR10 媒体传输标准,比如可以通过 IPTV 的方式播放 HDR视频、或者通过 HDMI 接口传输 HDR视频。

    HDR10媒体档次需支持如下内容:符合SMPET ST 2084电光转换标准;色采样:4:2:0;比特深度:10比特;彩色空间符合BT.2020;支持元数据SMPTE ST 2086)。

    3、超高清联盟(UHD Alliance)

    在今年初的CES 2016上,超高清联盟发布了4K/HDR认证标识“Ultra HD Premium”。其要求设备分辨率达到3820*2160,色深达到10bit,支持BT.2020色域信号输入,显示覆盖90%以上DCI-P3色域空间。在HDR显示方面,该标准要求:符合SMPTE ST2084 电光转换标准;峰值亮度与黑位达到其中一项:

    (1)亮度1000尼特以上/黑位低于0.05尼特(主要针对LCD显示器)(2)亮度540尼特以上/黑位低于0.0005尼特(主要针对OLED显示器)

    此外,根据SMPTE研究小组2015年9月发布的《HDR影像生态系统》报告,其他组织有关HDR标准制定的计划如下:

    ATSC: 正在考虑将传输HDR内容加入ATSC3.0地面广播标准

    SCTE(有线与通信工程协会):开始研究未来HDR有线传输

    MPEG:评估HDR的影响,考虑是否需要调整HEVC压缩标准中的各种工具。HDR内容的流媒体传输也有待定义。

    日本ARIB发布了一个光电转换函数(OETF)的标准(ARIB STD-B67)

    NHK已宣布传输HDR WCG图像的时间表

    欧洲DVB正积极寻求家庭传输HDR的可能选项

    ITU-R SG-6形成了有关HDR电视系统的Rapporteur Group (RG24) Recommendations

    、HDR发展前景

    HDR并非一个孤立的技术,而是超高清电视整体规划中的一部分。与HDR的高亮度范围显示同步到来的,还将是更高的色彩深度以及更大的色彩空间范围。色彩深度越高,可支持的颜色也越多。色彩深度的增加不仅仅增加了图像的灰度值,也使得同一色系的视觉过渡更为平滑,避免了在表现渐变色彩时出现明显的分层。而新一代的超高清规范ITU BT.2020所规定的色彩范围,也将比BT.709多70%,尤其在绿、黄、青三个高亮度区域有显著的扩大。在现在已经发布的HDR标准中,均对色彩深度和色彩空间作出了相应的规定。这些参数提升共同带来了“更好的像素”显示。HDR技术将被加入到4K甚至8K显示之中,将“更好的像素”与“更多的像素”结合,重新定义显示画面。