拒绝“死黑”与“过曝” 揭秘索尼电视是怎么处理HDR图像的

2021-02-28 17:53:22 12点赞 26收藏 14评论

很长时间以来,如何评价HDR电视在播放HDR片源时的表现是一件挺让人困扰的事情,除了了解一台电视的峰值亮度和色域容积之外,剩下的大多数依靠肉眼判断,而最常见的缺陷就是在某些HDR影片中出现夜景暗部细节难以看清,俗称死黑,或者高光细节丢失,大家习惯叫过曝,而往往作为对比机型,索尼X9000以上的档次的电视都有着更好的表现,究竟是为什么呢?

导演们越来越大胆的想法

以往的影视作品中的夜晚场景,摄影师也会进行充分的布光,既是摄影器材所限,也为了让观众能看得更清楚。

双子杀手夜景双子杀手夜景

随着影视技术的进步,像李安导演的在《双子杀手》里不仅首次尝试了120帧,更是大胆的拍摄出仅靠月光照明的夜场片段。

权游第八季第3集权游第八季第3集

以及《权力的游戏》第八季,即便是UHD HDR版本的片源,第三集大战异鬼也让人看得费眼睛,想想当时腾讯视频有多少人哀嚎什么都看不清。仅使用自然光线便可拍摄下足够的细节,允许导演用更自然真实的光影表现情节,这是HDR体系革命性的一个体现,也是10bit/PQ感知量化曲线的功劳。

非全黑环境下的HDR暗部还原难题

色彩管理系统lightillusion在一篇技术文章中也提到,SDR片源可以简单的通过提升电视亮度,包括选择不同的伽马值,以克服环境光的污染,然而面对绝对亮度的PQ曲线,即便提升显示设备峰值亮度,也无法提升整体EOTF曲线。在环境光较亮的情况下,阴影细节将变得难以看清。

杜比视界IQ(左)的对比演示杜比视界IQ(左)的对比演示

同样基于PQ曲线的杜比视界在面对这一问题时,推出了杜比视界IQ,它能够根据环境光自动调节暗部细节亮度,改变绝对亮度的还原,试图增亮图像以应对明亮环境下的观看。对于没有配备杜比视界IQ的机型,其实也还可以通过选择杜比视界明亮来改善问题,但HDR10片源就只能看电视自身的处理逻辑了。

索尼HDR10 PQ暗部还原的小秘密

之前在测试海信J70的时候,刚好有机会同时与索尼A9G和小米大师OLED同时进行对比测试,于是就测试了这三台机器在HDR10 PQ灰阶还原中的具体亮度表现。测试挑选了部分有代表性的10bit灰阶数值,这部分用相机很难拍出差异,于是用亮度计进行测量,结果见下表。

拒绝“死黑”与“过曝” 揭秘索尼电视是怎么处理HDR图像的

PQ绝对亮度值代表HDR信号要求电视机显示的亮度,可以看出索尼A9G在40nit以下灰阶会有50%的增亮,而在40nit以上则基本贴合PQ曲线要求,当然40nit这个值不准确,只是我取了这个值而已。作为对比,海信J70在暗部的还原基本与PQ曲线贴合,小米大师在某版内测固件下也有一定程度增亮,但没有索尼幅度大,而且是整体增亮(类似调节伽马),这反而容易让画面反差不够好看。

拒绝“死黑”与“过曝” 揭秘索尼电视是怎么处理HDR图像的

只提升较暗部分的灰阶亮度,这可能是索尼电视在观看类似权游和双子杀手中夜景依然清晰可见的一个原因,其实在面对“暗部死黑”的用户评价时,各品牌都在做暗部提亮的处理,最突出的要说说OPPO R1电视,对PQ曲线的还原倾向于暗部调得很亮,但这样做的结果,虽然看起来暗部细节分明,但图像反差就弱了。还是应该学习索尼,只调亮最暗的那一部分比较好。

HDR高光图像丢失细节的真相

在大概搞懂索尼在暗部灰阶的小手段之后,我本想按同样手法测试高光灰阶,结果却发现好像行不通,一方面是电视峰值亮度的不稳定性(ABL和动态分区背光的影响),另一方面在接近峰值亮度时,大量测试数值相差不大,很难发现什么逻辑。就这样过了个把月后,才逐渐想通测试方法--用眼睛看就好了。

真实亮度与人眼感知亮度变化的关系真实亮度与人眼感知亮度变化的关系

要想搞明白HDR图像为何会出现高光细节丢失,首先要明白一点,目前几乎所有的电视、显示器都无法达到PQ曲线对亮度的要求,别说10000nit,就算4000nit也只有杜比实验室自研Pulsar监视器能够达到,杜比Maui监视器可以达到2000nit,大多数影视制作工作室使用的类似索尼BMV-X300的监视器只能够达到1000nit,所以就出现一个上游产业链的问题:已发行的HDR片源最大内容亮度参差不齐。这张图还展示出来一个关键点,那就是人眼对亮度提升的非线性感知,随着电视峰值亮度的成倍提升,感受却并不会等比例增加。

要想了解某一部HDR片源高光还原丢失的真相,首先要知道具体片源的最大内容亮度,不同的HDR片源最大内容亮度有高有低,那么在片源最大内容亮度与电视机的最大峰值亮度之间存在差距,这时就要需要色调映射(Tone Mapping)来解决了,而问题也正出现在色调映射的处理过程上。

不同HDR影片的最大内容亮度不同不同HDR影片的最大内容亮度不同

HDR的色调映射简单说就是超出显示器的亮度被压缩、超出显示器件的色域被压缩,亮度压缩大概有这么几种方式:Clip裁切、roll-off滚降、关键灰阶保持(自己瞎翻的)、BT.2390等方式,如果你熟悉Photoshop灰阶曲线,那么这部分很容易理解。

裁切和滚降裁切和滚降

关键灰阶保持,其他灰阶压缩关键灰阶保持,其他灰阶压缩

毫无疑问,造成高光部分细节丢失的就是Clip/裁切,高于裁切点灰阶都被显示为白色,但可以保持裁切灰阶之下的部分正常还原;滚降是在接近真实亮度对应的灰阶时,拿出一部分灰阶压缩呈现更多更高的亮度灰阶,滚降虽然可以让高光灰阶细节得以还原,但高光灰阶会显得暗淡无层次。好像组织上推荐的是BT.2390,具体的映射方式实在太难解读,我就先忽略,在2020年也有了正式版(第8版),貌似还可以看看所谓中国HDR的文档帮助理解。

裁切和滚降都不完美,Premiere2020和Davince的预览窗口刚好选择了极端的裁切和极端的滚降,以最大内容亮度接近4000nit的小飞侠(2015)片段为例,Premire2020的预览将超过100nit(509灰阶)全部裁切,于是就看到HDR片段大部分是过曝状;

Premiere的预览窗口,高于100nit裁切Premiere的预览窗口,高于100nit裁切

而Davince17的预览则显示全部灰阶而Davince17的预览则显示全部灰阶

而Davince17的预览则显示全部灰阶,不裁切、全滚降,就跟当初不支持HDR的播放器一样,看起来非常暗淡。

拒绝“死黑”与“过曝” 揭秘索尼电视是怎么处理HDR图像的

所以,到这里应该算是把“过曝”问题的原因解释清楚了,显然这一问题从片源、到播放器、到显示设备(电视机)都有责任,制作方明知消费端没有这么高亮度的产品,其实没必要调到4000nit的内容亮度,播放器主要是指PC端或者手机端的播放软件,在后来的测试中,我发现很多具备HDR-SDR的播放软件如MPC-HC(新版自带渲染器)、VLC都在800-1000nit的地方进行裁切,windows10自带的电影与电视大概是在2000nit做裁切,这可能还与连接的显示设备EDID有关。

而电视机也有自己的映射设置,这就可能出现二次映射的问题,这也是为什么游戏主机的HDR搞了个HGIG联盟,微软和索尼希望在连接主机的时候,电视机不要介入再次映射,不过可能执行的比较好的是LG,索尼自己有一套应对办法,结果导致索尼的效果比其他人好,这个问题以后再分析。

动态色调映射:前面提到的处理方法都是拿静止帧来说,其实我发现很多电视都是动态处理的,每个场景每个帧所涵盖的亮度区间不同,具体的逻辑恐怕只有图像工程师知道,甚至只有像MTK这样的SOC厂商知道,因为很多品牌其实都只是做SDK的开发而已,当然,索尼、三星、LG 、松下肯定也知道,早几年的LG OLED还开放过用户手动设置roll-off滚降、clip裁切数值。

拒绝“死黑”与“过曝” 揭秘索尼电视是怎么处理HDR图像的

色调映射效果如何评价

那么如何知道某台电视的裁切灰阶是多少,是否能够调节呢?其实很多玩家手里都已经有了相应的测试片段(如上图,关键词R.Masciola's),通过这些文件很容易看出电视的裁切灰阶是多少,为了测试动态色调映射,我还把这三个测试文件放在了一起,这样就能看出不同灰阶区间电视是如何处理的。仅以一台峰值亮度350nit左右的比较新的SOC电视海信V3F-PRO,与峰值亮度900nit左右的一台老索尼进行展示。

拒绝“死黑”与“过曝” 揭秘索尼电视是怎么处理HDR图像的

可以看到在默认HDR模式下,V3F-PRO可以做到动态色调映射,覆盖到8500nit才做裁切,或者说看不到了,确保不出现灰阶丢失,调高对比度数值会出现裁切点位下降。

对比度47时的还原对比度47时的还原

对比度60时出现裁切对比度60时出现裁切

海信V3F-PRO的高光灰阶海信V3F-PRO的高光灰阶

不过尽管没有灰阶丢失的问题,受限于所能还原的亮度水平,在超过1000nit的灰阶部分已经连在一起无法分辨。

索尼鲜艳模式索尼鲜艳模式

回来看索尼,鲜艳模式下,裁切出现在1500nit左右,并且每个灰阶还原的色块都能清晰区分。由于鲜艳模式对比度为最大值,接下来逐步调低对比度。

对比度降至72时可还原4000nit对比度降至72时可还原4000nit

随着对比度的调低,在索尼电视上的裁切位置逐步升到4000nit以上,而且能够保持每一个灰度的色块清晰可辨,但整体画面变暗,并不会更好看。

索尼最大对比度索尼最大对比度

72对比度72对比度

到这里有几个结论可以得出:

-如果遇到电视丢失灰阶,可以尝试调低对比度直到看到细节。

-低亮度的电视虽然在比较新的SOC和动态色调映射下可以避免丢高光图像细节,但可能无法做到层次分明,较高的峰值亮度和优秀的色调映射才可以确保HDR图像层次感的完美还原。

-色调映射与对比度设置息息相关,其实这和SDR时代是一致的,亮度控制黑位、对比度控制白峰值、饱和度控制色彩细节,调节三步走仍然有效。

-一味的追求无高光裁切并不合理,只为了全片几秒钟的高光细节不丢失,让图像整体变暗并不好看,还不如骂一骂制作公司不为大众着想。

-即便一台电视亮度不算很高(OLED),依然可以享受HDR片源大部分图像细节变丰富的好处,尤其是暗景多的好莱坞片子。但对于200-300nit左右的电视、显示器,可能看SDR片源画质更好。

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我相信既然这个问题谈的越发透彻,估计国产品牌也会进一步跟上,因此决定一台电视的HDR表现能力,不止要看亮度和色域水平,也要考察色调映射的调教能力,除非4000nit峰值亮度和100%P3色域,那就不用色调映射了。

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