小科普 | HDR为何还没普及?

2019-10-12 19:17:36 10点赞 16收藏 3评论

HDR为何还没普及?这个话题三言两语说不清,今天我们就来聊聊这个东西。这次要说的不是手机相机拍“HDR”的功能,而是显示器的功能,他们存在着本质上的不同,前者是记录,后者是展现。

什么是HDR

全称High-Dynamic Range意思是高动态范围,亮的够亮,暗的够暗,但都有细节看的清楚,色彩更加丰富。

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相对的,自然也有SDR标准动态范围(Standard Dynamic Range)的概念,也就是我们平时接触到的显示设备符合的规范,这个规范是从CRT大屁股(显像管)时代沿用下来,比如BT.709和sRGB色域,

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传统EOTF曲线,6档动态范围;影视节目制作的100nits最高亮度标准,以及常见的8bit色深(即1670万色,256级灰度)。

其实我们小时候或多或少已经知道了有HDR这个东西,但早期都是群龙无首、各做各的,因为没法衡量谁家做的好,大多是在炒作概念、鱼目混珠。

业界标准HDR10出现

真正诞生还是得从2015年8月27日说起,因为这一天,美国消费者技术协会(CTA)制定公布了HDR10标准,免费使用、所有HDR电视都可以免费解码,这时候大家才有了统一的竞争方向。它成为了HDR的基础,主要特性如下:

1.能提供17.6档动态范围

2.建议4K(3840x2160)10bit / 8K(7680x4320)12bit分辨率和色深

3.采用16:9画面比例,支持4:2:0压缩

4.在EOTF方面SMPTEST 2084代替了Gamma2.2

5.在色域方面BT.2020代替了BT.709

6.引入了Perceptual Quantizer概念(PQ,感知量化)

7.终于取消隔行扫描,画面将更流畅

8.免费

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除了电视机和一部分显示器外,XBOXONE、PS4pro、Apple TV 4K支持的也是HDR10标准。而亮度方面,300~1000 nits都可以支持HDR10,其实并没有明确的规定,网上传闻的所谓1000nits其实是和之后要说的HDR1000搞混了。

孪生兄弟Dolby Vision

其实DolbyVIsion杜比视界比HDR10标准更早,早在2009年就已经展出过原型机,2014年就有了硬件级支持的电视,机制也颇为相同,本质上可以看作是“满血版HDR10”,要求非常高,

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1.支持10000 nits峰值亮度(目前限制为4000)

2.最低0.007 nits黑场亮度

3.要求Rec.2020色域,12bit色深

4.PG感知量化(ST2084)

5.逐帧动态元数据

6.收费

 

前面HDR10提到的Perceptual Quantizer感知量化其实就是指SMTPEST2084,由杜比开发的HDR转换方式,按照人眼灵敏度设计,把亮度等级以绝对数值进行记录。我们常用的PowerGamma会根据显示器设置的亮度影响亮部和暗部的观看细节,

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而ST2084是绝对曲线,如果100%是10000 nits,那么75%大概是1000 nits,50%是100 nits,无论你怎么调对比度都不会看到更多细节,超出最高亮度的部分并不会被溢出切掉,兼容各种最高亮度的显示设备。(这里涉及的EOTF非常复杂,建议大家有兴趣自行找文献)

同时,杜比也参与了HDR标准制定,Dolby Vision母带可以轻松转化成HDR10。不同的是,它有SDR和HDR双层编码技术,通过在SDR的基础上增加HDR增强层,实现兼容SDR设备,但需要芯片支持。

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逐帧动态元数据可以根据你每一帧的画面亮度变化、时刻改变,而HDR10只有整条视频的静态元数据。但实现DolbyVision需要专用解决方案,显示设备、播放器、片源全都符合DolbyVision硬件级认证,以及一定的版权费用,因此应用并不广泛。

再度改进HDR10+

而我们现在所知的HDR10+并不是CTA的提出的,而是2017年三星在原有基础上提出的增强版,和Dolby Vision一样支持动态元数据,可以逐帧调整亮度,峰值亮度最高4000 nits。

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同时它依然是免费开放标准,任何厂商都可以无偿使用,Amazon与之合作,可以在全球Prime Video上使用HDR10+,同时宣布合作的还有松下、飞利浦、福克斯、华纳兄弟等等。

混合的结果HLG

HLG可能用微单拍视频的小伙伴们比较熟悉,全称HybridLog Gamma即混合对数伽马,它是BBC和NHK两家广播公司合作开发的,将SDR和HDR合二为一,在SDR显示器上也能正常播放。

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从OETF曲线上来看,在信号强度0.5之前为Gamma曲线,之后为Log曲线,得到1200%的亮度范围,采用YUV编码(PG为RGB编码),特征如下:

1.支持VP-9和HEVC压缩

2.可以通过HDMI使用

3.节省带宽资源

4.支持10bit色深

5.免费

只不过HLG并不是直面消费者的需求,而是对于HDR工作流程的创作者来说,有更好的空间。比起PG系统的复杂,HLG相当简单,目的在于简化HDR流程,在相机内完成HDR编码,甚至兼容远古的CRT黑白电视,非常用户群体庞大的电视台。

硬件标准UHD Premium

2016年初成立的UHD Alliance联盟也推出了相关标准,叫做Ultra HD Premium,要求物理分辨率必须达到3840x2160(4K)、10bit色深、兼容BT.2020、色域超过90% PCI-P3,支持SMPTE ST2084 EOTF,亮度方面有两种标准:一种是画面亮度超过1000nits、黑位低于0.05 nits(LED);第二种是画面亮度超过540nits、黑位低于0.0005 nits(OLED)。

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UHD Premium是历史上第一个针对消费级HDR显示设备的硬件标准,对于LCD+LED和OLED不同特性做出了不同指标,虽然比较人性化,但要求着实不低,也算是高端设备的门槛吧。

电脑玩家专属DisplayHDR

这标准相信大家早有耳闻,因为它很容易和HDR10标准混为一谈。2017年VESA推出DP 1.4规范,次年在DP 1.4a推出时制定了针对电脑显示器的DisplayHDR标准:HDR 400、HDR 600、HDR 1000。

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名字一看就知道,要求的峰值亮度是多少。最低的HDR400标准中,要求达到峰值亮度400 nits,持续亮度320 nits,黑位要求通道亮度达到0.4 nits和角亮度0.1 nits,色域达到95% BT.709,色深达到8bit,还细分出了面板色彩精度和处理色彩精度要求,与其说是HDR标准倒不如说是非常变态的显示器品控要求。

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而HDR600算是能和普通显示器拉开较大差距了,要求峰值亮度600 nits,黑位必须低于0.1 nits(也就是说必须动态分区背光),达到99% BT.709色域、大于90% PCI-P3色域,10bit色深,黑白亮度响应时间≤8帧,能符合HDR600的显示器显然是非常出色了。

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至于HDR1000的要求就太高,有点类似前面的UHD Premium,显示器要能支持...老张我肯定买不起。比如PG27UQ、UP2718Q、PA32UC、CG3145,价格都是五位数起步,告辞。

我们得到了什么

通过HDR,我们得到了什么呢?当然是更好的画面:

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宽广的色域能展示更多的色彩,让画面更加真实、接近人眼看到的效果,灰的够灰,艳的够艳,

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而色深看似只是加了个“2”,实际上每1bit代表2的1次方,所以8bit的1670万色距离12bit的680亿色可相差太多了,它可以在有限的色域中细分出更多更精确的色彩,过渡更细腻,画面不容易断色阶。

 

为了更好的画面表现,在标准推出之前不少厂商已经着手开发了很多画质增强技术,比如动态背光调节,当“识别到画面暗的时候就降低背光亮度,画面亮的时候提高背光亮度”,提高画面的明暗表现,

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索尼的精锐光控和夏普的煌彩都是如此,但单一背光下对比度提升有限,做的不好的可能还会给你忽亮忽暗的感觉。为了达到HDR的高指标,后来就慢慢演变出了分区背光技术,可以实时分析这帧画面“哪里亮、哪里暗”,亮的地方背光更亮,暗的地方更暗,让每一帧的亮度对比度都大幅度提高

 

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以索尼65寸为例,Z9D有600多个分区,9000f只有64个,而9000e只有48个。而墙内开花墙外香的海信,在美国推出的U9D,有5376个背光分区,非常可怕。

 

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当然,分区背光只是针对LCD而言(量子点背光是LED背光变种),比较新颖的OLED有着先天优势,因为每一个像素点都是自发光的,理论对比度几乎是无限,还有着出色的功耗和体积优势...二者却也都有各自的问题:LCD+LED对比度不够高,OLED最大亮度上不去。

等你用上了HDR,回过头来看SDR,一定会觉得“画面好灰啊”,正如同用上了144Hz就回不去60Hz一样。

总结

每一种标准都有各自针对的群体,比如由于HDR10元数据是静态的,和SDR TV内容不能兼容,所以我们熟悉的广播公司大多没有引用HDR10。电影和流媒体(类似YouTube)比较亲睐DolbyVision和HDR10。电视台(比如BBC、NHK)则选择了HLG。

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但目的是一样的,都是为了呈现更好的画质。受限的主要原因,相信还是成本问题。硬件成本不只是显示设备,更多的还是拍摄设备和创作设备,需要支持HDR流程的摄像机、录制/转播设备、服务器、专业监视器、调色软件和调色台等等,这些都是我们消费者看不到的隐形成本。

 

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另一个限制的原因还是片源问题,没有HDR片源能看,我们买了也不能完美发挥HDR的效果啊。相信对于普通人来说,SDR已经满足了我们的基本需求,不太愿意花高成本去提升效果。

 

至于效果,一定要实际体验才能感受到HDR的震撼,虽然网上有各种对比图,但事实上,我们通过普通显示器或者手机,是完全不能感受到HDR带来的震撼的,这是硬件决定的。(你都不能显示HDR,拿什么对比?对比图依然是SDR的)

 

HDR毫无疑问是更棒的,是显示历史进步的新高度,老张觉得,HDR显示设备要普及至少做到两点:便宜的够便宜,让大多数人都能用上;贵的足够好,进一步提高极致体验。

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但现在离人们最近的设备——手机,已经有不少支持了HDR功能,比如索尼Xperia 1,LG G6,iPhoneX及以后OLED机型等等,手机或许是最有可能普及HDR的设备,成本低、用户广,或许等到手机大幅度支持HDR了以后,HDR才能真正开始普及吧。

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