家庭影院组建指南 篇七:玩过了那么多4K电视和投影机,你可能依旧不知道HDR是什么

2019-06-04 14:33:42 16点赞 129收藏 33评论

创作立场声明:4K HDR产品出现在市场上也有2年多了。众多值友花大价钱买了高端4K电视和投影机,努力获得一个良好的画面体验。本文通过基本知识的普及,来帮助大家选择更合适的产品,以及调整现有设备。

UHDTV - HDR and WCG(超高清电视 - 高动态范围和广色域)

UHDTV(超高清电视 ,一般为4K),与HDR(高动态范围)- PQ(感知量化器)或HLG(混合对数伽马)EOFT(Gamma),以及WCG(广色域)。这一系列的名词是不是让人头晕?是的,人们对于这个领域的基础知识存在着非常多的误解,甚至是无知。希望今天这篇文章能为您解惑。

名词解释:

PQ - Perceptual Quantizer 感知量化

HLG - Hybrid Log-Gamma 混合对数伽马

EOTF: Electro-Optical Transfer Function 电光转换函数

 一些概念:

感知量化 – 一个模拟人类感知功能的量化函数。由杜比提出,是HDR10,杜比视界(Dolby Vision)和超高清(Ultra HD)联盟标准的一个关键部分。

混合对数伽马(HLG) - 由BBC和NHK提出,作为一种向后兼容的方式为家庭用户提供HDR内容。

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UHDTV(超高清电视)

UHDTV(超高清电视)的诞生并不一帆风顺,不同的显示器制造商定义了他们自己的“超高清”规格。

作为回应,超高清联盟发布了所谓的超高清规格称为“Ultra HD Premium”,而 Eurofins 已经推出了“4K HDR Ultra HD Logo”的计划。 

玩过了那么多4K电视和投影机,你可能依旧不知道HDR是什么

然而,UHDTV规范的各个方面可以并且经常被单独使用。例如,没有什么可以阻止标准色域(Rec709)的显示器,标准HD甚至SD分辨率,去使用高亮度范围的HDR EOTF。

HDR所面临的最大问题是人们对这方面的技术缺乏理解,究竟在技术上什么是HDR和WCG,它们对于最终显示的图像到底意味这什么。该技术文章将突出许多此类问题,并尝试解释其带来的潜在益处和问题。

 

HDR - PQ & HLG

在此篇章中,我们专注于PQ HDR和HLG HDR以及它们对显示校准,图像工作流程和最终所见图像体验的意义。虽然飞利浦/ Technicolor和EclairColor HDR格式作为LightSpace CMS中的标准HDR格式选项,但它们尚未广泛使用。因此本篇略过,以帮助简化阅读和理解。 

解决的问题列表: 

  • HDR                - 不仅仅是更亮

  • 绝对与相对        - 观看环境

  • 元数据                - 为什么需要?

  • 基于PQ的HDR    - 杜比视界,HDR10和HDR10 +

  • HLG HDR           -  BBC

  • HDR                  - 现实与相关问题

  • WCG                   - 广色域

  • UHD                   - 分辨率

注意:PQ HDR定义了HDR10,HDR10 +和Dolby Vision,因为它们都使用相同的目标色彩空间 -  Rec2020色域,带有PQ EOTF。 因此,以上格式的的校准是相同的。而基于HLG的HDR是不同的。

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HDR & BRIGHTNESS  (HDR和亮度)

人们对于HDR最大的误解:它的作用不是让整幅图像更明亮(小烧注:多数人认为HDR图像应该是比SDR图像更加明亮)。不幸的是,这似乎是大多数人对HDR的看法。HDR旨在为光谱的高光细节提供额外的亮度余量 - 例如镀铬表面反射, 太阳照亮的云,火焰,爆炸,灯泡灯丝等。 

显然,在影片制作/调色过程中,调色师/摄影导演及任何其他图像编辑人员,可以自由地使用他们认为合适的扩展亮度范围(小烧注:HDR格式的影片中,都会有一个扩展亮度的参数,从上千尼特到上万尼特不等)。但是,如果与SDR的平均图像水平预期距离太远的话,将产生意想不到的结果,并且导致最终观众对于图像质量的不满。 

必须记住,如果图像中“亮”的平均范围很大,则大多数HDR显示器不能保持对应输入信号亮度变化的线性亮度输出。只有一小部分屏幕区域可以达到“HDR亮度”的标准。 Eizo CG3145 Prominence是为数不多的能够保持输出亮度线性响应输入信号亮度的HDR显示器之一,因为它实际上是“每个像素独立背光”。

 

HDR – 对于图像亮度的真正意义

下内容直接取自ST2084(PQ EOTF)规范。 

该EOTF(ST2084)旨在创建具有增强亮度范围的视频图像; 不是为了创建具有更高全屏亮度水平的视频图像(小烧注:很意外吧,白皮书里直接说明了HDR并不代表一眼看上去亮的刺眼的画面)。 为了在具有不同输出亮度的设备上表现的一致性,内容中的平均图像亮度可能保持与当前亮度水平相似; 即中等场景曝光将产生当前标准视频或电影(SDR)的预期亮度水平。

无论显示器可以产生的最大峰值亮度如何,漫反射白色总是大约100尼特

BBC的HLG HDR标准使用75%的信号(输入)范围作为标称漫反射白色,这显然是一个“变量”,因为HLG标准是'相对'标准,而不是像PQ那样'绝对'。这与任何现有的SDR电视一致,并且在白天观看时以较高的峰值亮度运行,如大多数家庭休息室中的情况。 

漫反射白色的标称尼特值将随着显示器的峰值亮度而变化,1000尼特显示器具有大约200尼特的漫射白色,5000尼特显示器大约550尼特,具体取决于系统伽玛(有关HLG系统伽玛的信息,请参阅后面的内容))。 

所以现实情况是HDR应该只是作为SDR显示器的现有亮度范围的“添加”,这意味着可以在图像的更亮区域中看到更多细节。对于这部分信息现有SDR图像仅仅做简单的剪切,或至少滚降图像细节。 

以下直方图是SDR(标准动态范围)图像与其PQ HDR等效图像之间差异的简化视图。

请注意,APL(平均图像亮度)在SDR和ST2084  HDR图像之间保持大致一致,只有对比度范围和镜面高光亮度增加。

玩过了那么多4K电视和投影机,你可能依旧不知道HDR是什么

这是基于PQ的图表,并且是为重视色彩的调色环境指定的。对于基于HLG的HDR,漫射白点不是固定的,并且在较高亮度显示器上被标称定义为更高,因为HLG针对电视广播图像,在更明亮的家庭环境中观看。有关PQ vs HLG,扩散白色的更多信息以及此带来的潜在问题,请参见下文。 

无论如何,如果理解了HDR的标称漫射白色方法,并且是基于使用镜面高光的额外亮度范围而创建的图像,就可能将HDR的真正潜力展现出来。

 

ABSOLUTE VS. RELATIVE - PQ VS.HLG(绝对 VS. 相对 – PQ VS. HLG)

在家看电视时接受的一件事:我们设置电视的最高亮度以适应放置电视机的观看环境 - 最常见的是客厅。这显然忽略了视频发烧友的具有环境光控制的真正家庭影院房(小烧注:往往是遮光良好,具有接近全黑环境的房间),但他们不是观看家庭电视的通常人群。 

虽然我们知道并了解SDR的调色显示器已经校准到100尼特,但我们也知道它将被安置在受控的调整环境中,几乎没有环境光。 SDR的“相对伽马”实现方式的优点:电视可以简单地调得更亮,以克服无法控制的光污染环境,包括使用不同的伽玛值。 

基于PQ的HDR被用于家庭观看时,人们经常忽视的潜在问题之一:因为标准是“绝对的”,所以没有办法增加显示器的光输出以克服周围的房间光亮水平 - 峰值亮度不能增加,也不能改变已固定的伽马(EOTF)曲线。

如上所述,对于基于PQ的HDR,平均图像亮度(APL)将与常规SDR(标准动态范围)图像匹配。结果是,在不太理想的观看环境中,光线亮度水平相对较高,PQ HDR图像的大部分将显得非常暗,阴影细节可能变得非常难以看到。 

为了能够观察基于PQ的“绝对”HDR图像,必须非常小心地控制环境光水平,远远超过SDR的观看水平。这意味着需要真正的家庭影院环境。 

或者,PQ EOTF(伽马)必须被故意“打破”以允许更明亮的图像 - 许多电视都这样做!(小烧注:为了让HDR图像看上去更讨人喜欢,许多厂家都没有按照标准的“绝对”的PQ伽马来调教显示设备) 

为了支持这一说法,指定为基于PQ的HDR观看所需的平均环境照度水平是5尼特,而对于SDR,它总是被指定为显示器的最大亮度的10%。不幸的是,SDR的环境照明规范已经(错误地)改为5尼特......这不是一个明智的改变。

 

PQ - AN ABSOLUTE STANDARD (PQ – 一个绝对的标准)

将PQ称为“绝对”标准意味着对于每个输入数据存在必须遵守的绝对输出亮度值。例如更改伽玛曲线(EOTF)或增加显示器的亮度输出(因为这个参数已达到最大值),都是不允许的。

(以上说法忽略动态元数据,稍后将详细介绍。) 

下表显示了亮度为1000nit电视的示例PQ EOTF。

玩过了那么多4K电视和投影机,你可能依旧不知道HDR是什么

 使用基于HLG的“相对”HDR这可能不是问题,因为相对HDR标准可以缩放为与传统SDR电视完全相同,并且还包括基于环境照度的系统伽玛变量,专门用于克服环境光问题 

但是,如果显示器的峰值亮度低于接近 1000尼特,HLG的HDR也会有其自身的问题,表现为HDR图像的平均图像亮度比等效的SDR图像看起来更暗。这是由于其标称漫射白点低于设置为200至250尼特的SDR电视机的实际峰值亮度,这个亮度的SDR电视在家庭观看环境中很常见。 

有关PQ和HLG标准的EOTF曲线的更多具体信息,请参见后面的内容。

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META-DATA (元数据)

基于PQ的HDR使用嵌入在信号内的元数据,向接收显示器提供关于调色显示的参数,以及图像内容的信息。接收显示器使用该信息来“猜测”其最佳配置以显示图像内容。 

注意:术语“猜测”不是负面的,而是因为元数据的应用取决于精确校准的显示设备,不幸的是,目前还没有真正可行的方法来校准HDR电视。

基于PQ的HDR元数据有两种形式 - 静态和动态。

静态和动态元数据,都包含影片后期制作用显示器的RGB原色,白点色度和最小/最大亮度的色度坐标。它还包括最大帧平均亮度(MaxFALL),它是给定影片/场景中最高的帧平均亮度,以及最大内容光级(MaxCLL),它定义了最亮像素的亮度。 

正如您所假设的那样,静态元数据在给定影片的整个持续时间内使用相同的值,而动态元数据则根据需要经常更改 - 可能在逐帧的基础上更改。 

HDR10使用静态元数据,而Dolby Vision和HDR10 +使用动态元数据。

  

BUT, WHY DO WE NEED META-DATA? (但是,为何我们需要元数据?)

元数据的存在确实只是出于一个原因 - 当引入HDR这个标准时,普通电视无法匹配“后期制作/调色用显示设备”的峰值亮度和色域覆盖范围 - 特别是峰值亮度。由于基于PQ的HDR的“绝对”特性,普通设备与制作影片的显示器不同峰值亮度是一个问题,因为图像亮度将被削减(小烧注:一部分超过设备峰值亮度的数据将被丢弃)。为了尝试克服这个问题,引入了元数据以允许HDR电视重新映射图像内容以尝试克服其参数上的不足 - 将色调映射滚降应用于EOTF/伽玛曲线。 

了解动态元数据是如何生成的,有助于定义其回放时的作用方式,有助于理解整体方案。 

但是,现实情况是元数据的使用只会扭曲看到的图像– 背离导演和调色师的本意,可能会失去色彩所产生的情感反应。

请参阅下面的HDR  - 现实及相关问题。

 

META-DATA GENERATION &APPLICATION (元数据的产生&应用)

在调色/母带制作期间生成元数据的基本方法:在专业HDR显示器上对HDR内容进行首次调色,无需任何形式的滚降/色调映射,使用可能的最高亮度和色域(标称P3色域,以及1000到4000尼特之间)。然后,使用HDR调色的影片通过一个分析系统,该分析系统将HDR图像重新映射到SDR,尝试维持原始HDR意图,添加动态元数据以定义HDR原始版本和SDR版本之间的变化。通常,调色师将协助提供“微调”通道调色,以帮助保持原始的艺术意图。 

通过这种方式,元数据描述了从HDR母片到SDR版本的“调色”更改。 

利用这种元数据,当HDR影片在具有比原始母版制作显示器更低的峰值亮度和/或色域的HDR显示器上回放时,显示器使用动态元数据,并根据此播放设备的性能,将影片重新映射到SDR调色和完整HDR调色之间的点。 

问题是家用电视很少能做到正确的映射,严重扭曲了影片的原始艺术意图。

然而,许多家用电视现在已经接近母带显示器的峰值亮度和色域能力,特别是大多数HDR母带在1000到2000尼特的显示器上进行调色,这使得元数据的需求成为一个有趣的问题。如果我们观看的电视可以与调色显示匹配,为什么需要元数据?答案是,不需要...... 

基于非PQ的HDR(例如HLG)不需要元数据。这是使用基于相对的HDR标准的主要差异之一。

 

HDR DISPLAY CALIBRATIONCOMPARISONS (HDR显示器校准比较)

理解以上关于元数据的需要与否,带来了一个关于如何比较不同HDR显示设备的有趣想法。 

假设现代HDR显示器都可以达到给定的最小峰值亮度水平,例如1000尼特。一个1000尼特,使用在90%P3 UHD规范内的色域的HDR信号源,不应该在回放显示设备上触发任何基于“元数据”的处理(色调映射/滚降),因而允许直接比较不同显示器的底层校准精度。 

从第一次比较开始,使用相同的显示设备播放不同信号源进行比较会是相对简单的步骤,这些信号具有2000+尼特,完整的P3色域,可以触发显示器的色调映射/滚降,从而进行分别比较。 

基于这个概念,我们为LightSpace添加了一个“Color Sub-Space”功能,例如,可以使用Rec2020容器对P3色域进行分析。

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注意:使用元数据的另一个潜在原因是使接收电视能够在双流HDR光盘上理解它应该使用的图像流的哪个部分。具有这种形式的元数据的HDR使用双层图像流 - SDR基础层和用于HDR和WCG的增强层。无法还原HDR的SDR电视只使用基础层,而兼容HDR的电视可以将基础层与增强层结合使用。但是这个元数据对显示器的图像色度和校准没有影响。

 

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PQ HDR - DOLBY VISION, HRD10 ANDHDR10+

ST2084定义了基于PQ的Dolby Vision,HDR10和HDR10 + HDR格式的EOTF(Gamma伽马)。 

PQ HDR基于具有10,000尼特最大亮度能力的理论上“参考”显示器,所有“真实世界”的显示设备参考该理论显示器。它并具有如下的伽马曲线(EOTF-电光学传递函数)。 

值得注意的是,基于PQ的HDR规范旨在定义EOTF,旨在能够创建具有增加的亮度范围的视频图像,而不是用于创建具有整体更高亮度级别的视频图像。这意味着参考白色(正常漫反射白色)保持在100尼特,这与校准到100尼特峰值的SDR显示(标准动态范围)完全相同。使用PQ HDR,超过100尼特仅显示光谱高光。这表明基于PQ的HDR显示器的平均图像亮度(APL)与标准SDR显示器没有显着差异(参见上面的直方图) 

(关于伽马曲线的一些基本知识,可以参考这里

最大亮度为10,000尼特的PQ伽马曲线最大亮度为10,000尼特的PQ伽马曲线

如果你将它与标准的Rec709伽马曲线进行比较,差异是显而易见的,记住HDR 最大亮度是10,000尼特,SDR范围是100尼特。

亮度为100尼特的SDR伽马曲线亮度为100尼特的SDR伽马曲线

注意:由于基于PQ的HDR是'绝对'标准,基于10,000尼特的峰值亮度,而Rec709是相对标准。没有设置峰值亮度值,实际上很难直接比较伽马(EOTF)曲线。最接近的是将选择的Rec709峰值亮度值与1000尼特ST2084显示器进行比较,如下所示。

玩过了那么多4K电视和投影机,你可能依旧不知道HDR是什么

有趣的是,上图显示了与基于Rec709的显示器校准相比,尤其是当Rec709显示器的峰值亮度被提升时,基于PQ的HDR的“暗部场景“是多么的“黯淡”(小烧注:曲线的左半部分亮度明显低于SDR曲线)。这是基于PQ的HDR的主要问题之一 - 整体图像亮度比大多数家庭用户习惯的低很多,使得在正常明亮的“起居室”条件下观看非常困难。 这将在下面的“观看环境注意事项”部分中进一步讨论。

 

对于PQ HDR,不同的显示器具有不同的峰值亮度水平,因此需要修改的伽马曲线(小烧注:一般方法是丢弃超过峰值亮度部分的数据)。例如Dolby的4000 nit Pulsar监视器,其需要HDR伽玛曲线,其峰值在PQ标准的约90%处。

注意:它只是剪切点不同。曲线是绝对的,因此曲线形状保持一致- 请参阅下图。

4000尼特亮度的PQ伽马曲线4000尼特亮度的PQ伽马曲线

索尼的BVM-X300显示器需要一条峰值为PQ标准75%的伽马曲线,因为BVM-X300显示器的峰值为1,000尼特,而PQ“参考”显示器的最大值为10,000尼特。

1000尼特亮度的PQ伽马曲线1000尼特亮度的PQ伽马曲线

以下PQ HDR EOTF曲线展示比较100 Nit亮度的显示器将显示的内容。

100尼特亮度的PQ伽马曲线100尼特亮度的PQ伽马曲线

注意:上图均标准化为0到1范围。为了更容易理解的比较,我们确实需要将所有曲线映射到它们的真实绝对值,如下所示。(请记住,这些图形是线性的,而不是对数图形,因此实际的视觉效果差距并没有那么大!(小烧注:人眼对于亮度的感知是非线性的,而是更接近于对数曲线))

玩过了那么多4K电视和投影机,你可能依旧不知道HDR是什么

如果我们更改图形以对数坐标,那么输出对于人眼在感知上是一致的,我们得到以下结果。

玩过了那么多4K电视和投影机,你可能依旧不知道HDR是什么

在本文后面的“HDR白色亮度”图中可以看到相同的情况。

注意:无论你在其他地方看到什么关于HDR的说法,事实上没有HDR标准可以产生“更暗的黑色”,因为它们是由显示技术可以达到的最低黑电平决定的。现在的SDR(标准动态范围)Rec709 标准已使用任何给定显示器上可达到的最小黑色。同样,如果忽略目前的8bit SDR蓝光标准与HDR的10bit差异,HDR其实无法生成改进的阴影细节。其实10位SDR具有更好的实际阴影细节。


HDR - THE REALITY OF BLACK (HDR– 现实中的黑)

以下声明取自杜比自己的“家庭杜比视觉”白皮书。 

“目前的电视和蓝光标准将最大亮度限制在100尼特,最小亮度限制在0.117尼特......”

不幸的是,往好处看这是一个不准确的陈述,往坏处看这是营销夸张。因为蓝光格式对最小或最大亮度级别没有这样的限制,这些值是由显示器的设置定义的 - 记住SDR是一个相对标准,不是绝对的。最低亮度(黑色亮度)通常只是显示器可以达到的最小值,范围可以在从OLED显示器上的非常暗(例如0.0001尼特),到更便宜的LCD显示器上的更高黑色亮度(大约0.03尼特或甚至更高)。家用电视的最大亮度通常设置得更高,以克服周围的环境亮度,许多家用电视的亮度达到300尼特或更高。

注意:“最低亮度(黑色亮度)通常只是显示器可以达到的最小值”的说法是指OLED黑色亮度通常太低,用户经常选择将其(黑色亮度)拉起以防止暗部阴影细节损失,这在家用HDR OLED中变得更加明显。 

当对原始SDR蓝光影片进行制作时,在受控制的调色环境(黑暗环境)内,使用的显示器将被校准为80-120尼特(100尼特是共同的平均值),黑色水平大约是 0.001-0.03尼特,取决于所使用的显示器(但是,为了在更多的家用电视机(具有可变的黑色电平!)上观看时保持“令人愉快”的图像,通常会使用较高的亮度值)。并且如上所述,当在家庭环境中观看蓝光时,通常需要将电视设置为更亮以克服周围的环境亮度。

  

HDR - SHADOWS TOO (HDR – 依旧很暗)

正如我们所看到的,现实是基于PQ的HDR对黑色亮度没有任何作用,阴影细节也是如此 - 无论那些知识渊博的人或营销材料可能会说什么。 

在YouTube上的视频中可以看到一些用于推销HDR“好处”的不准确信息。其中“改进的暗部细节“被称为HDR带来的优于SDR的好处......这是不正确的。现实情况是用于比较的SDR图像可能只是制作的很差,甚至可能是故意的,以推销HDR。 HDR相比SDR暗部细节并没有提供这样的好处。 

实际上,与相同图像的SDR版本相比,由于在基于PQ的HDR上使用的EOTF曲线,在正常家庭观看条件下的黑色通常会被“压碎”。这是由环绕照明水平引起的,通常HDR指定优化为5尼特,而对于SDR,其被指定为显示器的最大亮度的10%。这是一个巨大的差异,而且事实表明当在无法控制环境光照水平的任何环境中观看时,HDR黑色/阴影通常会发白/损失。 

事实上,10比特SDR图像将具有比基于PQ的HDR图像更好的黑/阴影细节。

不同的观看环境需要不同的显示设备伽玛,这是基于'绝对'PQ的HDR标准无法解决的问题。(小烧注: PQ HDR的伽马曲线理论上是不允许修改的)

 

BLACK CLIPPING/CRUSHING (黑色剪切/压缩)

黑电平还存在另一个潜在的问题,因为没有显示器可以达到全黑,因此由于PQ  EOTF的“绝对”特性,很自然的将输入信号对应于显示器最小黑色亮度在比特级别进行剪切。这意味着任何PQ显示都需要某种形式的“暗部”滚降以防止剪切,但这反过来会加剧黑色亮度更高的显示器上的暗部损失。 

这个问题通常被忽视,而且可能是导致那些使用不良PQ EOTF曲线的HDR显示器,出现糟糕的暗部黑色剪切/压缩的罪魁祸首。 

以下图像模拟SDR图像与其PQ HDR对应图像的比较。(仅仅是模拟,因为你依然是使用SDR显示器在看这篇文章)

玩过了那么多4K电视和投影机,你可能依旧不知道HDR是什么

(显然,由于您的显示器无法调整其峰值亮度,因此这个模拟相当的妥协!但是,比较中确实显示图像的主体在亮度上保持一致,扩展的动态范围允许在高光中看到更多细节。) 

不幸的是,大多数HDR演示都没有正确映射对比度范围,结果是整个图像更加明亮,这不是HDR的主要目的,上文已有描述。 

显然,在现实世界中HDR可用的额外动态范围将用于创造性地重新进行图像调色,以从额外的动态范围中受益 - 扩展的高光细节是HDR的真实体现和潜在优势。

  

DIFFERENT DISPLAYS & PQBASED HDR (不同显示器 & 基于PQ的HDR)

不同的HDR显示器显然具有不同的峰值亮度能力,因此所显示的图像将被剪切到可用的峰值尼特值,如上面的PQ EOTF图所定义的。该“峰值亮度切除”由信号内的元数据控制,此元数据定义影片制作用显示器的峰值亮度,并用于实际显示设备以设置正确的“切除”级别。 

如何执行此切除 - 根据上述EOTF曲线的“硬剪切“,或带有滚降的”软剪切“ - 尚未在杜比视界(Dolby Vision)之外定义:这是一个具有完整定义的标准,从制作到流通的所有方面都尽力预先设定规格,对任何采用它的显示器制造商收取许可费。

因此,现实往往是残酷的,即使两个显示器具有完全相同的峰值亮度能力,也不太可能以相同的方式呈现相同的图像。因为用于峰值亮度色调映射的处理方式不相同。

 

PEAK LUMINANCE & BIT LEVELS (峰值亮度 & 比特等级)

由于PQ标准是绝对标准而非相对标准,因此每个亮度级别具有相同的比特等级。对于10 bit信号,电平如下。

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这意味着任何给定的基于PQ的HDR显示器将仅使用全信号范围的子集,其中1,000尼特显示器最大值为769比特等级,其余254个级别(2的十次方 1024-770=254)被剪切。 

注意:对于显示的图像使用子集范围,是杜比为基于PQ的HDR指定12位而非10位的一个重要原因。 

此外,并且如上所述,关于黑色的问题。“黑电平还存在另一个潜在的问题,因为没有显示器可以达到全黑,因此由于PQ EOTF的“绝对”特性,很自然的将输入信号相对于其最小黑色亮度在比特级别进行剪切。这意味着任何PQ显示都需要某种形式的“暗部”滚降以防止剪切,但这反过来会加剧黑色亮度更高的显示器上的暗部压缩。“ 

另外的HLG标准是相对标准,因此无论任何给定显示器的峰值亮度如何,始终使用完整比特级别,并显示在显示器最小黑色和最大白色之间映射的图像,因此不会出现黑色剪切/压缩。 

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HLG HDR

与基于PQ的HDR不同,BBC HLG HDR标准不是绝对标准; 相反,它是相对的,EOTF伽玛曲线始终是全范围,无论任何给定显示器的实际峰值亮度值如何。此外,HLG标准还包括EOTF修改器,可根据显示器的环绕照明改变EOTF(伽马)。 

注意:BBC HLG标准不会在尼特(亮度)中使用指定的参考白点,而是将其置于输入信号范围的75%,这意味着漫反射白色的标称尼特值将随显示器的峰值亮度而变化。例如,1000尼特显示器将具有大约200尼特的漫射白色,5000尼特显示器大约550尼特的漫反射白色,这取决于系统伽马(关于HLG系统伽玛的信息,参见后文)。

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BBC HLG标准设计用于高达5,000尼特的显示器,因此低于ST2084标准的10,000尼特,但考虑到实际上HDR显示器的峰值亮度水平这可能已经绰绰有余。 

然而,话虽如此,如果显示器的峰值亮度低于约1000尼特,HLG也有其自身的问题。因为HDR图像的平均图像电平将比等效的SDR图像看起来更暗。这是由于标称漫射白点低于SDR电视机的实际峰值亮度为200至250尼特,这个亮度对于家庭观看环境来说是很常见的。 

所有上述BBC HLG曲线都基于10尼特的低“环境”照度。 

这种“环境”亮度值对于家庭电视使用尤其重要,因为除了使用显示器的峰值亮度值来计算EOTF伽马之外,BBC的HLG标准还使用显示器所处的环境照明条件来改变系统伽玛,如下所示适用于1000 Nit显示屏。

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DIFFERENT DISPLAYS & HLG (不同的显示器&HLG)

由于HLG格式不依赖于元数据,因此在不同显示器上的图像一致性水平不可能很好。

此外,使用显示器的环境照明来改变系统伽玛,尝试校准显示器以适应不同的观看环境。这是第一次尝试在不同的观看环境中提供“观看一致性”。 

上述正是基于PQ的HDR的弱势领域,因为它需要一个良好控制的观看环境......

(结论,PQ更适合于固定的独立观看环境)

 

HLG & RGB SEPARATION (HLG & RGB分离)

英国广播公司的HLG标准已经内置了可变系统伽玛的补偿。 

正常情况下,HLG标准首先使用RGB分量的加权和来计算信号源的亮度(在系统伽马之前)。目标亮度通过将纯数学伽马函数应用于信号源亮度计算而来,其中RGB通道按照信号源与目标亮度的比率缩放。

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这将引入颜色交叉耦合,通过RGB分离图所显示,这都是预期中的,并且在校准HLG显示器时无需担心。

 

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HDR - THE REALITY &ASSOCIATED ISSUES(HDR – 现实&相关问题)

HDR存在许多问题,特别是基于PQ的HDR。另一个潜在问题就是实际观感会很比较“痛苦”,通常被被叫做“过度眼疲劳”。

  

BRIGHTNESS & THE HUMAN EYE(亮度&人眼)

过度明亮问题的产生:人眼巨大的动态范围 - 动态对比度大约为1,000,000:1或大约24档,与眼睛的静态动态范围之间的差异。 

因为眼睛的动态适应能力,使我们能够在黑暗环境和明亮的阳光下看到细节。 

然而,在任何一个给定时间,人类视觉系统仅能够在这个巨大范围的一小部分上操作。这种静态动态范围,在当人类视觉系统处于完全的适应状态时发生,比如在“正常”距离处观看家庭电视时以及在一些影片时,静态动态范围是起作用的。虽然人眼静态动态范围的确切数字很少,但许多人认为对于平均观看环境,它的数值大约为10,000:1,大约是12 档。

玩过了那么多4K电视和投影机,你可能依旧不知道HDR是什么

此外,需要考虑人类视觉系统的自适应响应 - 在暗场景与明亮场景之间进行调整所需的时间,反之亦然。从明亮到黑暗的过渡通常需要几分钟才能适应,而暗到亮的适应显著更快,经常在几十秒内,而不是几分钟。 

通过在黑暗的房间内观看窗户,从窗户向房间内平移,可以轻松体验这一点。当眼睛适应亮度变化时,房间细节会自动显现。

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而且,由于电视尺寸相对较小,结合标准观看距离 - 3米左右- 整个电视屏幕都在人眼的高视觉敏感度中心视角(5°至15°)。这意味着人类视觉系统无法独立响应不同的亮度区域 - 被限制在完全适应的状态,因此观众只能使用人眼的静态动态范围。 

为了实际从HDR的概念中获益,显示器需要占据的实际视角将是45°的数量级。以平均大屏幕电视55寸的计算,将意味着距离屏幕仅65英寸(约1.65米)的位置。(另请参阅“分辨率”部分。)

玩过了那么多4K电视和投影机,你可能依旧不知道HDR是什么

你真的坐在靠近电视的地方吗?

所有这一切,真正意味着多数的HDR显示设备可能在正常观看距离处引起眼睛疲劳,并且很可能难以正常观看。

(小烧注:计算一下Ultra HD Alliance的两个HDR标准:

LCD显示器 0.05尼特到≥1000尼特    对比度:20,000比1

OLED显示器 0.0005尼特到≥540尼特  对比度:1,080,000比1

均远远超过人眼的静态动态范围。符合这样标准的HDR电视,在观看大对比度内容时,可能引起眼睛的不适。)


HDR - INCORRECT ASSUMPTIONS(HDR – 不正确的臆断)

通常描述HDR的方式的示例是使用类似于以下的图片,显示现实世界的宽动态范围目前如何减少到SDR TV(标准动态范围电视)的有限动态范围,以及HDR将如何保持更多的原始场景范围。

玩过了那么多4K电视和投影机,你可能依旧不知道HDR是什么

上面的图像已经广泛流传在互联网上,它看起来像是AMD演示的图像,并用于HDR相对SDR的假设优点。但是,图中包含许多错误和不正确的假设。

  • 如前所述,人眼不能同时“看到”大约10,000:1以上的动态范围。

  • 基于以上观点,将左侧图像描述为“人眼动态范围”是错误的(描述应为'原始场景动态范围')

  • 任何显示器的黑电平与SDR与HDR无关 - 黑色始终只是显示器可以达到的最黑的黑色。

  • (用于SDR或HDR的相同显示技术,将产生完全相同的黑电平 - 假设忽略HDR投射中屏幕的高亮度区域(“提升”整体黑电平)的影响)

  • 由于上述观点,右上角的图像是错误的,错误地显示了提升的黑色

  • 同样由于上述原因,对于SDR,引用最低0.05nits 和对于HDR引用最低0.0005 nits是不正确的

  • 没有HDR显示器可以达到10,000尼特

  • 大多数家用电视已经远远超过100尼特 - 通常在250-400尼特的范围内

如果我们更正一下,得到以下内容。即使是使用0.0005尼特的黑色,加上1000尼特亮度作为HDR参数,如今的显示技术依然很难表现。因为任何具有如此高的白色峰值亮度的显示器,它的的黑色亮度一定会更高。

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HDR - BLACK LEVELS(HDR – 黑色亮度)

值得再次重申的是,无论大家怎么以讹传讹,没有HDR标准可以产生“更暗的黑色”,因为它们是由显示技术可以达到的最大黑色亮度决定的。并且现在的SDR(标准动态范围)Rec709标准,已经使用了任何给定显示器上可达到的最暗黑色。 

在现实世界中,不错的HDR显示器将具有超过650到1000尼特的峰值亮度。

(观看环境越暗,眼睛疲劳发生前的亮度峰值越低,这会导致HDR的另一个问题 )

Ultra HD Alliance似乎意识到这一点,实际上有两种不同的规格可用于今天的HDR显示器: 

0.05尼特到≥1000尼特(LCD)   

0.0005尼特到≥540尼特(OLED) 

这种双重规范存在,因为具有高峰值亮度的显示器也将具有更高的黑色亮度,而具有更低黑色亮度的显示器将具有远小于的峰值亮度 - 例如LCD与OLED。

  

PQ HDR - WHITE LEVELS (PQ HDR – 白色亮度)

值得指出的是,由于人眼对光线亮度变化感知是对数响应,目前100尼特的SDR(标准动态范围)Rec 709 '标准'实际上约为基于PQ的HDR的10,000尼特峰值水平的50%。

(注意:'标准'用引号,因为Rec 709是相对标准,因此缩放峰值亮度水平以克服环境光问题是一种可接受的方法,而PQ  HDR是基于绝对尼特的标准,因此无法缩放) 

下图显示了参考不同峰值白电平时的实际情况。

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DISPLAY BRIGHTNESS VARIATIONS(显示器亮度差异)

最大的问题之一,特别对于基于PQ的HDR(虽然HLG也会受到影响),在于屏幕的亮度是不同的,以及由此引起的HDR在大多数显示器上的工作方式存在一系列相关问题。 

基本问题是HDR能以某种方式“改变”屏幕/图像亮度,导致看到的图像产生基本偏差,因而可能会扭曲电影导演和调色师定义的影片原始艺术意图。 

这些问题可以定义为“预期的”HDR工作流程的一部分,例如动态元数据,所用显示技术的技术限制,例如ABL(自动亮度限制)和局部控光。或由于显示设备(特别是家用电视)内的错误执行而导致的意外亮度变化,从而使显示设备偏离预期的HDR标准,这一切只因为厂商相信它们正在产生“更好”的最终图像。

 

DynamicMeta-data  动态元数据

使用元数据来动态定义所显示图像的亮度是许多HDR爱好者推崇的,作为基于PQ的HDR的真正用处,使黑暗场景“变亮”,明亮的场景变暗以保存细节。

但是,这真的很好吗?

当电影进行调色时,“外观”用于帮助定义情感,设定观众对导演试图描绘的内容的期望。动态的改变亮度有可能扰乱既定的外观,从而破坏电影/节目的原始艺术意图。

虽然动态元数据旨在由调色师/导演通过第二调色通道来定义,但是视觉感知过程的固有限制,意味着不可能保持相同的视觉意图。 

实际上,由于标称漫反射白色被定义为大约100尼特,超出该亮度水平的信息只剩下光谱高光,图像的固有视觉意图是仅包含100尼特亮度以下。这意味着对于正确调色的HDR,理论上在较低峰值亮度显示器上显示图像的最佳方法,是简单地在显示器的最大亮度处进行剪切,可能配合使用滚降曲线来防止高光“拥塞”,而根本不使用动态元数据。

并且如前所述,许多显示器和电视的可实现峰值亮度水平的增加,也抵消了对任何动态或静态元数据的需求。

  

ABL自动亮度限制

HDR常常被忽视的另一个潜在问题与限制显示器功率的(法律)需求相关,很明显极端亮度会导致功耗过大。基于电力成本和潜在的环境问题,这本身就令人担忧。希望这些都可以通过更高效的显示器背光技术来克服。 

然而,为了克服极端功率要求,几乎所有HDR显示器都使用ABL(自动亮度限制 - 在HDR术语中通常称为功率限制)的一种或另一种形式。ABL这个术语简单来说,就是根据超过预设亮度级别的屏幕区域百分比,来降低屏幕的功率,由此降低了场景的整体亮度。 PQ HDR规范定义了所谓的MaxCLL(最大内容光级别)和MaxFALL(最大帧平均光级别),它们是HDR主控元数据的一部分,所用显示器将从中计算如何显示图像,限制潜在的高功率需求。 

显然,这会导致在不同的显示器上看到的同一图像产生差异。同一场景的不同镜头,不同的帧数,在同一显示器上看起来也会不同,因为平均图像亮度等级将根据镜头帧数而不同。可能导致几乎以随机的方式在显示器上施加不同的功率限制。 

这种变动导致精确显示校准和图像回放遇到严重问题。

 

LocalDimming局部控光

局部控光用于基于LCD的HDR显示器,由一系列背光阵列组成,可提供局部“明亮”图像区域。而无需单个背光常“亮”,因为这会大大提升黑色亮度,从而严重损害显示效果。 

一个“不完全”解决方案是将背光分成多个区域,可以根据图像内容进行独立控制。与具有明亮内容的区域相比,具有暗内容的背光区域进行“控光”。 

这种方法的明显问题是,背光区域具有一定的大小/位置,因此将导致需要明亮背光区域的对象周围,产生光晕或“模糊”。 

背光区域的数量越多,模糊问题就越少。 

一些较新的LCD显示器实际上是每个像素的独立背光,例如新的Eizo Prominence CG3145和FSI XM310K,完全克服了局部控光问题。 

OLED显示器的每像素的背光是固有特性,因为每个像素是自发光的,但是不能达到LCD显示器的高峰值亮度水平。

 

Deviation from the HDR Specification  HDR规范的偏差

许多显示器(特别是家用电视)的最后一个问题是厂商故意偏离HDR规范,试图产生他们认为“更好”的图像。

这显然意味着相同的影片在不同的显示器上得到各不相同的画面,即使显示被定义为“已校准”。

然而,这个问题实际上是我们是表示同情的,因为如前所述,PQ HDR规范存在缺陷,因为标准是“绝对的”,并且不包括增加显示器的光输出以克服房间环境光照水平的选项。结果是,在不太理想的观看环境中,周围的房间亮度水平相对较高,大部分的HDR图像将显得非常暗,暗部细节可能变得非常难以看到。 

因此,许多家庭电视制造商故意“扭曲”PQ HDR EOTF(伽马曲线)以试图克服这个问题。

 

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WCG - WIDE COLOUR GAMUT(广色域)

作为不断发展的UHDTV标准的一部分,WCG与HDR相结合,使用Rec 2020色域作为目标色彩空间,增加了与现有HDTV标准的差异。 

问题在于没有(现实中)商用显示器可以实现Rec 2020,这意味着不同的UHDTV显示器将必须基于显示器的实际色域能力来“调整”所显示的图像色域。这是通过在UHDTV信号(与上面提到的HDR元数据相关)中使用嵌入式元数据来定义源图像色域,旨在允许显示器“智能地”将源图像色域重新映射到显示器的可用色域。 

问题再次出现,与HDR元数据和峰值亮度剪切一样,没有对设置色域重新映射的技术进行定义。结果是,不同的显示器将以不同的方式管理所需的色域重新映射,从而产生不同的最终图像结果。

玩过了那么多4K电视和投影机,你可能依旧不知道HDR是什么

上图显示了尝试在具有较小色域的显示器上显示宽色域的问题。在这种情况下,显示器具有与DCI-P3类似但不相同的色域(较小的内部色域三角形),DCI-P3是UHDTV显示器宣称“建议”的最小色域,而较大的色域三角形显示Rec2020。 

在可用色域的约束下,显示器已经校准到Rec2020,如色域扫描图所示(测量的交叉点与目标圆圈匹配)。但是,显示器可用色域之外的去饱和区域以及Rec2020范围之间的颜色将无法正确显示,此区域内的任何颜色都会被有效地拉回显示器的色域边缘。 

显然,显示器的实际色域能力越宽,色彩剪切越少,就越难察觉色域能力的不同。尤其是在现实世界中,几乎很少有颜色可以到达Rec2020色域的边缘。 

为了降低色域剪切的生硬度,可以使用色域重新映射来“柔化”从色域到色域外的临界点。

玩过了那么多4K电视和投影机,你可能依旧不知道HDR是什么

在上图中,新的较小的最内三角形与实际的显示色域三角形之间的区域,这个区域展示了显示器校准被“滚降”以更好地保留图像颜色细节。代价是颜色失准,以及有效地将去饱和区域中的所有颜色,压缩进显示器的最大色域和缩小的色域内三角之间的较小区域。

实际上,考虑到人类色彩感知对不同颜色的反应不同这一事实,重映射需要考虑到这一点。因此色域重新映射需要更加复杂,

问题是UHDTV规范没有指定要使用的色域重映射。

所以说,由此可以看出,现实情况是,当显示相同的图像时,没有两个UHD显示器看起来相同......

此外,Ultra HD规格虽然使用Rec 2020作为目标(envelope)色彩空间,但实际上规定任何超高清显示器只需达到DCI-P3的90%即可被接受为UHDTV显示器– 从色域容积上计算,90% DCI-P3基本上是Rec 709!

玩过了那么多4K电视和投影机,你可能依旧不知道HDR是什么

上面的CIE uv图(CIE uv已被使用,因为它在感知上比CIE xy更均匀)显示了100%DCI-P3和Rec709之间的色域差异,以及Rec2020。 

可以看出,90%的DCI-P3色彩空间并不比Rec709大很多......

 

ISSUES SPECIFYING PERCENTAGEGAMUT COVERAGE(关于色域覆盖百分比的问题)

UHDTV规范的色域定义方式的一个真正问题是它使用了P3色域覆盖率为90%的通用百分比值,但P3色域原点与Rec2020原点不对齐。这可能意味着色域覆盖更小显示器可能实际上比色域覆盖数值更高的显示器效果好,只要这个显示器的色域原点与Rec2020有更好的对齐。

玩过了那么多4K电视和投影机,你可能依旧不知道HDR是什么

上图揭示了这个问题,与Rec2020原点相比,(大约)90%的P3色域覆盖范围。可以看出,90%P3绿色和红色的峰值原点与Rec2020原点方向明显不同,这意味着必须遵循Rec 2020原色矢量的颜色会失真,使得显示器的真实色域覆盖率明显低于所标称的90%。

 

COLOUR PERCEPTION(色彩感知)

最后,关于色彩感知的问题,对于那些家庭影院爱好者来说...... 

您可以在电影院使用数字投影观看新的电影,其中包含DCI-P3图像、DCI-XYZ彩色空间集合进行投影。 

然后您上购买相同的蓝光电影,并在Rec709 / BT1886校准的家庭影院环境中观看。 

假设蓝光电影制作过程完全正确,您是否认为图像颜色保真度有任何损失? 

事实上,在Rec709 / BT1886色域之外的自然界中几乎没有颜色。 Rec709 / BT1886色域外存在的颜色往往是人造色,如霓虹灯等......

 

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UHD – RESOLUTION(UHD分辨率)

UHD的另一个组成部分是分辨率提高到4K(3840x2160)。

虽然乍一看这样的分辨率增加似乎是UHDTV的真正好处,但它实际上带来了一个问题,“真的可以欣赏到这些好处?”

 

RESOLUTION VS. VIEWING DISTANCE(分辨率 VS. 观看距离)

分辨率越高,需要到屏幕观看的距离越短。

相反,观看距离越大,对于相同的图像分辨率/质量,实际显示分辨率越低。

简单来说就是“大型”55寸4K UHD屏幕将要求观众坐在离屏幕不超过4英尺(大约1.2米)的地方,以体验55英寸电视超高清分辨率的魅力...... 

以是下屏幕尺寸和分辨率与观察距离图表:

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总结:

为了帮助大家更好的理解这篇超长的技术文章,小烧总结了几个要点如下:

  1. HDR相比SDR,并不能让图像的整体更亮,也不能让图像暗部表现更好。它的出现是为了显示以往在SDR中无法显示的那部分高光细节。最典型的例子就是晴天时的天空与云朵,能与其他场景共处一个画面中,而不损失细节与层次。

     

  2. 画面的暗部表现,是由显示设备的所能达到的“黑色亮度”决定的。简单来说,黑色亮度越低越好,即所说的“黑的下去”。在SDR显示器与HDR显示器黑色亮度相似的情况下,没有什么HDR标准能够产生“更暗的黑色”。并且基于PQ的HDR的内容,对于观看环境的要求较高,如果不能较好的控制环境光,暗部细节将难以察觉。

  3. 家用显示产品(电视,投影机等),在自身素质不足或者观看环境过于明亮的情况下,会选择“讨巧”的方法让HDR画面看上去比SDR画面更“讨人喜欢”。但是,这会扭曲影片的原始艺术意图。

  4. 对于亮度,人眼的静态视觉动态范围大约是10,000:1,12档左右。在正常距离观看影片的时候,人眼使用的是静态范围。远远小于人眼的动态对比度 10,000,000:1。如果要更好的体验HDR的高对比度范围,观看距离要进一步缩减,才能使用人眼的动态对比度。这一点与4K分辨率的观看距离要求一致。

  5. 不要轻信任何市场上对于HDR的推销,大部分的话述和示意图都是严重错误的。大部分做市场营销的连自己都不懂HDR。

  6. 对于人眼而言,SDR的标准亮度100 尼特,相当于HDR的10,000尼特峰值的一半左右。并没有人们想象的差距那么大。不要天真的以为市场上可见的1000尼特的显示设备会闪瞎眼睛,其实播放HDR内容的时候,除了高光场景,大部分场景的亮度基本会维持在SDR标准。

  7. 色彩范围,目前还没有民用显示器能达到Rec 2020标准。目前的大部分HDR电影也是使用DCI P3标准制作的。HDR广色域在目前的Rec 709色域设备上使用时,最大的问题并不是色彩不够,而是广色域映射产生的色彩压缩失真。

 

本文英文原载于Light Illusion官网,逐字斟酌翻译,加入注释。未经授权,禁止转载,违者必究。

小编注:本文作者@z008 是什么值得买生活家,他的个人自媒体信息为:

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