【科普】小白必看:电脑显示器的HDR到底是什么,HDR10 和 HDR400 什么关系?如何选择?

2024-04-07 10:54:12 2点赞 4收藏 0评论

常常有人误解电脑显示器上 HDR 的意思,也有不少厂家乱标,这篇文章试着来解释一下,当然,本人并非该专业人士,如有不准确之处,也请大家指正。

我们一步一步来了解这个问题:

一、HDR 是什么?

HDR 英文是 high dynamic range,翻译成中文则是“高动态范围”。

动态范围指的是一张照片中光度(可以简单理解成亮度)最亮之处和最暗之处的差值,高动态范围顾名思义,特指那些动态范围差异很大的图片/视频,理解了高动态范围,你就理解了 HDR。

注:为了方便理解,讨论 HDR 时我们主要讨论图片和视频,但并不仅限于此,例如还有 3D 模型等。

看下图,你会对高动态范围的图片有一个更好的理解:

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高动态范围这几个字,其实有这些隐藏含义:

1、不是所有图片都具有高动态范围,比如灰蒙蒙的阴天,照片的亮度整体接近,那就不存在什么高动态范围的说法。

2、同一张图片,在支持 HDR 的设备上和不支持 HDR 设备上同时播放,结果可能完全不一样。

比如上图,假设图中太阳本来是 1000nits 的亮度,但你的显示器最高亮度只有 300nits,那你看到的太阳就会丢失很多细节。

3、HDR 并不一定意味着要很亮,它的重点是“差值”,这意味着能做到很暗也非常重要。

4、因此可以容易得知,由于物理硬件的限制,HDR 不仅需要好的设备去记录(差的设备记录不到那么暗和亮的信息),也需要有可存储的方法,更需要好的设备去显示。

这意味着许多老电影,从根本上就没法达到 HDR 的效果,因为相关信息没有记录下来,只能通过算法去优化。

5、真正的 HDR,意味着一张图片从拍摄到渲染、到存储、到显示这一整个完整的过程。


二、HDR 素材的产生

大家知道,相机镜头后面有一个图像传感器,一般称之为 CMOS:

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由于人类技术的发展,现在的 CMOS 的感光度可以做得非常优秀,它能在一次曝光的情况下,直接拍下 HDR 的图片/视频,这是一种记录 HDR 素材的方式。

但许多手机的 CMOS 极小,它们在拍高动态范围图片的时候,要么过曝,要么曝光不足,这时候就需要引入算法,比如常见的多重曝光技术

手机上的 HDR手机上的 HDR

理解起来非常简单,手机会自动根据当前环境拍摄多张照片,采用多种曝光来进行拍摄,比如很亮的曝光拍一张,很暗的曝光拍一张,中间曝光拍一张,对 3 张照片进行合成,以达到 HDR 的效果。

缺点是这样拍出来的照片通常对比度过于强烈,算法痕迹明显,不够自然。

以上就是两种常见的记录 HDR 素材的方式,要么用更好的相机设备,要么用算法,终极目的都是得到高动态范围的信息。

三、HDR 标准

各位或多或少应该知道,一台显示器往往有 sRGB、DCI-P3、Adobe RGB 等色彩模式。

我们把人眼能看到的所有颜色用下图里的彩色来表示,那各种标准,如 sRGB、DCI-P3 指的是这种标准能够覆盖的颜色范围。

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由于我们看到的绝大多数图片、电影,都是用 sRGB 模式制作出来,因此 sRGB 在之前一直是显示器里最重要的色域标准。

大家看上图会发现,sRGB 覆盖的范围好小,不论是 DCI-P3 还是 REC.2020,它们覆盖的颜色都比 sRGB 多多了。

一方面 sRGB 用了这么多年,各种设备的支持实在太完备了,哪怕它显示的色彩有限,也仍然被广泛使用。

但也因为 sRGB 的局限性,新的标准就此展开,动态范围显著高于 sRGB 的 HDR 标准,也被正式推出,比如上图中的 REC.2020 就是 HDR 标准参考的色彩模式之一。

因此,这意味着当你的显示器开启 HDR 后,不仅你能获得更高的动态范围,颜色倾向也会有一定的改变。

3.1 色深

许多 HDR 格式里都会提到“色深”,所以我们不得不讨论一下这个概念。

色深你可以理解为颜色过渡的程度,色深的值越大,颜色过渡越自然,色深的值越小,颜色过渡越不自然,学过PS 的小伙伴可以类比为“灰阶”。

具体看下图你就懂了,你甚至也可以直接拿这个图测试你显示器的色深,假设你看下图高色深那部分,颜色的过渡跟低色深类似,有明显的颜色矩形,那你的显示器色深就很烂,建议换一台。

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这里又需要额外地说明一下,前面说的色域覆盖如 sRGB,准确地描述,应该是空间中的 3D 图,带有亮度信息,二维信息只是 3D 图在 x 轴和 y 轴的投影。

前面大家也看到了,REC.2020 和 DCI-P3 这些色彩空间的范围显著大于 sRGB,更多的颜色覆盖意味着更丰富的色彩,他们也有着更高的动态范围(颜色也是有亮度的),也就自然而然需要更高的色深。

在 HDR 素材里,入门级的都要求 10bit(比特)色深,甚至有更高 16bit 色深的标准。

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3.2 REC.2020/REC.2100

这俩货又叫 BT.2020/BT.2100,这种说法更常见,本文后续都采用这种说法。

这两个标准其实并非仅仅是一种色彩空间,详细的说,BT.2020/BT.2100 分别是用来定义超高清电视(UHDTV)和 HDR 电视(HDR-TV)的,它们定义了该类电视的各个方面:如显示分辨率、帧速率、色度子采样、位深度、色彩空间、原色、白点和传递函数等。

但我们在讨论 HDR 的时候,因为只会用到这俩标准的色域覆盖的部分,所以我们可以简单把他们理解为一种色彩空间,也就是覆盖的颜色多少,二者数值一模一样~

3.3 HDR10

终于终于,要到重头戏了~

如果你看懂了前面这些,那这个部分你应该更容易理解,我们直接来看 HDR10 的技术细节:

EOTF(电光传递函数): SMPTE ST 2084 ( PQ)——这是杜比专为 HDR 开发的一种函数,这种函数是将图像或视频数据转换为显示器的线性光输出的一种函数,具体函数见文末(如果你感兴趣的话)。 这个也叫伽马曲线,它的作用是在将亮度与颜色分布之间建立一种非线性的关联。

色深:10bit

原色:BT.2020/BT.2100

静态元数据:SMPTE ST 2086(母版显示色彩量)、MaxFALL(最大平均内容亮度)和 MaxCLL(最大内容亮度)——这里有点难理解,我们等会解释。

色度抽样:4:2:0(用于压缩视频源的一种算法,可以忽略,因为各种 HDR 标准都是这个数字)

先解释下静态元数据:静态元数据包括很多东西,比如最大最小亮度,三基色坐标,最大内容亮度,最大平均内容亮度等,SMPTE ST 2086 是一个标准,HDR10 遵循这个标准。

虽然我们不用了解它的公式,但我们也能凭直觉大概感受到,这个标准是在给我们的内容定义一个类似色彩空间的东西。

那么问题来了,静态元数据到底能干啥?

简单来说,这个 HDR10 静态元数据可以帮助一些支持 HDR,但显示器品质又不咋滴(比如亮度不够啦之类的)的显示器调整内容信息(色彩、亮度等等,就是我们刚刚科普的那些)。

但是,静态元数据是一个静态的调整,你可以理解为这东西是直接给显示器设定了一个不可变的调整参数,那你得到的结果通常不会很自然,这么说大家应该理解了吧(还不理解我也没辙)~

注意,HDR10 是美国消费者技术协会于 2015 年 8 月 27 日宣布的 HDR 标准,也是目前最普遍的 HDR 格式,HDR 10 不向后兼容 SDR。

也就是说你的显示器如果不支持 HDR,那看 HDR 视频就会过曝,颜色会很古怪。

最后,非常重要的一点,HDR10 在技术上的最大峰值亮度限制为 10000nits,常见的 HDR 内容以 1000-4000nits 为主。


3.4 HDR10+

看一下 HDR10+ 的技术细节:

EOTF: PQ

色深:10~16bit

原色:BT.2020/BT.2100

色度抽样:4:2:0

动态元数据

HDR10+ 是由三星和亚马逊视频于 2017 年 4 月 20 日宣布的一项新标准,由于免费,所以目前用的品牌越来越多。

这个标准比 HDR10 更好的地方是:采用了更好的算法,也就是动态元数据来对每一帧的视频进行亮度和色彩的调整。

这个好处就是调整得更加精细了,尤其是那种暗场和亮场特别明显的场景,HDR10+ 有一定优势。

同样,假如你的显示器不咋滴,那 HDR10+ 的优化会比 HDR10 好很多,不会出现过曝的场景。

动态元数据类似于一种额外的算法补充,HDR10+ 支持对 HDR10 设备的兼容,也就是说你的设备支持 HDR10+ 就能播放 HDR10 的视频,但在播放的时候,动态元数据会被忽略,从而采用 HDR10 的模式播放。


3.5 杜比视界

杜比世界是杜比实验室于 2014 年发布的一项 HDR 标准,HDR10+ 是他的直接竞争对手。

简单看一下参数:

EOTF: PQ

色深:最大 12bit

原色:BT.2020/BT.2100

色度抽样:4:2:0

动态元数据/静态元数据

杜比视界的 HDR 技术其实做得比较全面,它既支持动态元数据又支持静态元数据,这意味着哪怕你的显示器不咋滴,只要支持杜比视界,就能以一个不错的效果还原出 HDR 内容的本质。

但如果你想真正地、完全地体验杜比视界内容,那你的显示器至少需要:

峰值亮度:至少 1000nits

黑电平:最多 0.005 cd/m2

对比度:至少 200000:1

色域:至少 99% 的 P3

绝大多数显示器都达不到这个标准。

杜比视界是要收费的,不过好在杜比公司会针对支持杜比视界的设备进行一定的优化~这算是不大不小的优势。


3.6 HLG

简单说说 HLG:

HLG 是由英国 BBC 和日本 NHK 创建的一种 HDR 格式,中文翻译为:混合对数伽玛。

虽然这种格式的图像质量被认为不如其他 HDR 格式,但它是唯一向后兼容 SDR 电视的主要格式。

啥意思呢:也就是说我们普通的电视、显示器也能播放 HLG 格式的素材,且获得优秀的高动态范围图像!!!也是本文章里唯一一个兼容 SDR 设备的 HDR 标准。

HLG 不使用元数据,而是使用与 SDR 信号相同的伽玛曲线,然后在信号顶部添加具有额外亮度的对数曲线,逻辑上其实和动态元数据类似,不过实现原理上差别很大。

HLG 目前索尼也在主推,所以发展的趋势还不错。


四、显示器上的 HDR

讲真,看了前面这么多,我也不确定你是不是真的懂了什么是 HDR,很可能你都忘了本文标题,那么现在回头看一下,问题是:电脑显示器的 HDR 是什么,有什么用?

非常有趣,电脑显示器的 HDR 一般是:HDR400、HDR 600、HDR1000。

简单说说这些参数和 HDR10 这些的差异:

HDR10 是针对素材和素材的显示制定的标准及算法的集合,而显示器上 HDR 的数值,仅仅是 VESA(视频电子标准协会)制定的,关于评价显示器性能的一种标准,又称之为 DisplayHDR。

说得再清楚一点:这东西是 VESA 搞出来给显示器评级,从而通过这个来挣钱的。

DisplayHDR 主要用于计算机显示器和笔记本电脑,电视不参与讨论,因为电视的尺寸更大,性能正常来说都超过了他们的标准。

所有支持 DisplayHDR 的显示器都必须支持 HDR10,但搞笑的来了,没有规定说必须要 10bit 色深,回看前面大家应该记得,所有 HDR10 的内容至少是 10bit 色深的,你一个 8bit 色深的显示器,凭什么能叫做 HDR 显示器呢?

此外,再回看前文,大家应该又发现了,基本上我们讨论 HDR 的时候,都会说显示设备一般要在 1000nits 以上,而在 DisplayHDR 标准下,HDR 后面的数值表示峰值亮度,它的数值却有 400、500、600 这些,这根本就不满足 HDR10 的要求嘛。

简单来说,你要买 HDR 显示器,最差最差,也得买 HDR600 的,最好是买 HDR1000 或者数值更大的,不然意义不大(参考前面静/动态元数据那里的解释,系统会采用算法去进行亮度和色彩的映射,给你一个类似的结果)。

当然,VESA 这么搞的最大原因是:目前显示器的整体质量确实一般,真要搞个 HDR1000 起,那全球都没几台显示器有资格标注 HDR1000,尤其在前几年,更是如此。

这几年技术突破了一些,但高端的 HDR 显示器还是较贵,VESA 更新过自己的测量标准,但更新的幅度极小。

vesa官网图片,机翻vesa官网图片,机翻

具体你的显示器是否支持它标注的 HDR 信息,你可以直接去 VESA 官网查阅↑,也可以看到 VESA 是怎么评估的(总体来说要求很低)。

五、如何选择合适的 HDR 显示器?

目前好的 HDR 显示器,是那些支持 HDR 1400 的显示器,但要注意,HDR 1400 不代表这个显示器只能有 1400nits 的峰值亮度,它有 5000nits 的显示亮度,也只能去用 HDR 1400 定义它,这就是 VESA 目前这个标准的问题。

全世界目前支持 HDR 1400 的显示器不多,在 VESA 官网能够查到,有 10 个系列。

部分产品不在国内电商售卖,国内电商平台能查到的,飞利浦、华硕、AOC 的产品有部分销量,但真正能被大众接受,且价格合适的,基本上只有这两个系列:雷鸟 U8 和雷鸟 Q8,也就是下图红框里的产品。

【科普】小白必看:电脑显示器的HDR到底是什么,HDR10 和 HDR400 什么关系?如何选择?

这个显示器用 3000+ 的价格,做到了 HDR1400,性价比高得惊人,其他参数也很强,目前在市场上属于独一档的产品。

雷鸟这个品牌是 TCL 的子品牌,这个机器采用的是 HVA 面板,H 指的是华星光电,HVA 屏也是华星光电最新的技术。

比如这台显示器,刷新率做到了 160Hz,延迟做到了 1ms,对比度更是达到了夸张的 1000000:1,峰值亮度有 1600nits,完全超过了 VESA 的标准。

看HDR 视频效果非常好看HDR 视频效果非常好

关于这台显示器,我之前写过详细地测评,感兴趣的小伙伴可以移步查看。

这台显示器亮点很多,但最大需求的人群,我个人看法是:有非常高的观影需求和玩 3A 大作的需求,以及正常的办公需求,如果你是 FPS 玩家,对帧率要求极高的话,那这款不太适合你。

如果你有这方面的需求,那可以看看,绝对震撼:

感谢阅读~希望可以解答你的疑惑。

附录:

关于PQ EOTF 函数的解释:

【科普】小白必看:电脑显示器的HDR到底是什么,HDR10 和 HDR400 什么关系?如何选择?

你可以直接下载该论文,查看 SMPTE ST 2084 整个标准的情况:点这个,打不开的话自己想办法

作者声明本文无利益相关,欢迎值友理性交流,和谐讨论~

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