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HDR到底是什么?今天我们来把它说个透

2016-11-15 09:29:33

来源:爱活网  



  自9月去日本东京参加索尼BRAVIA电视活动后,我在心中就有一个疑问。为何每次的技术革新都会引发不同标准间的格式之争,比如当年的VHS与Betamax,蓝光与HD DVD,再如TD-LTE与LTE-FDD。人们总是乐于创造互相无法兼容的标准,然后交给市场去检验,而作为消费者的我们却往往不会从中得到任何好处。

  目前HDR共有四种标准,Dolby Vision、HDR10、HLG和SL-HDR1,其中前三个讨论最为激烈。电影和流媒体运营商大多支持Dolby Vision与HDR10,而以BBC、NHK为代表的电视台则选择站在HLG这边。有趣的是,同属一个技术原理的Dolby Vision与HDR10也开始出现嫌隙,电视厂商的站队更是乱作一团。有Dolby Vision、HDR10全支持的,也有仅支持HDR10而明确表示不支持Dolby Vision的,一场好戏正在上演。但这回我们消费者完全可以作壁上观,不站任何的队,所谓的格式战根本不存在。我们唯一想要弄清的是究竟为何会有如此多的HDR标准,这些HDR标准各自又有什么特点?

  如果你觉得《干货满满 索尼东京电视部门大本营内的三小时》这篇文章里对HDR的讲解还不够全面,那么这次就来更深入地来了解HDR吧。

  首先,你真的明白什么是HDR吗?

  HDR这个词逐渐有滥用的趋势。拍照有HDR,摄影也有HDR,视频也有HDR,显示也有HDR,那这些HDR都是指同一种技术吗?还真不是。

  手机上所配备的HDR其实是一种多帧合成技术,无论是拍照片也好、录制视频也好,手机在一帧内同时拍摄多张画面,然后利用算法处理将不同画面的明暗部分合成在一起,以达到同时保留高光细节与暗部细节的目的。这确实符合HDR高动态范围的宗旨,但由于是人工参与,不同手机间的效果层次不齐。而且有时存在矫正过度,对比度不自然的问题。因此严格来说,这种经过HDR处理的照片或视频依然属于SDR的范畴。

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  基于多帧合成的HDR照片,其实叫“色调映射”

  那么真正的HDR究竟是什么呢?以技术定义而言,HDR遵循自己独有的一套光电转换机制,即光信号与电信号之间的转换。我们拍照时,将真实的场景以数字信号保存为照片,这就是光信号转换为电信号的一个过程。显然,手机拍照的所谓HDR只是一种软件处理,不涉及光电的转换,因此它们并不能算是真正的HDR,技术上这叫“色调映射”。

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  HDR可以带来更宽广的动态范围

  那么HDR与SDR的不同之处在哪里?首先还是技术方面,两者的伽马曲线不同。伽马曲线定义了影像系统中光线辉度的一种非线性变化。SDR与HDR使用了不同的伽玛曲线,这决定了我们在看HDR片源,能够看到更多的亮度信息。那么最终表现在实际效果上时,HDR就拥有更高的色深、更广的动态范围和更强的色彩表现力。但因为HDR与SDR两个不同的伽玛曲线,所以也造成了两者在相互兼容性上的问题存在。

  对CRT时代的彻底告别

  你或许会感到惊讶,我们现在所沿用的很多标准依然是CRT时代制定下来的。比如BT.709、sRGB色域、100nits最高亮度等,包括SDR也是。基于CRT的一些特性,当时的人们为其量身定制了一套标准,随后内容制作者们均按照这一标准来制作内容。这一套标准被沿用至今,比如蓝光所采用的色域依然是BT.709,最高亮度100nits,8bit的色深,而SDR则提供6档的动态范围。但液晶电视的能力早已超过了这一水平,业界迫切需要订立一套符合现代的新标准。

  在这一段等待期内,由于新标准尚未确立,内容依然还是以旧标准制作。于是电视厂商为了弥补画面表现上的不足,开发了各种画质增强技术,比如广色域显示技术、新广色域标准(例如x.v.Color)以及动态背光调节。其中值得一说的是动态背光调节,厂商做出了“遇到黑色就关闭背光灯,遇到高光就加强背光灯”这一取巧的方式来提升画面的动态范围,这可以被称为是“模拟HDR”,比如索尼的精锐光控技术和夏普的煌彩技术,都是这一原理。

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通过调节背光亮度来加强SDR画面的动态范围,这可以被视为“模拟HDR”

  真正的HDR要等到2015年8月27日才算诞生,那一天美国消费者技术协会(Consumer Technology Association)公布了HDR10标准,提供17.6档的动态范围。今天,所有的HDR电视均支持这一标准。长久以来,电视技术大幅超前于内容标准的怪象终于得以改善,也意味着对CRT时代的彻底告别。

  PQ阵营的“分裂”

  虽然HDR10是第一个达到普世目的的HDR标准,但它却不是第一个HDR标准,Dolby Vision才是。有趣的是,Dolby Vision与HDR10基于同一套HDR机制,结果却“分道扬镳”走了完全不同的两条路。

  Perceptual Quantizer感知量化,是由杜比设立的HDR转换方式。其本质是将亮度等级以绝对的数值进行记录,用杜比实验室多屏视频副总裁Roland Vlaicu的话来说“这能体现内容创作者的创作意图”。与Perceptual Quantizer相对应的是HLG,我待会会说。

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  使用PQ系统制作的HDR画面(HDR10)

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  SDR画面,HDR展现了压倒性的高亮度

  我们都知道HDR10相当于Dolby Vision的低配版,但很多人并不知道为什么会存在高配版与低配版这样的“分裂”。Roland Vlaicu告诉爱活,Perceptual Quantizer(也叫SMTPE ST2084)是由杜比开发的,包括随后的HDR标准也由杜比参与制定。但最后我们看到的HDR10标准在规格上低于Dolby Vision,这有两点好处:

  1。更高规格的标准意味着消费者可以体验到更高的品质;

  2。若有需要,Dolby Vision所提供的调色母版可以很轻易地生成包括HDR10在内的其他格式。

  言下之意,Dolby Vision与HDR10之间更像是标准版与低配版的关系。从HDR10版本中无法生成Dolby Vision版本,反过来却可以。HDR10显然是标准制定者们为了满足大部分设备的平均性能而做出的妥协产物,它是免费的,但却是最低限度的免费。而代价是HDR10不兼容SDR,色深仅有10bit;使用静态元数据,对不同设备性能间的映射能力不足。在舍弃了这些后,HDR10于是便成为免费授权的通用HDR标准。

  但这个通用HDR标准是存在明显短板的,无法兼容SDR使得HDR10内容无法在非HDR电视上播放。虽然4K蓝光播放机会提供HDR转SDR的功能,但这显然有损于画质,且最终效果视厂商的调教能力而有所不同。原因很简单,PQ属于“绝对”的转换系统,它的每一份信息都有一个对应的、绝对的值,因此会产生与SDR电视在信号匹配上的问题。Dolby Vision为了解决这一问题,因此采用了双层编码技术,即我不需要各自准备一份HDR内容和一份SDR内容,而是在SDR内容的基本层上再增加支持HDR的增强层,从而达到兼容SDR的目的。

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  Dolby Vision使用基本层+增强层来实现向下的兼容性

  同时为了确保HDR内容能够在不同的显示设备上都有着一致的画面精度,Dolby Vision使用动态元数据来描述所有的场景。一方面,这确保Dolby Vision内容回放在任何支持Dolby Vision的设备上都能有着最佳的画面准确度,而不会因为厂商的不同调教出现巨大的画面差异。另一方面,正如上面所说的,Dolby Vision可以很轻易地输出其他标准的画面,比如HDR10、SDR或是Rec.709色域的内容,简化对多格式内容制作的流程。

  我们可以这样认为,HDR10是Dolby Vision的一个子集,后者在前者的基础上提供了更多的功能,因此Dolby Vision是付费授权的。目前已经有包括Vizio、LG、TCL、创维等在内的一些电视厂商表示支持Dolby Vision,而像三星、索尼这样的大厂则依然坚持HDR10。尽管很多媒体都添油加醋,称这是一场HDR的格式大战,但我认为这纯粹是听风就是雨。杜比已明确表示,所有支持Dolby Vision的设备均同时支持HDR10,不存在多HDR格式之间的兼容性问题,格式战的言论可以休矣。

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  Dolby Vision实拍画面

  对于我们消费者来说,需要考虑的就只有“你是否愿意为HDR买单”这一个问题而已。无论Dolby Vision,还是HDR10,都是时代发展的产物,它们均肩负起了未来HDR内容的推广责任。目前Dolby Vision的内容主要流通于电影和流媒体领域,杜比声称搭载Dolby Vision内容的4K蓝光盘有望在2017年上市。在此我不想主观评价Dolby Vision与HDR10的优劣,就目前而言也不具备太大的意义。

  BBC的疑虑

  “他们展示了非常震撼的画面……但这(指Dolby Vision)需要为SDR和HDR制作两套复杂的编码系统以及两种单独的色彩等级。我们不明白该如何向我们的观众提供这种技术,电视台的预算有限,而且无法在同一信号上提供两种色彩等级。”

  (原话:“They showed spectacular TV pictures…but it would have required a complicated encoding system to deliver to both standard dynamic range [today’s TVs] as well as HDR displays。 And it would have needed two separate color grades [for each version]。 We just couldn’t see how we could deliver that type of experience to our audiences。 TV is run on a shoestring budget and can’t afford two color grades。”)

  当BBC的R&D广播和连接系统部首席技术专家Andrew Cotton在2013年观看了Dolby Vision的技术演示后,他发表了上述的言论。

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  HLG伽马曲线中,亮度与信号关系的示意图

  众所周知,不同于PQ系统,BBC与NHK合作开发了另一项HDR技术HLG(Hybrid Log-Gamma),并认为这是针对电视广播信号的最佳HDR技术。HLG的推出基于一个非常简单的目的,就是简化HDR的制作流程。它与PQ系统的不同之处在于,HLG可以在摄像机内直接完成HDR的编码,这被称为“场景参考”;而PQ需要在之后对信号进行处理,以适配监视器的亮度等级,这叫“显示参考”。通常,场景参考不包含创作意图,显示参考则包含创作意图。这也很容易理解,在HLG系统中摄像机基于传感器的响应曲线对不同的曝光环境进行信息采集,那么最终呈现出来的画面亮度变化是取决于曝光水平,而非制作者的想法。但在PQ系统中制作者直接参与内容的处理,以监视器的亮度等级作为参考来对内容进行编码与调色,最终反映出来的就是制作者所想表达的创作意图,最简单的例子就是电影拍摄后的后期处理。

  但正如Andrew所说,电视台的预算与精力有限,无法像电影公司那样投入大量的人力进行内容再制作。而且电视台的节目信号都是24小时播放的,也不可能花费大量的时间去进行HDR的编码。

  “并且我也看不到PQ系统在电视节目制作流程上的实际应用性,我们必须保持不间断的信号播出。”

  (原话:“Also I can not see how you can realistically use PQ for TV workflows where you have to have a continuous output。”)

  Andrew明确表示他的态度。但更重要的,可能还不止这些。

  “杜比虽然展示了他们的技术,但他们并不能代表电视行业,这里所面临的挑战十分复杂。”

  (原话:“Dolby has shown demos of PQ … but they don’t fully represent the complexity of TV’s challenges。”)

  这句话的隐藏含义是,电视广播领域所需解决的问题远比杜比想象得要多。毕竟电视台面向全球所有的电视用户,而用户家里的电视更是五花八门,甚至还有人在使用等离子或是更老的CRT电视。要想让HDR信号同时适配成千上万不同的电视,杜比的方案显然是难以满足的。

  举一个大多数人都不知道的例子,我们的电视所接受的图像信号其实并不是RGB三色编码,而是YUV编码。其中Y是指明度,U和V是指彩度,三个信号图像叠加后就看到了彩色画面。之所以不使用RGB编码是因为YUV信号所需的带宽较少,另外更重要的是YUV能够完美兼容黑白电视。因为黑白电视的图像只能显示明度,那么只需要显示Y部分的信号就可以了,而RGB编码就不能兼容黑白电视。

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  HLG技术演示

  道理是相通的,Dolby Vision的内容只能在支持Dolby Vision的设备上播放,它依然没有解决如何为全球绝大多数电视实现广泛兼容性的问题。而HLG则不同,除了可以在拍摄阶段直接完成HDR的编码,它所采用的“相对”亮度等级可以适配所有不同性能的电视。HLG并不像PQ系统那样有明确标识的亮度范围,而是采用弹性的百分比,它所提供的动态范围为1200%。正因为是具有弹性的动态范围,所以它可以在任何电视的动态范围内实现这一弹性,这使其无论在旧电视还是新电视,SDR电视还是HDR电视,都有着绝佳的兼容性。可以说,兼容性是HLG的一大利器。相比之下,HDR10不兼容SDR,而Dolby Vision兼容SDR,却要求专用的芯片支持。HLG是完全免费授权的,可以通过固件升级的方式加以支持。

  不同于Dolby Vision与HDR10,HLG并不是4K蓝光标准的一部分,未来它可能只会使用在电视广播信号上,而不是电影、电视剧或是流媒体领域。另外,HLG虽然能兼容所有电视,但是否都能拥有高质量的画面效果也尚未可知,毕竟亮度信号的拉升也可能造成渲染质量的下降。但作为标准的制定者,NHK已经在测试8K HLG信号广播的实用化,一些电视厂商也表态将来会支持HLG技术。未来HLG被纳入4K蓝光标准,也只是时间问题吧。

  不存在的HDR格式战

  看到这里相信你能明白,为什么说不存在所谓的HDR格式战了,Dolby Vision、HDR10、HLG都有各自的使命。HDR10是目前流通最广的HDR标准,Dolby Vision则在电影、电视剧领域大放异彩,使用Dolby Vision技术的Dolby Cinema更是向IMAX发起挑战。HLG相信会成为未来HDR电视广播信号的主流格式,在直播、UCG领域得到广泛采用。因此,你能评价哪种HDR格式更好吗?不能,因为它们都有各自擅长的领域。依不同的使用场景,有各自的优点。我也很期待由意法半导体、飞利浦主导的SL-HDR1,目前这个市场不存在敌人,大家都只是用不同的方式来实现不同的目的而已。愿那你死我活的格式战,再也不会发生。

责任编辑:刘家昌

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