HDR ≠ HDR

2016 年是 4K 电视彻底普及的一年:4K 电视的价格大幅度下降(解决了硬件问题),再加上 UHD 蓝光光盘的发售(解决了内容问题),我们现在已经很少见到 1080P 的电视了。YouTube 和 Netflix 很早就支持了 4K 内容,主流数码相机甚至手机的视频录制也早就支持了 4K。虽然在国内还很少能找到真正的 4K 内容,但这并不影响电视卖场疯狂销售 4K 电视。如今,在小米和微鲸等互联网厂商的推动下,一台入门级的 4K 电视只需 30 张毛爷爷。

但是如果同学们去电视卖场逛一逛,就能发现索尼的站台往往会打着这样的一个金光闪闪晃瞎狗眼的标志:

4K HDR

索尼从来都喜欢这些金闪闪的标志,从之前的 Hi-Res 高清音频到现在的 4K HDR。但是,4K 是超高清,HDR 是什么?

哦哦!我知道我知道!HDR 就是手机拍照的时候有的时候会蹦出来的那个标志!

嗯…… Yes & No。

那么 HDR 到底是什么?

HDR 的全称是 High Dynamic Range,高动态范围。

很多人在用 iPhone 拍照的时候都会看到取景框下方自动出现了金黄色的 HDR 标志,表示相机检测到当前的场景适合使用 HDR 模式来拍照。

iPhone HDR Mode
在 iPhone 相机内启动 HDR 拍照模式,iPhone 5s 及以上支持自动启用 HDR。

手机上的 HDR 拍照模式实际上是一种针对传感器宽容度差的一种补救措施。受限于传感器尺寸以及片上像素尺寸,手机拍照往往会遇到这种问题:在一个非常漂亮的场景上,发现手机的自动测光既无法保证高光区域清晰,也无法保证阴影区域清晰,如下图所示。

左图为手机拍照成像,右图为真实场景。模拟效果。
左图为手机拍照成像,右图为真实场景。效果为计算机模拟。

通过对场景进行模拟可以发现,用手机拍照的时候,高光和阴影部分出现了大量的信息丢失。这就是宽容度差的典型表现:难以表现同时出现高光和阴影的场景。

针对这种硬件上的短板,软件工程师想到了一个神奇的办法:多张合成

多张合成是这样的一个过程:保持场景不变,先针对阴影部分进行测光,保留阴影细节,丢弃高光细节,拍一张照片;再针对高光进行测光,保留高光细节,丢弃阴影细节,拍第二张照片;最后将两张照片清晰的部分保留,不清晰的部分丢弃,合成一张高光和阴影都清晰的照片,如下图所示。

Photo by Alberto Restifo Camera HDR Simulation
先增加曝光时间,拍摄阴影(山体)细节,再降低曝光时间,拍摄高光(山顶)细节,最后将二者合称为一张照片。某些设备可能拍摄不止两张图片。效果为计算机模拟。

那么这怎么叫做 HDR 呢?上面说到,HDR 的意思是“高动态范围”,那么在这个情景下,“高动态范围”是指“需要拍摄的场景动态范围太高了,我需要选取针对‘高动态场景’来选取‘高动态范围模式’来拍摄这个烦人的场景”。所以在这里,使用 “HDR”这个说法没有任何错误。

那么这和索尼所说的 4K HDR 有什么关系?

答案是:没有任何关系。

在 4K 蓝光出现之后,仅仅增加像素的数量已经无法让体验产生质的提升,厂商们开始把注意力放在提升像素的质量。这里就引入了 HDR 的概念:索尼所说的 HDR 依然是“高动态范围”的意思,但是这一步并不是出现在内容生产(图片、视频拍摄)上,而是出现在内容消费(图片、视频观赏)上。如今 HDR 有多个标准,但都旨在提升画面的三个方面:

  • 色域(Color Gamut):色彩的范围,更大的色域意味着更浓郁的色彩
  • 色彩深度(Color Depth):色彩的数量,更深的色彩深度意味着更平滑的过度
  • 对比度(Contrast):最亮和最暗部分的差别,更高的对比度意味着更真实的动态范围。

在传统 1080P 蓝光电影上,其遵循的 Rec. 709(也称 BT.709)规范在色域和色彩深度上和计算机行业的 sRGB 相同,只能覆盖三分之一左右的人眼可见色彩,相比影院投影系统所遵循的 DCI-P3 规范有 20% 左右的差距,具体表现在色彩不够鲜艳、对比度不够强。现在的摄影设备能捕捉的信息量要远超过 Rec.709 定义的范围,而屏幕技术的进步也让其能显示远超 sRGB 范围的色彩,此时再被规范掣肘,就实在是太可惜了。

IMG_1621

这张图上,灯泡发出的光明显是黄色的(暖光),因为可以看到灯罩上被染上了浓艳的黄色。但是仔细观察灯泡中心的地方:明明应该是黄色的灯泡,因为显示器无法显示如此高亮度的黄色,只能以白色显示。因此当内容的动态比较高,即“HDR”时,需要对应的显示器也支持“HDR”才可以发挥其全部潜力。

当视频源是 HDR 内容时,显示器是否支持 HDR 将会明显影响显示效果,如下图所示:

左图为非 HDR 显示,右图为 HDR 显示。效果为计算机模拟。
左图为非 HDR 显示,右图为 HDR 显示。效果为计算机模拟。

因此,拍照时的 HDR 是为了捕捉高动态内容,而这里的 HDR 是为了显示高动态内容。

但是 HDR 显示在初期也面临着所有新技术共有的问题:内容严重不足。蓝光 4K 已经将 HDR 作为强制标准,但是影片数量的不足和母带转录质量参差不齐,导致真正充分利用 HDR 的内容少之又少。雪上加霜的是,在标准落地之前,所有人都想制定自己的标准(或者至少站队正确),以便未来在产业中拥有话语权,这就导致了标准大战。直到截稿的时候,市面上已经有了 5 种 HDR 规范和若干个以此为基础的变种。

标准 色域 色彩深度 电光转换函数 主要内容支持者 特点
HDR10 Rec. 2020 10bit 杜比 PQ UHD 蓝光、Xbox、PS4 完全开放
HDR10+ Rec. 2020 10bit 杜比 PQ Amazon Video 动态亮度调节
杜比视界 Rec. 2020 12bit 杜比 PQ 杜比影院、VUDU、Netflix 兼容性最强
HLG Rec. 2100 10bit 混合 Log-Gamma BBC、NHK、YouTube 完全开放
SL-HDR1 ? ? ? ? 兼容 SDR

可以看到,在主要技术参数上,各家的都差不多。其中以杜比视界最为亮眼,其不但技术规格最高,而且由于杜比公司从内容生产端到屏幕显示端的一手把控,可以做到出色的色彩管理。不只如此,杜比还有意将杜比视界设计为其他 HDR 标准的“超集”,使用杜比视界 VS10 芯片,可以正确识别其他 HDR 格式并映射到杜比视界的范围内;但是杜比视界要求在播放器和屏幕中整合杜比提供的特殊芯片,是一个封闭标准。HDR10 则是一个完全开放、无授权费的标准,也是 UHD 蓝光的强制标准,因此现在所有的 UHD 蓝光盘和播放机都支持 HDR10。Xbox One S 和 Playstation 4 页支持 HDR10。

但是,除了杜比影院和激光 IMAX 影院,市面上还没有任何一块屏幕可以完整显示 Rec. 2020 的所有色彩,所以目前的 HDR 内容主要还是针对 DCI-P3 所定义的色域。包括三星 Galaxy S8 在内的很多高端设备已经可以完整显示 DCI-P3 色域。

2017-4-21 更新:修改错误描述、添加其他 HDR 标准内容。

发布者:王跃琨

Digital Asshat

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2条评论

  1. 王老师,HDR显示和色域之间的关系是什么呢?我的理解HDR其实更与对比度相关,即从最亮到最暗的区域之间有更多的亮度阶梯,但色域是指显示的颜色的数量(姑且称为数量),所以为什么支持HDR的显示设备可以显示更广的色域呢?谢谢!

    1. 你的理解是没错的,HDR 其实指的就是画面的「亮度动态范围」大,从之前的 0-100nit 提升到 0-1000nit,并且亮度阶梯也从之前的 8bit 提升到 10bit 甚至 12bit。但是现在主流的 HDR 标准,比如 HDR10 和 Dolby Vision,都一起把广色域作为特性打包了进去。所以你可以把 Dolby Vision 这些理解为「下一代画面标准」,不止包含 HDR,HDR 只是其中的一部分。

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