第一节 HDR技术概述

一、 HDR技术发展简史

二、 什么是HDR

三、 HDR相关的主流技术标准

      高动态范围（High Dynamic Range，HDR）是一个技术术语，它是近几年在影视行业出现的一种新技术。它是近些年在高帧率、高分辨率及高效率编码器等提升影像整体质量的相关技术发展下出现的，可以说是作为影像质量木桶效应最后的短板了。它扩展了传统标准动态范围（Standard Dynamic Range，SDR）的显示范围，具有更宽的色彩范围，更亮的亮度上限和更黑的亮度下限，同时在对比度、灰度分辨率等维度上对影像质量进行一个整体的提升，给体验者带来更具沉浸式的感受。

      自然环境的亮度范围是十分广阔的，真实世界中的亮度范围大约在10-6～109nits(也称cd/m2，一种亮度单位)之间。人眼能够感知到的最大亮度范围大约有10-3～106nits(cd/m2)，瞬间的视觉动态范围对比度也有1:105。但是，目前传统的SDR消费级显示器一般在200～400nits(cd/m2)，对比度在1000:1或2000:1，一些背光控制较精细的显示器可以达到10,000:1左右的对比度。不过，手机这样的小型消费级显示设备发展的更快一些，目前市场上大部分手机的峰值亮度都能达到500nits(cd/m2)及以上，而且使用OLED显示屏的部分机型对比度已经达到1,000,000:1。通过对比度和亮度范围的比较可以发现，目前大部分的消费级显示设备还不具备还原真实世界亮度范围的能力。图1列出了真实世界的亮度分布和人眼视觉范围。

      为了更好的对真实世界进行还原同时也是提升观看感受，HDR技术在近几年开始发展。在传统影像采集处理流程中，会损失原始素材的质量，而HDR流程则能减少这种损失并扩展显示设备的显示范围，HDR的影像相较于传统的SDR影像在色彩上更丰富，更亮的高光细节和更黑的暗部细节，还有对比度上的提升，能带来更好的观看体验。

      HDR首先作为静态摄影的一种技术而闻名于世。在静态摄影中，这种进行多次曝光并堆栈成一张暗部和亮部都有细节的图像的方法就是HDR摄影。

      法国摄影师古斯塔夫·勒·格雷（Gustave Le Gray，1820-1884）在1850年代首次使用了这种技术。当时感光胶片曝光能力大约只有3档，无法在一张胶片上同时记录过亮和过暗的画面，在这种情况下，海洋和天空的细节将不可能同时保留。天空的亮度显然远高于水面的亮度。正常的曝光将要么保留天空，让船只可见；或者保留云的细节，这样海洋就会太黑，船就会丢失细节。古斯塔夫·勒·格雷以亮部和暗部的正常曝光分别拍摄了两张胶片，并在冲洗时手工进行色调映射（dodging and burning，减淡和加深）将其合成为一张同时具有亮部和暗部细节的照片[1]，创造了HDR图像最早的例子之一。

      在古斯塔夫·勒·格雷之后，查尔斯．怀科夫（Charles Wyckoff，1916 – 1998）发明了一种高动态范围底片。它是由三层底片所组合而成的，每一层都各自有不同的感光度。他以这种底片来拍摄氢弹爆炸的照片，而这些照片曾经在20世纪40年代的生活杂志（Life Magazine）的封面上首次露面。

     到了20世纪中期，随着胶片感光性能提高，记录更大宽容度的场景已经成为可能。像安塞尔·亚当斯（Ansel Adams，1902-1984）这样的摄影师，专门用减淡和加深（dodging and burning）技术，通过选择性地减少（dodging）或提高（burning）图像的不同部分的曝光来扩展图像的色调范围（tonal range）。这样可以让原本在正常印刷品中看不到的细节显现。这种技术最终被定义为区域系统（Zone System）。

      到了21世纪初，随着数码摄影的出现，将这些暗房技术添加到控制相机成像传感器的软件中成为可能。数码相机的传感器受到类似的胶片的限制，其动态范围有限。为了捕捉更多的亮部和暗部细节，可以设置数码相机进行多次曝光并在后期软件中合成一个色调映射的HDR图像，现在我们在智能手机上就可以完成以往在暗房中需要几小时的时间才能做到的效果。

      2010年Soviet Montage用分束镜将画面一分为二，用两部佳能5D Mark II拍摄。其中一部调到+2 EV，另一部调到-2 EV，拍出来的影片再用某些方法（Soviet Montage并未说明是什么方法）合成为HDR的影片，成为第一部“HDR”视频

      虽然可以通过多重曝光和色调映射的方法来制作HDR的影像来尽量提升暗部和高光细节。但是这样的影像仍然是在SDR的环境下进行显示的，受到显示硬件的亮度范围和对比度限制，所以它不能算是真正的HDR影像。

      动态范围，在图像领域就是指亮度明暗的差別。动态范围越大，图像上同时记录的亮部细节和暗部细节就越丰富。

      HDR能够在影像的明亮部分和影像的暗部之间显示更明显的差异。这对游戏和电影的沉浸式体验有很大的帮助，HDR能够创建更真实的影像并且保留很多游戏场景中的细节。在对比度较低的屏幕或使用SDR的屏幕上，较暗的场景会丢失很多的细节，比如细微的深灰色调变为黑色；同样在明亮的场景中，当亮部细节被剪切为白色时，也会丢失细节，并且当显示器显示具有宽范围亮度级别的场景时，这变得更加成问题。而HDR则提供比SDR更大的显示范围和更丰富细节从而产生更“真实”的影像。

      要显示HDR影像并不是代表单纯的需要一个很高的显示亮度，而是需要一个足够大的显示范围。如果没有一个很高的亮度显示上限，但暗部能够降的足够低同样也能得到一个HDR影像。与之相对应的，如果一个亮度可以上到几千nits的屏幕但是没有足够低的黑位水平，同样也是无法显示HDR影像的。

      HDR影像并不是为了将整个影像都提亮，而是为高光细节如火焰、爆炸、灯泡灯丝、强光反射、阳光直射等提供额外的亮度余量。对比与SDR影像，HDR影像的平均亮度不会提高很多，HDR影像主要是提升了高光部分和暗部的细节和层次。所以我们把相较于SDR影像能够显示更黑的暗部、更高的亮度上限和

      高光细节以及更大色域的影像称为HDR影像。

      传统的SDR环境下的BT.709(Rec.709)标准，定义了亮度和色彩的显示范围，而BT.709(Rec.709)是在1990年代根据当时的CRT阴极射线管显示器來定义的亮度，从0.1 nits(cd/m2)到100 nits(cd/m2)。动态范围6.5档。这是二十年前制定的标准，所以从色彩和亮度上都无法适应现在的HDR技术的发展。

      而且目前的摄影机记录端的影像技术发展已经远超显示终端的发展了。近些年在 ARRI、RED、Sony...等众多的摄影机厂商之间不断的竞争和努力下，大部分摄影机传感器的动态范围都达到了15档以上，连小型微单如A7s都宣称达到了12档。

      所以目前所有的HDR技术标准都定义了比SDR更大的色域和颜色容积范围，更多的量化位深以及更高的分辨率。

      无论是下一节将要介绍的Dolby Vision、HDR10还是HLG格式的HDR影像标准均支持Rec.2020色域。如图7所示，Rec.2020色域比Rec.709得多，这使得HDR能展示更为丰富的色彩。而且，Rec.2020比Rec.709有更大的颜色容积，能用于显示更高的亮度。

      HDR影像采用10 bits甚至12 bits的量化位深，能够比使用8 bits的SDR影像表现更多的灰阶层次和动态范围。虽然在技术原理上HDR即使使用高分辨也能实现，但是HDR影像毕竟是作为未来影像发展的趋势，支持4K高分辨率的HDR比采用高清甚至标清分辨率的SDR影像具有更高的分辨率。

（1）Dolby Vision

      Dolby Vision（杜比视界）本质上是一系列的画质增强技术，这里我们主要介绍它的HDR部分。杜比于2014年1月的CES（International Consumer Electronics Show，国际消费类电子产品展览会）上推出Dolby Vision。杜比实验室的研究人员在探索HDR需要多少的动态范围时做了一项主观测试，有大约90%的受访者对0到10,000 nits(cd/m2)的亮度范围感到满意。所以杜比设计了一条理论最高亮度10,000 nits(cd/m2)的EOTF（Electro-Optical Transfer Function，电光转换函数）曲线PQ作为Dolby Vision标准的核心，但目前还没有显示设备能达到这一亮度所以目前Dolby Vision在内容标准上使用的实际最高亮度值为4,000 nits(cd/m2)。Dolby Vision支持最高到12 bits的位深和Rec.2020 的宽色域，并且拥有独立的SDR版本进行向下兼容，同时是一种商业收费授权。

      Dolby Vision想要提供这种全新HDR体验就必须解决的一些问题：如何确保内容创造者的意图直达观众、如何确保观众可以在从高端电视到个人电脑和移动设备等各种设备上都能感受这种全新体验、如何为电影，传统广播和游戏提供这种体验。

      不同型号的显示设备在峰值亮度、对比度和色域上都大相径庭，这对想要确保在各个显示设备上都提供一样体验的杜比来说是个难题。杜比视界提供的解决方案是采用全范围、无损信号的技术，并通过称为显示管理的功能将信号映射到显示器。通过与内容制作商和更广泛的行业合作，杜比帮助定义了一套HDR标准。这些标准包括如何显示HDR（PQ，标准化为SMPTE ST 2084），关于嵌入基于场景的内容元数据信息（SMPTE ST2086），以及关于内容元数据的动态信息（SMPTE ST2094-10）。当内容元数据可用时，杜比显示管理器（Dolby® display manager）可以进一步优化消费者显示屏上的内容显示质量。在离线生成内容的应用中，例如流媒体、Blu-ray™（蓝光电影）、影院电影和剧集内容，HDR元数据在调色的工作过程中创建，作为发行母版主数据的一部分。对于直播这样的现场环境，根据场景优化并生成或携带元数据可能是不切实际的，所以在传输编码阶段通过算法自动生成元数据。

（2）HDR10和HDR10+

      HDR10全称HDR10 Media Profile，在2015年8月27日由消费者技术协会（Consumer Technology Association，CTA）发布。HDR10采用Rec. 2020宽色域、10 bits位深、SMPTE ST 2084 (PQ)[4]作为传输曲线、使用SMPTE ST 2086色彩容积元数据（Mastering Display Color Volume）、最大帧平均亮度水平(Maximum Frame Average Light Level，MaxFALL) 和最大内容亮度水平(Maximum Content Light Level，MaxCLL)，HDR10在数据编码上采用高效率视频编码（High Efficiency Video Coding，HEVC）。HDR10不支持向SDR兼容，因此无法在传统广播电视流上使用。可以说是一个免费授权的简化版Dolby Vision。

      HDR10+于2017年4月20日由三星和亚马逊视频发布，是一种基于HDR10的标准。HDR10+同样采用Rec.2020宽色域和10 bits位深，和HDR10相比增加了动态元数据（SMPTE ST2094-40）。HDR10+的动态元数据是在逐个场景（scene-by-scene）或逐帧（frame-by-frame）的基础上更精确地进行色调和亮度级别的优化调整。2017年8月28日，三星、松下和20世纪福克斯创建了HDR10+联盟，以推广HDR10+标准。2017年12月13日，亚马逊视频开始提供HDR10+视频。2018年1月5日，华纳兄弟宣布支持HDR10+标准。2018年1月6日，松下宣布推出支持HDR10+的超高清蓝光播放器。

（3）Hybrid Log-Gamma（HLG）

      Hybrid Log-Gamma（HLG）是由BBC和NHK联合开发的HDR标准。它与标准动态范围（SDR）兼容，也支持Rec.2020宽色域和10bits位深。HLG定义了非线性光电传递函数（Optical-Electro Transfer Function，OETF），其中信号值的下半部分使用伽马曲线，信号值的上半部分使用对数曲线。HLG标准无授权费用，完全免费。HLG后被ATSC 3.0[5]，数字视频广播（Digital Video Broadcasting，DVB）UHD -1阶段2和国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）Rec. 2100这些标准收录其中。HLG需要HDMI 2.0b、HEVC、VP9和H.264 / MPEG-4 AVC提供支持。目前应用HLG的视频服务的提供商有BBC iPlayer、DirecTV、Freeview Play和YouTube。

（4）小结

下表列出了Dolby Vison、HDR10、HDR10+和HLG四种HDR标准之间的相关技术参数比较。

      其实除了Dolby Vision、HDR10/HDR10+和HLG这些标准以为还有STMicroelectronics，Philips International BV和Technicolor R＆D France联合开发的SL-HDR1 HDR标准，不过由于其应用场景不够丰富和主流，这里就不展开详细介绍了。

      从显示曲线上来看可以分为使用PQ的HDR10、Dolby Vison、飞利浦 / Technicolor HDR、HDR10+与HLG两类，而从元数据的角度来看可以分为无元数据、静态元数据和动态元数据三类。下图中的PQ10可以理解成是没有元数据的HDR10。

      这么多种标准虽然有相互竞争的部分，但在不同的领域还是有各自的倾向的。对于电影制片公司来说，制作一部院线电影的HDR版本就只有Dolby Vision可以选择了，目前只有Dolby Vision的标准里有支持院线的选项（作为杜比影院的一部分）。而在广播领域自然是HLG占有大量份额。在流媒体或者蓝光影片这样的家庭娱乐服务来说则是各有份额。

[1] High Dynamic Range Imaging. https://en.wikipedia.org/wiki/High-dynamic-range_imaging

[2] Charles Wyckoff. https://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Wyckoff

[3] 杜比实验室：杜比视界白皮书 

[4] 后被组合为ITU-R BT.2100 HDR标准的一部分 

[5] ATSC 3.0是Advanced Television Systems Committee，高级电视系统委员会创建的电视广播标准