运用HDR技术让高画质图像传输不失真

对于图像显示技术而言，追求贴近人眼所能见到的真实世界是必然趋势。在4K电视技术的普及、广色域的使用，以及视频播放流畅度提高到60fps，都已逐步朝人眼所见前进。而下一关卡，“亮度动态范围”是目前图像显示画质欲突破的关卡。此时，“高动态范围 (High Dynamic Range，HDR)”就应运而生，成为近年在国际消费性电子展(CES)，图像显示技术最热门的讨论议题，各家音像制造厂商更以提高图像的动态范围为目标，相继投入高动态范围技术，并订定出相关标准，期望对此高规格质量把关。

本文首先简要介绍了HDR技术；然后深入介绍了目前知名的PQ-HDR——“杜比视界 (Dolby Vision)”提出的感知量化编码，以及BBC/NHK连手研发的混合对数伽玛分布(HLG-HDR)，剖析如何将HDR技术运用至显示器，使得传输不失真；最后则是以宜特科技(Integrated Service Technology；iST)信号测试实验室的实际案例，介绍目前显示器主要接口HDMI如何纳入HDR，以及其对应的认证标准。

HDR技术

究竟，电视/电影和手机/相机讲的“HDR”到底有什么不一样？

HDR，多数人熟知是应用在相机的拍摄上，然而相机上所使用的HDR技术与电视视频的HDR，是完全不一样的事情。

手机/相机的HDR：多数人应该都有逆光拍照的经验，大部份逆光拍照的结果，不是阴影部分黑漆漆一片，就是明亮部分全都过饱和。因此，手机/相机的HDR，就是利用加减曝光指数所拍摄的多张图像，再通过芯片将这几张图像演算成为一张完整的相片；或是，由单张相片做区域性的加减光，演算达到高动态的成像，使各区域都呈现相对清楚的图像。

电视/电影的HDR：指的更像是一种标准/格式，由于视频属于持续的动态图像，如果要求显示器每一格都像照相机一样由3到5张组合，传输的带宽势必会增加3到5倍，这在现实的环境是达不到的。视频所讨论的HDR便定义在，如何把先进高动态广色域的摄影图像重新分布，并传输给显示器，让显示器能正确的还原先进高动态的图像——这也是作者在宜特实验室协助TFT/IPS电视及投影机等多项产品厂商进行HDR调校时发现多数厂商关切的议题。

将HDR技术运用至显示器

首先讨论杜比实验室(Dolby Laboratories Inc.)的Dolby Vision与BBC/NHK如何将HDR技术运用至显示器，使得传输不失真。

(一) Dolby Vision PQ-HDR EOTF(感知量化-HDR电光转换功能)

2014年就可以看到杜比实验室公告的Dolby Vsion白皮书，内容是杜比实验室投入HDR的成果，此后在电影电视工程师协会(The Society of Motion Picture and Television Engineers；SMPTE)收纳为SMPTE 2084规范，使HDR不仅成为动态视频录制及播放的讨论重点，SMPTE 2084所定义的版本也成为业界沿用HDR产品的第一代规范。

杜比HDR的核心技术叫做“感知量化 (Perceptual Quantizer，PQ)”的电-光转换功能(EOTF，将电信号转为可见光)，这项技术将亮度标准定义在10,000Nits(普通的电视亮度仅100-200nits左右)。但是，目前还没有实际显示设备能达到这一亮度，因此目前Dolby Vision的亮度目标是4,000nits。

目前针对亮度处理的技术包括CMOS与CCD传感器，均已能感应高动态范围亮度的图像，然而，如何将HDR图像正确处理、储存并传输至显示器？Dolby通过重新安排亮度分布曲线、增加传输及处理深度(bit width)达12bit、制作环境参数(meta data)后送等方式，以避免重新分布后亮度不连续的问题，更能在图像传输至显示器时，精准还原HDR图像。(此技术收录在SMPTE 2084规范中。)

1. 重新安排亮度分布曲线以及增加传输与处理深度达12bit

Dolby的主要核心技术EOTF建构在两部分上：依照Barten Ramp重新安排亮度分布曲线；以及增加传输与处理深度12bit。

根据Barten Ramp，暗部(亮度极低时)人眼视觉灵敏度较低，亮度极高时，人眼对对比的感觉较饱和，而这个曲线是建构在人眼刚刚好可以分辨的亮度改变(JND)上。由图像输出端的光-电转换功能(OETF，EOTF的反向)曲线，可以得知当暗部的分辨率低，跳阶比较粗，亮部视觉比较灵敏，所以跳阶比较密。而正确的亮度分配，正好可以把暗部多出来的阶数贡献给明亮部分，从而达到亮度重新分布的目的。

增加传输与处理深度达12bit，则可以确保此分布变化不至于使视觉观察到不连续的状况，而总体亮度也可获得更多阶数的处理单位。

图2：PQ-HDR图像输出端的OETF曲线，xy坐标皆为0~10000亮度

不过，任何图像修正或重新分布的技术，必须同时提供还原的模式，否则在应用上会有一定的困难。图像输出前的技术即为OETF，而图像输出后制处理过的视频技术，定义为EOTF，两者都是一条“非线性的曲线”。然而，在处理亮度校正及色域转换议题时，必须先将信号还原成“线性曲线”，以减少后续处理的复杂度。

图3：PQ-HDR图像输出端的EOTF曲线，x坐标为0~1标准化亮度，y坐标为0~1,024的10位编码

在图像分布曲线成功还原后，HDR 将“亮度”及“色域”两路分开处理，Dolby的处理方式之一是将YCbCr色域先转为IPT色域，再处理亮度及色彩饱和度。而色域映射(Gamut mapping)更提出由更复杂的3D查找表(3D LUT)来完成。

当然，使用这种HDR的技术在EOTF线性还原之后，并不一定要使用与上述一模一样的处理方式，多数的芯片都具备有其他定制化处理方式，差别在最终的画质好坏而已。

图4：PQ-HDR IPT处理方式之一

2. 制作环境参数后送

要能使显示器正确的还原图像，录像及后制的环境因素必须传输给显示器，才能得到更精确的图像还原。制作HDR环境参数必须包含以下几项重要信息(CEA-8614.3规范及HDMI2.0a规范皆可看到详细信息定义)：

‧信号源的RGBW色域范围

‧显示器的最大/最小亮度值

‧视频内容的最大亮度值(MAX CLL)

‧一个画面中的最大亮度平均值(MAX Fall)

在实际应用案例上，例如宜特实验室收到多数送来测试的HDR视频，大多都以DCI P3色域及Mastering 4000 Cd/m2占多数，其他部分有些资料并不正确，因此显示器在处理时可能要有一些机制判断环境参数是否为合理值。

在HDR信号处理完毕之后，显示器在处理系统时，还必须设法把亮度曲线校正为较适合人眼的Gamma 2.0~2.4，以及颜色还原到显示器定义的色域范围，才能完成HDR的显示流程。

所以，正确的校正流程应该是由信号源产生HDR的亮度信号，并产生对应的环境参数，显示器收到环境参数后计算出适当的还原曲线，并校正为符合显示器规格的亮度分布。

(二) BBC/NHK的HLG-HDR对应方案

英国BBC及日本NHK电视台，也提出了对应的HDR 方案，称之为对数伽玛分布(Hybrid Log-Gamma；HLG)，相对于Dolby 的PQ-HDR，HLG在应用上的方便性，是不需要Meta data 的传输，并在大部分既有的显示芯片上经过运算就可以执行，最后，再经过最终显示器亮度及色域的校正，便能达到HLG所宣称的效果(技术细节参考ITU-R BT.2100.0规范)。此版本也成为业界沿用HDR产品的第二代规范。

图5：HLG-HDR处理方块图

与PQ-HDR类似的，HLG-HDR也同样提出对应的OETF曲线，但是在HLG的作法上比较单纯也相对精确，信号源部分将亮度依照HLG OETF分布编码。而显示器部分则根据反向的OETF (OETF-1)，先将信号线性化再做定制化的亮度及色彩修正，最后再根据显示屏幕的最大、最小亮度及环境亮度还原为HLG定义的亮度分布，称之为光-光转换功能(OOTF)。

‧OOTF部分HLG特别加入了环境的亮度，实验的结果是以对数(Log)的方式呈现，关系式如下：

r=1+(1/5) *Log(Ypeak / Ysrround)


‧完整的EOTF则包含OOTF部分：

Yd=αYsr+β

α=Lw-Lb (for Y range 0~1)，β=Lb


Lw: 标准亮度峰值

Lb: Display luminance for black.

目前，HLG的最大亮度只在1,000Cd/m2下讨论，并不像PQ-HDR可以延伸到4000甚至10,000Cd/m2。有趣的是在ITU-R BT.2100附录中提到了PQ-HLG相互转换的方式，其实只要能够还原成线性曲线，各规范之间互转其实都做得到的。

为HDMI导入HDR及其对应认证标准

由于HDMI是显示型消费性产品的主要接口，多数显示产品会倾向先取得HDMI HDR的认证(HDMI2.0a)，作为导入HDR产品的第一步。

HDMI协会在2015公告了HDR的标准后，便成为第一个导入HDR的有线传输界面，不再局限于图像串流的应用。

HDMI目前对于HDR的认证仅限于协议(Protocol)的部分，认证项目包括：

‧HF1-53:Source Dynamic Range and Mastering InfoFrame–High Dynamic Range

‧HF2-54:Sink EDID–HDR Static Metadata Data Block

‧HF3-21:Repeater Repeated Output Port HDR

‧HF3-22:Repeater Repeated Output Port Source Functionality HDR

‧HF3-23:Repeater Repeated Input Port HDR

‧HF3-24:Repeater Repeated Input Port Sink Functionality HDR



从作者在宜特信号测试实验室协助客户取得HDMI2.0a认证与HDR定制化算法调校与量测的实际经验中发现，大部分的客户显示器机种，除了“延伸显示辨识编码”(EDID，即有关厂商名称分辨率与序号等屏幕数据)的编辑可能有些小问题之外，客户通常都可以非常顺利取得认证。

本文来自《电子工程专辑》2017年4月刊，版权所有，谢绝转载