HDR技術(shù)及標準發(fā)展情況

惠　慧，朱穎瑛，朱林林，何大治

(1. 上海交通大學　未來媒體網(wǎng)絡(luò)協(xié)同創(chuàng)新中心，上?！?00125；2.數(shù)字電視國家工程研究中心，上?！?00125)

HDR技術(shù)及標準發(fā)展情況

惠慧1，2，朱穎瑛1，2，朱林林1，2，何大治1，2

(1. 上海交通大學未來媒體網(wǎng)絡(luò)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200125；2.數(shù)字電視國家工程研究中心，上海200125)

摘要:高動態(tài)范圍(HDR)技術(shù)已經(jīng)成為電視領(lǐng)域繼4K之后的又一關(guān)注焦點，2016年或?qū)⒊蔀镠DR標準化與產(chǎn)業(yè)化的一年。由2016年國際消費電子展HDR電視新品切入，介紹了HDR產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況及技術(shù)特點，認為標準化已成為HDR發(fā)展亟需解決的問題。在此基礎(chǔ)上，對HDR的標準化現(xiàn)狀進行了梳理和總結(jié)，并探討了HDR技術(shù)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞:高動態(tài)范圍(HDR)；電視技術(shù)；標準化

在今年的國際消費電子展(CES2016)上，HDR成為電視領(lǐng)域繼4K之后的又一關(guān)注焦點。各大整機廠商希望繼4K之后迅速找到新的銷售點，因此LG、三星、索尼三家知名電視廠商均展示了支持HDR顯示的電視新品，包括LG的SIGNATURE4KOLED系列、索尼的X9300D系列以及三星的無邊框量子點SUHD電視等。國內(nèi)廠商TCL也推出了一款型號為X1的QUHD新品電視，采用了杜比公司最新的HDR技術(shù)，同樣支持HDR顯示。毫無疑問，在未來這一年中，HDR將成為電視行業(yè)的熱門關(guān)鍵詞和發(fā)展趨勢，開始走入大眾的視野。

1CES 2016主要HDR電視概覽

今年的CES上，除了VR引起了很大的關(guān)注，在視頻領(lǐng)域，新型HDR電視成為各大廠商重點推薦的新產(chǎn)品。HDR相較普通的高清、超高清電視呈現(xiàn)了更加明亮、更加清晰、更加真實的畫面，吸引了大批參觀者駐足體驗。下文將介紹目前較具代表性的幾款HDR電視產(chǎn)品。

1.1索尼：X9300D系列和X8500D系列

X9300D系列電視搭載基于“動態(tài)背光系統(tǒng)-精英版”的全新網(wǎng)陣式背光照射結(jié)構(gòu)，最高亮度可達4 000nit(1nit=1cd/m2)，可呈現(xiàn)更細膩的色彩和更為生動的明暗對比效果。此外，在機身外形上，X9300D具備纖薄掛壁效果，掛壁后距離墻面僅36.7mm。該款電視已于2016年初首先在中國預售，其中55in(1in=2.54cm)售價14 999元，65in售價21 999元。

X8500D系列電視定位中高端，采用了4K處理芯片X1、4K迅銳圖像處理引擎PRO以及特麗魅彩顯示技術(shù)，從而能更好地呈現(xiàn)HDR畫面細節(jié)。該系列同樣擁有55in和65in兩個尺寸，售價分別為8 999元與15 999元。

1.2LG：Signature系列、G6系列和E6系列

LG于CES2016發(fā)布了數(shù)款HDR4KOLED電視。這些電視機型采用DolbyVision技術(shù)，支持下一代廣播傳輸標準BT.2020，搭載LG最新的WebOS3.0智能電視系統(tǒng)。在外觀上，采用“Picture-on-Glass”設(shè)計，厚度僅為2.57mm。目前這批新款電視的定價和開售日期尚未公布。

1.3三星：量子點SUHD系列

三星2016年發(fā)布的新一代SUHD系列電視在保留曲面4K屏的基礎(chǔ)上新增了HDR功能。其屏幕采用了10bit量子點技術(shù)，亮度可達1 000nit。該系列電視搭載Tizen操作系統(tǒng)，內(nèi)置IoTHUB技術(shù)，擁有49～88in的5款機型，尚未公布售價和上市日期。

2HDR概況

HDR，全稱HighDynamicRange，即高動態(tài)范圍。通俗來說，HDR可以拓展顯示的亮度范圍，展現(xiàn)更多的亮部和暗部細節(jié)，為畫面帶來更豐富的色彩和更生動自然的細節(jié)表現(xiàn)，從而使得電視畫面更接近人眼所見。如果說4K分辨率是對像素數(shù)量的一次提升，那么HDR顯示技術(shù)則是對像素質(zhì)量的一次升級。相較于4K分辨率，HDR技術(shù)所帶來的視覺震撼更為明顯。無論屏幕尺寸如何、觀影距離多少，其對畫質(zhì)的提升效果都是顯而易見的。

目前，4K分辨率已然成為各大電視機廠商旗艦產(chǎn)品的標配，而HDR作為超高清下一步的發(fā)展方向也成為了終端制造領(lǐng)域的新寵。近幾個月來，業(yè)內(nèi)多次超高清廣播測試使用了4KHDR標準的內(nèi)容。CES2016上，LG與三星均采用ATSC3.0標準進行了4KHDR的廣播演示。除此之外，HDR的內(nèi)容制作也開始涌現(xiàn)。在線視頻領(lǐng)域，流媒體巨頭亞馬遜已經(jīng)率先于2015年6月推出了首部4KHDR劇集《叢林中的莫扎特》，而Netflix也已經(jīng)將其自制劇《馬可波羅》轉(zhuǎn)制成了支持HDR顯示的格式?？梢灶A見，2016年，或?qū)⒊蔀镠DR標準化與產(chǎn)業(yè)化的一年。

3HDR技術(shù)介紹

HDR概念中的“動態(tài)范圍”，是指一個圖像中最亮處和最暗處之間的比值。

人眼所能感受的亮度范圍約為10-3～106nit，所能感受的瞬時對比度范圍可達10 000∶1，而目前消費級液晶顯示器的亮度一般在300～400nit左右，其亮度范圍一般為2 000∶1?？梢?，人眼的亮度分辨能力遠高于當前主流的顯示設(shè)備。而HDR顯示技術(shù)就是要提升顯示的亮度范圍，在使得顯示亮度更亮的同時，又讓呈現(xiàn)的黑色更黑。

目前顯示器對比度的限制是由1990年發(fā)布的ITUBT.709標準決定的。為了達到最佳的觀看效果，該標準中的電光轉(zhuǎn)換函數(shù)(EOTF)是以過去CRT顯示器的特性為基礎(chǔ)設(shè)定的。但CRT顯示器的亮度一般不超過100nit，對于現(xiàn)在亮度可達400nit甚至1 000nit的顯示器而言，BT.709標準已經(jīng)束縛了最佳顯示效果的呈現(xiàn)。因此，當前不少廣播電視界的機構(gòu)組織均提出了新的HDR顯示技術(shù)，以實現(xiàn)更高動態(tài)范圍的顯示。

HDR顯示技術(shù)的關(guān)鍵是電信號與光信號之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，即對于電光轉(zhuǎn)換函數(shù)(EOTF)和光電轉(zhuǎn)換函數(shù)(OETF)的定義。要對CRT時代的伽馬曲線進行替代，目前有兩種新的轉(zhuǎn)換方案：1)DoblyVision的HDR方案，該方案由杜比實驗室提出，采用感知量化編碼(PerceptualQuantizer，PQ)，可采用12bit色彩深度實現(xiàn)107高動態(tài)范圍，其亮度范圍達到10-3～104nit[1]。2)對數(shù)伽馬分布(HybridLogGamma，HLG)，該方案由BBC和NHK聯(lián)合研發(fā)，HLG方案通過兩種不同的方式來分別對HDR信號當中所包含的高光和低光部分進行解碼。

然而，不同的HDR技術(shù)需要相對應的顯示設(shè)備進行解碼調(diào)整。一個能夠顯示DoblyVisionHDR格式內(nèi)容的電視機，未必就能顯示BBC制作的HDR內(nèi)容。這就給HDR技術(shù)的大規(guī)模推廣帶來一些阻礙。因此，在技術(shù)條件已經(jīng)具備的情況下，標準化已經(jīng)成為HDR發(fā)展亟需解決的問題。

4HDR標準化情況

當前，世界各地的行業(yè)標準組織都已經(jīng)投入到HDR標準的制定工作中來。美國電影電視工程師協(xié)會(SMPTE)于2015年3月率先公布了電光轉(zhuǎn)換函數(shù)標準SMPTEST2084，采納了Dolbyvision的PQ曲線。而這一標準又被其他行業(yè)組織采納為自身標準體系的電光轉(zhuǎn)換標準。

4.1藍光光碟協(xié)會(BDA)

BDA致力于制定超高清藍光系列標準。2015年5月12日，BDA宣布完成Ultra-HDBlu-ray標準和商標。該標準將包括4K3 840×2 160像素的分辨率、廣色域(提升到BT.2020標準)、高幀速率(60f/s)等，將從2015年8月24日開始授權(quán)。

此外，該標準將支持開放HDR，使用10bitHEVC編碼和SMPTEST2084標準，同時準備采用DolbyVision和Philip建議作為選項。BDA也會將10bit編碼和寬色域用于目前的SDR內(nèi)容。

4.2美國消費電子協(xié)會(CEA)

2015年8月，CEA初步起草了關(guān)于電視和顯示器行業(yè)產(chǎn)品支持HDR技術(shù)的內(nèi)容，對“兼容HDR顯示器”進行了定義。其中包括：在電視、顯示器或者投影機中，至少有一個接口，可以支持HDR技術(shù)，而且要符合數(shù)字電視規(guī)范文件CEA-861-F以及未經(jīng)壓縮視頻規(guī)范CEA-861.3文件中的規(guī)定。另外，還要支持HDR10媒體傳輸標準，比如可以通過IPTV的方式播放HDR視頻，或者通過HDMI接口傳輸HDR視頻[2]。

HDR10媒體檔次需支持如下內(nèi)容：符合SMPETST2084電光轉(zhuǎn)換標準；色采樣4∶2∶0；比特深度10bit；彩色空間符合BT.2020；支持元數(shù)據(jù)SMPTEST2086)。

4.3超高清聯(lián)盟(UHD Alliance)

在今年初的CES2016上，超高清聯(lián)盟發(fā)布了4K/HDR認證標識“UltraHDPremium”。其要求設(shè)備分辨率達到3 820×2 160，色深達到10bit，支持BT.2020色域信號輸入，顯示覆蓋90%以上DCI-P3色域空間。在HDR顯示方面，該標準要求符合SMPTEST2084電光轉(zhuǎn)換標準；峰值亮度與黑位達到其中一項：1)亮度1 000nit以上/黑位低于0.05nit(主要針對LCD顯示器)；2)亮度540nit以上/黑位低于0.000 5nit(主要針對OLED顯示器)[3]。

此外，根據(jù)SMPTE研究小組2015年9月發(fā)布的《HDR影像生態(tài)系統(tǒng)》(High-Dynamic-RangeImagingEcosystem)報告，其他組織有關(guān)HDR標準制定的計劃如下：

1)ATSC正在考慮將傳輸HDR內(nèi)容加入ATSC3.0地面廣播標準；

2)SCTE(有線與通信工程協(xié)會)開始研究未來HDR有線傳輸；

3)MPEG正在評估HDR的影響，考慮是否需要調(diào)整HEVC壓縮標準中的各種工具，HDR內(nèi)容的流媒體傳輸也有待定義；

4)日本ARIB發(fā)布了一個光電轉(zhuǎn)換函數(shù)(OETF)的標準(ARIBSTD-B67)；

5)NHK已宣布傳輸HDRWCG圖像的時間表；

6)歐洲D(zhuǎn)VB正積極尋求家庭傳輸HDR的可能選項；

7)ITU-RSG-6形成了有關(guān)HDR電視系統(tǒng)的RapporteurGroup(RG24)Recommendations。

5HDR發(fā)展前景

HDR并非一個孤立的技術(shù)，而是超高清電視整體規(guī)劃中的一部分。與HDR的高亮度范圍顯示同步到來的，還將是更高的色彩深度以及更大的色彩空間范圍。色彩深度越高，可支持的顏色也越多。色彩深度的增加不僅僅增加了圖像的灰度值，也使得同一色系的視覺過渡更為平滑，避免了在表現(xiàn)漸變色彩時出現(xiàn)明顯的分層。而新一代的超高清規(guī)范ITUBT.2020所規(guī)定的色彩范圍，也將比BT.709多70%，尤其在綠、黃、青3個高亮度區(qū)域有顯著的擴大(如圖1所示)。在現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)布的HDR標準中，均對色彩深度和色彩空間作出了相應的規(guī)定。這些參數(shù)提升共同帶來了“更好的像素”顯示。

圖1　BT.2020與BT.709色域比較

HDR技術(shù)將被加入到4K甚至8K電視之中，將“更好的像素”與“更多的像素”結(jié)合，重新定義電視畫面。

據(jù)IHS預測，2019年，符合超高清聯(lián)盟驗收標準的HDR電視的出貨量有望從2016年的290萬臺激增至3 260萬臺(如圖2所示)[4]。在其最新的歐洲超高清市場預測中，IHS表示，預計今年二季度，HDR電視會進入市場銷售，到2017年銷量將有明顯提升，而到2019年，HDR機型將占據(jù)超高清電視銷售總量的38%[5]。此外，ABIResearch也預測，到2020年，將有70%的4K超高清電視機將支持高動態(tài)范圍(HDR)、更廣色域、高幀頻和沉浸式音頻等新技術(shù)。

圖2IHS：HDR電視出貨量預測(截圖)

相較于VR等新興業(yè)務對普通消費使用習慣帶來的沖擊，HDR與超高清一樣，具有更加“平易近人”的特性，在經(jīng)過由標清、高清、超高清的清晰度升級之后，技術(shù)研發(fā)和廠家開始關(guān)注更高的收視質(zhì)量，以達到真正的沉浸式、臨場感收視體驗。因此基于技術(shù)的突破性優(yōu)勢、迅速的標準化進度以及HDR電視終端的市場發(fā)展趨勢，未來HDR電視將在市場上迎來快速發(fā)展的時期。

參考文獻：

[1]HIFI說. 2015電視技術(shù)四大熱點：高動態(tài)范圍HDR、量子點QuantumDot、DolbyVision、4K[EB/OL].[2016-02-14].http://www.hifishuo.com/view_art.php?id=7624.

[2]CEAdefines‘HDR-compatible’displays[EB/OL]. [2016-02-15].http://advanced-television.com/2015/08/28/cea-defines-hdr-compatible-displays/.

[3]萬維家電網(wǎng).CES上的新鮮物 最新的UHDPremium標準解析[EB/OL]. [2016-02-15].http://tv.ea3w.com/150/1503054.html.

[4]GlobalHDRTVshipmentstotop32m[EB/OL]. [2016-02-14].http://advanced-television.com/2015/10/20/global-hdr-tv-shipments-to-top-32m/.

[5]IHS: “We’reupgrading4Kforecasts” [EB/OL]. [2016-02-15].http://advanced-television.com/2016/01/21/ihs-were-upgrading-4k-forecasts/.

責任編輯：許盈

Developmentandstandardizationofhighdynamicrangetechnology

HUIHui1，2,ZHUYingying1，2,ZHULinlin1，2,HEDazhi1，2

(1. Cooperative Medianet Innovation Center，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200125, China;2. National Engineering Research Center of Digital Television，Shanghai 200125, China)

Abstract:High Dynamic Range (HDR) Technology has become a new spotlight after 4K in the television field. It is probably that the year of 2016 will see the standardization and industrialization of HDR technology. Started with the overview of new HDR TVs launched on CES 2016. In this paper, the general situation and key technology of HDR are introduced. Noting that standardization has become an urgency of the development of HDR technology, the work of standardization of several associations are elaborated and the prospect of HDR technology is explored.

Key words:HDR; television technology; standardization

中圖分類號:TN949

文獻標志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.016

收稿日期：2016-02-01

文獻引用格式：惠慧，朱穎瑛，朱林林，等.HDR技術(shù)及標準發(fā)展情況[J].電視技術(shù)，2016，40(3):75-78.

HUIH，ZHUYY，ZHULL，etal.Developmentandstandardizationofhighdynamicrangetechnology[J].Videoengineering，2016，40(3)：75-78.