電視HDR顯示技術(shù)研究

江潤

【摘要】在當(dāng)今電子科技技術(shù)發(fā)展較為興盛的時代，4K超高清電視的畫面質(zhì)量已經(jīng)進行再次的升級，HDR技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于電視顯示領(lǐng)域，筆者就HDR技術(shù)在電視領(lǐng)域中的應(yīng)用進行了相關(guān)的討論和闡述，并將其基本的概念原理進行了分析，將其在發(fā)展的過程中，能夠進行應(yīng)用的解決方案進行了列舉，并結(jié)合相關(guān)的具體應(yīng)用實例，將HDR在人們生活中產(chǎn)生的影響進行了闡述，希望能夠在未來的科技探索中，為相關(guān)的工作人員提供實際的數(shù)據(jù)參考。

【關(guān)鍵詞】高動態(tài)范圍;標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)范圍;轉(zhuǎn)換函數(shù);感知量化編碼

當(dāng)今的電視廣播技術(shù)在科技技術(shù)發(fā)展的浪潮下，已經(jīng)進行了無數(shù)次的更新?lián)Q代。超高清的電視已經(jīng)進入人們的生活中，其不僅在像素方面進行了提高，更具有了高級的顯示優(yōu)勢，例如寬色域、HDR以及高幀率等等，這使超高清電視與高清電視的技術(shù)優(yōu)勢彰顯出來，為觀眾帶來了更加優(yōu)質(zhì)的觀看效果。在這種技術(shù)更新的過程中，HDR技術(shù)對于畫質(zhì)的提升效果是最佳的，其在提升像素數(shù)量的基礎(chǔ)上，能夠?qū)⑾袼氐馁|(zhì)量進行進一步的提升，使觀看者能夠進行沉浸式觀看的試聽享受。

一、HDR的基本概念

在進行室內(nèi)外整體的圖片拍攝時，我們往往能夠遇到一些情況，例如在照片中，室內(nèi)的光線較暗，或者是室外的光線過于強烈，這使得室內(nèi)外的景象無法在同時進行優(yōu)質(zhì)的呈現(xiàn)，這是由于傳統(tǒng)的SDR無法使景物中的高光部分和暗部進行同時的呈現(xiàn)。當(dāng)今的數(shù)碼相機經(jīng)過技術(shù)發(fā)展之后，能夠達到多幀合成的技術(shù)。可以通過多張照片的拍攝，控制其不同的曝光的位置，在通過計算手段，將畫面進行技術(shù)合成，來呈現(xiàn)出高光部分和暗部中的細節(jié)展示。但是在進行多張圖片進行拍攝的時候，延時問題能夠?qū)е戮拔镥e位，從而產(chǎn)生畫面比較模糊的現(xiàn)象，同時在進行畫面合成的時候，因為畫面的對比度不是非常的自然，會在視覺上造成假象，使圖片的真實感減弱。

因此進行簡單的畫面疊加并不能使顯示技術(shù)成為合格的HDR技術(shù)，能夠達到真正的HDR技術(shù)，就必須在畫面中體現(xiàn)出超高清的細節(jié)，并使畫面的觀看效果達到實物的效果。

HDR又被稱為高動態(tài)范圍，是指在正常的圖片拍攝中，圖像的亮度最大值與最小值的比值。在自然的場景中，亮度的最大范圍是在10-6-109尼特之間，動態(tài)范圍控制在1015：1的比值內(nèi)。這其中，尼特是表示亮度的基本單位，1（nit）=1cd/m2。在正常的人眼識別中，亮度范圍保持在3×10-5-2×104尼特，但是人眼的識別是有一定的限制的，人眼無法同時進行最低、最高亮度的識別，可以理解為在人眼瞳孔不進行調(diào)節(jié)的時候，在相同的場景中，能夠是識別的最高、最低亮度的比值是存在在105：1的范圍內(nèi)，超出范圍的亮度和暗度人眼就已經(jīng)無法識別。

傳統(tǒng)電視的顯示動態(tài)范圍比值比較小，通常是在0.1-100尼特之間，被稱為標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)范圍，即SDR，我們生活中能夠接觸到的視頻類型例如DVD/SD/HD等只能夠達到6-10檔的動態(tài)范圍，而經(jīng)過研究表明，人眼的動態(tài)范圍能夠達到16.7檔，這就導(dǎo)致了SDR電視顯示技術(shù)達不到人類觀看的視覺體驗，因此就需要繼續(xù)將HDR的顯示技術(shù)進行更新。HDR能夠?qū)嬅嬷械母吖獠糠忠约鞍挡康乃屑毠?jié)進行相應(yīng)的顯示，能夠達到人眼不調(diào)節(jié)情況下的光感范圍，這不僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)電視現(xiàn)實系統(tǒng)中HDR的應(yīng)用，更要求在視頻的制作、傳輸以及制作都需要進行HDR技術(shù)的應(yīng)用。

二、HDR的基本技術(shù)原理

（一）伽馬校正

在傳統(tǒng)的電視機亮度顯示以及電壓輸出的關(guān)系中，其并不能構(gòu)成線性關(guān)系，而是以指數(shù)曲線進行存在。在不同的CRT顯示器中，也存在不同的伽馬值。在基本的伽馬值定義中，其數(shù)值為2.4，電視顯示器的伽馬值被稱為顯示伽馬。在非線性的補償措施中，需要在拍攝的過程中進行預(yù)校正，使得在播出的時候，顯示設(shè)備能夠?qū)D像進行準(zhǔn)確的還原。這就是伽馬校正。在比較完整的視頻圖像系統(tǒng)中，顯示伽馬值與編碼伽馬值是同時存在的，其二者相乘的結(jié)果就是圖像系統(tǒng)的系統(tǒng)伽馬。從基本上來講，想要將原始的場景進行準(zhǔn)確的重現(xiàn)，就要保證系統(tǒng)伽馬值為1，但是在實際的觀看過程中，實景的拍攝環(huán)境與觀看時的光線環(huán)境是不同的，這就會導(dǎo)致畫面發(fā)灰的現(xiàn)象。因此在我們通常能夠接觸的電影環(huán)境中，系統(tǒng)伽馬將被控制在1.5，明亮的室內(nèi)觀看時，系統(tǒng)伽馬為1.125，較暗的觀看環(huán)境中，其數(shù)值保持在1.2。

（二）EOTF與OETF

在數(shù)字信息化發(fā)展快速的時代，CRT非線性問題已經(jīng)被基本的解決，但是在伽馬轉(zhuǎn)換的關(guān)系上面依舊保持著，這是為了能夠使傳統(tǒng)的現(xiàn)實設(shè)備達到兼容效果，同時也是利用了人眼在感知亮度時的非線性特征，在電平分配方面，將高亮區(qū)域的分配減少，將暗部的分配進行相應(yīng)的增加。

這種將光電進行主動的加入，并將其電光轉(zhuǎn)化的曲線被稱為光電轉(zhuǎn)換函數(shù)，即OETF，以及電光轉(zhuǎn)換函數(shù)，即EOTF。其分別對應(yīng)著編碼伽馬值以及顯示伽馬值。OETF和EOTF在進行相互配合作用的同時，也能夠產(chǎn)生非線性關(guān)系，這種關(guān)系被稱為呈現(xiàn)意圖，由光電轉(zhuǎn)換函數(shù)進行定義并對應(yīng)系統(tǒng)伽馬。

傳統(tǒng)的SDR電視只能處理小于100尼特的亮度，并將高出100尼特的信號同樣按照100尼特進行處理，這就導(dǎo)致了原始場景中的高亮部分細節(jié)，無法被真實的進行還原。因此為了能夠?qū)⒏哂?00尼特的亮度信號進行處理，將動態(tài)范圍呈現(xiàn)的更大，在進行高量化比特數(shù)提高的同時，還應(yīng)該將人眼視覺的特性進行有效的利用，對OETF和EOTF的曲線進行優(yōu)化。

（三）韋伯定律與量化比特數(shù)

針對顯示中的動態(tài)范圍，在進行量化級數(shù)的時候，是需要韋伯定律來進行控制的，其動態(tài)范圍和量化技術(shù)之間的關(guān)系如下：

在這個關(guān)系中，L代表的是在歸一化之后的相對亮度，其控制范圍是在0-1之間。V代表的是顯示器在歸一化之后的輸入電平值。N代表量化級數(shù)，γ為伽馬值，在傳統(tǒng)的SDR電視技術(shù)中，伽馬值基本為2.4.

在進行多次的測試之后，為了將輪廓效應(yīng)進行減弱或者避免，應(yīng)該將量化級數(shù)控制在5%以下，并基于此，進行量化級數(shù)與相對亮度之間的關(guān)系計算。在傳統(tǒng)的8比特量化的SDR系統(tǒng)的電視中，其L數(shù)值應(yīng)該為0.0258，超過其數(shù)值便會出現(xiàn)輪廓化，因此經(jīng)過計算之后，動態(tài)范圍的數(shù)值應(yīng)該控制在5.27檔;在10比特量化的顯示系統(tǒng)中，動態(tài)范圍數(shù)值應(yīng)為10檔;如果進行12比特量化，那么動態(tài)數(shù)值應(yīng)該控制在14.95檔，這個數(shù)值是與人眼的動態(tài)范圍比較接近的。

（四）HDR解決方案

在量化比特數(shù)進行確定之后，伽馬曲線的采用也是應(yīng)該注意的問題，在傳統(tǒng)的SDR顯示系統(tǒng)中，為了能夠?qū)⒊^100尼特的區(qū)域進行細節(jié)顯示，會利用多臺攝像機，在相同的某一個電平位置進行拐點的設(shè)置，并根據(jù)拐點為基點，對高亮區(qū)域進行相應(yīng)的壓縮。將動態(tài)范圍進行相應(yīng)的擴大，但是在進行高亮區(qū)域的范圍擴大時，能夠使用的電平資源將在15%左右，因此無法將高亮區(qū)域中的灰度層次進行顯示，這時，就需要將OETF和EOTF進行相應(yīng)的優(yōu)化。

在進行曲線優(yōu)化的過程中，能夠應(yīng)用的技術(shù)有基本的兩種，其一是感知量化編碼，即PQ，另一種是混合對數(shù)伽馬，即HLG，這兩種技術(shù)在多年的發(fā)展過程中，已經(jīng)被定義為HDR技術(shù)發(fā)展的核心，并將其作為基本的標(biāo)準(zhǔn)，這兩中技術(shù)能夠?qū)DR的高亮度電平資源大幅度的提升，使其能夠包含更多的層次信息。

三、HDR的制作流程

（一）HDR的拍攝方面

在進行視頻的拍攝時，視頻的記錄格式是由節(jié)目需要的質(zhì)量，以及攝像機的實際性能進行決定的。當(dāng)節(jié)目所需的畫質(zhì)要求較高的時候，可以將線性伽馬、BT.2020色域以及2-16比特的RAW作為基本的編碼格式;當(dāng)節(jié)目的類型為常規(guī)的節(jié)目時，在進行拍攝的過程中，可以直接使用支持HLG記錄的攝像機，當(dāng)攝像機不能夠支持HLG的時候，可以選擇對數(shù)伽馬格式，即Log模式，在拍攝完畢進行視頻輸出的時候，再將其轉(zhuǎn)化為HLG模式進行播出。當(dāng)今已經(jīng)有較多的設(shè)備廠家擁有較為先進的LOG錄制模式。對于HDR視頻直播、錄制都有其相應(yīng)的技術(shù)模式。同時在進行實際的操作中，HDR拍攝的過程中應(yīng)該將設(shè)備的曝光值調(diào)整至正常模式下的1-1.5檔光圈，以保證畫面中的灰、暗部細節(jié)的曝光能夠達成一致。

（二）HDR的后期制作方面

在進行視頻的后期制作方面，對于高畫質(zhì)要求的節(jié)目，可以了用RAW格式的文件進行制作，將RAW文件進行轉(zhuǎn)化，使其成為低碼率的代理文件，在進行輸出成品的工程文件，再進行套片合成，最終形成HLG視頻作品。RAW能夠?qū)⒁曨l的原始數(shù)據(jù)圖像進行記錄，同時在色彩方面，可以選擇ACES技術(shù)進行調(diào)色;在節(jié)目需求處于常規(guī)質(zhì)量時，可以直接使用HLG以及Log的壓縮格式進行制作，Log在使用方面作為中間片，在后期要進行調(diào)色，所以在制作的效率上不夠明顯，相較于HLG來說，其制作方法比較便捷，可以直接將視頻導(dǎo)入制作軟件進行制作剪輯，便可以進行HDR視頻的生成;在制作結(jié)束后，還應(yīng)該將其進行合成輸出，并分別進行4K文件以及高清文件的輸出，并保證畫面能夠有較好的細節(jié)呈現(xiàn)以及能夠?qū)⑸蔬M行還原。

（三）HDR的驗收監(jiān)看

在視頻進行整體的制作完工之后，需要將其進行最重要的監(jiān)視器驗收環(huán)節(jié)，這不僅能夠控制視頻的質(zhì)量，還能夠從基本上滿足人們的視覺需求，在視頻監(jiān)設(shè)備選擇上，應(yīng)該使用標(biāo)準(zhǔn)的HDR、SDR監(jiān)視器，并同時進行HDR、SDE雙重的效果查看，并能夠保證監(jiān)視器在亮度層次上面能夠進行正常的顯示。HDR監(jiān)視器在亮度的要求上需要達到600尼特，并在此基礎(chǔ)上進行進一步的升高，使動態(tài)范圍保持在10000：1的范圍內(nèi)，并支持HDR以及色域BT.2020。

（四）HDR播出傳輸及顯示

在HLG制作的節(jié)目在進行傳輸播出的時候，應(yīng)該及時的在播出編碼中進行HLG識別符的插入，當(dāng)HDR電視機在進行識別符接收之后，能夠及時的進入HLG的模式，并且在不同的HDR電視機上，可以通過可變伽馬，進行100尼特以下的平均亮度調(diào)整，來使不同的電視機保證擁有相同的平均亮度。

電視機頂盒在通過接口進行顯示信息獲取，將HDR電視機能夠進行正常的現(xiàn)實工作，同時在進行相應(yīng)的適配處理，在當(dāng)電視機接受到視頻信號后，部分電視機能夠直接進行HLG模式視頻的直接播放，但當(dāng)電視的模式僅支持PQ的時候，電視機頂盒能夠?qū)LG曲線進行轉(zhuǎn)換，使其成為PQ曲線;同時，電視機頂盒也可以將不同色域的視頻進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，使不同模式的視頻節(jié)目都能夠進行良好的輸出。

四、結(jié)束語

在當(dāng)今的HDR電視機中，由于先進的技術(shù)和信息化水平，在一定程度上面使電視機的實用性進行了增強，能夠讓高清電視、超高清電視得以應(yīng)用發(fā)展。在滿足了觀眾的視覺需求之后，HDR技術(shù)還應(yīng)在發(fā)展中不斷的進行自我完善，將制作工藝進行符合社會發(fā)展的創(chuàng)新，保證能夠為廣大電視用戶帶來更好的體驗，為科技領(lǐng)域增加新成就。

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