HDR 顯示技術在小點間距LED 顯示屏上的應用分析

寧喜峰

（廈門一視科技有限公司，福建 廈門 361028）

HDR 技術興起于廣電行業(yè)，全稱是High-Dynamic Range，即高動態(tài)范圍圖像技術，最早應用在攝影，因4K顯示時代的到來，現(xiàn)已經(jīng)擴展到手機拍照和4K 電視機，在小點間距LED顯示屏上的應用目前還是一個相對滯后狀態(tài)。本文主要針對HDR 顯示技術在小點間距LED 顯示屏上的應用技術展開分析。小點間距LED 顯示屏HDR 具有色彩鮮艷、圖像清晰、亮度高、能夠根據(jù)場地任意變化顯示區(qū)域的優(yōu)勢特點，通常被應用于室內(nèi)會議、展廳、報告廳、舞臺背景等，有效地提高觀看者觀看圖像的效果和體驗。

1 HDR 顯示技術的標準

HDR 的三大標準為 HLG（Hybrid Log Gamma）、HDR10、Dolby Vision，如圖1 所示。

圖1 HDR 的三大標準

HLG 的全稱是Hybrid Log Gamma，是由英國BBC 和日本NHK 電視臺聯(lián)合開發(fā)的高動態(tài)范圍HDR 的一個標準。

HDR10 為2015 年美國消費電子協(xié)會公布的HDR10 媒體檔案，俗稱HDR10，使用建議2020 色彩空間、Perceptual Quantizer（PQ）和10 位的位深度。HDR10 是由各種各樣的公司所支持的。

Dolby Vision（中文名：杜比視界）是美國杜比實驗室推出的影像畫質技術，通過提升亮度、擴展動態(tài)范圍來提升影像效果。它可以提升視頻信號保真度，從而讓圖像的無論從亮度、色彩還是對比度角度看都非常逼真。

2 三大標準差異比較

從推廣普及程度來說，HLG 是最廣泛、推廣成本最低、接受度最高的。HDR10 次之，Dolby Vision 最高端，不是一般用戶能接觸到的，而且需要授權才能使用。從技術角度來說，HLG 的輸出不帶元素據(jù)，其編碼值是相對值，按照百分比進行。能后向兼容SDR，最大照度值=顯示設備的技術指標，因此HLG 可以根據(jù)不同的顯示設備顯示出不同程度的HDR 效果，具備自適應性能。相比HDR10，它的畫面即使在現(xiàn)有的SDR 顯示設備上，也能呈現(xiàn)得更加艷麗動人。HDR10 和 Dolby Vision 都是 Perceptual Quantizer（ 也稱SMTPE ST2084）絕對值顯示，PQ 的輸出帶元數(shù)據(jù)，其編碼值是絕對亮度值，其輸出可以有很多版本，比如500 nit、1 000 nit、2 000 nit 等。如果顯示設備沒有達到輸出版本的亮度要求，則高亮部分會被切掉。

3 HDR 生態(tài)鏈

無論是HLG 也好，Dolby Vision 也罷，都是致力于再造拍攝→后期→母版制作→傳輸→顯示這樣一個端到端的生態(tài)環(huán)境，來保留和重現(xiàn)視頻中更亮和更豐富的色彩像素，從而讓人眼從顯示端上看到視頻的時候，能夠感覺到圖像效果的提升，也就是所說的HDR 全流程制作，如圖2 所示。

在這個全流程制作推廣過程中，前4 個環(huán)節(jié)都有影片公司或傳媒公司完成，同時前面4 個部分所投入的成本也是非常高的，高投入的制作片源，只有得到商業(yè)普及，才能實現(xiàn)其價值。要商業(yè)普及勢必就要實現(xiàn)顯示端的易實現(xiàn)且成本被接受，顯示端根據(jù)普及方向簡單的分為3 種形態(tài)：投影機、液晶電視、LED 屏。相比于投影機和液晶電視，小點間距LED 屏HDR 顯示這個平臺實現(xiàn)就相對復雜，需要進行HDR解碼→編碼→發(fā)送→接收→驅動的過程。在這個過程中，要保留和重現(xiàn)視頻中更亮和更豐富的色彩像素，給系統(tǒng)方案帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

圖2 HDR 全流程制作

4 HDR 技術在小點間距LED 顯示屏上的顯示應用

4.1 小點間距LED 屏系統(tǒng)連線

常用小點間距的LED 屏燈珠點間距為1.875 mm、1.667 mm、1.5 mm、1.2 mm 等，因為燈珠點間距變小使每個箱體的燈珠數(shù)量成倍增加，這需要更多的接收卡來驅動一個常規(guī)箱體上的LED 燈珠，一箱體兩卡、三卡甚至四卡（接收卡）。同時LED 系統(tǒng)控制軟件中的刷屏也不同于常規(guī)刷屏的任意連線方式（如圖3 所示），因為每條網(wǎng)線只能帶載65 萬像素點，這樣只能豎向垂直走線（如圖4 所示），才能解決單條網(wǎng)線帶寬問題。由圖3 和圖4 網(wǎng)絡連線可以看出，同樣物理面積的LED 顯示屏，普通LED 屏使用了3 條網(wǎng)線，小點間距LED 則使用了5 條網(wǎng)線來帶載，而且是單一的豎向走線。

圖3 常規(guī)LED 屏的S 走線

圖4 小點間距LED 屏的豎向走線

4.2 LED 屏HDR 顯示的實現(xiàn)方式

LED 屏的HDR 實現(xiàn)方法目前有2 種：用支持HDR 功能的視頻處理器實現(xiàn)HDR 效果顯示、用支持HDR 功能的發(fā)送卡實現(xiàn)HDR 效果顯示。目前這2 種方式都有在使用，以下詳細分析這2 種解決方法。

用支持HDR 功能的視頻處理器實現(xiàn)LED 屏HDR 顯示效果如圖5 所示，根據(jù)HDR 生態(tài)鏈的要求，首先需要HDR視頻源，無論是何種HDR 標準，片源是必須的。HDR 片源進入視頻處理器，視頻處理器將HDR 片源解碼。目前HDR片源絕大部分都是4K 視頻，視頻處理器解碼完成后，需要再做畫面分割，將畫面分割為多個拼接畫面。拼接畫面輸出給發(fā)送卡，發(fā)送卡經(jīng)過編碼后傳輸?shù)浇邮湛?，接收卡解碼驅動LED 屏幕。這個方法是視頻處理器完成HDR 視頻解碼和處理，發(fā)送卡系統(tǒng)只負責編碼傳輸顯示，這樣HDR 顯示的重點就在視頻處理器上。

用支持HDR 功能的發(fā)送卡實現(xiàn)LED 屏HDR 顯示效果如圖6 所示，HDR 視頻源直接給到發(fā)送卡系統(tǒng)，發(fā)送卡進行HDR 片源解碼，經(jīng)過視頻解碼后，再次重新編碼，編碼方式有特殊標記為HDR 視頻編碼，帶有特殊標記的編碼數(shù)據(jù)傳輸給接收卡，接收卡接到數(shù)據(jù)，根據(jù)特殊標記的編碼數(shù)據(jù)使用HDR 的方式驅動LED 顯示，這種HDR 顯示方式的實現(xiàn)是用發(fā)送卡和接收卡共同完成。

圖5 用支持HDR 功能的視頻處理器實現(xiàn)LED 屏HDR 顯示效果

圖6 用支持HDR 功能的發(fā)送卡實現(xiàn)LED 屏HDR 顯示效果

4.3 LED 屏HDR 顯示視頻處理器實現(xiàn)方式

視頻處理器實現(xiàn)LED 屏HDR 顯示效果重點在于視頻處理器實現(xiàn)HDR視頻解碼，將HDR視頻解析后再次編碼輸出，其編碼值是相對值，按照百分比將色域、亮度、對比度變?yōu)橐粋€相對值給到發(fā)送卡和接收卡。在這個過程中，不需要對發(fā)送卡和接收卡做任何特殊設置，發(fā)送卡和接收卡以及LED顯示屏作為被動顯示部分，只負責編碼解碼顯示。這種方式像極了HDR 的HLG 的標準方式，可以根據(jù)不同的顯示設備顯示出不同程度的HDR 效果，具備自適應性能。在推廣過程中，這種方式給用戶帶來了極大的便利性，簡單易實現(xiàn)，LED 系統(tǒng)兼容性好，不論哪種LED 發(fā)送卡系統(tǒng)都適用，普通的發(fā)送卡和接收卡便可以實現(xiàn)HDR 顯示效果，從而提升LED 顯示屏的觀看顯示質量。

4.4 LED 屏HDR 顯示發(fā)送卡實現(xiàn)方式

發(fā)送卡實現(xiàn)LED 屏HDR 效果顯示是由發(fā)送卡和接收卡共同完成，市面上的幾家主流發(fā)送卡廠家的實現(xiàn)方案略有不同。方案之一是由發(fā)送卡接收到視頻，根據(jù)視頻協(xié)議來判斷HDR 和SDR 以及HDR 標準分析；根據(jù)HDR 視頻標準，做相應解碼和編碼，編碼給接收卡的時候，增加HDR 特殊視頻的處理方式，接收卡收到發(fā)送卡過來的數(shù)據(jù)時，按著HDR的視頻數(shù)據(jù)來驅動LED 屏顯示。首先需要發(fā)送卡和接收卡都支持HDR 功能，即在LED 屏廠做系統(tǒng)顯示時，要購買對應的硬件和軟件。這個方式的實現(xiàn)方式和HDR10 和Dolby Vision 標準很相似，其編碼解碼的色域、亮度、對比度數(shù)值都是絕對值。

5 結論

綜上所述，在當前LED 顯示屏的HDR 顯示應用中，采用HDR 視頻處理器的優(yōu)勢在于普通發(fā)送卡系統(tǒng)也可以實現(xiàn)HDR 效果，支持HDR 視頻也支持SDR 視頻，顯示效果可以根據(jù)視頻片源來選擇。采用HDR 發(fā)送卡和接收卡的方式，針對HDR 顯示效果會更好，但不能兼容SDR 視頻，播放SDR 視頻色彩偏差就會很大。這2 種方式在市場上都認可，使用HDR 視頻處理器實現(xiàn)HDR 效果的案例會比較多，是因為在項目投標、項目成本核算、項目施工方案、后期維護、客戶的臨時需求等諸多可變因素中，有很多的可控因素，可以通過增加HDR 視頻處理器，來對舊項目改造實現(xiàn)HDR效果；增加HDR 視頻處理器，來對客戶臨時需求HDR 視頻進行播放顯示等，通過HDR 視頻處理器來應對項目的可變因素。