8K 電視信號(hào)的HDR 和色域擴(kuò)展技術(shù)

錢(qián) 岳

（中央廣播電視總臺(tái)，北京 100000）

0 引言

高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）和色域擴(kuò)展技術(shù)被視為提升8K 電視觀看體驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)。HDR 技術(shù)支持電視在明亮和黑暗部分之間呈現(xiàn)更多細(xì)節(jié)，提供更生動(dòng)的圖像。色域擴(kuò)展技術(shù)則增加了可顯示的顏色范圍，使得圖像更加真實(shí)。研究如何在8K 電視信號(hào)中有效實(shí)現(xiàn)HDR 和色域擴(kuò)展技術(shù)至關(guān)重要。

1 8K 電視技術(shù)概述

8K 電視技術(shù)，也稱(chēng)為超高清電視技術(shù)，是一種視覺(jué)媒體技術(shù)，主要特點(diǎn)是其出色的圖像分辨率。與傳統(tǒng)高清電視相比，8K 電視具有更高的分辨率，達(dá)到7 680×4 320 像素，意味著每個(gè)畫(huà)面可以呈現(xiàn)超過(guò)3 300 萬(wàn)個(gè)像素。這極高的分辨率為觀眾帶來(lái)了卓越的圖像清晰度和更真實(shí)的視覺(jué)體驗(yàn)[1]。不同分辨率電視信號(hào)的畫(huà)面尺寸對(duì)比如圖1 所示。

圖1 不同分辨率電視信號(hào)的畫(huà)面尺寸

8K電視的發(fā)展可以追溯到幾十年前的早期實(shí)驗(yàn)。然而，直到近年來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，8K 電視才逐漸走向商業(yè)化應(yīng)用。20 世紀(jì)90 年代，日本放送協(xié)會(huì)開(kāi)始了對(duì)8K 電視技術(shù)的深入研究，并在2002年首次演示了8K 電視的原型。此后，8K 電視技術(shù)經(jīng)歷了多次標(biāo)準(zhǔn)化的努力，以確保其在廣泛應(yīng)用中的互操作性和可行性。隨著技術(shù)的成熟和制造成本的下降，8K 電視在市場(chǎng)上的可獲得性逐漸增加。

2 HDR 技術(shù)

2.1 HDR 的概念和原理

HDR 是一種視覺(jué)技術(shù)，其核心是通過(guò)擴(kuò)展圖像的亮度范圍來(lái)提供更真實(shí)、更生動(dòng)的圖像。HDR 技術(shù)通過(guò)捕捉和呈現(xiàn)比傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍（Standard Dynamic Range，SDR）更廣泛的亮度范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，原理主要是在拍攝或顯示圖像時(shí)，使用更高的亮度級(jí)別來(lái)記錄和再現(xiàn)亮部和暗部的細(xì)節(jié)，使得圖像可以同時(shí)展示深色細(xì)節(jié)和明亮區(qū)域的高光細(xì)節(jié)，從而增強(qiáng)了視覺(jué)效果[2]。

HDR 技術(shù)依賴(lài)具備更高亮度輸出能力的顯示設(shè)備，以及能夠捕捉和編碼廣泛亮度范圍的相機(jī)傳感器。通過(guò)合適的硬件和軟件支持，HDR 圖像能夠保持更多的細(xì)節(jié)，并呈現(xiàn)更多的色彩深度，使觀眾能夠感受到更加逼真和生動(dòng)的視覺(jué)體驗(yàn)。

2.2 8K 電視中的HDR 實(shí)現(xiàn)方式

在8K 電視中實(shí)現(xiàn)HDR 涉及多個(gè)關(guān)鍵步驟和技術(shù)，這些技術(shù)共同提高了圖像的亮度范圍和色彩深度，從而改善了視覺(jué)體驗(yàn)。在8K 電視中實(shí)現(xiàn)HDR的一般步驟如圖2 所示。

圖2 8K 電視中HDR 的實(shí)現(xiàn)方式

2.2.1 明暗信息捕獲

HDR 技術(shù)首先需要捕獲場(chǎng)景中的明亮和暗部分的信息，可以通過(guò)使用高動(dòng)態(tài)范圍攝像機(jī)或傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于明亮部分信息，通常通過(guò)增加曝光時(shí)間來(lái)捕獲；對(duì)于暗部分信息，則需要使用多次曝光或不同曝光設(shè)置來(lái)捕獲[3]。

2.2.2 明暗信息合成

捕獲的明暗信息需要合成為一幅HDR 圖像。這涉及將不同曝光下的圖像進(jìn)行融合，以獲取細(xì)節(jié)豐富的圖像。HDR 圖像可以通過(guò)將明亮圖像與暗部圖像合成而得到，合成的過(guò)程可以表示為

式中：IHDR代表最終的HDR 圖像；Ibright代表明亮部分的圖像；Idark代表暗部分的圖像；函數(shù)f涉及圖像融合算法，如加權(quán)平均或色調(diào)映射。

2.2.3 色彩信息增強(qiáng)

HDR 并不僅僅關(guān)注亮度范圍，還包括色彩信息的增強(qiáng)。色域擴(kuò)展后的顏色可以通過(guò)將原始顏色與色域映射進(jìn)行組合而獲得，組合過(guò)程可以表示為

式中：Cexpanded代表經(jīng)過(guò)色域擴(kuò)展處理后的顏色，Coriginal代表原始顏色，Mmapjing代表映射函數(shù)。這個(gè)映射過(guò)程涉及將顏色從一個(gè)色域映射到另一個(gè)色域的數(shù)學(xué)操作，以擴(kuò)展可見(jiàn)顏色的范圍。

2.2.4 顯示適應(yīng)及色彩校正

HDR 圖像需要適應(yīng)具有更廣亮度范圍的8K 電視屏幕，因此需要調(diào)整圖像的亮度和對(duì)比度，以確保它在8K 顯示器上顯示時(shí)保持最佳可見(jiàn)性。此外，色域擴(kuò)展后的圖像可能需要進(jìn)行顏色校正，以匹配特定8K 電視的色域和色彩標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)這些步驟和相關(guān)技術(shù)，8K 電視可以實(shí)現(xiàn)HDR，從而呈現(xiàn)更廣泛的亮度和更豐富的顏色，為觀眾提供卓越的視覺(jué)體驗(yàn)。

3 色域擴(kuò)展技術(shù)

3.1 色域的定義和重要性

色域是指可見(jiàn)顏色的范圍，包括了人們可以在圖像中看到的所有不同顏色。色域的大小直接影響圖像的色彩豐富度和真實(shí)性。色域擴(kuò)展技術(shù)旨在增加色域的范圍，使圖像能夠呈現(xiàn)更多的顏色和更豐富的色彩，對(duì)于提升圖像的視覺(jué)效果和質(zhì)量至關(guān)重要，特別是在高分辨率的8K 電視上，觀眾期望能夠欣賞到更生動(dòng)、更逼真的圖像[4]。常見(jiàn)的色域有Rec.709 和Rec.2020 兩種，對(duì)比如圖3 所示。

3.2 8K 電視中的色域擴(kuò)展方法

在8K 電視中實(shí)現(xiàn)色域擴(kuò)展涉及一系列關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)共同提高了圖像的色彩表現(xiàn)力。在8K電視中實(shí)現(xiàn)色域擴(kuò)展的一般步驟如圖4 所示。

圖4 8K 電視中的色域擴(kuò)展方法步驟

首先，色彩信息捕獲。為了擴(kuò)展色域，首先需要捕獲原始圖像的色彩信息，可以通過(guò)使用高色彩深度的攝像機(jī)或傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。捕獲的原始顏色信息通常以RGB 格式表示。

其次，色彩空間轉(zhuǎn)換。捕獲的RGB 顏色信息可能位于標(biāo)準(zhǔn)的色彩空間，如sRGB。要進(jìn)行色域擴(kuò)展，需要將其轉(zhuǎn)換到更廣泛的色彩空間，如Rec.2020。要進(jìn)行從sRGB 到Rec.2020 色彩空間的色彩空間轉(zhuǎn)換，可以使用一個(gè)3×3 的轉(zhuǎn)換矩陣，將sRGB 顏色的紅、綠、藍(lán)分量表示為列向量，然后通過(guò)矩陣乘法運(yùn)算將其映射到Rec.2020 色彩空間的對(duì)應(yīng)分量，以實(shí)現(xiàn)色域擴(kuò)展和廣色域顯示。需確保轉(zhuǎn)換矩陣的準(zhǔn)確性和顏色空間參數(shù)的一致性，以避免顏色失真。

再次，色彩映射和擴(kuò)展。在更廣色域中，某些顏色可能超出了原始圖像的范圍。因此，需要進(jìn)行色彩映射和擴(kuò)展，以確保顏色的平滑過(guò)渡和最佳可視性。此步驟可以通過(guò)調(diào)整顏色的亮度、對(duì)比度和飽和度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

最后，擴(kuò)展后的顏色信息需要適應(yīng)8K 電視的色彩標(biāo)準(zhǔn)和顯示能力，可能需要再次進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換或色彩校正，以匹配特定8K 電視的要求。

4 HDR 和色域擴(kuò)展在8K 電視中的應(yīng)用

4.1 HDR 技術(shù)在8K 電視中的應(yīng)用

HDR 技術(shù)在8K 電視中的應(yīng)用可以顯著提高圖像質(zhì)量。8K 電視本身具有更高的分辨率，但如果不同步使用HDR技術(shù)，圖像可能仍然缺乏視覺(jué)吸引力。HDR 技術(shù)通過(guò)擴(kuò)展亮度范圍和增強(qiáng)顏色的細(xì)節(jié)，使得8K 圖像變得更加生動(dòng)和逼真。不同的HDR 標(biāo)準(zhǔn)，如HDR10、Dolby Vision 和HLG 等，為8K 電視提供了多樣的HDR 選擇，以滿足不同觀眾需求[5]。

4.2 色域擴(kuò)展技術(shù)在8K 電視中的應(yīng)用

8K 電視的色域擴(kuò)展技術(shù)可以提供更廣泛的顏色表現(xiàn)力。這意味著觀眾可以看到更多種類(lèi)的顏色和更飽滿的色彩。在8K 電視中，色域擴(kuò)展對(duì)于呈現(xiàn)細(xì)微的顏色差異和更真實(shí)的色彩非常重要。通過(guò)使用現(xiàn)代的色域擴(kuò)展技術(shù)，8K 電視可以提供更具視覺(jué)沖擊力的圖像。

4.3 案例分析

本案例對(duì)圖5 進(jìn)行處理，該圖在細(xì)節(jié)表現(xiàn)上較為平坦。特別是在圖片的暗部和亮部，細(xì)節(jié)丟失相對(duì)明顯。這樣的效果通常會(huì)讓圖片顯得缺乏深度和動(dòng)態(tài)范圍，從而減弱其視覺(jué)吸引力。色彩方面，原始圖片的色調(diào)和飽和度相對(duì)保守，沒(méi)有特別突出的色彩元素。這可能會(huì)讓圖片顯得相對(duì)單調(diào)，缺乏視覺(jué)沖擊力。

圖5 原始圖像

采用HDR 技術(shù)對(duì)原始圖像進(jìn)行處理。使用HDR 技術(shù)對(duì)圖片進(jìn)行處理后，其視覺(jué)效果有了顯著的提升，如圖6 所示。最初的圖片在亮度和對(duì)比度方面相對(duì)平坦，缺乏細(xì)節(jié)。經(jīng)過(guò)HDR 處理，暗部和亮部的細(xì)節(jié)得到了明顯的強(qiáng)化。特別是在圖片的陰影區(qū)域，HDR 處理使得原本不易察覺(jué)的細(xì)節(jié)變得清晰可見(jiàn)。在高光部分，過(guò)曝的區(qū)域得到了有效的壓制，使得原本因?yàn)槠毓膺^(guò)度而丟失的信息得以恢復(fù)。

圖6 經(jīng)HDR 技術(shù)處理的圖像

在此基礎(chǔ)上，采用色域擴(kuò)展技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理。如圖7 所示，色域擴(kuò)展技術(shù)進(jìn)一步增強(qiáng)了圖片的視覺(jué)效果，尤其是在色彩的鮮艷度和飽和度方面。在原始圖片中，某些色彩可能顯得相對(duì)暗淡或不夠鮮明。經(jīng)過(guò)色域擴(kuò)展，這些色彩得到了顯著提升，整個(gè)圖片看起來(lái)更加生動(dòng)和多彩。

綜上所述，通過(guò)HDR 和色域擴(kuò)展的綜合應(yīng)用，原始圖片在質(zhì)量和視覺(jué)效果上都達(dá)到了一個(gè)新的水平。HDR 處理帶來(lái)了更廣泛的亮度范圍和更豐富的細(xì)節(jié)，色域擴(kuò)展則讓圖片的色彩更加鮮明和飽和。這兩種技術(shù)結(jié)合使用，使得圖片在多個(gè)方面都得到了全面的提升。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要關(guān)注8K 電視技術(shù)中HDR 和色域擴(kuò)展技術(shù)的應(yīng)用。通過(guò)詳細(xì)研究，文章深入探討了這兩種技術(shù)技術(shù)如何提升8K 電視的圖像質(zhì)量和視覺(jué)體驗(yàn)。HDR 技術(shù)通過(guò)提供更高的亮度范圍和更多的色彩細(xì)節(jié)，使8K 圖像更加生動(dòng)和真實(shí)。色域擴(kuò)展技術(shù)增強(qiáng)了色彩表現(xiàn)力，使圖像更具吸引力。這些技術(shù)的結(jié)合為8K 電視帶來(lái)了前所未有的視覺(jué)效果，豐富了觀眾的娛樂(lè)體驗(yàn)。