前言
不知道从什么时候起，商场里的电视机、显示器，以及手机视频软件在播放视频影像时，都开始出现“HDR”的字样。最初，大家对于这个概念还比较陌生。然而，时至今日，大多数消费者看到时会心一笑——这个是提升我观看体验的一种新技术，能让我看清更多图像细节。然后会在条件允许的情况下选择HDR模式，以体验更棒的视觉效果。
技术的推广，往往就是这样”润物细无声“，我们今天科普的主题就是刚刚提到的另一位熟悉的陌生人——HDR。
认识HDR
定义
HDR(High-Dynamic Range)高动态范围技术是一种在图像处理和显示领域中常用的技术，旨在提供更广泛的亮度范围和更丰富的色彩细节。它通过在图像中捕捉和显示更多的亮度级别来提高图像的质量。提高了图像和视频的质量和逼真度，在摄影、显示和娱乐领域得到广泛应用。
与SDR的对比
传统的标准动态范围（SDR）图像通常具有相对较低的亮度级别（通常为8位），限制了它们能够显示的细节和色彩范围。相比之下，HDR图像使用更高的亮度级别（通常为10位、12位或更高），可以显示更多的细节和更丰富的色彩。
在摄影领域，使用HDR技术可以通过在多个曝光下拍摄同一场景，并将这些曝光合并在一起，从而捕捉到更广泛的亮度范围。这样可以在照片中还原出细节丰富的阴影区域和高亮区域，使图像更加真实和生动。
在显示技术中，HDR可以提供更好的视觉体验。高动态范围显示器能够显示更高的亮度和对比度，以及更丰富的色彩范围。这使得影片、游戏和其他图像内容能够以更真实的方式展示，更好地逼近人眼所能感知的亮度和颜色。
如果从技术参数的角度而言，就是相较于SDR而言，HDR技术能提供更宽广的色域、更深的色深以及更宽的亮度范围（在实际情况下，显示屏的峰值亮度能体现其亮度范围）
概念描述
那么接下来我们就一起来了解一下，影像HDR功能的哪些参数究竟是什么含义？具体的概念是什么。
色域
色域（ color space），也称色彩空间，是描述颜色范围的一个概念。通俗描述，如果把色域看成一条过渡丝滑彩带，这条彩带能展现的颜色范围就是色域的概念。
我们用 CIE 1931 色彩空间色度图来表示人类所能看到的所有色彩。对比HDR的常见色域BT-2020（也称Rec-2020），美国国家电视标准委员会在 1953 年订制的NTSC色域，以及SDR常用的色域REC-709（也称sRGB），可以看出BT-2020色域面积明显要比其它大，所以HDR技术下的影像能展示的色彩丰富度会比较高。
色深
色深（ color depth），是描述颜色的“细腻程度”的概念，一般用单位bit来衡量。简单理解就是单位面积内为颜色数量的多少。数值越大画面越细腻，同时色彩过渡就更加平滑自然。目前主流显示器的色深一般是6 bit、8bit和10bit。
我们通过一张图感受一下8bit和10bit的区别，可以明显发现10bit影像会更细腻，而HDR技术的色深基本都是10bit及以上的技术标准。所以呈现的画面细节更多，过度更自然。
峰值亮度
峰值亮度是指显示器可以短时间维持的最大亮度规格，单位为nit，SDR技术的峰值亮度基本在500nit左右，而HDR技术的峰值亮度基本在1000nit以上，这意味着HDR技术在色彩信息等同的情况下，可以呈现更有层次的图像信息，通过差异化的灰度值使图像的整体对比度更高。
HDR的摄影应用
刚刚了解到HDR（高动态范围）技术，通过扩展图像的亮度范围和色彩细节来提高图像质量。它的工作原理涉及摄影和显示两个方面。在摄影中，HDR技术通过多曝光和图像合成来捕捉更广泛的亮度范围。具体步骤如下：
多曝光技术
摄影师拍摄同一场景的多张照片，每张照片使用不同的曝光设置。一般会拍摄一张正常曝光的照片、一张曝光过度的照片（用于捕捉阴影细节）和一张曝光不足的照片（用于捕捉高光细节）。
图像合成
将这些曝光不同的照片合成为一张HDR图像。合成过程中，通过比较不同曝光下的像素值，选择最佳的像素值以还原出更广泛的亮度范围和更丰富的细节。
HDR的显示应用
在显示设备中，HDR技术通过使用高动态范围显示器和相应的HDR格式来实现更好的图像质量。具体步骤如下：
高动态范围显示器
HDR显示器具有更高的亮度范围和更高的对比度，通常使用本地区域调光（local dimming）技术来实现。本地区域调光允许显示器控制特定区域的背光亮度，从而在显示过程中提供更准确的亮度级别和对比度。
HDR格式和编码
HDR图像和视频使用特定的HDR格式进行编码和传输。这些格式通常包含动态元数据，用于描述图像的亮度范围和色彩信息。在显示过程中，显示器会读取这些元数据，并相应地调整亮度和色彩，以呈现出更准确和真实的图像。
HDR格式类型
我们有介绍到HDR图像有许多不同的格式，之所以会这样，是因为存在不同的组织在运用HDR技术时，采用了不同的技术标准，这样使得生成的HDR图像格式并不统一，现存的HDR格式类型有非常多。
我们这边列举一些比较常见的格式，包括国外的HDR10、HDR10+、Dolby Vision、HLG（Hybrid Log-Gamma）、国内推出的HDR Vivid（菁彩），以及DP推出的DisplayHDR。还有其它格式类型，限于篇幅这里不一一说明。上图将这些HDR的不同数据类型的性能参数做了一个简单对比。
元数据
在正式介绍HDR格式前，我们先要明白一个概念——元数据。
HDR的元数据表示描述视频或图像处理过程中的关键信息或者特征， 主要有两种：静态元数据和动态元数据。
静态元数据规定了整个片子像素级别最大亮度上限，在ST 2086中有标准化的定义。静态元数据的缺点是必须做全局的色调映射，没有足够的调节空间，兼容性不好。
动态元数据可以很好地解决这个问题。动态元数据主要有两个方面的作用：与静态元数据相比，它可以在每一个场景或者每一帧画面，给调色师一个发挥的空间，以展现更丰富的细节；另一个方面，通过动态元数据，在目标显示亮度上做色调映射，可以最大程度在目标显示器上呈现作者的创作意图。
HDR10
HDR10是由美国消费者技术协会（CTA）于2015年推出，是目前最常见和广泛支持的HDR格式，被亚马逊和Netflix等用户，应用在电视、显示器和蓝光光盘等媒体上。
HDR10制定了基本的标准，包括4:2:0颜色采样，10bit色深和rec.2020颜色空间等基本规则，支持最大亮度1000nit，并且包含静态元数据，描述了整个内容的亮度范围。
HDR10+
2017年4月20日由三星和亚马逊 Video 、松下共同公布，由于杜比视界 HDR 极高的版权费用，三星等厂商不愿意支付，所以与松下、亚马逊和20世纪福斯创建了 HDR10 + 联盟，以推广HDR10 +标准。HDR10+ 通过添加动态元数据来更新 HDR10，动态元数据可用于在逐个场景或逐帧的基础上更精确地调整 HDR 的亮度级别，和杜比视界 HDR 类似，不过色深依旧是 10bit。
Dolby Vision
杜比实验室（Dolby Laboratories）推出开发的高级HDR格式。它使用12bit色深（每个颜色通道有4096个级别），支持最大亮度为10000nit，以保证更大的亮度范围和更高的对比度。与HDR10不同，Dolby Vision使用动态元数据，使得每个场景和帧都可以进行动态调整，以最佳方式显示。
从Dolby Vision高规格的技术标准可以看出，杜比支持的HDR技术确实会更好，然而这也意味着在体验上会更难。要想体验到Dolby Vision，首先要求片源支持杜比格式，其次拍摄设备和输出设备要有杜比实验室认证，最后需要缴纳不算便宜的Dolby Vision授权费用。所以，目前而言Dolby Vision对于大多数普通人而言还比较难触及。
HLG（Hybrid Log-Gamma）
英国BBC和日本NHK电视台合作开发的，是4K广播电视系统采用的技术标准。将SDR和HDR合二为一，在SDR显示器上也能正常播放。相比HDR10，它可以适应档次较低的显示设备，亮度区间为500~2000nit，目前各大电视台还有SONY一直在用这个技术，HLG也是免费授权，市场接受度也比较高，成本较低，最大的优势是兼容性特别好。然而HLG跟HDR10一样只支持静态元数据，这方面比起杜比视界和HDR10+稍微有所逊色。
HDR Vivid
中国超高清视频产业联盟（ CUVA）联合华为的厂商主导的HDR Vivid，中文名称菁彩HDR。HDR Vivid 是中国超高清视频产业联盟，以华为海思的技术为主导，推出的一个中国独创的HDR新标准，免授权费，同时支持动态元数据，可以对画面信息进行帧级调整。并且对图像的亮区和暗区有更精细化的调整。
从技术上来讲已经是和杜比视界一个层次了，但是由于起步较晚，之前的几大 HDR 标准都已近形成了比较固定的市场份额，HDR Vivid 的在国外推广普及会比较困难。但是目前在国内许多媒体平台已经支持HDR Vivid。2021年初腾讯视频成为全球首个上线 HDR Vivid 内容的互联网综合视频内容平台，2021年9月爱奇艺成为了网络视听行业首个全量的HDR Vivid内容，未来HDR Vivid的支持平台可以预见会越来越多。
DisplayHDR
视频电子标准协会（VESA）专为PC显示器设定的HDR标准，根据最新的CTS 2019.1的 VESA DisplayHDR 和 DisplayHDR 真黑标准的规范，将DisplayHDR标准分为5类，本别为 DisplayHDR 400、DisplayHDR 500、DisplayHDR 600、DisplayHDR 1000、DisplayHDR 1400；将DisplayHDR 真黑标准分为三类。分别为DisplayHDR True Black 400
、DisplayHDR True Black 500、DisplayHDR True Black 600。
DisplayHDR 和 DisplayHDR 真黑标准的划分级别主要是根据色域、色深和上升时间等特性的不同来进行区分，详见上图。
HDR应用范围
摄影和摄像
在摄影和摄像领域，HDR技术被广泛用于捕捉和呈现更广泛的亮度范围和更丰富的色彩细节。摄影师可以通过多曝光和图像合成来拍摄HDR照片，以还原真实的场景光照条件。在摄像中，HDR技术能够带来更逼真的影像，特别是在复杂光照条件下，如室内和室外对比度较大的情况。
电影和电视制作
在电影和电视制作中，HDR技术能够提供更好的图像质量和视觉效果。通过使用HDR技术，制片人可以还原影片拍摄时真实的光照条件，呈现更真实、更细腻的画面，使观众有更加沉浸式的观影体验。
游戏和VR
在游戏产业和虚拟现实领域，HDR技术可以提升游戏画面的品质和沉浸感。HDR游戏能够呈现更真实的光照效果、更生动的场景和更丰富的色彩细节，增强了游戏的视觉吸引力和沉浸感。
显示技术和消费电子产品
HDR技术在显示器、电视和移动设备等消费电子产品中得到广泛应用。高动态范围显示器能够提供更高的亮度和对比度，使图像更为逼真。越来越多的电视、手机和平板电脑产品支持HDR功能，为用户带来更好的观看体验。
发展趋势
AI技术的结合
近年，AI在视频领域的应用，让我们看到视频内容发展的新路径。基于AI的超分辨率技术可以实现低分辨率向高分辨率的提升，从而还原出大量的图像细节；基于AI的逆色调映射（Inverse Tone Mapping）技术和色彩增强技术，可以实现对比度、色彩饱和度等多个层面的提升。这些提升的细节，需要用HDR视频的高动态范围和宽色域来进行表达。
应用场景来说，可以将智能视频重制划分为智能画质提升和智能老片修复两个分类。其中智能老片修复可以极大地提升传统的人工修复效率，而超分和HDR则进一步提升弥补细节，调节亮度和饱和度，尽量提升到接近真4K的水平。
互联网平台的普及
HDR显示技术的另一个趋势是线上平台的普及，目前在终端线下设备的应用日趋完善，随着HDR终端播放设备、移动终端尤其是智能手机的不断发展，HDR显示技术的线上化技术基础已经十分成熟，我们可以看到，越来越多的互联网平台在普及HDR显示技术。
以国内为例，爱奇艺融合4K+HDR+高帧率+全景声的技术，打造一个比“蓝光”更高档次的选项“帧绮映画”，腾讯视频应用HDR10+环绕音效+蓝光的技术打造了“臻彩视听”的高级选项。还有许多其他互联网视频平台都有对应的HDR技术应用极大提升了用户的使用体验。未来HDR在互联网平台的普及和应用会更广泛和深入。
格式类型的分化
短期看，现存的种类繁多的HDR格式不会有统一的趋势，未来不短时间内，不同类型的HDR技术会进一步分化，背后的主导单位为了抢占市场份额，将会继续在自家的HDR技术上研发差异化内容。HDR多样格式类型的局面将会以百花齐放的形式持续在行业呈现。
充电头总结
HDR（High Dynamic Range）作为一项通过提高图像亮度范围和色彩深度来改善图像质量的技术。这项技术在电视、电影、摄影、游戏等领域都有广泛应用，并且未来还有更大的发展潜力。
HDR目前存在多种不同的格式和标准，这给消费者的体验过程带来一些不便，但另一方面也给市场带来了更丰富的产品类型，增加了可选择性；同时在这种良性竞争中间接提升了技术改进的效率，总体而言，有利有弊。
无论如何，标准和格式的统一总归是行业发展的规律，我们既期待技术壁垒消除的便利情形，也期待技术变革的美好体验。这要求行业和消费者共同努力，将HDR的技术生态构建的更加和谐、完善。
相关阅读
评论 (0)