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电视新技术标准知识文摘—HDR

 

1.       BT.709与BT.2020

分辨率

BT.2020标准的重要性是毋庸置疑的，正如BT.709对于高清视频传输与高清显示设备制造方面起到了引导性作用，BT.2020标准同样也深刻地影响着消费领域超高清显示设备的设计与制造，尤其在4K平板电视方面更为突出。例如目前绝大部分的4K平板电视的物理分辨率都是采用BT.2020标准的3840×2160，而不是DCI数字电影标准的4096×2160。但不得不提的是，4K投影机，尤其是原生4K的机型则多数采用DCI标准（4096x2160规格）。

 

量化

BT.2020标准相对于BT.709标准，大幅度提升了视频信号的性能规范。例如色彩深度方面，就由BT.709标准的8bit提升至10bit或12bit，其中10bit针对的是4K系统，12bit则针对8K系统：

对于10bit 4K系统，BT.2020标准定义整段视频信号的范围在4-1019，其中64为标准黑位，940为标准峰值，所以有效的视频信号为64-940。而0-3，1020-1023则放置时钟参考信号，4-63为低于标准黑位的信号，941-1019为标准峰值以上的信号；

而对于12bit 8K的系统，BT.2020标准定义整段视频信号的范围在16-4079，其中256为标准黑位，3760为标准峰值，有效的视频信号范围就在256-3760。而0-15，4080-4095则放置时钟参考信号，16-255为低于标准黑位的信号，3761-4079为标准峰值以上的信号。

除了色深（量化比特数）的提升之外，BT.2020采用了比传统BT.709更宽广的色域空间，即在色域三角形的定义方面作出了非常大的改变，整个三角形的面积远远大于Rec.709标准的范围，也就意味着超高清系统能够显示更多的色彩。不过对于白点的定义还是维持在Rec.709的D65标准。此外，对于一个信号的亮度，是由0.2627R+0.6780G+0.0593B组成。需要注意，越大的色域三角形对于显示设备的性能要求也越高。例如，按照段的家庭影院投影机的实际情况，只有采用LED或者LED激光混合光源的机型才能达到上述的标准。BT.2020标准的出现，将会进一步推进投影光源技术的发展。

从上图可以明显的看到BT.2020已经十分接近电影放映的DCI标准，甚至在深绿色的表达上已经超越的DCI标准。

 

帧率

BT.2020标准规定Ultra-high definition超高清图像的显示分辨率为3840×2160与7680×4320，画面显示比例为16:9，支持的刷新率包括120p、60p、59.94p、50p、30p、29.97p、25p、24p、23.976p。不得不提的是，在BT.2020标准中终于取消了隔行扫描，所有超高清标准下的影像都是基于逐行扫描的，无疑是历史性的突破，进一步提升了超高清影像的细腻度与流畅感。

 

2.       HDR

何为HDR

HDR（High Dynamic Range）直译为“高动态范围”，可以理解为更高的画面宽容度、更宽的亮度范围，使图像可以在高光比条件下呈现更多的细节。动态范围越大，图像上同时记录的亮部细节和暗部细节就越丰富。

与标准动态范围（SRD）相比，HDR可以避免出现BT.709色域标准下的高光溢出（高光部分细节丢失，以保证暗部曝光正常）或暗部裁切（暗部细节丢失，以保证高亮度场景曝光正常）问题。

简而言之，SDR到HDR的变化，就是就是图像信息中，可以正常显示的合法亮度值范围比之前增加了。

值得注意的是，从标清到高清，只是分辨率和宽高比发生了变化；而从高清到4K（超高清），量化、色域、扫描方式、帧率和显示亮度都发生了变化。这里的显示亮度的变化，就体现在制播监视器和收视终端都要支持HDR。当然，更高的帧率（HFR）、更宽的色域（BT.2020）也是必须考虑的问题。

 

HDR如何实现

要实现HDR，需要有端到端的系统解决方案和相应标准。

目前，在采集域，大部分成像器件本身支持大动态范围，演播室摄像机通常有10-12档光圈，摄影机则有14或更多档光圈；在显示方面，显示器件的对比度，绝对亮度也以可达到1000尼特或以上。

目前市面上销售的显示设备峰值亮度，普通电视机约300-500尼特，三星、海星等4K电视机宣称达到1000尼特，杜比、索尼、SIM2等显示设备宣称达到4000尼特。

（亮度是指发光体表面发光强弱的物理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比，定义为该光源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。亮度的单位是坎德拉/平方米cd/m2，亮度是人对光的强度的感受，1nit=1cd/m2。）

HDR还要求有新的电光转换（EOTF）与光电转换（OETF）设备。

特别需要指出的是，要推广HDR，必须解决HDR与SDR的兼容问题。

 

HDR标准与解决方案

l  HDR的方案选择需要综合技术、质量、兼容性、成本等因素。

l  Dolby的双层数据传输方案，使用PQ曲线，最高支持到4000尼特。传输带有增强层和元数据的基本层，基本层/增强层与现有视频编码算法兼容。SDR只利用基本层数据，HDR设备检测到元数据后可利用增强层HDR数据。

l  Philips & Technicolor采用的带元数据单层传输方案，使用PQ曲线，最高支持到4000尼特。有HDR兼容模式和SDR兼容模式，传输一种主数据（单层数据传输）以及相应的动态范围转换元数据。主视频编码与现有视频编码算法兼容，元数据可以是静态（SMPTE ST 2086）和动态（SMPTE ST 2094）。

l  BBC/NHK的单层方案，不带元数据。使用HLG曲线，最高支持到 1200尼特。利用曲线本身特性实现HDR/SDR的兼容转换，兼容效果有限。该方案与现有视频算法兼容。

l  SONY提出了SLOG3 母版制作流程，使得HDR 制作技术不仅满足高品质电影图像制作，也满足电视现场转播的场景，实现重大赛事/ 活动的直播与高动态范围HDR 记录并行，为推进HDR 应用开辟了新途径。

l  据悉，AVS 2.0标准中，也将对 HDR提出自己的方案。

　　

3.       PQ和HLG

HDR 技术的驱动来源于显示终端技术的提升和市场的攀升，SDR 监视器亮度计量单位是尼特NIT=cd/m2，标准亮度为100 尼特，平板电视机最高亮度可达300 尼特。随着LED 背光技术、OLED、QD 量子点显示技术的不断成熟，显示器件的最高亮度从常态提升到1000、2000、10000 尼特，最低显示亮度从0.1 尼特拉低到0.005 尼特，将显示器件对比度从103 扩展到105，提高了2 个数量级。

从2012 年国际电联颁布ITURBT.2020 超高清标准以来，4K技术分别在几个维度上形成发展势头，2015 年3 月美国电影电视工程师协会SMPTE ST.2084 标准颁布，开启了HDR 高动态范围技术的产业化发展。2016 年7 月， 国际电联ITU R BT.2100 高动态范围电视图像参数标准颁布，将ST.2084 PQ（Perceptual Quantization）感知量化电光转换特性和日本电波产业会ARIB STD-B67 标准中BBC/NHK HLG（Hybrid-Log Gamma）混合对数光电转换特性，定义为两种HDR 播出格式， 从而实现了HDR 核心技术的标准化，进一步促进了HDR 应用。

OETF（Opto - Electrical Transfer Function光电转换特性）/EOTF （Electro-Optical Transfer Function 电光转换特性）本质上是电平量化比特资源的分配方案。标准动态范围Rec709 曲线用于高亮度HDR的电平资源仅为10%， 正常拍摄90%。高动态范围ST2084 和HLG 曲线用于高亮度HDR 的电平资源与正常拍摄各占50%，所以，如图2 所示，HDR 曲线可容纳更多的高亮度层次信息。

PQ（ST2084）曲线采用绝对亮度，可以支持更大的动态范围（10-12bit），但需要授权费，显示由终端控制；HLG（Hybrid Log Gamma）采用相对亮度，支持的动态范围相对较小（10bit），但无需支付授权费，可直接实现HDR与SDR兼容，显示可由电视台控制。目前，主要的广电摄像机厂商多采用HLG曲线。不过，相关的HDR播出标准仍在探讨中。

PQ 和HLG 曲线具有不同的终端显示特点。HLG 图像接入HDR、SDR 终端，不需要做任何处理，就可以显示出各自正常的图像，HDR 终端最亮可以显1000nit，而SDR 终端最亮显示100nit。PQ 图像携带元数据信息，分别接入HDR、SDR 终端，经过映射处理，显示出适合该显示设备的最高亮度，如2000、1000、500、100nit 等。

 

4.       S-Log3

4K HDR 技术生态环境是与高清、4K SDR 共存的时代，在当前以高清内容为主、兼容4K 制作阶段，HDR 技术在适配时效性强的现场电视转播流程中，需要同时兼容高清直播、4K HDR 录制功能，为此，SONY提出了SLOG3 母版制作流程，使得HDR 制作技术不仅满足高品质电影图像制作，也满足电视现场转播的场景，实现重大赛事/ 活动的直播与高动态范围HDR 记录并行，为推进HDR 应用开辟了新途径。SLOG3 转换曲线预留了4000nit 的图像亮度空间，成熟的SLOG3 4K 工艺流程，对应现阶段兼容多种格式的需求是很好的选择。

4K HDR 拍摄、制作、显示生态环境已初步形成，并不断涌现出新的产品支持HDR 功能。4K 拍摄系统如索尼、阿莱、松下等主流4K 摄像机，通过RAW、LOG格式，均可实现HDR 源图像采集；后期Color Grading调色系统包括达芬奇DAVINCI RESOLVE、Autodesk Luster、Filmlight Baselight、Nucode FilmMaster 等，已经支持HDR 多种曲线、色域输出和元数据制作。以利达示波器为代表的监测仪器也具备了HDR 参数和图像特性监测能力。HDR 显示设备中嵌入了HDR 多种标准特性曲线，索尼OLED 监视器最高亮度达到1000 尼特，索尼LED 背光LCD 电视机最高亮度达到2000 尼特，LG、海信、创维的OLED 电视机最高亮度达到500 尼特，杜比Vision HDR 电视机最高亮度达到4000 尼特，创造了HDR 制作监看条件。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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