什么是 HDR？

高動態(tài)范圍（High-Dynamic Range，簡稱HDR）作為超高清音視頻產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，擁有更廣的色彩容積和更高的動態(tài)范圍，為圖像保留更多細(xì)節(jié)。通過豐富的圖像亮部和暗部細(xì)節(jié)，在對比度、灰度等維度上提升影像質(zhì)量，讓用戶眼中的影像更加細(xì)膩真實，更富有感染力。

在HDR技術(shù)中，動態(tài)范圍指的就是圖像的最大亮度和最小亮度的比值。對比度有幾種不同的計算方法，其中最重要的3種分別是：韋伯對比度（CW）、麥克森對比度（CM）以及比率對比度（CR）。定義為：

HDR相比SDR標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢：

標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)范圍（Standard Dynamic Range，簡稱SDR），是一種視頻技術(shù)，它根據(jù)陰極射線管(CRT)顯示器的亮度、對比度和顏色特性和限制來表示光強度。SDR視頻能夠表示視頻或圖片的顏色，最大亮度約為100 cd/m2，黑電平約為0.1 cd/m2和Rec.709/sRGB色域。它使用伽馬曲線作為其電光傳遞函數(shù)。

一

更高的動態(tài)范圍

人眼可以感知到的亮度范圍能達到1012cd/m2，傳統(tǒng)的SDR顯示設(shè)備可以顯示的范圍能達到103cd/m2，而HDR可以達到10? cd/m2，是傳統(tǒng)SDR的100倍，因此在HDR視頻里面我們可以看到更多的暗部和亮部細(xì)節(jié)。

HDR與傳統(tǒng)SDR亮度范圍對比

二

更廣的色彩容積

SDR視頻通常是8bit，也就是1670萬色，HDR支持10bit甚至更高的色深，也就是你經(jīng)常聽到宣傳的10.7億色，顯示的顏色越多，色彩自然也就越細(xì)膩，顏色之間的過度更加自然。

在可顯示的色彩范圍上，HDR的視頻的色彩會更加豐富，SDR支持的rec.709色彩空間，HDR支持rec.2020色彩空間，如下圖：

目前市場主流的HDR標(biāo)準(zhǔn)有哪些？

1、HDR10

該標(biāo)準(zhǔn)由美國消費者技術(shù)協(xié)會（CTA）推出的，是一個開源免費的標(biāo)準(zhǔn)；HDR的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，所有的HDR設(shè)備都支持，也是目前應(yīng)用支持最廣泛的HDR標(biāo)準(zhǔn)。

但是HDR10采用的“靜態(tài)元數(shù)據(jù)”技術(shù)，信號記錄的是亮度的絕對值，就導(dǎo)致了如果你的設(shè)備達不到亮度就會進行削峰，比如說一臺最大亮度為1000cd/m2(nits)的顯示器，它如何處理高達4000cd/m2(nits)視頻中的高光，那就只能裁掉1000cd/m2(nits)以上的部分。

幾乎兼容所有4K HDR電視、藍(lán)光播放器、游戲主機（如PS5/Xbox）及流媒體平臺（Netflix、Amazon等）。

2、DOLBY VISION（杜比視界）

杜比實驗室推出的Dolby Vision，目前來說顯示效果最好的HDR標(biāo)準(zhǔn)。

與HDR10不同Dolby Vision采用了“動態(tài)元數(shù)據(jù)”的技術(shù)，使得每一幀都獲得了比較準(zhǔn)確的最高和最低亮度，對設(shè)備硬件的要求也是更為苛刻，而且每臺設(shè)備廠商都需要向杜比視界支付授權(quán)費用，一個杜比設(shè)備大概需要支付3美元左右的費用，就導(dǎo)致了支持杜比視界的設(shè)備普遍比較貴一些。

要達到杜比世界標(biāo)準(zhǔn)的播放要有三個必要條件：片源為杜比世界相關(guān)格式，硬件設(shè)備有杜比世界的認(rèn)證，包括處理器與顯示器播放軟件都要有杜比認(rèn)證，如果用沒有經(jīng)過認(rèn)證的設(shè)備來播放，就可能會出現(xiàn)應(yīng)收錯誤，無法正常解碼等問題。

杜比世界雖然是目前效果最好的HDR格式，但是很多廠商都不愿意使用，就是因為其高昂的授權(quán)費用，因此三星、亞馬遜等聯(lián)合推出了HDR10+的標(biāo)準(zhǔn)。

3、HDR10+

三星、松下與亞馬遜等聯(lián)合推出，具有杜比視界優(yōu)于HDR10的大部分優(yōu)勢，并且它是免費的。

為了對抗Dolby Vision，三星與松下、亞馬遜和二十世紀(jì)?？怂构餐瑒?chuàng)建了HDR10+聯(lián)盟，推出HDR10+標(biāo)準(zhǔn)，可以兼容HDR10。

HDR10+可以看做HDR10的升級，添加了“動態(tài)源數(shù)據(jù)”技術(shù)，對于內(nèi)容制作公司這項標(biāo)準(zhǔn)是免費的，對于硬件制造公司需要支付年費【最高$10,000】，不需要每個硬件去支付版稅，可以理解為免費的。

4、HLG

英國BBC和日本NHK聯(lián)合發(fā)起是的視頻電視信號標(biāo)準(zhǔn)，全稱是Hybrid Log Gamma。

使用這個標(biāo)準(zhǔn)最突出的特點就是：可以同時兼容HDR電視，和目前最為普及的SDR電視，兼容性特別好。

技術(shù)上的特點是：沒有元數(shù)據(jù)、電光傳遞函數(shù)HLG，這是混合對數(shù)伽馬的一種形式，如果經(jīng)常使用sony尼微單拍視頻，應(yīng)該會用到HLG這個PP值，因此行業(yè)大佬Sony可以說已經(jīng)支持了HLG這種HDR標(biāo)準(zhǔn)。

5、Advanced HDR by Technicolor

Technicolor開發(fā)，專注于內(nèi)容制作端的HDR優(yōu)化?？蓪DR內(nèi)容轉(zhuǎn)換為HDR，或優(yōu)化現(xiàn)有HDR內(nèi)容，但終端設(shè)備支持較少。

6、HDR Vivid 中文名稱：菁彩HDR

超高清視頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合華為的廠商主導(dǎo)的HDR Vivid，中文名稱菁彩HDR；

HDR Vivid是中國超高清視頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，以華為海思的技術(shù)為主導(dǎo)，推出的一個中國獨創(chuàng)的HDR新標(biāo)準(zhǔn)，也是一個免費的標(biāo)準(zhǔn)，也是支持動態(tài)元數(shù)據(jù)，可以對畫面信息進行幀級調(diào)整，從技術(shù)上來講已經(jīng)是和杜比視界一個層次了，但是由于起步較晚，之前的幾大HDR標(biāo)準(zhǔn)都已近形成了比較固定的市場份額，同時各個標(biāo)準(zhǔn)背后的公司與顯示設(shè)備廠家之間的利益糾葛，以及復(fù)雜的國際環(huán)境，HDR Vivid的推廣普及并沒有那么簡單。

總之，HDR技術(shù)的核心目的是在圖像中表現(xiàn)更大的亮度范圍，從非常亮的區(qū)域到非常暗的區(qū)域都能清晰呈現(xiàn)。傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)范圍（SDR）的亮度范圍有限，無法準(zhǔn)確表現(xiàn)真實世界中的高亮和低光場景。而HDR通過增加亮度范圍和色彩容積，能夠在對比度、灰度等維度上提升影像質(zhì)量，使圖像更加細(xì)膩真實，富有感染力?。

FF PicturesGmbH的InnoPQ系統(tǒng)憑借Prometheus色度計革新了HDR顯示器計量！

高動態(tài)范圍(HDR)技術(shù)正在改變視覺體驗，提供前所未有的深度、對比度和色彩豐富度。然而，HDR顯示器的復(fù)雜性給質(zhì)量控制和校準(zhǔn)帶來了獨特的挑戰(zhàn)。本案例研究深入探討了Admesy的Prometheus色度計如何無縫集成到FF PicturesGmbH的InnoPQ HDR測量系統(tǒng)中，從而革新了顯示領(lǐng)域的質(zhì)量控制、研究和開發(fā)。

挑戰(zhàn)：駕馭HDR的復(fù)雜性

ICDM HDR小組委員會主席兼FF Pictures GmbH首席執(zhí)行官Florian Friedrich一直處于HDR技術(shù)的前沿。他關(guān)于先進HDR測量的獲獎?wù)撐膹娬{(diào)了HDR顯示計量中復(fù)雜的相互依賴性。

任何現(xiàn)代HDR消費顯示器都利用一套復(fù)雜的規(guī)則來根據(jù)其自身能力和輸入信號之間的差異來調(diào)整視覺結(jié)果。除了現(xiàn)有的色調(diào)映射或色彩映射之外，靜態(tài)和動態(tài)HDR元數(shù)據(jù)正在影響HDR顯示器的色調(diào)映射。其中一些每秒鐘發(fā)生多次，甚至精確到幀，跟隨源的幀速率，其中一些是與能量消耗和熱量分布相關(guān)的長期調(diào)整。

要真正掌握現(xiàn)代HDR技術(shù)的復(fù)雜性，快速準(zhǔn)確地測量顯示器對輸入信號的響應(yīng)絕對至關(guān)重要。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，InnoPQ HDR測量系統(tǒng)將不同的補丁信號值和補丁大小與動態(tài)電影背景相結(jié)合，同時巧妙地同步每次測量的時間，以捕捉最短暫的時間效果。

該系統(tǒng)需要一個快速準(zhǔn)確的色度計，以滿足其嚴(yán)格的要求。FF Pictures的Florian Friedrich說：“我們需要一種解決方案，能夠精確測量HDR信號再現(xiàn)的重要參數(shù)，精確到單幀，并且即使在低于0.1 cd/m2的陰影區(qū)域也能夠精確測量顏色。市場上只有少數(shù)幾個色度計能夠滿足我們的要求，但是看到Admesy的PrometheusColorimeter，我對將其應(yīng)用到我們的測量工具中非常感興趣?！薄?/span>

Prometheus色度計是工程學(xué)的奇跡。尤其是低至0.000025 cd/m2的超低亮度值的高測量速度，使其成為市場上無可爭議的最快色度計。它與InnoPQ系統(tǒng)的整合具有變革性。FF Pictures的Florian Friedrich說：“Prometheus色度計的測試速度和精度結(jié)合得非常出色。這是一款非常先進的色度計，極大地增強了我們的測量能力。”

多功能性：色度計中的瑞士軍刀

Prometheus色度計不僅速度快。它的用途極其廣泛。它每秒可以執(zhí)行高達60萬個甚至80萬個樣本，并支持多種軟件平臺，包括Visual Studio、Labview、Matlab和Python。這種適應(yīng)性使其成為InnoPQ系統(tǒng)的理想選擇，InnoPQ系統(tǒng)需要高度的定制化來處理其復(fù)雜的測量序列。

光譜靈敏度：設(shè)定新標(biāo)準(zhǔn)

光譜響應(yīng)匹配：

Prometheus色度計采用CIE 1931/1976標(biāo)準(zhǔn)色匹配函數(shù)（如x?(λ), ?(λ), z?(λ)），確保測量結(jié)果與人眼視覺感知一致。通過硬件校準(zhǔn)+軟件算法修正傳感器的光譜響應(yīng)偏差，提高測量精度。

色度與亮度計算：

電信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）后，計算CIE XYZ三刺激值，再轉(zhuǎn)換為色坐標(biāo)（x, y）、色溫（CCT）、色純度等參數(shù)。

其中E(λ)為光譜功率分布，x?(λ)為CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察者函數(shù)。

色度計出廠針對傳感器非線性、溫度漂移等進行補償。并且部分型號支持自動校準(zhǔn)（如黑電平校正、增益調(diào)整），確保長期穩(wěn)定性。

Prometheus色度計設(shè)計的光譜靈敏度與CIE 1931“2°標(biāo)準(zhǔn)觀察者”非常接近，非常適合測量各種顯示器，包括寬色域(WCG)顯示器。這一特性對于InnoPQ系統(tǒng)來說是無價的，該系統(tǒng)要求各種顯示器類型具有高精度，例如帶磷光背光的傳統(tǒng)LCD或更先進的帶LED背光和量子點濾色片的LCD顯示器，以及OLED、QD-OLED。

Admesy的Prometheus色度計和FF Pictures的InnoPQ HDR測量系統(tǒng)的合作為HDR顯示計量樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)。為了克服測量HDR電視和HDR后期制作顯示器或監(jiān)視器的挑戰(zhàn)，F(xiàn)F Pictures開發(fā)了InnoPQ HDR測量系統(tǒng)，在傳統(tǒng)系統(tǒng)面臨限制的情況下，該系統(tǒng)可以自動完成復(fù)雜的測量任務(wù)。

在這種情況下，Prometheus色度計無與倫比的速度、精度和多功能性已被證明在解決現(xiàn)代HDR技術(shù)所帶來的復(fù)雜挑戰(zhàn)方面具有不可估量的價值，這些挑戰(zhàn)包括各種復(fù)雜的相互依賴關(guān)系。隨著行業(yè)的不斷進步，像Prometheus這樣的工具將在確保視覺體驗與技術(shù)進步保持同步方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

特別地，Admesy推出了全新一代Prometheus色度計- PCM2X系列：

PCM2X-271超低亮高精度色度計特點：

?亮度低至0.000025 cd/m2情況下可在1s內(nèi)完成測量；

? Flicker亮度（X、Y和Z）高速采樣功能：內(nèi)部采樣率高達60萬次/秒，提供多種采樣輸出速率功能；

?接收角為±5°，適用于各種顯示技術(shù)；

?強大的MCU支持所有基于FFT的閃爍計算（Fma、Jeita、用戶自定義）；

?可通過FIR濾波器進行基于時間的Fma閃爍計算，例如變刷新率（VRR）顯示器flicker測量；

?多功能軟件支持：Visual Studio、Labview、Matlab、Python；

?光譜靈敏度：符合CIE 1931 2°標(biāo)準(zhǔn)觀察者；

?附加功能：改進的濾光片、閃爍和波形測量、準(zhǔn)直或聚焦透鏡、光纖連接能力、機械快門。

以上這些特點充分證明了為什么Prometheus色度計是HDR顯示計量領(lǐng)域的游戲規(guī)則改變者！

Admesy是一家專注于光測量設(shè)備的荷蘭公司，由前飛利浦工程師創(chuàng)立于2006年，總部位于荷蘭的Ittervoort。基于在顯示制造業(yè)的深厚和專業(yè)知識背景，Admesy公司能成為顯示測量應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。該公司致力于為工業(yè)、科研和顯示領(lǐng)域提供高精度的光譜輻射度、色度和亮度測量解決方案，尤其在LED照明生產(chǎn)、顯示測量（如OLED、Mini-LED、Q-LED、Micro-LED）、顯示制造與集成等領(lǐng)域具有較強的影響力。

上海吳量光電設(shè)備有限公司作為荷蘭Admesy在中國地區(qū)授權(quán)的一級代理商，負(fù)責(zé)其所有產(chǎn)品在國內(nèi)的銷售、服務(wù)，以及售后技術(shù)支持等等，昊量強大的技術(shù)支持團隊可以為客戶提供完整的設(shè)備安裝，培訓(xùn)，硬件開發(fā)，軟件開發(fā)，系統(tǒng)集成等工作；昊量光電產(chǎn)品涉足領(lǐng)域涵蓋材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學(xué)研究與國防等。近年來，我們也專注于前沿的細(xì)分市場，為量子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、精密加工、先進激光制造等領(lǐng)域的客戶提供系統(tǒng)解決方案。如有任何問題，歡迎隨時聯(lián)系我們!

參考文獻

"Utilizing advanced spatio-temporal backgrounds with dynamic test signals for high dynamic range display metrology"by Timo Kunkel and Florian Friedrich