電視上的「HDR」是什麼？

認真系列，不定期「認真」的聊一聊。這是「認真系列」的第 5 篇文章。

文|Frank Septillion

2016 年是 4K 電視徹底普及的一年：4K 電視的價格大幅度下降（解決了硬體問題），再加上 UHD 藍光光碟的發售（解決了內容問題），我們現在已經很少見到 1080P 的電視了。YouTube 和 Netflix 很早就支持了 4K 內容，主流數碼相機甚至手機的視頻錄製也早就支持了 4K。雖然在國內還很少能找到真正的 4K 內容，但這並不影響電視賣場瘋狂銷售 4K 電視。如今，在小米和微鯨等互聯網廠商的推動下，一台入門級的 4K 電視只需 30 張毛爺爺。

但是如果同學們去電視賣場逛一逛，就能發現索尼的站台往往會打著這樣的一個金光閃閃晃瞎狗眼的標誌：

索尼從來都喜歡這些金閃閃的標誌，從之前的 Hi-Res 高清音頻到現在的 4K HDR。但是，4K 是超高清，HDR 是什麼？

哦哦！我知道我知道！HDR 就是手機拍照的時候有的時候會蹦出來的那個標誌！

嗯…… Yes & No。

那麼 HDR 到底是什麼？

HDR 的全稱是 High Dynamic Range，高動態範圍。

很多人在用 iPhone 拍照的時候都會看到取景框下方自動出現了金黃色的 HDR 標誌，表示相機檢測到當前的場景適合使用 HDR 模式來拍照。

在 iPhone 相機內啟動 HDR 拍照模式，iPhone 5s 及以上支持自動啟用 HDR。

手機上的 HDR 拍照模式實際上是一種針對感測器寬容度差的一種補救措施。受限於感測器尺寸以及片上像素尺寸，手機拍照往往會遇到這種問題：在一個非常漂亮的場景上，發現手機的自動測光既無法保證高光區域清晰，也無法保證陰影區域清晰，如下圖所示。

左圖為手機拍照成像，右圖為真實場景。效果為計算機模擬。

通過對場景進行模擬可以發現，用手機拍照的時候，高光和陰影部分出現了大量的信息丟失。這就是寬容度差的典型表現：難以表現同時出現高光和陰影的場景。

針對這種硬體上的短板，軟體工程師想到了一個神奇的辦法：多張合成。

多張合成是這樣的一個過程：保持場景不變，先針對陰影部分進行測光，保留陰影細節，丟棄高光細節，拍一張照片；再針對高光進行測光，保留高光細節，丟棄陰影細節，拍第二張照片；最後將兩張照片清晰的部分保留，不清晰的部分丟棄，合成一張高光和陰影都清晰的照片，如下圖所示。

先增加曝光時間，拍攝陰影（山體）細節，再降低曝光時間，拍攝高光（山頂）細節，最後將二者合稱為一張照片。某些設備可能拍攝不止兩張圖片。效果為計算機模擬。

那麼這怎麼叫做 HDR 呢？上面說到，HDR 的意思是「高動態範圍」，那麼在這個情景下，「高動態範圍」是指「需要拍攝的場景動態範圍太高了，我需要選取針對『高動態場景』來選取『高動態範圍模式』來拍攝這個煩人的場景」。所以在這裡，使用 「HDR」這個說法沒有任何錯誤。

那麼這和索尼所說的 4K HDR 有什麼關係？

答案是：沒有任何關係。

在 4K 藍光出現之後，僅僅增加像素的數量已經無法讓體驗產生質的提升，廠商們開始把注意力放在提升像素的質量。這裡就引入了 HDR 的概念：索尼所說的 HDR 依然是「高動態範圍」的意思，但是這一步並不是出現在內容生產（圖片、視頻拍攝）上，而是出現在內容消費（圖片、視頻觀賞）上。如今 HDR 有多個標準，但都旨在提升畫面的三個方面：

色域（Color Gamut）：色彩的範圍，更大的色域意味著更濃郁的色彩

色彩深度（Color Depth）：色彩的數量，更深的色彩深度意味著更平滑的過度

對比度（Contrast）：最亮和最暗部分的差別，更高的對比度意味著更真實的動態範圍。

在傳統 1080P 藍光電影上，其遵循的 Rec. 709（也稱 BT.709）規範在色域和色彩深度上和計算機行業的 sRGB 相同，只能覆蓋三分之一左右的人眼可見色彩，相比影院投影系統所遵循的 DCI-P3 規範有 20% 左右的差距，具體表現在色彩不夠鮮艷、對比度不夠強。現在的攝影設備能捕捉的信息量要遠超過 Rec.709 定義的範圍，而屏幕技術的進步也讓其能顯示遠超 sRGB 範圍的色彩，此時再被規範掣肘，就實在是太可惜了。

這張圖上，燈泡發出的光明顯是黃色的（暖光），因為可以看到燈罩上被染上了濃艷的黃色。但是仔細觀察燈泡中心的地方：明明應該是黃色的燈泡，因為顯示器無法顯示如此高亮度的黃色，只能以白色顯示。因此當內容的動態比較高，即「HDR」時，需要對應的顯示器也支持「HDR」才可以發揮其全部潛力。

當視頻源是 HDR 內容時，顯示器是否支持 HDR 將會明顯影響顯示效果，如下圖所示：

左圖為非 HDR 顯示，右圖為 HDR 顯示。效果為計算機模擬。

因此，拍照時的 HDR 是為了捕捉高動態內容，而這裡的 HDR 是為了顯示高動態內容。

但是 HDR 顯示在初期也面臨著所有新技術共有的問題：內容嚴重不足。藍光 4K 已經將 HDR 作為強制標準，但是影片數量的不足和母帶轉錄質量參差不齊，導致真正充分利用 HDR 的內容少之又少。雪上加霜的是，在標準落地之前，所有人都想制定自己的標準（或者至少站隊正確），以便未來在產業中擁有話語權，這就導致了標準大戰。直到截稿的時候，市面上已經有了 5 種 HDR 規範和若干個以此為基礎的變種。

可以看到，在主要技術參數上，各家的都差不多。其中以杜比視界最為亮眼，其不但技術規格最高，而且由於杜比公司從內容生產端到屏幕顯示端的一手把控，可以做到出色的色彩管理。不只如此，杜比還有意將杜比視界設計為其他 HDR 標準的「超集」，使用杜比視界 VS10 晶元，可以正確識別其他 HDR 格式並映射到杜比視界的範圍內；但是杜比視界要求在播放器和屏幕中整合杜比提供的特殊晶元，是一個封閉標準。HDR10 則是一個完全開放、無授權費的標準，也是 UHD 藍光的強制標準，因此現在所有的 UHD 藍光碟和播放機都支持 HDR10。Xbox One S 和 Playstation 4 頁支持 HDR10。

但是，除了杜比影院和激光 IMAX 影院，市面上還沒有任何一塊屏幕可以完整顯示 Rec. 2020 的所有色彩，所以目前的 HDR 內容主要還是針對 DCI-P3 所定義的色域。包括三星 Galaxy S8 在內的很多高端設備已經可以完整顯示 DCI-P3 色域。

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