什麼是HDR？ [農步祥]

HDR是英文高動態範圍的縮寫，在彩電、手機和顯示器等硬體以及影視資源網站上有著很高的出鏡率，索尼Xperia XZ Premium、三星Galaxy S8和蘋果iPhone X等2017年高端手機均開始支持HDR視頻播放功能，PS4和XBOX One同樣支持HDR，那麼究竟HDR是什麼，對於消費者用戶又有哪些價值？

HDR是什麼？

HDR是一整套從硬體到軟體、從製作到播放多種技術規範的綜合體。一般將非HDR內容稱為SDR，即標準動態範圍。在HDR普及前，用戶的觀看體驗主要集中在解析度和像素細節上，現在主流的QHD[2560x1440]甚至4K[3840x2160]使得景物越發細膩，但一幀幀靜態的高解析度圖像也無非是一張高清的普通照片，色彩、質感和光線遠遠無法和「現實」相比。

例如在非HDR屏幕上，一張白紙和一道白色閃電的明亮程度是一致的，很顯然後者的真實亮度、色彩被大幅度壓縮，這也正是SDR的局限性。HDR本質上就是從多方面恢復補充這些原來無法記錄的信息，獲得更逼真的影像體驗。目前主流的HDR標準有兩種，較為開放的HDR10和杜比的Dolby Vision[杜比視界]，在基本的技術規範部分，兩者是大體相通的。

更生動的色彩：在1990年以來，SDR視頻影像製作都遵循著REC.709標準[近似sRGB]的色域，可顯示的色彩數量約為1600萬，僅占人眼可識別色彩數量的36%，位深為8bit。而在HDR中，視頻記錄的色彩空間可擴展至2012年新推出的BT.2020[或稱為REC.2020]超廣色域標準，達到75%，可用色彩數量達到10億級別，10bit位深的圖像色彩將更為鮮艷和豐富。

SDR圖像色彩空間展示 - 來自蘋果官網

HDR圖像色彩空間展示 - 來自蘋果官網

不同色域在RGB色彩空間中的覆蓋範圍[圖片來自互聯網]

在各類關於屏幕色彩的測試中，都可以看到一個不規則的色彩塊，這一色塊是通常情況下人眼能識別的色彩光譜，也被稱為色域。能直觀體現廣色域的色彩數量優勢。

HDR和SDR在顯色數量上的差距 - 來自蘋果官網

高亮度[明度]範圍：但對於現實世界來說，色域並不是色彩的全部要素。顯示的亮度範圍對於色彩顯示非常重要，並且將影響顏色的觀感。色彩顯示範圍和明度範圍的結合被稱為色量[3D Color Volume]，其包含的色彩範圍數據將呈現為基於色域為底面的3D的柱狀圖，在SDR中，最高亮度峰值僅為100nits，而HDR則支持最高10000nits。

現實世界景物不同區域的亮度差異 - 來自杜比官網

這會帶來什麼變化？例如上圖中，如果在真實世界用分光色度計測量向著陽光盛開的花朵，其黃色區域亮度最高可達14700nits，邊緣的紅色是2300nits，中央的花蕊和綠葉只有200nits以下，這樣的光差同樣能被肉眼識別，是這個世界豐富多彩的重要原因，然而根本無法在這張SDR照片和視頻中體現出來。

同一色彩代碼在不同屏幕亮度上的顯色差別 - 來自蘋果官網

另一個問題則是用戶在使用顯示設備時定義屏幕亮度帶來的觀感差距，例如同樣的紅色塊，在100%、50%、0%的亮度下變成了三種實際上不同的紅色。在高亮度下，色彩感覺會更強烈，在低亮度下則顯得黯淡。這還不算上不同的環境光、不同的屏幕色溫設定下，同樣的色彩的顯示差異。在HDR技術加成下，影像可記錄的亮度上限提高了100倍，能夠更好的還原場景原本的明暗和影調，讓畫面更為真實。

顯示效果一致性：HDR的關鍵目標之一，就是儘可能保持不同設備間播放效果的一致性，由於100nit峰值亮度的SDR能顯示的動態範圍有限，而人眼對暗部畫面的細節相對較為敏感，因此SDR以犧牲高亮度部分的畫面細節而保住暗部。

不同彩電為了適應SDR內容而導致的顯示效果差距

傳統SDR視頻記錄亮度只有100nits，這還會給電視廠商帶來許多麻煩，我們在日常使用中，無論手機、顯示器還是電視機，實際亮度通常都遠大於這個數字。為了讓視頻信號適配更高的亮度級別便於觀看，廠商通常要修改信號的色調、明暗輸出以匹配當前設備的亮度，帶來了不同設備之間各種五花八門的影調和色彩效果濾鏡，通常還會導致畫面再度失真，背離了影視作品原本的藝術表達。

即使支持HDR特性，不同的顯示設備能顯示的色彩和最大亮度、最小亮度差別是巨大的，顯示色彩上也有很大差異，不同彩電和顯示器在峰值亮度、色域表現上都會有差距。如果沒有一致化的顯示標準轉換方式，那麼即使設備支持HDR也將會同樣會存在這些問題而重蹈覆轍。

SDR的Gamma曲線和感知量化器標準的Gamma曲線 - 來自蘋果官網

感知量化器：為了HDR內容製作和HDR顯示的一致性，HDR10和Dolby Vision都採用了被稱為感知量化器[Perceptual Quantizer，PQ，或被稱為SMPTE ST 2084]演算法用於正確轉換顯示內容。雖然HDR可以記錄BT.2020色域和10000nit峰值亮度的原始顯示信息，但最終會通過PQ根據個體顯示設備的能力將顯示信號進行標準化的轉換。我們知道，影響畫面整體色彩反差程度的一個重要參數是Gamma曲線，例如在sRGB色彩標準中，Gamma值2.2正是基於SDR的100nit峰值亮度標準而定，並不適用於HDR內容。

HDR內容會使用PQ標準下的Gamma曲線來展現內容。在新的顯示模式下能更好地展現景物的亮度變化和明暗細節特徵。即使用戶的HDR屏幕峰值亮度只有400nits，在PQ的助力下整體畫面的動態和色彩豐富程度也將大幅度超越SDR。

顯示元數據：除了亮度外，在色彩一致性方面，HDR內容還記錄了一些顯示元數據[Display Metadata]供設備使用，例如影像內容製作時所用的設備默認色域、白點顏色和亮度範圍[有些類似相機的EXIF信息]。以及視頻本身的數據，例如影視內容場景中的峰值亮度和平均亮度。客戶端的顯示設備可以根據這些元數據信息進行色調映射[從BT.2020轉換至sRGB或P3]等調整，以適應自身的硬體顯示水平。

HDR特徵總結

從以上特點可以得知，無論是照片、在線視頻、UHD藍光、遊戲等靜態動態顯示，HDR這一詞包含的內容主要特點是：

• 1、內容記錄的色彩空間擴展至BT.2020廣色域級別[更多的色彩]
  2、至少400nits以上的高亮度範圍，更符合人眼對光影和色彩的觀感[更高的動態範圍]
  3、採用感知量化器和顯示元數據將原始內容轉換至顯示設備能支持的色彩和明度[更好的一致性]

這些是目前HDR10和Dolby Vision等主流HDR標準共通的特徵。這些特性也讓HDR標準帶來的視覺震撼和逼真程度遠超過所有非HDR內容，如果消費者有升級和購買彩電、顯示器等終端顯示設備的計劃，HDR硬體支持將是優先順序最高的考慮因素。

HDR除了以上的基本特徵，在市場和技術競爭中也逐漸產生出不同的技術標準，例如HDR10和Dolby Vision，它們儘管大致相同，但標準和技術細節上仍有明顯差別，三星等企業也針對自己的電視設備推出優化版的HDR10+。又例如和感知量化器對位的另一種顯示轉換技術標準Hybrid Log-Gamma[HLG]，後者將成為索尼、佳能、尼康等相機設備的HDR影像記錄標準。如果未來有機會，我們也會針對這些細項進行科普。

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