HDR是英文高動(dòng)態(tài)范圍的縮寫，在彩電、手機(jī)和顯示器等硬件以及影視資源網(wǎng)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(jī)均開始支持HDR視頻播放功能，PS4和XBOX One同樣支持HDR，那么究竟HDR是什么，對于消費(fèi)者用戶又有哪些價(jià)值？

HDR是什么？

HDR是一整套從硬件到軟件、從制作到播放多種技術(shù)規(guī)范的綜合體。一般將非HDR內(nèi)容稱為SDR，即標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍。在HDR普及前，用戶的觀看體驗(yàn)主要集中在分辨率和像素細(xì)節(jié)上，現(xiàn)在主流的QHD[2560x1440]甚至4K[3840x2160]使得景物越發(fā)細(xì)膩，但一幀幀靜態(tài)的高分辨率圖像也無非是一張高清的普通照片，色彩、質(zhì)感和光線遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法和“現(xiàn)實(shí)”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，很顯然后者的真實(shí)亮度、色彩被大幅度壓縮，這也正是SDR的局限性。HDR本質(zhì)上就是從多方面恢復(fù)補(bǔ)充這些原來無法記錄的信息，獲得更逼真的影像體驗(yàn)。目前主流的HDR標(biāo)準(zhǔn)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(shù)規(guī)范部分，兩者是大體相通的。

更生動(dòng)的色彩：在1990年以來，SDR視頻影像制作都遵循著REC.709標(biāo)準(zhǔn)[近似sRGB]的色域，可顯示的色彩數(shù)量約為1600萬，僅占人眼可識(shí)別色彩數(shù)量的36%，位深為8bit。而在HDR中，視頻記錄的色彩空間可擴(kuò)展至2012年新推出的BT.2020[或稱為REC.2020]超廣色域標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到75%，可用色彩數(shù)量達(dá)到10億級(jí)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(wǎng)

HDR圖像色彩空間展示 - 來自蘋果官網(wǎng)

不同色域在RGB色彩空間中的覆蓋范圍[圖片來自互聯(lián)網(wǎng)]

在各類關(guān)于屏幕色彩的測試中，都可以看到一個(gè)不規(guī)則的色彩塊，這一色塊是通常情況下人眼能識(shí)別的色彩光譜，也被稱為色域。能直觀體現(xiàn)廣色域的色彩數(shù)量優(yōu)勢。

HDR和SDR在顯色數(shù)量上的差距 - 來自蘋果官網(wǎng)

高亮度[明度]范圍：但對于現(xiàn)實(shí)世界來說，色域并不是色彩的全部要素。顯示的亮度范圍對于色彩顯示非常重要，并且將影響顏色的觀感。色彩顯示范圍和明度范圍的結(jié)合被稱為色量[3D Color Volume]，其包含的色彩范圍數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)為基于色域?yàn)榈酌娴?D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(xiàn)實(shí)世界景物不同區(qū)域的亮度差異 - 來自杜比官網(wǎng)

這會(huì)帶來什么變化？例如上圖中，如果在真實(shí)世界用分光色度計(jì)測量向著陽光盛開的花朵，其黃色區(qū)域亮度最高可達(dá)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(shí)別，是這個(gè)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(xiàn)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(wǎng)

另一個(gè)問題則是用戶在使用顯示設(shè)備時(shí)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(shí)際上不同的紅色。在高亮度下，色彩感覺會(huì)更強(qiáng)烈，在低亮度下則顯得黯淡。這還不算上不同的環(huán)境光、不同的屏幕色溫設(shè)定下，同樣的色彩的顯示差異。在HDR技術(shù)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(diào)，讓畫面更為真實(shí)。

顯示效果一致性：HDR的關(guān)鍵目標(biāo)之一，就是盡可能保持不同設(shè)備間播放效果的一致性，由于100nit峰值亮度的SDR能顯示的動(dòng)態(tài)范圍有限，而人眼對暗部畫面的細(xì)節(jié)相對較為敏感，因此SDR以犧牲高亮度部分的畫面細(xì)節(jié)而保住暗部。

不同彩電為了適應(yīng)SDR內(nèi)容而導(dǎo)致的顯示效果差距

傳統(tǒng)SDR視頻記錄亮度只有100nits，這還會(huì)給電視廠商帶來許多麻煩，我們在日常使用中，無論手機(jī)、顯示器還是電視機(jī)，實(shí)際亮度通常都遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)字。為了讓視頻信號(hào)適配更高的亮度級(jí)別便于觀看，廠商通常要修改信號(hào)的色調(diào)、明暗輸出以匹配當(dāng)前設(shè)備的亮度，帶來了不同設(shè)備之間各種五花八門的影調(diào)和色彩效果濾鏡，通常還會(huì)導(dǎo)致畫面再度失真，背離了影視作品原本的藝術(shù)表達(dá)。

即使支持HDR特性，不同的顯示設(shè)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(xiàn)上都會(huì)有差距。如果沒有一致化的顯示標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換方式，那么即使設(shè)備支持HDR也將會(huì)同樣會(huì)存在這些問題而重蹈覆轍。

SDR的Gamma曲線和感知量化器標(biāo)準(zhǔn)的Gamma曲線 - 來自蘋果官網(wǎng)

感知量化器：為了HDR內(nèi)容制作和HDR顯示的一致性，HDR10和Dolby Vision都采用了被稱為感知量化器[Perceptual Quantizer，PQ，或被稱為SMPTE ST 2084]算法用于正確轉(zhuǎn)換顯示內(nèi)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(huì)通過PQ根據(jù)個(gè)體顯示設(shè)備的能力將顯示信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的轉(zhuǎn)換。我們知道，影響畫面整體色彩反差程度的一個(gè)重要參數(shù)是Gamma曲線，例如在sRGB色彩標(biāo)準(zhǔn)中，Gamma值2.2正是基于SDR的100nit峰值亮度標(biāo)準(zhǔn)而定，并不適用于HDR內(nèi)容。

HDR內(nèi)容會(huì)使用PQ標(biāo)準(zhǔn)下的Gamma曲線來展現(xiàn)內(nèi)容。在新的顯示模式下能更好地展現(xiàn)景物的亮度變化和明暗細(xì)節(jié)特征。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(dòng)態(tài)和色彩豐富程度也將大幅度超越SDR。

顯示元數(shù)據(jù)：除了亮度外，在色彩一致性方面，HDR內(nèi)容還記錄了一些顯示元數(shù)據(jù)[Display Metadata]供設(shè)備使用，例如影像內(nèi)容制作時(shí)所用的設(shè)備默認(rèn)色域、白點(diǎn)顏色和亮度范圍[有些類似相機(jī)的EXIF信息]。以及視頻本身的數(shù)據(jù)，例如影視內(nèi)容場景中的峰值亮度和平均亮度?？蛻舳说娘@示設(shè)備可以根據(jù)這些元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行色調(diào)映射[從BT.2020轉(zhuǎn)換至sRGB或P3]等調(diào)整，以適應(yīng)自身的硬件顯示水平。

HDR特征總結(jié)

從以上特點(diǎn)可以得知，無論是照片、在線視頻、UHD藍(lán)光、游戲等靜態(tài)動(dòng)態(tài)顯示，HDR這一詞包含的內(nèi)容主要特點(diǎn)是：

• 1、內(nèi)容記錄的色彩空間擴(kuò)展至BT.2020廣色域級(jí)別[更多的色彩]
  2、至少400nits以上的高亮度范圍，更符合人眼對光影和色彩的觀感[更高的動(dòng)態(tài)范圍]
  3、采用感知量化器和顯示元數(shù)據(jù)將原始內(nèi)容轉(zhuǎn)換至顯示設(shè)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(biāo)準(zhǔn)共通的特征。這些特性也讓HDR標(biāo)準(zhǔn)帶來的視覺震撼和逼真程度遠(yuǎn)超過所有非HDR內(nèi)容，如果消費(fèi)者有升級(jí)和購買彩電、顯示器等終端顯示設(shè)備的計(jì)劃，HDR硬件支持將是優(yōu)先級(jí)最高的考慮因素。

HDR除了以上的基本特征，在市場和技術(shù)競爭中也逐漸產(chǎn)生出不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，例如HDR10和Dolby Vision，它們盡管大致相同，但標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)細(xì)節(jié)上仍有明顯差別，三星等企業(yè)也針對自己的電視設(shè)備推出優(yōu)化版的HDR10+。又例如和感知量化器對位的另一種顯示轉(zhuǎn)換技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Hybrid Log-Gamma[HLG]，后者將成為索尼、佳能、尼康等相機(jī)設(shè)備的HDR影像記錄標(biāo)準(zhǔn)。如果未來有機(jī)會(huì)，我們也會(huì)針對這些細(xì)項(xiàng)進(jìn)行科普。