影像技術的升華電視機顯示技術的補全

自 1925年誕生起，電視機就成為了家庭中不可或缺的消費電子產品，而隨著用戶對生活品質的不斷提升，對電視機的設計要求也在不斷提高，電視機產品先后經歷了一系列重大技術變革。不過在最近的幾年時間中，電視機產品的主要改進集中在畫質和觀賞體驗體驗方面，電視機廠商先后在分辨率、響應時間、色彩等方面進行了改進。不過，在最基礎的亮度方面，電視機廠商似乎一直沒有太大的動作，直到2016年，索尼正式將原本應用攝影的HDR技術引入電視機產品，全面提升了電視機產品的亮度，成為了電視機行業的全新標準。這套標準的引入，標志著電視機產品正式補全了顯示技術中的短板，為消費者帶來全新的畫質體驗。

影響畫質的五維空間

影像端的HDR成像和這里說的電視領域的HDR標準，實現一樣的效果或者結果，但卻是兩種不同的概念。前者是實現拍攝效果的一種技術，后者是電視的顯示標準。在說標準之前，我們要幫助大家回顧一下近年視頻標準的發展軌跡，幫大家去理解為什么會有HDR這樣的出現。

視頻格式的發展，從整個行業的發展來看，終極目的其實是為了讓我們的眼睛在顯示終端上能看到更接近真實世界的畫面。影響畫質的方面主要有五個要素：空間分辨率，就是我們所謂的Full HD，4K，甚至于未來的8K，這是一個2D的概念；灰階分辨率是影響色深的一個概念，如我們在電視宣傳資料上常看到的8bit、10bit和12bit面板；時間分辨率是影響畫面的流暢度的一個重要指標，如之前電影用的24p、標清時代廣播標準Pal制式或N制式、到高清時代的60I、60P，甚至是120P；色域是影響色彩的一個環節，如SRGB、廣色域等概念；最后一點便是我們這里要談的亮度的動態范圍，這五個要素加在一起會影響整個視頻最終還原出的效果。前面四個要素目前已經發展到了一個比較高的水準，而亮度動態范圍還在沿用之前標清時代的SDR標準，短板之處在今天顯得尤為明顯。所以說這個時候HDR就應運而生，這樣一個全新的標準，通過對這個維度的補足，可以讓用戶真正地感受到五個維度同時向上發展而帶來的一種更好的視覺感受。下面，讓我們來一起回顧一下影響畫質的五維是如何發展的。

向視覺極限挑戰的進化：分辨率的進化

在高清分辨率還沒普及前，消費者如果想要體驗高解析度的視頻，通常只能在高品質的電影院中進行，這種體驗不僅花費高，而且顯得更加嘈雜，只是一種在“公共領域中的體驗”，這也是早期高清發燒友鄙視電視機產品的重要因素之一。此時，傳統電視臺采用的還是非數字電視標準的電視信號，其分辨率甚至低于480p（即720×480像素），畫質幾乎可以用“低劣”來形容。也正是這樣的原因，電視機廠商開始了對電視機面板技術的改進，試圖將高分辨率的產品帶入消費者的家庭，讓視覺體驗更加完美。

此次分辨率的進化，正好伴隨著拍攝技術和播放技術的變化，VCD、DVD、藍光等技術的助推，讓電視機產品的分辨率不斷進化，而數字電視標準的建立，也進一步促進了整個電視機產品體系的演進。正是這樣的演進，促進了電視機產品全面向全高清分辨率的推進。時至今日，電視機產品已經基本完成了這種進化，非全高清產品已基本告別市場。但對挑剔的消費者來說，1080p的分辨率就足夠了嗎？答案顯然不是，因為消費需求永遠是隨著技術的進步而擴展的，在這樣的壓力下，超高清分辨率也就順理成章地被提上日程。

在2012年8月公布的超高清電視（Ultra HDTV）標準中，包涵有對4K及8K的分辨率、色彩空間、幀率、色彩編碼規范。其中超高清4K的水平清晰度3840，垂直清晰度2160；超高清8K的水平清晰度7680，垂直清晰度4320，這兩種規范的進步可以用“驚人”來形容。到目前位置，4K分辨率的顯示器已經在市場上開始普及，眾多電視機廠商的4K電視機產品在市場上展開了激烈的競爭，同時，也有廠商開始在未來的8K規范上進行布局，希望能在未來的市場競爭中獲得先手。

向速度挑戰的進化：響應時間的進化

在電視機技術發展之初，由于普遍采用CRT顯像管，因此只要顯像管中的不見能發出電子束擊打熒光粉，屏幕就能立刻發光，由于電子束擊打熒光粉，因此CRT電視反應時間僅為1～3ms，在這個時代中被強調提到的更多的是刷新率。一般來說，只要刷新率達到60Hz或超過60Hz，用戶就不會感到畫面有延遲或閃爍。但當采用液晶面板時，由于技術原理完全不同，刷新率的概念就被順利成章地忽略了。

當電視機全面轉向使用液晶面板時，一個非常現實的問題被開始擺在桌面上公開，那就是液晶面板的響應時間。簡單來說，液晶電視機的畫面改變是通過液晶分子的變化實現的，由于液晶分子從接收到信號到完成變化需要一定的時間，因此在速度不夠的情況下，屏幕顯示的畫面會有一定的滯后。用更嚴格的話來說，響應時間就是液晶電視機面板各像素點對輸入信號反應的速度，即像素由暗轉亮或由亮轉暗所需要的時間。

在液晶技術開始被采用的早期，由于技術上的限制，多數液晶面板的響應時間最多只能達到25ms，換算成顯示速度話，就代表著每秒顯示約40幀畫面，只能說是保持基本流暢（熟悉電腦游戲的玩家應該知道，一般游戲的速度達到每秒顯示約60幀畫面才能算是流暢），因此在呈現一些高速畫面時，屏幕會有殘影。但在家庭中，用戶除了使用電視機觀賞電影、電視劇之外，收看各種體育賽事也是主要用途之一，因此當使用早期的液晶電視機是收看諸如足球比賽或賽車之類具有大量高速畫面的體育賽事時，體驗是相當糟糕的，為此甚至有呼聲要求開發新型顯示技術，但這顯然并不具有現實意義，因為一項技術從開發到最后實用必然需要一定的時間沉淀，倉促上馬的全新技術多半會折戟沉沙。

于是，在這樣的壓力下，電視機廠商將提升液晶面板的響應時間作為頭等大事來認真對待。在技術人員的不懈努力下，到目前為止，液晶電視機的面板響應時間已經獲得了極大的提升，從早期的16ms，一直進步到4ms，甚至還有響應時間達1ms的產品出現。按照正確的換算方式，當響應時間達到16ms時，畫面顯示會每秒約60幀畫面，這已經是流暢的標準，但面對部分高速畫面還是有一定的困難；當響應時間達到8ms時，畫面顯示會每秒約125幀畫面，除去大部分高速細節外，這類面板已經足夠滿足用戶的需求，但電視機廠商并沒有滿足于這個標準，因為隨之而來的高分辨率顯示技術對響應時間又有了全新的要求；電視機廠商在之前的技術基礎上，又再次升級，將顯示面板的響應時間提升到了 4ms，這也意味這電視機的畫面顯示速度可以達到每秒約250幀畫面，足夠滿足用戶在相當長時間內需求。

向顯示細節挑戰的進化：面板灰階的進化

對電視機而言，顯示畫質的層次和細節的豐富程度是決定觀賞體驗的重要條件之一。當在分辨率和速度方面取得進步之后，如何提升畫質就被列入了電視機廠商的議事日程，除了提升色彩之外，增強顯示細節就是最簡單的提升畫質的方式，而提升面板的灰階能力就是這樣最簡單的方式。

灰階是指一指顯示器最暗的黑到最亮的白之間的亮度層級關系。明暗對比和黑白顏色過渡方面的表現，圖像越清晰，過渡越自然則越好。在液晶面板上，每一個像素都是由紅、綠、藍（RGB）三個子像素組成，每個子像素，其光源都可以顯現出不同的亮度級別，在這里，灰階代表了由最暗到最亮之間不同亮度的層次級別，灰階層級越多，畫面所呈現出的效果就越細膩，視覺效果就越好。

在液晶電視機發展之處，由于技術上的限制，因此大多采用的是8bit灰階能力的液晶面板，乍一看很多消費者認為這似乎比較落后，但其實不然。8bit實質上代表著2的8次方的灰階表現能力，即擁有256級灰階，表現的是24位真彩色，顯示能力是1670萬色，這實際上也一直是主流的顯示能力。對部分消費者而言，這種色彩顯示能力在較小的屏幕上觀賞沒什么大問題，但當屏幕尺寸成倍的提升之后，色彩顯示能力必須得到提升的需求也就越來越迫切。在此壓力驅動下，電視機廠商推出了使用10bit灰階面板的電視機產品，簡單來說，這種面板擁有1024級灰階，顯示色彩達到了10.7億色，這是相當驚人的能力提升，因為即使是藍光規格，也僅僅采用了1670萬色，色彩顯示能力的提升，意味著畫質幾乎成指數的提升。

隨著4K分辨率的普及，顯示標準也在不斷的提升。在全新的4K藍光規范中，更是將色彩顯示能力一下提高到了超過2.56億色，雖然這種規范使用10bit灰階面板可以得到滿足，但為了在8K分辨率普及前擁有足夠的技術儲備，電視機廠商也適時推出了12bit灰階面板的電視機產品。這種面板擁有4096級灰階，顯示色彩達到了687億色，在現階段幾乎堪稱電視機產品中的“怪獸”。也正是由于其擁有強悍的灰階和色彩顯示能力，因此其畫面顯示更加細膩，色彩明暗過渡更加自然，觀賞體驗更好。

在這里需要特別指出的是，電視機面板的灰階能力十分容易與色位深度混淆，因為兩者都是采用2的冪數來表示，但兩者是完全不同的兩種能力。色深是指單個像素（點）自身的細化程度，最終的表現是顯示的色彩數，而非灰階層級。

向視覺感受挑戰的進化：面板色域的進化

在講解這一部分前，首先需要說明什么是色域。色域是對一種顏色進行編碼的方法，也指一個技術系統能夠產生的顏色的總和，簡單來說就是設備所能表達的顏色數量所構成的范圍區域，這個范圍越大，能顯示的色彩種類就越多，就越能還原現實世界中的人眼所能看到景象。而在電視機領域，用到更多的實際上是NTSC色域標準，這是美國國家電視標準委員會開發的一套美國標準電視廣播傳輸和接收協議，從誕生以來除增加色彩信號參數外并沒有太大的變化，NTSC色域標準就是在NTSC標準下的顏色的總和，大致相當于24bit色彩位深，表現約1670萬種不同的顏色。

當電視機廠商試圖提升畫質時，首先提升的就是面板的色域能力，因為這在技術手段上更加簡單，且擁有足夠的技術儲備。在早期，電視機面板的色域能力通常只能達到NTSC色域的70%范圍，當然這與電視信號和傳輸標準有關，但隨著數字電視標準的發展和影像技術的進步，過去的那套技術標準顯然已經跟不上時代的腳步了。早在2005年，日本就已經提出了xvYCC色域標準，這也是電視機面板向更寬廣色域進軍的初始信號，雖然在早期只要色域范圍超過80%NTSC標準就可以被稱為廣色域，但這個標準的起點確實過低，于是超廣色域的概念又被提出，其擁有100%色彩還原顯示，色域達到了NTSC的114%，色彩表現更加飽和逼真。當前大多數電視機產品的面板實質上就是這種類型的產品。

由于面板和背光技術的進步，超廣色域面板的普及進程也開始加快，在超廣色域面板進入市場之初，由于生產成本的原因，產品推廣的速度極慢。但隨著性價比更高的LED背光的出現，超廣色域電視機面板的普及一下就進入了快車道，采用這種技術的面板色域能達到118%，具有亮度高、色域廣、反應快、可獨立開關等諸多優勢。更重要的是，其呈現出的色彩更豐富、更鮮艷，能大幅度提升用戶的視覺感受。正是由于這樣的因素，超廣色域面板的普及，是繼全高清分辨率面板普及后，第二個達成普及目標的電視機技術。

補全短板的終極進化：亮度對比度的進化

在速度、色彩、細節、解析度上都分別取得進步后，電視機廠商驚訝的發現，作為電視機最基礎參數的亮度卻一直沒有變化。由于電視在視頻畫面展示上的局限性，如何最大限度的提升電視畫質顯示效果，讓用戶盡可能的感知真實世界，一直是電視廠商孜孜不倦的研究課題。如同當年的“3D”、 “4K ”所掀起的跟風熱潮一樣，HDR標準從2016年起便在各大電視廠商便開始搖旗吶喊中紛紛登場，一時間 HDR電視儼然成為了新年標配。但由于并未有統一標準，對于行業內推出的多個“形態”的HDR電視，可謂是眾說紛紜、褒貶不一，這令消費者在進行電視選購前對HDR的認知與甄別顯得極為重要。

前面談到在HDR技術應用到電視之前，電視領域執行的SDR標準是一個推出近20年的標準，屏幕執行亮度為300nits，而這里談到的HDR技術則達到了1000nits。與影像領域不同，在電視上實現HDR需要一個復雜的生態系統，由于液晶電視的非自發光特性，若想讓亮度顯示范圍達到以往SDR不能企及的水準，不僅需要軟件的兼容，更要硬件的支持與優化。由于電視在視頻畫面展示上的局限性，如何最大限度的提升電視畫質顯示效果，讓用戶盡可能的感知真實世界，一直是電視廠商孜孜不倦的研究課題。在HDR技術推出以前，廣色域技術被認為是可以最大限度的還原現實世界色彩的一大法寶，事實上，不少電視廠商也將此技術運用在其高端4K電視上。然而色域的擴大并不能完全改善顯示色彩的豐富度，亮度的動態范圍擴展才能讓畫質顯示的色彩空間更加豐富。HDR電視的出現，可以改善現有顯示設備亮度范圍的還原限制，帶來更豐富的色彩、更多明暗細節和更高明暗對比。此外，亮度的動態范圍得到提高以后，除了能帶來更高的亮度以及對比度以外同時也會影響到另外一個元素—色彩。比如我們用平均測光來拍攝焰火，在焰火最終盛開那一剎那，最亮的位置全部是白的，水中的焰火倒影卻是有顏色，但與我們眼睛看到色彩卻有所不同。道理很簡單，水中倒影因為它的亮度降低了，所以正好符合在SDR這個色彩空間的值里面，但是超過SDR色彩空間值的那個亮度值的色彩，它無法被再現出來，它只能以白色或者過曝的一種方式來進行還原。

所以說當有了HDR的內容以及HDR的顯示設備以后，我們就可以看到更加豐富的色彩，即便是像焰火這種高亮度的內容，我們拍攝下來以后，在HDR設備上觀看的時候也可以感受到和現場所看到的顏色一樣的觀感，這是HDR帶來的非常重要的一個優勢或者說HDR帶來的一個非常重要的特征，它影響到色彩的表現。如果說我們用拍攝設備去把它拍攝下來再在我們的顯示設備上進行還原的時候，一般來說是很難再現真實世界的亮度范圍，拍攝，編輯到最后的再現，這是一個環的過程。在這個過程中，可能因為各種各樣的原因，比如說格式的原因，壓縮的原因，傳輸的原因，最終顯示設備支持的原因，而導致最終我們看到的效果和真實世界的一個亮度會有差異。比如說一些高光的細節丟失，整個暗部內容全部丟失，甚至于暗部的細節丟失，這些情況就能讓我們在電視或者顯示設備上看到的畫面和真實世界有所區別。通過對于亮度范圍的一個提升，我們能帶來相對來說更接近真實世界的一個觀感。

人眼的視覺有一個典型值，當然這個典型值會根據人眼瞳孔的放大縮小在白天黑夜也會有一個變化，但是整體來說，它會有一個中間的典型區別。一般來說，我們只要記錄下來動態范圍或者說還原出來亮度動態范圍，能符合人眼這個典型值，就能讓人眼在顯示設備中感受到接近真實世界的感知了。

寫在最后

目前來說，很多高端的攝像機早已經支持HDR拍攝技術，如索尼的F55，F65，這樣高端的攝影器材，說是高端，其實現在在電影圈子里面已經非常普及了，比如2015年熱播的《羋月傳》包括最新一集的007，都是采用HDR模式記錄的?，F在瓶頸主要在于傳輸和顯示，傳輸包括我們把這個內容記錄成一種什么樣的格式傳出去，就目前情況來看，藍光碟片和網絡將是我們第一時間收看HDR片源的最佳途徑，而廣電端涉及到設備的更新換代，則還需要一段不短的時間。