HDR技術的格式標準及應用

焦 揚

（中央電視臺，北京 100859）

高動態范圍（High Dynamic Range， HDR）在視頻制作和視頻播放終端的應用中，已經成為一個標桿式的新技術代名詞。在當今人們對圖像和視頻質量要求越來越高的背景下，HDR展現的更真實和更富有感染力的圖像質量很容易使觀影者體會到耳目一新的感覺，因此開始在影視制作、分發和播出環節逐漸推廣開來。

1 靜態拍攝的動態范圍

HDR最早是應用于照片拍攝和后期處理的過程中。人們通常會有這樣的經驗，在一個陽光明媚的屋里，人眼不僅可以看到屋里的各種物體，同時也可以透過窗戶看到窗外的景色；而用相機拍攝下來的照片會出現屋里漆黑一片、窗外白茫茫一片，很難取得一張屋內屋外都可以真實還原的照片。這是因為人眼具備識別暗場和明場交織的各類場景的能力，而因為相機拍攝的局限性，對于同一鏡頭下光照條件不同的景物，往往因為曝光參數的單一性而無法將所有景物的亮度、色彩等細節準確采集。拍攝時為了滿足屋內相對較差的光照條件就需要提高曝光參數，這樣的調整對于窗外已經足夠明亮的環境來說就“過曝”了；如果遷就窗外的光照條件而降低曝光參數，則屋內的拍攝效果就會“曝光不足”。以圖1的花朵來解釋亮度范圍更直觀，可以看到真實世界中的花朵亮度范圍從背景最低的145 nit直到花瓣黃色區域的14 700 nit（1 nit=1 cd/m2），這需要相機具有高水平的性能。

為了獲得理想的效果，通過調整不同曝光參數而拍攝多張相同景物的

方式對不同光照條件下的景物進行分別采樣，然后通過技術手段將各自達到理想曝光參數的景物合成到同一張照片里，從而形成了HDR影像。通過這種方法，可以有效提高照片中不同景物的曝光效果和色彩范圍，使人們可以通過一張照片不僅看到“亮的地方”，也能看到“暗的地方”，從而實現理想的拍攝效果。如圖2所示，（a）是普通拍攝的照片，（b）是采用上述HDR技術拍攝處理后的照片。

圖1 亮度范圍的顯著差別

圖2 不同動態范圍的照片對比

2 視頻拍攝的動態范圍

類似的問題在視頻拍攝中也同樣存在，特別是明暗對比很強烈的畫面，最暗處或最亮處細節的缺失是非常常見的情況。想必大家對以往足球轉播時明暗切換的顯示效果有切身感受，當鏡頭從球場的光照區切換到遮擋區或反之操作的時候，往往需要一點時間來“切換”以適應不同光照條件。特別是，當鏡頭所在的轉播位置恰好處于明暗交界區域時，畫面便會出現忽明忽暗的“搖擺現象”，嚴重影響畫質。同樣的情況在影視制作方面也不勝枚舉，火堆周圍歡慶的人群、天空中飛過的飛機、藍天白云掩映下的山巒疊嶂、城市夜景的燈火闌珊…… 采用HDR技術則可以有效解決上述問題，改善畫質，圖3顯示了標準動態范圍成像與高動態范圍成像的對比效果。

然而受限于現有信號采集和傳輸技術，當今的電視播出系統所提供的視頻信號只能達到最高 100 nit亮度和一小部分色域，影院還受峰值亮度和小于 50% 可見顏色空間的限制。因此，不能簡單認為HDR只是對影像的處理，僅從畫面處理方面入手是不夠的，而是需要從畫面采集、處理直到播出有一套端到端的處理標準，才能實現理想的畫面效果。

2.1 HDR技術發展的代表性技術

HDR技術的關鍵是建立光信號與電信號的轉換關系定義，從而實現把現實事物的亮度與色彩信息轉換為可編輯、可傳輸、可重建的視頻信息。以此為標準，當前HDR技術發展的代表性的技術有：

（1）以杜比公司提出的量化感知編碼（PQ，Perceptual Quantizer）為基礎的HDR格式，包括HDR10和杜比視界（Dolby Vision）；

（2）BBC 和NHK 聯合研發的混合對數伽馬（HLG，Hybrid Log Gamma）分布。

2016年4月18日，美國超高清論壇（Ultra HD Forum）公布的超高清規范（UHD Phase A）中，將PQ和HLG并列為UHD的光電轉換標準，同時10 bit色深和Rec 2020色域也進入到UHD規范中。

PQ編碼是一種非線性光電轉換函數，它將最高10 000 nit的亮度進行量化，從而記錄亮度等級的絕對值。HLG編碼也是一種非線性光電轉換函數，但是與PQ進行絕對量化編碼不同，HLG是一種相對亮度編碼，通過兩種不同的方式來分別對HDR 信號當中所包含的高光和中灰度部分進行處理，其中中灰度部分使用標準的伽馬曲線，而高光部分則使用對數曲線，這樣在支持HDR的同時可以兼容SDR電視，因此，可以根據顯示設備的能力不同實現最高1 200 nit的亮度等級（如圖4）。

圖3 標準動態范圍(SDR)成像與高動態范圍(HDR成像)

圖4 SDR、PQ與HLG轉換曲線

HDR10標準是美國消費電子協會（Consumer Technology Association）于2015年8月公布的HDR格式標準，由于其免費和開源的特點，是目前采用最為廣泛的HDR標準。杜比視界則是杜比公司開發出來的HDR標準，它不僅兼容HDR10格式，同時可以實現比HDR10更先進、效果更好的畫面質量，可以說是基于HDR10核心的增值版HDR技術。

從技術角度講，兩者都采用Rec 2020色域以及4K分辨率，相較現有標準動態范圍都可以提供更理想的畫面效果。4K分辨率4倍于FHD分辨率，包含了數量更高的像素，提高畫面顯示效果使之更細膩；而相比現有高清電視采用的Rec 709（即sRGB）的色域顯示水平，Rec 2020顯著擴展了顏色顯示范圍。如果考慮到亮度對顏色顯示范圍的影響，這兩者之間的效果差異則更加明顯（圖5）。

2.2 各種HDR技術的比較

（1）色深

HDR10和HLG均采用10bit色深量化精度（約10億），而杜比視界采用更高的12 bit色深（約680億）。更高的色深意味著可以實現更多和更平滑的顏色過渡，從而使畫面細節更到位。

（2）對顏色和亮度等基礎數據的處理形式

HDR10采用靜態數據處理方式，也就是處理和轉換整部視頻或段落視頻的全局數據，而杜比視界采用動態元數據方式，將顏色和亮度信息“實時”整合在動態視頻流當中，因此，它可以實現根據實時場景隨時調整相關顏色和亮度信息，更準確地還原事物的本來面目，實現更好的顯示效果。

杜比視界采用動態元數據的方式集成畫面的色彩、亮度等基礎信息，打通了整個視頻流的傳輸路徑，意味著現有顯示終端可以有機會發揮其真實的顯示能力，即電視機畫面可更接近真實的亮度與色彩。此外，杜比視界有完整的HDR生態系統，可為電影和電視制作人員提供強大、靈活的創作和編輯功能，可更準確地表達制作意圖。當然，相應地對視頻源的采集、處理、傳送、播出都提出了更高的要求，需要在上述各個環節都有相應的軟硬件支持。

HLG沒有元數據的部分，是將HDR信號結合進電視廣播信號中。

（3）兼容性

HDR10由于采用的是靜態絕對元數據，這與SDR電視在信號匹配上存在問題，因此，在非HDR電視上無法顯示。

杜比視界為了解決這一問題，采用雙層編碼技術，并不需要準備單獨的HDR和SDR內容，而是在SDR內容的基本層上再增加支持HDR的增強層，從而達到兼容SDR的目的。同時，這些元數據并不需要新的編解碼格式，它們依然采用現有HEVC/AVC編解碼，依然通過現有視頻傳輸方式進行傳輸和轉換，再通過支持杜比視界的播放終端即可將原始視頻流進行還原和播放（如圖所示6）。然而，為了實現端到端的解決方案，杜比視界需要在視頻傳輸的整個路徑上都采用杜比授權的硬件芯片支持，這在很大程度上限制了其技術的廣泛拓展，特別是在現在自媒體、直播等新媒體日益壯大的今天，要想在全鏈路普及，涉及授權費、硬件升級等問題，可謂任重道遠。

圖5 Rec 709與Rec 2020色域

圖6 Dolby Vision使用基本層+增強層來實現向下兼容性

HLG因為并沒有采用元數據，而且使用的是亮度相對量化的標準，因此，可以兼容現有電視廣播的傳輸設備與顯示設備，無需任何額外硬件支持。同時，采用與HDR10類似的免授權費形式，也有助于HLG技術在電視廣播以及網絡直播和小視頻等媒介的應用與推廣。

2.3 HDR技術的應用

不同的HDR技術擁有各自不同的特點，造成現有廠商和內容商紛紛站隊。任何一項新技術在影視行業的普及推廣，都需要從拍攝設備、后期制作、渠道發行、播放終端等各環節相互配合。

2.3.1 播放終端

最早對HDR技術的宣傳無疑是各大電視品牌。作為4K電視的推出，HDR技術的應用幾乎成為各個中高端電視產品最重要的功能。

起初，以三星、索尼為代表主推HDR10標準的HDR電視， LG、TCL、創維、長虹、Vizio為代表則加入了杜比視界的陣營。隨著時間的推移，作為播放終端，支持多個HDR標準被認為是更好的選擇，于是從2017年開始，以索尼為代表開始在電視上進行固件升級以支持包括杜比視界和HLG在內的多個HDR標準。

從上面的介紹中可以看到，杜比視界是向下兼容HDR10的，同時由于杜比視界是目前HDR標準中綜合表現效果最好的，因此，越來越多的電視廠家開始在HDR電視中集成杜比視界，從而保證對HDR10的兼容性。

2.3.2 內容制作

杜比依賴自身在影視制作領域強大的號召力和驅動力，近年來從電影和電視劇制作的源頭入手開始積極推廣杜比視界技術，目前處于HDR內容方面絕對的領先地位。

全球知名的影業公司多已同杜比展開合作，從2017年開始通過杜比視界拍攝的影片呈爆發式增長，包括票房火爆的《變形金剛5：最后的騎士》《加勒比海盜5》《蜘蛛俠：英雄歸來》《尋夢環游記》《星球大戰：最后的絕地武士》等，以及2018年春節剛剛上映的《紅海行動》《唐人街探案2》，均采用杜比視界技術拍攝。進入2018年，杜比視界與杜比另一項知名技術“杜比全景聲”一起，幾乎成為好萊塢各大片的標準配置，在2018年奧斯卡提名最佳視覺效果的影片更是清一色采用杜比視界和杜比全景聲制作。

在電影產業快速開疆拓土的同時，杜比視界技術依托在后期編輯的便利性，在電視劇制作領域也開始布局?！冬樼鸢裰L起長林》是杜比視界攜手愛奇藝在電視劇領域的全新嘗試，平臺方用技術帶給用戶視聽體驗的新變革正悄然而起。

此外，在賽事方面，歐洲足聯和法國網球公開賽等賽事轉播也提供杜比視界支持，給觀眾帶來更加賞心悅目的精彩比賽效果。

2.3.3 內容的渠道發行

目前，HDR的主要流通途徑有以下幾個方面：各大電影院線；網上流媒體分發渠道，如國外的Netflix、Amazon、Vudu以及國內的騰訊視頻等；UHD藍光光盤和支持HDR標準的藍牙播放機等，以及未來可預見的新款游戲及其設備等。

這當中有一個問題，目前普及度最高的電視播出系統并沒有納入HDR的支持體系當中。由于現有支持HDR內容的影片幾乎都是杜比視界標準，而這部分內容要進入電視播出系統，面臨的最大挑戰就是現有有線電視網絡的帶寬限制以及有線電視機頂盒的升級換代。而HLG格式的HDR內容雖然在技術上對現有系統的兼容性最高，但目前HLG內容的嚴重匱乏是它最大的障礙——即使是推出這個標準的BBC和NHK目前也沒有真正制作用于播出的HLG內容。

作為廣播傳媒領域的 “全能選手”索尼，從2017年下半年開始推出基于HLG技術的便捷HDR（Instant HDR）制作方案。通過固件升級的方式，索尼在自家4K攝像機中集成了便捷HDR拍攝方式，同時在其4K電視中同樣追加HLG格式內容支持。

由于不同類型視頻內容對于HDR效果的需求不盡相同，這就對電視制作提出了更復雜卻也更靈活的要求。對于注重展現效果或具備更長制作周期的節目如紀錄片、電視劇、宣傳片、賽事轉播等，杜比視界無疑是更好的選擇。對于新聞、短劇、周期性娛樂節目等突出時效性和娛樂互動性的節目，采用HLG格式就顯得更加方便和高效。由于HLG格式操作簡單不需要復雜后期制作以及兼容性強的特點，通過便捷HDR方式拍攝的內容可快速、高質量地交付，很適合互聯網視頻、婚慶視頻、企業宣傳片和活動錄制等領域的需求，甚至普通家庭用戶也可以拍攝自己的HDR視頻并導出到支持HLG格式的電視上播放，可以方便地感受到HDR帶來的更好視覺體驗。因此，對于不同類型的HDR內容進入到電視播出系統就需要統籌兼顧，以便將來系統升級過程中對不同HDR標準實現同步兼容，保證與現有HDR電視機共同配合實現HDR端到端的良好播出效果。

3 結語

HDR的應用在視頻領域是大勢所趨，廣大觀眾通過影院、網絡視頻、4K藍光以及4K游戲等途徑越來越多地了解了HDR的顯示效果，但HDR未來的普及道路也并非一馬平川。目前，采用HDR技術制作的內容與SDR的內容相比，在絕對數量上依然遠遠落后，同時龐大的電視機存量市場和有線電視網絡還依然停留在SDR階段，這些都需要更長的時間逐步實現技術升級。不過回顧歷史上的技術沿革，有理由相信，在設備和終端不斷推陳出新的推動下，特別是大品牌的助威，如同高清標準的推行一樣，HDR將成為未來4K以上超高清電影、電視領域又一項重要的基礎功能，一起拭目以待。