提到近幾年最熱門的視頻技術話題，相信絕大部分朋友都會認同是HDR高動態范圍，而并不是8K超高清。因此，現在對畫面有一定要求的影音愛好者在挑選電視或投影機的時候，往往都會高度關注這臺設備實際的HDR處理性能。上一期我們分析了現階段8K的發展狀況以及對未來的展望，本期則將目光放在HDR技術之上。對于HDR技術這個話題，可以說自其推出以來就爭論不斷，不管是電影導演、制片人、后期制作人還是普通用戶，都并非一面倒地支持這項新技術，甚至還有不少激烈的反對聲音。不過，時至今日，HDR技術不斷完善，并且逐漸走向成熟，從視頻制作到信號傳輸，再到最終的畫面顯示已經形成了一條完整的產業鏈，可以說HDR雖然仍沒有完全進入到全民普及化的階段，但已經讓絕大部分的影音愛好者與發燒友充分了解到HDR對于整個畫質提升所起到的重要作用。關于HDR技術相關的專題探討，這么多年來我們一直都沒有停歇過，主要的原因在于HDR技術一直都在更新中，目前已經產生了包括HDR10、HDR10+、Dolby Vision、HLG、SL HDR1、SL HDR2、SL HDR3在內的多種技術格式，而每一種技術格式之間又有著千絲萬縷的關系。今年我們決定再度探索HDR技術，并且將關注點放在越來越多人關心的動態HDR技術之上，包括靜態元數據與動態元數據的差別，靜態映射和動態映射之間的關系，以及元數據與色調映射的關聯性等方面，挖掘HDR技術當中那些容易被人忽視的環節。
再談HDR高動態范圍技術主要內容
● 硬件性能漸趨成熟，我們再談一下HDR技術誕生的來由
● 相對復雜的HDR技術格式分類，先從向下兼容性的角度出發
● 從靜態走向動態HDR，HDR畫質的進化之路
● 元數據與色調映射緊密相連，HDR也分為靜態色調映射與動態色調映射
● 必須來談談Dolby Vision杜比視界，現階段最強的HDR技術
● 不斷變化的HDR生態系統，動態HDR節目源將成為主流
硬件性能漸趨成熟，我們再談一下HDR技術誕生的來由
HDR的出現充分釋放了現代高性能拍攝性能的動態范圍，帶來更加接近真實環境的色彩
從SDR到HDR的技術衍變，讓我們可以在畫面上許多以往會忽略的、隱藏在高光與黑位中的精彩細節
經過這幾年市場的不斷發酵，以及大家日常使用經驗的積累，關于HDR高動態范圍與SDR標準動態范圍的技術差異性，相信絕大部分的影音愛好者和發燒友都已經有所了解，而不再停留在一知半解的狀態。我們在這里就不再啰嗦兩者之間的技術細節，主要是談談HDR出現的主要原因。從本質上來講，HDR高動態范圍實際上就是大幅度提升了畫面所有色彩的亮度范圍，從最暗到最亮的變化，以盡量接近人眼實際的觀看亮度動態范圍又或者說是寬容度。需要留意的一點，HDR增強的不只是只有畫面亮度，更包括了畫面中色彩，HDR往往還會跟WCG廣色域同時出現。
在UHD超高清系統出現之前，我們有相當長的一段時間還在沿用顯像管電視系統的標準，從拍攝、制作、傳輸到最終的顯示，比如說0.1-100nit的亮度范圍，也就是1000:1的對比度，BT.709色域，2.2-2.4 Gamma，8bit色深。這些陳舊的技術標準在面臨整個電視系統硬件性能的大幅度提升的時代，已經顯得不夠用了。以往，業界關注的焦點基本上都只是放在最為基礎的畫面顯示分辨率上，確實從480p標清到1080p全高清的分辨率提升就已經給畫面的清晰度帶來了巨大的提升，只是到了UHD的發展階段，我們會發現在普通客廳3-5米左右的觀看距離，50-65英寸的主流平板電視從1080p到UHD 4K在畫面清晰度方面的提升并沒有想象中大。這也使得不少用戶對于第一代的4K電視的升級欲望并不太強烈。于是，我們就看到了HDR高動態范圍技術的出現。當然后續的技術不止于此，更是對4K電視的綜合性能進行不斷優化，包括在WCG廣色域與HFR高刷新率方面，4K電視到了現階段就已經不只是一臺分辨率達到4K的電視而已，整體性能得到了全方位的增強。
HDR是目前個人或家用顯示設備中的一個極其重要的基本功能，不管是平板電視、家庭影院投影機還是電腦顯示設備。HDR所要實現的目標是要讓電影與電視系統的動態范圍提升至人眼的視覺寬容度上限，而人眼視覺最大寬容度大概在1012:1，大致上相當于40檔光圈，而SDR則是10檔光圈左右。不過，即使是來到了如今HDR的技術階段，受到拍攝、制作和顯示技術的限制，從影視制作的角度來看，現階段還是很難完全再現人眼視覺的最大動態范圍的狀態。這里需要說明的一點，人的瞳孔控制著進光量，瞳孔變大，進的光就多，瞳孔變小，進的光就少。當人在明亮和黑暗的環境里切換時，瞳孔也會跟著變大或縮小。而最舒服的觀看狀態是在無需調節瞳孔狀態，因此現階段HDR的目標是為了實現在人眼無瞳孔調節狀態下的寬度度上限，大概為16檔光圈左右，約為105:1。以目前好萊塢HDR拍攝常用的Arri's Alexa 65這款攝像機為例，它的鏡頭動態范圍大概是16檔光圈，那么也就意味著采用這款HDR攝像機拍攝與制作的HDR電影的原生動態范圍也是16檔光圈。而亮度峰值在1000nit左右的平板電視，大概動態范圍在14檔光圈左右。另外，對于那些可以把黑色壓得足夠黑的自發光顯示技術，例如OLED、MicroLED來說，相同亮度的情況下，動態范圍更是可以突破14檔光圈。因此，我們可以看到HDR技術的出現是和整個電視電影硬件性能的提升有著密不可分的關系，沿用SDR動態范圍的最高和最低亮度標準來制作節目已經不能夠全面釋放硬件性能設備，HDR技術的升級換代是勢在必行的。
相對復雜的HDR技術格式分類，先從向下兼容性的角度出發
Perceptual quantization (PQ)曲線的性能圖示，建議在色深在12bit或以上
Hybrid Log-Gamma(HLG)曲線可以兼容SDR
HDR電視節目拍攝、信號傳輸與最終顯示流程，如何兼容SDR信號是最主要的問題
前面，我們曾經提到目前HDR技術格式不少，包括了HDR10、HDR10+、Dolby Vision、HLG、EclairColor、SL HDR1、SL HDR2、SL HDR3等，而事實上我們平常接觸到的HDR類型并不多，主要是HDR10、HDR10+、Dolby Vision、HLG這四大類型。而這幾種HDR技術格式其中一個重要區別點在于向下兼容性能的差異，也就是能否兼容SDR的顯示設備。
在ITU國際電信聯盟所頒布的關于HDR相關技術參數的BT.2100技術推薦規范中，我們除了可以找到關于環境和參考顯示設備峰值亮度的要求之外，比如說如果屏幕后方與四周需要配置環境光，這種環境光需要是D65的中性灰色，屏幕后方的亮度僅為5cd/m2，四周環境光亮度小于5cd/m2，避免環境光直接照射在屏幕之上，1920×1080 HDR節目的觀看距離為3.2倍屏幕高度，3840×2160 HDR節目的觀看距離是1.6-3.2倍屏幕高度，7680×4320 HDR節目的觀看距離是0.8-3.2倍屏幕高度，建議的參考級顯示器的峰值亮度≥1000cd/m2，最小亮度≤0.005cd/m2。更重要的是BT.2100明確指出了Perceptual quantization (PQ)以及Hybrid Log-Gamma是目前HDR光電信號處理所采用的兩種不同的方式。其中HDR10、HDR10+與Dolby Vision都是采用PQ曲線或者說是ST.2084曲線，而HLG則是采用Hybrid Log-Gamma混合對數曲線。
在技術的層面上，采用PQ曲線的HDR技術是無法向下兼容過往的SDR設備的，例如說HDR10和HDR10+的HDR畫面就無法在1080p SDR的設備上正確顯示，整體畫面會出現色彩正常的灰暗的情況。(不過要留意的一點，部分藍光碟機或播放設備會內置HDR轉SDR的功能，并會讓用戶設定高光滾落或高切亮度的參數，使得SDR的顯示設備上可以顯示HDR10畫面。)
但也有例外，Dolby Vision就特別采用了單碼流雙層數據來實現SDR與HDR的兼容，SDR的設備只能讀取基本層的數據，從而顯示正常的畫面色彩與亮度表現，而HDR的設備在檢測到元數據之后可利用HDR增強層的數據來實現HDR畫面的顯示。相對與有點過于“簡單粗暴”的PQ曲線，HLG所使用的混合對數曲線則是采取“懷柔政策”，在同一條曲線上兼顧了SDR與HDR顯示，其100%動態范圍時，HLG的電平剛好是SDR的50%，雖然說動態范圍比PQ曲線要小，HDR的效果并沒有采用PQ曲線的其他HDR技術來得出色，但按照目前HDR顯示設備的性能來看，還是相當夠用的。而且HLG在結構上不需要進行雙層數據，也不含元數據，非常適合用于沒有時間進行HDR后期處理的電視直播節目，可以說實現了無痛升級，相當方便。
因此，目前國內外電視直播節目基本上都是采用HLG技術格式，而UHD HDR藍光以及各類網絡流媒體平臺則都是采用PQ曲線的HDR技術格式。至于在顯示設備端，目前新推出的平板電視、激光電視與家庭影院投影機基本上都能同時支持HLG與PQ這兩大陣營的HDR技術格式，主要的區別是在是否支持動態HDR技術。
從靜態走向動態HDR，HDR畫質的進化之路
ST.2094是關于元數據的技術規范
ST.2094規定了不同HDR技術格式所采用的元數據類型
元數據當中包括了大量的畫面信息，并非只有MaxCLL內容的最高亮度等級和MaxFALL平均幀最高亮度等級
不同HDR技術格式所采用的元數據技術規范類型
關于HDR技術格式的分類，除了從向下兼容的角度之外，我們還可以將HDR技術根據元數據與色調映射的不同，分為靜態HDR和動態HDR兩大陣營，其中HDR10屬于靜態HDR技術格式，而HDR10+和Dolby Vision則是屬于動態HDR技術格式。
在HDR技術之中，元數據Metadata是讓畫面能實現HDR高動態范圍效果的關鍵所在。元數據技術其實并不是什么新技術。在我們所熟知的Dolby Atmos與DTS:X這類以聲音對象為核心的沉浸式三維音效，就使用了元數據來定位電影場景音效當中的位置與位移。對于HDR技術來說，元數據就記錄了電影畫面中非常重要的信息，其中主要包括了色彩和亮度兩大方面的信息，具體來看包括了影像的分辨率、色域范圍、色度取樣、色彩深度、碼率、編碼格式、幀率、畫面比例、制作端顯示設備的亮度等，其中有兩個元數據是非常關鍵的，分別是MaxCLL內容的最高亮度等級和MaxFALL平均幀最高亮度等級。通過這些信息，我們就能讓HDR顯示設備正確處理HDR畫面中的色彩與亮度細節，不會讓這些重要的細節層次信息丟失。
HDR10所采用的靜態元數據是指整部電影通過單一的元數據來控制每一幀畫面的亮度變化，并不會因為不同幀畫面中的場景差異而有所調整。這種靜態元數據的方式的優勢當然是簡單，不管是對制作方還是顯示設備而言，只需要單一的元數據處理就可以了，因此在早期的HDR節目源，包括HDR藍光和國內外的流媒體節目源基本上都是采用HDR10，至于顯示設備方面則更是全面支持HDR10。而不足之處也同樣明顯，整部電影都采用同樣的元數據來控制光影變化，可是電影之中的每一幀畫面的動態范圍并非一樣，很容易會造成某些大動態場景的畫面的暗部或高光細節出現丟失，比如說雪山、黑夜等場景。這也是早期HDR顯示設備的HDR畫面表現并不如意的主要原因，有些時候黑位很扎實，陽光感十足，有些時候畫面容易出現過曝問題，高光層次丟失。
為了解決靜態元數據的這個問題，最佳的解決方案就是通過動態元數據的方式來實現，也就是不再使用單一的元數據，而是根據電影中不同的場景設定不同的元數據，以最大程度地優化HDR畫面的亮度表現，盡量保證每一個場景的畫面動態可以充分釋放，同時還能保留豐富的暗部與高光細節層次。HDR10+和Dolby Vision都采用了動態元數據，兩者在HDR的整體畫面表現上都要較HDR10要來得出色，而兩者不同的是，Dolby Vision還帶有專門的Trim Passes metadata微調元數據以及12bit色深增強處理等，針對支持Dolby Vision的顯示設備再優化，但在一定程度上也加大了后期制作端的流程。另外，想要支持Dolby Vision，還需要格外購買Dolby Vision編解碼芯片，并且支付授權費。
元數據與色調映射緊密相連，HDR也分為靜態色調映射與動態色調映射
動態色調映射會根據畫面中的不同場景的亮度標準設置不同的色調映射曲線
靜態色調映射采用單一的亮度曲線來處理所有場景的高光裁切處理與亮度變化
有了元數據，要實現正確的HDR畫面顯示，還需要進行正確的色調映射才能實現。所謂色調映射，簡單來說就是讓我們所觀看的顯示設備盡量貼合影視后期制作監視器效果的處理方式。由于目前家用領域的顯示設備性能，特別是亮度方面的性能，與后制監視器還是有著一定的距離，想要實現相近的畫面亮度、細節層次以及色彩，必須要進行整個畫面的色調映射轉換。顯示設備的色調映射，同樣也分為靜態映射與動態映射兩種方式。靜態映射會根據HDR節目源中的靜態元數據，對整部電影進行單一的色調映射，或者說采用單一的亮度曲線來處理高光滾落或高切點，對于顯示設備的HDR處理性能要求不高，較為容易實現，所有的HDR設備都支持靜態映射。這種簡單粗暴的色調映射方式面對那些動態范圍并不算太大的HDR節目源，又或者是本身亮度動態范圍比較大的顯示設備其實也夠用。但是當遇到某些HDR節目源在某些場景需要使用超高或超低的亮度時，又或者是亮度并不高的顯示設備，如家庭影院投影機的時候，就很容易會出現問題，低光的場景丟失暗部細節，高光的場景沒有陽光，畫面變灰。
于是，這兩年討論熱度最高的動態色調映射就出現了。需要注意的動態映射并不等于動態元數據，兩者可以共同運行，而動態映射還可以單獨運行。從運行效率和正確率的角度來說，結合動態元數據的動態映射是最為理想的。通過HDR10+和Dolby Vision中的動態元數據，顯示設備并不需要配備高性能的處理器就能實現逐個場景甚至是逐幀的動態映射。這種方式屬于預處理的動態映射技術。那么當遇到大量采用靜態元數據的HDR10節目源的時候，想要進行動態映射處理，就只能依賴顯示設備內置的處理系統了。今年越來越多的平板電視、激光電視、激光超短焦投影機以及家庭影院投影機開始加入動態映射相關的功能，一方面這需要依賴強大的運算能力，同時還需要有大容量的影像數據庫，確保在不同場景下能夠獲得正確的色調映射。需要注意的是，這種方式屬于后處理的動態映射處理，并不能保證畫面一定是正確的。也是因為這個原因，顯示設備中的后處理動態映射處理功能，往往還會留給用戶一定可調的空間，比如說預留高中低三個不同處理強度的設置檔位，用戶可以根據片源是偏向高光還是偏向暗部來自行選擇。而前面所提到的動態元數據和動態映射相結合的預處理動態映射模式，如HDR10+就基本上只有開啟或關閉的選項。
必須來談談Dolby Vision杜比視界，現階段最強的HDR技術
Dolby Vision在制作端、傳輸端與顯示端的眾多合作伙伴
目前已經有眾多的電影和電視節目采用Dolby Vision來制作
Dolby Vision采用動態元數據與動態映射相結合的方式
Dolby Vision支持Automatic Brightness Control自動亮度控制功能
在目前為數不少的HDR技術當中，哪一種技術是最強的呢？那估計絕大部分都會認為是Dolby Vision杜比視界。Dolby Vision是由杜比實驗室推出的一整套圖像制作、編碼、傳輸和回放的HDR技術。需要注意的一點，如果顯示設備想要處理并顯示Dolby Vision制作的片源，廠家必須要內置Dolby Vision編解碼芯片并且支付授權費，同時產品還需要通過杜比官方的測試和認證，以便實現最準確的色調映射。
由于杜比在HDR技術的研究、測試、開發等方面均居領先地位，并主導制定了SMPTE 2084（PQ感知量化亮度曲線）和SMPTE 2094（動態元數據）標準化工作。因此，Dolby Vision可以充分展現HDR高動態范圍的實力。Dolby Vision使用動態元數據技術來實現特定電視機或其它播放設備上的逐個鏡頭、逐個場景的圖像映射。這些元數據是由調色師所創建，有助于在觀眾眼前最大程度保持影片的創作意圖。身為創作者的調色師能夠完全把控影片內容如何映射到SDR電視以及不同性能的HDR電視上。杜比與后期制作領域的機構緊密合作，不斷優化和改良工作流程。目前杜比視界的映射算法已經迭代到4.0版本，擁有巨大的智能性和人工調整的空間。不過，因為制作流程相對復雜，在眾多的HDR技術之中，制作完整版本Dolby Vision的時間可以說是最長的。
前面也提到，Dolby Vision采用了單碼流雙層數據傳輸實現了SDR與HDR兼容。HDR母版經Dolby Vision編碼后分成兩層傳輸，普通的SDR設備可以直接解碼基本層的信息，顯示SDR標準動態范圍的正常圖像，而不會出現HDR10那樣畫面顯示不正確的問題。而通過了Dolby Vision認證的設備就能同時解碼基本層和增強層的信息，顯示出正確的HDR圖像。這種解決方案主要的問題是傳輸碼流仍然較大，而HDR的部分還是需要后期的處理，對制作端與傳輸端的壓力較大。Dolby Vision還擁有12bit的色深擴展以及Trim Passes metadata微調元數據，可以說整體所呈現出來的HDR畫面素質是母庸置疑的。另外Dolby Vision還支持Automatic Brightness Control自動亮度控制功能，可以通過顯示設備上的感光元件，自動測量環境光的亮度，微調暗部色調的數值以達至更好的效果。
在節目源內容方面，目前好萊塢不少制片廠的影片都已經使用了Dolby Vision影院版規格制作、上映，并以Dolby Vision家庭版發行藍光碟以及線上點播。在國外流媒體服務平臺上，Netflix多年來原創自制劇一直采用杜比視界規范。以2019年為例，點擊量最高的十部劇集全部都是杜比視界規格。其他線上點播平臺如Disney+、Apple TV也提供了大量杜比視界內容。在國內流媒體平臺方面，包括愛奇藝、騰訊視頻、優酷、嗶哩嗶哩在內的各大平臺，已經擁有超過1200部/集的國產影片、劇集、紀錄片采用Dolby Vision技術。可以說，Dolby Vision擁有著相當強勁的發展勢頭。
不斷變化的HDR生態系統，動態HDR節目源將成為主流
2022年UHD 4K藍光各大HDR格式占比
2022年全球主要OTT網絡流媒體設備HDR格式分布
2019年全球主要廣播運營商HDR格式分布
2022年全球主要游戲主機HDR格式分布
在HDR技術面世的頭幾年，我們所接觸到的HDR節目源并不多，而且在UHD 4K藍光剛剛出現的階段，采用HDR10制作的電影實際所呈現出來的畫面效果也并沒有人們期待中的出色，使得HDR技術受到了眾多的質疑，甚至還帶來了不少反對的聲音。不過，經過了多年的技術標準建立與積累，再加上家用顯示設備的性能提升，包括了亮度較低的家庭影院投影機普遍也強化了色調映射處理的性能，部分還加入了強大的動態色調映射功能，使得現階段無論是用戶還是制作者都對HDR技術都更有信心。從目前HDR的整個生態系統來看，眾多知名的電影制作室普遍采用HDR技術來制作電影，以2019年的數據為例，采用HDR10、Dolby Vision技術包括Netflix、迪士尼、amazon、福斯、華納、環球、Lionsgate、派拉蒙、索尼影業、BBC，而采用HDR10+則有amazon、福斯、華納、環球。因此，來到2022年，我們看到UHD 4K藍光中只采用SDR制作的片源只剩下1%，其余的99%都是采用HDR來制作。所有的HDR藍光都支持接觸的HDR10，而同時支持HDR10和Dolby Vision占30%，同時支持HDR10、Dolby Vision和HDR10+占2%。從這樣的數據之中，我們不難察覺Dolby Vision藍光數量在迅速上升，同時HDR10+也起來了。除了藍光碟片，我們在國內外的流媒體平臺上同樣也看到了Dolby Vision、HDR10+節目源不斷增多的情況，相信未來動態HDR技術必將成為主流。
總結
最后，不免會有朋友會提出疑問，究竟Dolby Vision和HDR10+這兩種HDR技術哪一種效果會更好？對于這個問題，影音行業和用戶的討論相當激烈。有部分用戶認為Dolby Vision的片源畫面效果更好，即采用了動態元數據加上動態映射處理，又有12bit色深增強擴展，還有Dolby Vision一系列微調處理功能。但一部分的制片人卻認為以目前顯示設備的綜合性能，普遍都是10bit色深的設備，同一部電影Dolby Vision和HDR10+的版本效果差異微乎其微，我們在觀看的時候也不需要糾結一定要觀看Dolby Vision的版本。我們認為根據目前HDR技術的制定標準而言，Dolby Vision無疑是最具前瞻性的，當我們所使用的顯示設備性能足夠強勁，能夠達到Dolby Vision的高要求的情況下，Dolby Vision所呈現出來的HDR效果優于HDR10+。但是，確實現階段平板電視、激光電視與家庭影院投影機，不論峰值亮度、黑位以及色彩方面還有不少提升的空間，目前來說Dolby Vision和HDR10+的效果可以說是在伯仲之間，甚至未來還會有HDR12+或HDR16+來與Dolby Vision相抗衡也說不定。
