當我們談論視頻技術時，超高清視頻（Ultra High Definition，簡稱UHD）無疑是當今最令人興奮的領域之一。UHD視頻技術不僅可以提供比傳統高清視頻更為逼真的畫面，還可以為觀眾帶來更加沉浸式的體驗。對超高清的理解，很多人第一個直覺就是4K、8K的高分辨率，其實超高清技術的進步不僅僅是分辨率提升這么簡單，它還包括更多的技術提升，包括但不局限于：高動態范圍（HDR）、編解碼、先進計算、三維立體聲、超分技術、數字版權管理和視頻云等等。從本期開始，我們會從淺入深，帶您走近超高清，探討其背后的技術原理，希望這個系列的文章能讓您對UHD視頻技術有更深入的了解。

關聯回顧

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關于超高清視頻（UHD）有很多可聊的技術，衡量一臺超高清電視的技術指標，以下可能都會涉及：

我們重點來談談其中的HDR。HDR是high Dynamic Range（高動態范圍）的英文縮寫。今天我們就拆開了、掰碎了，好好聊聊到底什么是HDR。

HDR和SDR

HDR（高動態范圍）是個相對概念，相對于SDR而言。SDR是Standard Dynamic Range（標準動態范圍）的英文首字母縮寫。

SDR這個概念要追隨到陰極射線管（CRT）顯示器的時代。在液晶電視推廣之前（也才不到20年前的事兒），帶著一個大鼓包的CRT電視仍是普遍的存在。SDR就是根據CRT顯示器的亮度、對比度和顏色特性和限制來規范電視光強度的一個標準。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。

HDR相對于SDR，HDR擁有更廣的色彩容量和更高的動態范圍，為圖像保留更多的細節。通過豐富的圖像亮部和暗部細節，在對比度、灰度等維度上提升影像質量，讓用戶眼中的影像更加細膩真實，更富有感染力。

下面，我們就從幾個參數維度入手，逐一對比說明，HDR到底好在哪里？

亮度-圖像照明的強度

國際單位制(SI)中的亮度單位是每平方米坎德拉（cd/m 2），非正式的名稱nit（尼特）。用來描述每單位面積發出的光的量度。現實世界具有極大的動態范圍。比如：星光可以低至 0.000001 尼特，太陽輻射量超過 10 億尼特。人眼可以檢測到的亮度從10 ? 6 或0.000001尼特到 10 8 或一億 (100,000,000) 尼特。（也就是人眼感知亮度的范圍為 10 14 尼特，或一百萬億 100,000,000,000,000，大約 46.5 f 級）。

通常，SDR顯示器的峰值亮度為100尼特。在配備專業投影儀的傳統商業影院中，圖像的標準化峰值亮度為 48 尼特（杜比影院的峰值亮度約為 100 尼特）。對于 HDR，這個峰值亮度數字增加到大約 1,000–10,000尼特。這就意味著高光（圖像中最亮的部分）可以更亮、色彩更豐富、細節更豐富。更大的亮度容量可以在不增加整體圖像亮度的情況下，增加小范圍的亮度，例如：閃亮金屬物體的明亮反光，漆黑夜空中閃爍的明星，燃燒中的篝火和絢麗多彩的日落晚霞。

亮度還有一個最黑，專業叫法是最低亮度（黑電平）。SDR，這個值一般為0.1尼特。HDR這個黑電平沒有定義，但肯定比0.1尼特要低很多。特別是對OLED顯示器，它可以將像素關閉到純黑色，所以在很多OLED規范中，黑電平不高于 0.0005 尼特。所以HDR除了表現的更亮，同樣還可以表現的更暗，更黑。

對比度也是衡量亮度動態變化范圍的指標。這是用最亮部分和最暗部分之間差異的指標。它通常表示為圖像或視頻最亮部分的亮度與最暗部分的亮度之比。從對比度上來看：

SDR 顯示器的對比度通常在 1000:1 到 4000:1 左右。

而HDR 顯示器的對比度可以達到 10,000:1 到 100,000:1 甚至更高。

顏色深度-色彩漸變的精細程度

但是否亮度范圍變大，設備的表現就好了嗎？不一定。還有一個非常重要的指標顏色深度（簡稱色深）。在計算機圖形學領域表示在位圖或者視頻幀緩沖區中存儲每一像素的顏色所用的位數，常用單位為位/像素（bpp）。色彩深度越高，可用的顏色就越多。色彩深度是用“n位顏色”（n-bit colour）來說明的。若色彩深度是n位，即有2n種顏色選擇，而儲存每像素所用的位數目就是n。常見的有：

1位：2種顏色，單色光，黑白二色，用于compact Macintoshes。

4位：16種顏色，用于EGA及不常見及在更高的分辨率的VGA標準，color Macintoshes。

8位：256種顏色，用于最早期的彩色Unix工作站，低分辨率的VGA，Super VGA，AGA，color Macintoshes。其中紅色和綠色各占3位，藍色占2位。灰階，有256種灰色（包括黑白）。若以24位模式來表示，則RGB的數值均一樣，例如(200,200,200)。 16位：65,536種顏色，用于部分color Macintoshes（紅色占5個位、藍色占5個位、綠色占6個位，所以紅色、藍色、綠·色各有32、32、64種明暗度的變化總共可以組合出65,536種顏色）。 24位：16,777,216種顏色，真彩色，能提供比肉眼能識別更多的顏色，用于顯示照片。彩色圖像，就是常說的24位真彩，約為1670萬色。 30位：通常是紅色、綠色和藍色各10位，共1,073,741,824種顏色。 36位：紅色、綠色和藍色各12位，共68,719,476,736種顏色。 48位：每個顏色通道使用 16 位產生 48 位，即 281,474,976,710,656 種顏色。 為了說明色彩深度的重要性，我們舉一個具體的例子。如下圖，海邊的篝火場景，如果遮住火焰，邊上的海岸很顯然是SDR的，而篝火便是動態范圍的關鍵所在。

1. 我們用8bit去記錄場景，0對應海岸的最暗處，255對應海岸區域的最亮處。于是大部分區域可以被8bit完美還原，而篝火因為大大超過了255對應的亮度，因此只能被約束到255。呈現過曝狀態（最左邊）

2. 對于HDR圖形，他在1.的基礎上額外增加了一些bit去記錄高亮度區域，因此依然可以相對更好地還原篝火地感覺。（中間）

3. 如果非要用8bit去記錄HDR呢？假設圖例的SDR區域亮度是2，那么篝火部分便是256。于是我們可能得到最右側的結果。黑暗區域只能用1bit來記錄，篝火用7bit記錄，這樣會導致大面積的黑色。

所以沒有足夠的色彩深度的支撐，HDR根本無法體現出優勢。道理很簡單，亮度范圍是大了，但是精度不夠用，亮度信息被稀疏掉了，效果自然大打折扣。一般而言：

SDR 顯示器通常支持 8 位色深，這意味著它們可以顯示多達 1670 萬種顏色。

HDR 顯示器可以支持 10 位甚至 12 位色深，這意味著它們可以顯示多達 10.7 億種顏色或更多。

色彩空間-色彩的生動或者豐富程度

色彩空間（英語：Color space）是對色彩的組織方式。我們一般談到色彩空間，都是基于人眼可見色彩范圍這個角度來界定的。它是一種將色彩映射到一組坐標或值的數學模型，允許它們在不同的設備和系統上準確地再現。

CIE 1931 XYZ色彩空間（也叫做CIE 1931色彩空間）就是國際照明委員會（CIE）于1931年創立的一個模型。它根據人眼三種視錐細胞的感光能力（波長和光譜敏感度）繪制。外側曲線邊界是光譜（或單色）光軌跡，波長用納米標記。注意描繪的顏色依賴于顯示這個圖象的設備的色彩空間，目前沒有設備能有足夠大色域來在所有位置上提供精確的色度表現。舉個例子，如果你看到的這個CIE 1931 色彩空間很多顏色很接近，甚至一致，這不是眼睛的問題，大概率是因為您的屏幕在此圖像中顯示的顏色是使用sRGB指定的，因此無法正確顯示sRGB色域之外的顏色。

回到今天的話題，HDR和SDR能承載的色彩空間是不同的。與 SDR 相比，HDR 的另一個好處是顏色范圍更廣（通常稱為廣色域或 WCG）（見下圖）。就目前而言，SDR 的色域被稱為 BT.709（可以顯示人眼可見顏色的35%左右），而 HDR 的色域在技術上是 BT.2020（可顯示高達 75% 或更多的可見顏色）。但是，很少有顯示器能夠真正顯示 BT.2020 的全部范圍，因此稱為 DCI-P3 的中間色域通常用于 HDR 內容。

值得注意的是，對比度、色深和色彩空間的確切數字可能會因具體的顯示器和正在查看的內容而異。但是，總的來說，HDR 顯示器在對比度和色深方面比 SDR 顯示器有顯著改進。

為了正確顯示HDR圖像，僅僅提高亮度是不夠的 - 以與人類視力相匹配的方式顯示色彩和色調至關重要。色彩和色調受每個輸入和輸出設備具有的稱為伽瑪的輸入 - 輸出特性的影響。

伽瑪曲線

圖像的伽馬曲線（Gamma Curve）編碼矯正用于通過利用人類感知光和顏色的非線性方式來優化編碼圖像時的位使用或用于傳輸圖像的帶寬。在普通照明條件下（既不是漆黑也不是刺眼的明亮），人類對亮度（亮度）的感知遵循近似冪函數。對較暗色調之間的相對差異更敏感比在較輕的音調之間，符合史蒂文斯冪定律。而伽馬曲線編碼利用了這一點。如果圖像不是伽馬編碼的，它們會為人類無法區分的高光分配太多的比特或太多的帶寬，而為人類敏感的陰影值分配太少的比特或太少的帶寬，并且需要更多的比特/帶寬來維持相同的視覺質量。

BT.2100標準提供兩條伽瑪曲線作為不同類型生產工作的標準。

對于互聯網流媒體和電影：PQ (感知量化)

PQ伽瑪曲線基于人類視覺感知的特征，并且最適合于在互聯網上制作電影或串流視頻的內容，其中再現準確性是關鍵。

PQ伽瑪曲線的最高亮度固定為1,000 cd/m2 （或更高）。換句話說，無論顯示設備的最高亮度如何，伽瑪曲線始終相同，上限為1,000 cd/m2，從而實現一致的圖像再現。

對于廣播電視：HLG(混合對數伽瑪)

HLG伽瑪曲線旨在允許在現有的SDR電視上顯示而不會看不到位置，并且最適合于廣播電視和直播視頻饋送。

HLG伽瑪曲線的最高亮度與顯示設備的最高亮度無關。換言之，因為伽瑪曲線根據顯示設備的最高亮度而變化，即使在現有的SDR顯示器上，伽瑪曲線也可允許接受觀看HDR內容，并且圖像劣化較小。

總而言之，PQ在圖像質量和可顯示的亮度范圍方面要好得多，但如果從攝像機到最終顯示器的整個廣播鏈沒有得到適當的監控，那么要想保證圖像的正確顯示就會變得復雜又昂貴；PQ伽馬曲線基于人類視覺感知的特性，更適合應用在電影制作和互聯網視頻流中。

HLG伽馬曲線基于較舊的SDR（709）標準，并對其進行了擴展，以便能夠顯示更高的亮度范圍，這對于人類視覺系統來說并不是最佳選擇，但就制作而言HLG更易操作也更具有兼容性，允許在現有SDR電視上顯示更高動態范圍的內容，更適合應用于廣播電視和直播視頻中。

好了，今天我們就先聊到這兒，下篇，我們再談談HDR標準的復雜狀況。

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