進入到4K超高清的階段,家庭影院視頻系統與以往最大的區別在于不只是停留在分辨率上面的提升,更重要的是加入了嶄新的HDR高動態范圍技術,在畫面動態范圍方面獲得了大幅度的增強,從而讓畫面的色彩與細節量變得極其豐富。動態范圍在視頻顯示領域指的是畫面亮度方面的變化范圍,也就是一個顯示畫面最亮與最暗之間的范圍。換句話來說,這個亮度變化的范圍越大,我們所能夠看到亮度細節就越豐富。在高清顯示年代,畫面的動態范圍是從0.1nit-100nit,我們將其稱之為SDR標準動態范圍。我們不難發現,在SDR的最高亮度僅為100nit/29fL,現在大部分液晶電視、激光電視甚至是家庭影院投影機都能超過這樣的亮度上限。從歷史的角度來說,SDR依然是屬于模擬顯像管電視的遺留產物,進入到數字顯示年代早就應該擺脫這種陳舊的技術規范,只是這么多年來,視頻顯示領域一直將畫面分辨率放在首位,從480、720、1080到4K、8K,卻忽略了與分辨率同樣重要的動態范圍的發展。

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在2016年,我們終于看到ITU國際電信聯盟推出首個針對HDR高動態范圍顯示設備的國際性推薦規范BT.2100,特別指出HDR高動態范圍視頻系統制作與顯示系統之間所采用的轉換函數為PQ EOTF以及HLG OETF。需要留意的一點,對于SDR動態范圍系統所采用的轉換函數為BT.1886,具體Gamma曲線接近2.4,也就是說HDR系統與SDR系統在Gamma方面的特性是完全不同的。在HDR技術剛剛引入到平板電視與家庭影院投影機市場中,我們不難發現這個階段的HDR顯示設備所呈現出來的畫面暗部與高光的細節與色彩總是十分奇怪,主要原因就在于沒有處理好HDR節目源與HDR顯示設備之間的銜接。如今,絕大部分的HDR家庭影院投影機都已經具備了良好的ToneMapping色調映射,投射出來的畫面色彩與光影細節更加自然并且反映出HDR的畫面上的特性。

由BT.2100可實現HDR顯示并非只是4K

在BT.2100推薦規范中,我們可以清晰地看到并非只有4K才能夠支持HDR,1080p與8K的內容同樣也可以制作成HDR的內容,同時幀率方面也從24Hz覆蓋到120Hz,這就意味著未來HDR相關的影視節目制作是多樣化的,會根據當地的信號傳輸條件與要求進行相應的調整。但是需要留意的一點,BT.2100規范中對于系統制作所采用的色域標準是與BT.2020規范是一致的,這樣就對HDR的顯示設備有相當高的要求。當HDR的顯示設備本身色域不能達到BT.2020要求的時候,就需要對色彩空間進行相應的映射轉換,否則很容易會出現畫面飽和度過高,色彩亮度過于鮮艷等問題。

BT.2100中特別指出的參考觀看環境的推薦規范

怎樣的環境才是最適合觀看HDR節目源?又或者是在HDR編輯、色彩校正與審片的環境與設備要求應該是怎樣的?BT.2100規范中有一個參考觀看環境的明確要求。首先屏幕背面與四周的環境光的顏色是中性灰、色溫為D65,屏幕背景光的亮度有明確的要求為5nit,而四周環境光則是要求小于或等于5nit,但需要注意的是避免環境光投射在屏幕上。

第二是觀看距離的要求,這點主要是根據內容的分辨率來定。對于1920×1080的節目源,觀看距離需要在3.2倍畫面高度;對于3840×2160的節目源,觀看距離要在1.6-3.2倍畫面高度;對于7680×4320的節目源,觀看距離要在0.8-3.2倍畫面高度。

最后一個,也是大家最關心的HDR顯示設備方面的要求,BT.2100要求在參看觀看環境下所采用的顯示設備峰值亮度需要至少1000nit,不過也指出這個峰值亮度并非是指全白屏下的測試亮度,也可以是屏幕上某個畫面窗口的測試亮度。而在顯示設備最低的亮度要求上,具體來說就是黑位的亮度需要等于或小于0.005nit。這樣的數值要求,基本上是屬于制作室監視器等級的,民用級別需要是頂級的平板電視才能實現。對于家庭影院投影系統而言,按照目前的技術還沒有辦法做到。不過,BT.2100這個參考觀看環境的推薦規范主要還是用于制作與審片,家庭影院投影系統則可以參考杜比影院100nit以上畫面峰值亮度的要求,而暗部則是應該盡可能貼合0.005nit的亮度要求,畢竟在HDR電影節目源中,畫面平均亮度并不高,而且不少細節都是在暗部,只有達到更扎實的黑位才能夠真實還原出豐富的暗部細節。

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下面就要談談BT.2100中最為關鍵的轉換函數PQ與HLG

正如前面所提到的,BT.2100規范的核心在于之處HDR系統與SDR系統在光電信號轉換函數方面的不同,HDR高動態范圍視頻系統制作與顯示系統之間所采用的轉換函數為PQEOTF以及HLG OETF。這里就變得有點復雜了,我們首先需要簡單解釋三個不同的轉換函數,分別是OETF、EOTF與OOTF。OETF(opto-electronic transfer function),主要是指拍攝場景的真實光線信號轉換到視頻電信號的處理方式,通常是指在攝像機中光電轉換處理函數。在顯示設備之中,則主要包括了EOTF(electro-optical transfer function)電光轉換函數與OOTF(opto-optical transfer function)光光轉換函數,前者大家應該不陌生,主要是指在顯示設備之中在接收到的影像電信號轉換成顯示畫面的線性光輸出,也就是以往我們通常所說的Gamma伽瑪曲線,在高清的BT.1886 EOTF推薦規范中所要求的高清制作室顯示設備采用的EOTF曲線大致上與Gamma2.4曲線相近,只是暗部有所不同。而OOTF恐怕不少人會覺得難以理解,為什么在OETF與EOTF之間還要加入一個OOTF。其實OOTF是指內容上的場景光與現實設備光輸出之間的處理手段。

我們需要十分清楚地知道在視頻顯示系統之中,顯示設備的光輸出與攝像機拍攝的場景光信息并非是線性關系,為了彌補這個問題,所以就要引入這個OOTF光光轉換函數。當想得到一個參考級的HDR畫面的光輸出,就需要在場景光信息與顯示光輸出之間加入一個“參考”OOTF函數。因為電影內容創作的關系,往往在后制過程中還會加入一些藝術性創造的元素,例如改變場景光信息的色溫,讓它看上去更加符合電影的主題,而處理的方式就是通過OOTF函數來渲染實現。我們可以把攝像機內的OETF、內容創作者的對影像的調整以及顯示設備上的EOTF三個步驟合在一起成為“藝術創作”OOTF函數。

好了,回到正題。在BT.2100規范之中,PQ系統中的OOTF處理是在攝像機端或者是制作端,并非在顯示設備上,所以對于采用PQ曲線的HDR設備,例如說HDR10、Dolby Vision都是在平板電視或家庭影院投影機中解碼PQ EOTF曲線,最終形成HDR的影像顯示輸出。由于制作端顯示設備與消費端顯示設備的不同,這就要求消費端的顯示設備需要支持HDR元數據的解碼能力。而HLG系統則是將OOTF處理放在顯示端,顯示端直接進行OETF轉換,不需要處理HDR元數據,直接解碼即可,能夠向下兼容以往的SDR顯示設備。因此,從PQ與HLG兩種系統結構上的差異,我們已經不難看出,前者有著更高的制作水準,屬于絕對亮度處理系統,峰值亮度可達10000nit,但對顯示設備的要求較高,而后者則是擁有更高的兼容能力,屬于相對亮度處理系統,不需要更換支持HDR元數據解碼的顯示設備就能實現HDR高動態范圍的效果。目前采用PQ EOTF轉換函數的HDR10與Dolby Vision廣泛應用于UHD 4K藍光與4K流媒體制作中,擁有更好的HDR畫面的表現力,而HLG OETF轉換函數則應用在電視廣播領域,可以讓HDR技術得到更快地普及。

PQ系統

HLG系統

PQ信號輸入,HLG系統顯示轉換流程

HLG信號輸入,PQ系統顯示轉換流程

最后再來談談10bit與12bit信號范圍

在BT.2020規范之中,我們已經提到超高清視頻系統采用的是10bit與12bit的系統,這個與我們所熟悉的高清8bit系統有了進一步的提升。那么在BT.2100規范之中,就非常詳細地指出10bit與12bit系統的黑位、白峰與視頻數據范圍。首先BT.2100以量化程度的不同分成Narrow range有限范圍與Full range全范圍。在有限范圍、10bit系統中64階為黑位、白峰區間在940-960階,視頻數據為4-1019階;12bit系統中的256階為黑位,白峰區間在3760-3840階,視頻數據為16-4079。在全范圍,10bit系統中0階為黑位、白峰區間在1023階,視頻數據為0-1023階;12bit系統中的0階為黑位,白峰區間在4092階,視頻數據為0-4092。那么有限范圍與全范圍的區別是什么呢?在信號之中,有限范圍以外信號主要是用于放置時鐘信號與一些傳輸界面相關的信號。一般來說,對于10bit與12bit的HDR視頻顯示系統,如果顯示設備提供相關的菜單選擇項目,我們基本上一般都是采用有限范圍。

總結與展望

最后,我們可以看出HDR系統相比SDR系統來說,要復雜許多,一方面不僅我們需要處理視頻電信號與顯示光輸出的線性關系,同時還需要解決內容制作端動態范圍與消費顯示端動態范圍不一致的問題,引入了PQ EOTF與HLG OETF。而在BT.2100規范之中,其實講的還并不是十分深入,如果想了解更多深入細致的內容,感興趣的朋友可以仔細閱讀ITU專門針對HDR視頻制作與顯示系統而推出的BT.2390報告書。在這里我們就不再深入討論了。另外,關于屏幕亮度與畫面大小的關系其實也很值得我們切入分析,例如究竟對于我們人眼感官,小屏幕與大屏幕在相同亮度的情況下給我們的視覺感知的亮度是否一樣的呢?我們也會在后續的專題中繼續為大家講解。對于HDR顯示設備的發展,尤其是家庭影院投影方面,我們認為除了應該不斷提升高光方面的表現、增加光輸出之外,更應該重視黑位下潛,能否真正做到BT.2100推薦的0.005nit或以下的黑位要求是我們在HDR家庭影院投影系統之中獲得更好的畫面動態與細節的關鍵所在。換言之,我們在挑選HDR家庭影院投影機的時候,除了要看這臺投影機究竟多少流明之外,還要看看黑位下潛是否扎實,是否出現色偏問題。隨著未來RGB三色激光光源的高端機型誕生,相信HDR 4K家庭影院投影機的發展將會越來越精彩。

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