HDR有用吗?HDR是怎么改善电视画质的?

伴随着HDR电视剧和电影资源越来越丰富,HDR电视和播放设备也已经开始普及,你可以花2000元买一台支持HDR解码的电视,也可以花万把块买一台最好的HDR电视。甚至连主机游戏和一些手机都开始支持HDR了。

伴随着HDR电视剧和电影资源越来越丰富,HDR电视和播放设备也已经开始普及,你可以花2000元买一台支持HDR解码的电视,也可以花万把块买一台最好的HDR电视。甚至连主机游戏和一些手机都开始支持HDR了。

那么,HDR是廉价的技术吗?还是说大部分电视都是假HDR?HDR的工作原理是什么?HDR会像3D电视一样成为另一个营销噱头吗?HDR的作用是什么,为什么会更好呢?

朋友,如果您有这些问题,那么您来对地方了。

HDR的作用是什么

HDR(高动态范围)技术的出现是为了补上目前家用电视最大的短板—对比度。简单来说,当HDR内容在兼容的HDR电视上播放时,具有更宽的动态范围(即对比度),以及更多亮度分级(过度更平滑并得以保留明亮和阴影区域的细节)。通常HDR与色域(WCG)配对,可提供更大的色彩范围和深度。

HDR大大拓展了电视的动态对比度范围
HDR大大拓展了电视的对比度范围

与曲面屏幕或3D电视不同,HDR是实实在在可以改善图像质量的技术,改善的程度首先取决于电视本身的质量,再是内容。实际是,HDR电视现在实际是中高端电视的代名词,最好的电视也都是真HDR电视

深入了解HDR的工作流程可能帮助您理解HDR能发挥的作用,您可以据此来决定要不要选择HDR电视。

有关HDR的更多基本信息请移步:什么是HDR?怎么区分真假HDR电视?

提高动态范围

“动态范围”是电视机对比度的另一种描述方式,对比度即电视屏幕同一时间可以达到的最亮与最暗之间的比值。

顾名思义,“高动态范围”意味着比传统电视更大的动态范围。高动态范围必须由高“峰值亮度”和低“黑色亮度”共同达成,LCD电视亮度范围要大于0.05~800nit,OLED亮度范围要大于0.0005~540nit。额外的亮度范围是HDR电视脱颖而出的关键。

问题的关键就在这里,屏幕不仅够亮,还同时要够暗。比如要呈现夜晚篝火的场景:背景是要纯净的黑色,火焰非常明亮木炭却很黑,动态范围不高必然会损失细节,背景会发灰泛白,木炭纹理会丢失,火焰直接就是一团金黄。

OLED电视能在像素级别上控光,可以单独关闭每个像素以呈现完美的黑色,但峰值亮度不如LCD屏,一些量子屏和分区控光的液晶屏也有接近OLED屏的控黑能力,虽不如OLED完美,但是峰值亮度高很多。这些电视产品都是HDR电视的优选。

HDR电视夜晚篝火场景

但是,有好电视只是成功的一半,另一半是内容,换句话说输入电视的信号要有足够的原始对比度和亮度信息。

普通电视信号位深是8bit,每个像素的RGB子像素都有28 共256个亮度级别,还是以上面的篝火场景为例,假设焰火最亮的地方是255,被照亮的木材是20,没被照亮的木材是5,那么留给黑炭的亮度级别就只有0~5。这显然是不够的,因为图像明暗跨度较大,暗部和明亮区域的对比度信息就会被压缩,这会导致细节丢失。

HDR是10bit信号,每个像素的RGB子像素都有210 共1024个亮度级别,留给黑炭的就会有20个亮度级别,理论上这意味图像暗部细节可以是8bit的64倍( R*G*B既22*22*22)。而更先进的12bit屏幕需要12bit的杜比视界内容才能喂饱。

总之,HDR技术使电视的亮度范围更大,亮度级别和色彩数量更多。

解锁更多色彩

除了更宽的动态范围外,HDR还可以提供更多更好的色彩。这称为广色域(WCG),广色域两个主要好处。首先是能显示的色彩范围更广,能显示更深邃的红绿蓝,再者是在特定色域空间能显示更多数量的色彩,色彩数量越多就能越接近真实颜色,比如苹果上鲜红的条纹或者淡棕色的眼镜。

经过十几年的发展,电视可以提供比HDTV规范更多的色彩,但这推动力不是来自内容提供商或创造者,而是主要来自面板技术本身。

HDR和SDR色域空间对比
HDR和SDR色域空间对比

同样的,广色域要发挥最大作用离不开10bit位深。电视面板通过混合不同亮度的红绿蓝光来发出您所看到的不同色彩。SDR的8bit位深信号能命令面板发出256级的红绿蓝光,混合最多得到1678万种颜色,这看起来感觉很多,但这只是人眼能感知的一小部分。而HDR使用10bit位深,大大扩展到超过10亿种可能的色彩。

举个例子,假设要在电视上重现你瞳孔的颜色,如果是HDR信号可以从10亿种色彩选一种,如果是SDR的8bit信号就局限到1678万种色彩,前者重现的色彩准确度更高的可能性必然要大的多。

简而言之就是:更深邃颜色和更多色彩梯度。与高动态范围方面一样,广色域必须特定格式的内容支持才能充分利用这一点。这将我们带入下一部分...

电光转换函数/EOTF

电光转换函数EOTF(Electro-Optical Transfer Function)是实现HDR的核心技术之一,本质上是一种感知量化器(Perceptual Quantizer),它能告诉电视发出特定需要的亮度。

实际上它并不复杂,“电”是HDR内容中记录的表征现实世界亮度的数值,“光”是需要HDR屏幕显示的特定亮度,“转换函数”把“电”和“光”一一对应相互转换,比如HDR内容中记录的768值对应电视上的2nit,值1,024对应5nit。

电光转换函数是随着HDR出现的新概念,在这之前视频内容不会主动指定屏幕的亮度。例如,假设蓝光播放器的信号告诉电视显示100%的白色图像(#fff),每台电视都会全力以赴调整到最亮的状态(或者当前设置的最亮状态),但这个亮度不是视频内容要求的,不同的显示器显示的亮度也会有很大差异。

EOTF改变了这一点,使得HDR内容制作者可以更好地控制图像在电视上显示的方式,更重要的是能充分利用未来具有更高潜力的电视(如果还有更亮的电视的话)。

什么是色调映射/Tone Mapping

还有一个问题,现有的广色域电视能实际显示的色彩会和HDR格式内容采用的色域标准有差异。少数电视可以显示接近DCI-P3色域的色彩,但仍比Rec.2020色域(HDR通常采用的色域标准)范围窄不少。因此,视频内容的色域比电视支持的色域广,必须将视频内容的每重颜色精确地映射到显示器支持的色域空间上。

HDR-Tone-Mapping-色调映射
HDR色调映射

亮度上也是同理,用于HDR 10 +和杜比视界内容的EOTF可以达到4000和10,000尼特的峰值亮度,但最亮的家用电视只能达到2,000或3,000尼特的峰值。视频内容的峰值亮度远远超过了电视的能力,当与广色域结合使用时,所产生的色彩量将远超出电视的承受范围。

因此,需要一种可以将HDR内容的色彩和亮度映射到每台电视,同时仍保留尽可能多的创作者原始意图的技术—这就是色调映射。

什么是静态元数据

色调映射的关键部分是HDR视频内容中包含的元数据(metadata),元数据包含的信息越多,色调映射就越准确。有两种类型的元数据,静态元数据和动态元数据,前者由SMPTE ST 2086标准化。

HDMI 2.0a以上协议支持静态元数据的传输,元数据包含在HDR内容中以传达内容所采用的色域空间和内容的真实亮度。包括视频内容RGB和亮度的值,以及其黑度和峰值亮度值。亮度属性包含:

MaxCLL(内容最大亮度)– MaxCLL是内容中最亮像素的亮度,以尼特表示。

MaxFALL(最大帧平均亮度水平)–首先计算每帧中所有像素的平均亮度, 取内容中所有帧的平均亮度的最大值为MaxFALL。

电视能根据静态元数据在很大程度上还原视频内容的色彩和亮度水平,但静态元数据每个视频内容有且只有一组,这会节省很多视频码率资源,但整个视频的色调映射仅基于整个视频内容中最亮的场景和色域最宽的场景,如果视频内容包含明暗区别很大的场景,就会有一些场景还原失真。

HDR10采用静态元数据,而更高阶的HDR10+和杜比视界采用动态元数据来应对不同明暗程度的场景。

什么是动态元数据

动态元数据包含逐场景甚至逐帧的色调映射和亮度信息,电视得以根据每个场景(甚至帧)的动态元数据调整图像,避免个别场景色调偏差的情况。实际运用上,动态元数据主要是逐场景应用,但是当场景变化迅速时,它也可以逐帧应用。

动态元数据还能帮助电视决定什么时候不进行色调映射(包括色彩和亮度),同时仍确保所生成的图像是原始图像的良好再现,假设某个场景的色域范围刚好与电视的能力相匹配,电视将按照元数据的指导不将这个场景的色彩映射到更小的色域空间,这有助于时刻充分发挥电视的潜力。

动态HDR和静态HDR效果对比示例
动态HDR和静态HDR效果对比示例

毫无疑问动态元数据确实可以提供更好的HDR体验,而且视频内容和显示设备的能力差异越大,色调映射和动态元数据就越重要,逐场景捕获的元数据可以帮助性能较弱的电视更好地处理超广色域和超高峰值亮度的内容。

动态元数据也是HDR技术和内容面向未来的有力支撑,只要播放设备能准确进行色调映射就能很好的还原视频,包括在将来能支持完整Rec.2020色域和10000nit峰值亮度的播放设备上也是如此。

动态元数据已由SMPTE ST2094标准化,该文件定义了基于内容的动态元数据,可以由HDMI标准2.1版新增的传输通道独立传输。

总结

本文主要阐述了HDR技术的作用以及HDR的工作原理,HDR是电视高比度和色彩还原能力的保证,鉴于HDR改善电视图像质量的潜力和电影行业的强力支持,我们认为HDR是高品质电视必备的功能,值得您关注。

但不是所有HDR电视的性能都一样,总会有好电视和坏电视,请注意区别支持“HDR解码”的电视和真HDR电视,前者播放HDR内容提升肯定不如后者。

原创文章,作者:10bests,禁止任何形式转载:https://www.10bests.com/is-hdr-good/

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