影像技术的升华电视机显示技术的补全

自 1925年诞生起，电视机就成为了家庭中不可或缺的消费电子产品，而随着用户对生活品质的不断提升，对电视机的设计要求也在不断提高，电视机产品先后经历了一系列重大技术变革。不过在最近的几年时间中，电视机产品的主要改进集中在画质和观赏体验体验方面，电视机厂商先后在分辨率、响应时间、色彩等方面进行了改进。不过，在最基础的亮度方面，电视机厂商似乎一直没有太大的动作，直到2016年，索尼正式将原本应用摄影的HDR技术引入电视机产品，全面提升了电视机产品的亮度，成为了电视机行业的全新标准。这套标准的引入，标志着电视机产品正式补全了显示技术中的短板，为消费者带来全新的画质体验。

影响画质的五维空间

影像端的HDR成像和这里说的电视领域的HDR标准，实现一样的效果或者结果，但却是两种不同的概念。前者是实现拍摄效果的一种技术，后者是电视的显示标准。在说标准之前，我们要帮助大家回顾一下近年视频标准的发展轨迹，帮大家去理解为什么会有HDR这样的出现。

视频格式的发展，从整个行业的发展来看，终极目的其实是为了让我们的眼睛在显示终端上能看到更接近真实世界的画面。影响画质的方面主要有五个要素：空间分辨率，就是我们所谓的Full HD，4K，甚至于未来的8K，这是一个2D的概念；灰阶分辨率是影响色深的一个概念，如我们在电视宣传资料上常看到的8bit、10bit和12bit面板；时间分辨率是影响画面的流畅度的一个重要指标，如之前电影用的24p、标清时代广播标准Pal制式或N制式、到高清时代的60I、60P，甚至是120P；色域是影响色彩的一个环节，如SRGB、广色域等概念；最后一点便是我们这里要谈的亮度的动态范围，这五个要素加在一起会影响整个视频最终还原出的效果。前面四个要素目前已经发展到了一个比较高的水准，而亮度动态范围还在沿用之前标清时代的SDR标准，短板之处在今天显得尤为明显。所以说这个时候HDR就应运而生，这样一个全新的标准，通过对这个维度的补足，可以让用户真正地感受到五个维度同时向上发展而带来的一种更好的视觉感受。下面，让我们来一起回顾一下影响画质的五维是如何发展的。

向视觉极限挑战的进化：分辨率的进化

在高清分辨率还没普及前，消费者如果想要体验高解析度的视频，通常只能在高品质的电影院中进行，这种体验不仅花费高，而且显得更加嘈杂，只是一种在“公共领域中的体验”，这也是早期高清发烧友鄙视电视机产品的重要因素之一。此时，传统电视台采用的还是非数字电视标准的电视信号，其分辨率甚至低于480p（即720×480像素），画质几乎可以用“低劣”来形容。也正是这样的原因，电视机厂商开始了对电视机面板技术的改进，试图将高分辨率的产品带入消费者的家庭，让视觉体验更加完美。

此次分辨率的进化，正好伴随着拍摄技术和播放技术的变化，VCD、DVD、蓝光等技术的助推，让电视机产品的分辨率不断进化，而数字电视标准的建立，也进一步促进了整个电视机产品体系的演进。正是这样的演进，促进了电视机产品全面向全高清分辨率的推进。时至今日，电视机产品已经基本完成了这种进化，非全高清产品已基本告别市场。但对挑剔的消费者来说，1080p的分辨率就足够了吗？答案显然不是，因为消费需求永远是随着技术的进步而扩展的，在这样的压力下，超高清分辨率也就顺理成章地被提上日程。

在2012年8月公布的超高清电视（Ultra HDTV）标准中，包涵有对4K及8K的分辨率、色彩空间、帧率、色彩编码规范。其中超高清4K的水平清晰度3840，垂直清晰度2160；超高清8K的水平清晰度7680，垂直清晰度4320，这两种规范的进步可以用“惊人”来形容。到目前位置，4K分辨率的显示器已经在市场上开始普及，众多电视机厂商的4K电视机产品在市场上展开了激烈的竞争，同时，也有厂商开始在未来的8K规范上进行布局，希望能在未来的市场竞争中获得先手。

向速度挑战的进化：响应时间的进化

在电视机技术发展之初，由于普遍采用CRT显像管，因此只要显像管中的不见能发出电子束击打荧光粉，屏幕就能立刻发光，由于电子束击打荧光粉，因此CRT电视反应时间仅为1～3ms，在这个时代中被强调提到的更多的是刷新率。一般来说，只要刷新率达到60Hz或超过60Hz，用户就不会感到画面有延迟或闪烁。但当采用液晶面板时，由于技术原理完全不同，刷新率的概念就被顺利成章地忽略了。

当电视机全面转向使用液晶面板时，一个非常现实的问题被开始摆在桌面上公开，那就是液晶面板的响应时间。简单来说，液晶电视机的画面改变是通过液晶分子的变化实现的，由于液晶分子从接收到信号到完成变化需要一定的时间，因此在速度不够的情况下，屏幕显示的画面会有一定的滞后。用更严格的话来说，响应时间就是液晶电视机面板各像素点对输入信号反应的速度，即像素由暗转亮或由亮转暗所需要的时间。

在液晶技术开始被采用的早期，由于技术上的限制，多数液晶面板的响应时间最多只能达到25ms，换算成显示速度话，就代表着每秒显示约40帧画面，只能说是保持基本流畅（熟悉电脑游戏的玩家应该知道，一般游戏的速度达到每秒显示约60帧画面才能算是流畅），因此在呈现一些高速画面时，屏幕会有残影。但在家庭中，用户除了使用电视机观赏电影、电视剧之外，收看各种体育赛事也是主要用途之一，因此当使用早期的液晶电视机是收看诸如足球比赛或赛车之类具有大量高速画面的体育赛事时，体验是相当糟糕的，为此甚至有呼声要求开发新型显示技术，但这显然并不具有现实意义，因为一项技术从开发到最后实用必然需要一定的时间沉淀，仓促上马的全新技术多半会折戟沉沙。

于是，在这样的压力下，电视机厂商将提升液晶面板的响应时间作为头等大事来认真对待。在技术人员的不懈努力下，到目前为止，液晶电视机的面板响应时间已经获得了极大的提升，从早期的16ms，一直进步到4ms，甚至还有响应时间达1ms的产品出现。按照正确的换算方式，当响应时间达到16ms时，画面显示会每秒约60帧画面，这已经是流畅的标准，但面对部分高速画面还是有一定的困难；当响应时间达到8ms时，画面显示会每秒约125帧画面，除去大部分高速细节外，这类面板已经足够满足用户的需求，但电视机厂商并没有满足于这个标准，因为随之而来的高分辨率显示技术对响应时间又有了全新的要求；电视机厂商在之前的技术基础上，又再次升级，将显示面板的响应时间提升到了 4ms，这也意味这电视机的画面显示速度可以达到每秒约250帧画面，足够满足用户在相当长时间内需求。

向显示细节挑战的进化：面板灰阶的进化

对电视机而言，显示画质的层次和细节的丰富程度是决定观赏体验的重要条件之一。当在分辨率和速度方面取得进步之后，如何提升画质就被列入了电视机厂商的议事日程，除了提升色彩之外，增强显示细节就是最简单的提升画质的方式，而提升面板的灰阶能力就是这样最简单的方式。

灰阶是指一指显示器最暗的黑到最亮的白之间的亮度层级关系。明暗对比和黑白颜色过渡方面的表现，图像越清晰，过渡越自然则越好。在液晶面板上，每一个像素都是由红、绿、蓝（RGB）三个子像素组成，每个子像素，其光源都可以显现出不同的亮度级别，在这里，灰阶代表了由最暗到最亮之间不同亮度的层次级别，灰阶层级越多，画面所呈现出的效果就越细腻，视觉效果就越好。

在液晶电视机发展之处，由于技术上的限制，因此大多采用的是8bit灰阶能力的液晶面板，乍一看很多消费者认为这似乎比较落后，但其实不然。8bit实质上代表着2的8次方的灰阶表现能力，即拥有256级灰阶，表现的是24位真彩色，显示能力是1670万色，这实际上也一直是主流的显示能力。对部分消费者而言，这种色彩显示能力在较小的屏幕上观赏没什么大问题，但当屏幕尺寸成倍的提升之后，色彩显示能力必须得到提升的需求也就越来越迫切。在此压力驱动下，电视机厂商推出了使用10bit灰阶面板的电视机产品，简单来说，这种面板拥有1024级灰阶，显示色彩达到了10.7亿色，这是相当惊人的能力提升，因为即使是蓝光规格，也仅仅采用了1670万色，色彩显示能力的提升，意味着画质几乎成指数的提升。

随着4K分辨率的普及，显示标准也在不断的提升。在全新的4K蓝光规范中，更是将色彩显示能力一下提高到了超过2.56亿色，虽然这种规范使用10bit灰阶面板可以得到满足，但为了在8K分辨率普及前拥有足够的技术储备，电视机厂商也适时推出了12bit灰阶面板的电视机产品。这种面板拥有4096级灰阶，显示色彩达到了687亿色，在现阶段几乎堪称电视机产品中的“怪兽”。也正是由于其拥有强悍的灰阶和色彩显示能力，因此其画面显示更加细腻，色彩明暗过渡更加自然，观赏体验更好。

在这里需要特别指出的是，电视机面板的灰阶能力十分容易与色位深度混淆，因为两者都是采用2的幂数来表示，但两者是完全不同的两种能力。色深是指单个像素（点）自身的细化程度，最终的表现是显示的色彩数，而非灰阶层级。

向视觉感受挑战的进化：面板色域的进化

在讲解这一部分前，首先需要说明什么是色域。色域是对一种颜色进行编码的方法，也指一个技术系统能够产生的颜色的总和，简单来说就是设备所能表达的颜色数量所构成的范围区域，这个范围越大，能显示的色彩种类就越多，就越能还原现实世界中的人眼所能看到景象。而在电视机领域，用到更多的实际上是NTSC色域标准，这是美国国家电视标准委员会开发的一套美国标准电视广播传输和接收协议，从诞生以来除增加色彩信号参数外并没有太大的变化，NTSC色域标准就是在NTSC标准下的颜色的总和，大致相当于24bit色彩位深，表现约1670万种不同的颜色。

当电视机厂商试图提升画质时，首先提升的就是面板的色域能力，因为这在技术手段上更加简单，且拥有足够的技术储备。在早期，电视机面板的色域能力通常只能达到NTSC色域的70%范围，当然这与电视信号和传输标准有关，但随着数字电视标准的发展和影像技术的进步，过去的那套技术标准显然已经跟不上时代的脚步了。早在2005年，日本就已经提出了xvYCC色域标准，这也是电视机面板向更宽广色域进军的初始信号，虽然在早期只要色域范围超过80%NTSC标准就可以被称为广色域，但这个标准的起点确实过低，于是超广色域的概念又被提出，其拥有100%色彩还原显示，色域达到了NTSC的114%，色彩表现更加饱和逼真。当前大多数电视机产品的面板实质上就是这种类型的产品。

由于面板和背光技术的进步，超广色域面板的普及进程也开始加快，在超广色域面板进入市场之初，由于生产成本的原因，产品推广的速度极慢。但随着性价比更高的LED背光的出现，超广色域电视机面板的普及一下就进入了快车道，采用这种技术的面板色域能达到118%，具有亮度高、色域广、反应快、可独立开关等诸多优势。更重要的是，其呈现出的色彩更丰富、更鲜艳，能大幅度提升用户的视觉感受。正是由于这样的因素，超广色域面板的普及，是继全高清分辨率面板普及后，第二个达成普及目标的电视机技术。

补全短板的终极进化：亮度对比度的进化

在速度、色彩、细节、解析度上都分别取得进步后，电视机厂商惊讶的发现，作为电视机最基础参数的亮度却一直没有变化。由于电视在视频画面展示上的局限性，如何最大限度的提升电视画质显示效果，让用户尽可能的感知真实世界，一直是电视厂商孜孜不倦的研究课题。如同当年的“3D”、 “4K ”所掀起的跟风热潮一样，HDR标准从2016年起便在各大电视厂商便开始摇旗呐喊中纷纷登场，一时间 HDR电视俨然成为了新年标配。但由于并未有统一标准，对于行业内推出的多个“形态”的HDR电视，可谓是众说纷纭、褒贬不一，这令消费者在进行电视选购前对HDR的认知与甄别显得极为重要。

前面谈到在HDR技术应用到电视之前，电视领域执行的SDR标准是一个推出近20年的标准，屏幕执行亮度为300nits，而这里谈到的HDR技术则达到了1000nits。与影像领域不同，在电视上实现HDR需要一个复杂的生态系统，由于液晶电视的非自发光特性，若想让亮度显示范围达到以往SDR不能企及的水准，不仅需要软件的兼容，更要硬件的支持与优化。由于电视在视频画面展示上的局限性，如何最大限度的提升电视画质显示效果，让用户尽可能的感知真实世界，一直是电视厂商孜孜不倦的研究课题。在HDR技术推出以前，广色域技术被认为是可以最大限度的还原现实世界色彩的一大法宝，事实上，不少电视厂商也将此技术运用在其高端4K电视上。然而色域的扩大并不能完全改善显示色彩的丰富度，亮度的动态范围扩展才能让画质显示的色彩空间更加丰富。HDR电视的出现，可以改善现有显示设备亮度范围的还原限制，带来更丰富的色彩、更多明暗细节和更高明暗对比。此外，亮度的动态范围得到提高以后，除了能带来更高的亮度以及对比度以外同时也会影响到另外一个元素—色彩。比如我们用平均测光来拍摄焰火，在焰火最终盛开那一刹那，最亮的位置全部是白的，水中的焰火倒影却是有颜色，但与我们眼睛看到色彩却有所不同。道理很简单，水中倒影因为它的亮度降低了，所以正好符合在SDR这个色彩空间的值里面，但是超过SDR色彩空间值的那个亮度值的色彩，它无法被再现出来，它只能以白色或者过曝的一种方式来进行还原。

所以说当有了HDR的内容以及HDR的显示设备以后，我们就可以看到更加丰富的色彩，即便是像焰火这种高亮度的内容，我们拍摄下来以后，在HDR设备上观看的时候也可以感受到和现场所看到的颜色一样的观感，这是HDR带来的非常重要的一个优势或者说HDR带来的一个非常重要的特征，它影响到色彩的表现。如果说我们用拍摄设备去把它拍摄下来再在我们的显示设备上进行还原的时候，一般来说是很难再现真实世界的亮度范围，拍摄，编辑到最后的再现，这是一个环的过程。在这个过程中，可能因为各种各样的原因，比如说格式的原因，压缩的原因，传输的原因，最终显示设备支持的原因，而导致最终我们看到的效果和真实世界的一个亮度会有差异。比如说一些高光的细节丢失，整个暗部内容全部丢失，甚至于暗部的细节丢失，这些情况就能让我们在电视或者显示设备上看到的画面和真实世界有所区别。通过对于亮度范围的一个提升，我们能带来相对来说更接近真实世界的一个观感。

人眼的视觉有一个典型值，当然这个典型值会根据人眼瞳孔的放大缩小在白天黑夜也会有一个变化，但是整体来说，它会有一个中间的典型区别。一般来说，我们只要记录下来动态范围或者说还原出来亮度动态范围，能符合人眼这个典型值，就能让人眼在显示设备中感受到接近真实世界的感知了。

写在最后

目前来说，很多高端的摄像机早已经支持HDR拍摄技术，如索尼的F55，F65，这样高端的摄影器材，说是高端，其实现在在电影圈子里面已经非常普及了，比如2015年热播的《芈月传》包括最新一集的007，都是采用HDR模式记录的。现在瓶颈主要在于传输和显示，传输包括我们把这个内容记录成一种什么样的格式传出去，就目前情况来看，蓝光碟片和网络将是我们第一时间收看HDR片源的最佳途径，而广电端涉及到设备的更新换代，则还需要一段不短的时间。