电视HDR显示技术研究

江润

【摘要】在当今电子科技技术发展较为兴盛的时代，4K超高清电视的画面质量已经进行再次的升级，HDR技术已经被广泛的应用于电视显示领域，笔者就HDR技术在电视领域中的应用进行了相关的讨论和阐述，并将其基本的概念原理进行了分析，将其在發展的过程中，能够进行应用的解决方案进行了列举，并结合相关的具体应用实例，将HDR在人们生活中产生的影响进行了阐述，希望能够在未来的科技探索中，为相关的工作人员提供实际的数据参考。

【关键词】高动态范围;标准动态范围;转换函数;感知量化编码

当今的电视广播技术在科技技术发展的浪潮下，已经进行了无数次的更新换代。超高清的电视已经进入人们的生活中，其不仅在像素方面进行了提高，更具有了高级的显示优势，例如宽色域、HDR以及高帧率等等，这使超高清电视与高清电视的技术优势彰显出来，为观众带来了更加优质的观看效果。在这种技术更新的过程中，HDR技术对于画质的提升效果是最佳的，其在提升像素数量的基础上，能够将像素的质量进行进一步的提升，使观看者能够进行沉浸式观看的试听享受。

一、HDR的基本概念

在进行室内外整体的图片拍摄时，我们往往能够遇到一些情况，例如在照片中，室内的光线较暗，或者是室外的光线过于强烈，这使得室内外的景象无法在同时进行优质的呈现，这是由于传统的SDR无法使景物中的高光部分和暗部进行同时的呈现。当今的数码相机经过技术发展之后，能够达到多帧合成的技术。可以通过多张照片的拍摄，控制其不同的曝光的位置，在通过计算手段，将画面进行技术合成，来呈现出高光部分和暗部中的细节展示。但是在进行多张图片进行拍摄的时候，延时问题能够导致景物错位，从而产生画面比较模糊的现象，同时在进行画面合成的时候，因为画面的对比度不是非常的自然，会在视觉上造成假象，使图片的真实感减弱。

因此进行简单的画面叠加并不能使显示技术成为合格的HDR技术，能够达到真正的HDR技术，就必须在画面中体现出超高清的细节，并使画面的观看效果达到实物的效果。

HDR又被称为高动态范围，是指在正常的图片拍摄中，图像的亮度最大值与最小值的比值。在自然的场景中，亮度的最大范围是在10-6-109尼特之间，动态范围控制在1015：1的比值内。这其中，尼特是表示亮度的基本单位，1（nit）=1cd/m2。在正常的人眼识别中，亮度范围保持在3×10-5-2×104尼特，但是人眼的识别是有一定的限制的，人眼无法同时进行最低、最高亮度的识别，可以理解为在人眼瞳孔不进行调节的时候，在相同的场景中，能够是识别的最高、最低亮度的比值是存在在105：1的范围内，超出范围的亮度和暗度人眼就已经无法识别。

传统电视的显示动态范围比值比较小，通常是在0.1-100尼特之间，被称为标准动态范围，即SDR，我们生活中能够接触到的视频类型例如DVD/SD/HD等只能够达到6-10档的动态范围，而经过研究表明，人眼的动态范围能够达到16.7档，这就导致了SDR电视显示技术达不到人类观看的视觉体验，因此就需要继续将HDR的显示技术进行更新。HDR能够将画面中的高光部分以及暗部的所有细节进行相应的显示，能够达到人眼不调节情况下的光感范围，这不仅仅能够实现电视现实系统中HDR的应用，更要求在视频的制作、传输以及制作都需要进行HDR技术的应用。

二、HDR的基本技术原理

（一）伽马校正

在传统的电视机亮度显示以及电压输出的关系中，其并不能构成线性关系，而是以指数曲线进行存在。在不同的CRT显示器中，也存在不同的伽马值。在基本的伽马值定义中，其数值为2.4，电视显示器的伽马值被称为显示伽马。在非线性的补偿措施中，需要在拍摄的过程中进行预校正，使得在播出的时候，显示设备能够将图像进行准确的还原。这就是伽马校正。在比较完整的视频图像系统中，显示伽马值与编码伽马值是同时存在的，其二者相乘的结果就是图像系统的系统伽马。从基本上来讲，想要将原始的场景进行准确的重现，就要保证系统伽马值为1，但是在实际的观看过程中，实景的拍摄环境与观看时的光线环境是不同的，这就会导致画面发灰的现象。因此在我们通常能够接触的电影环境中，系统伽马将被控制在1.5，明亮的室内观看时，系统伽马为1.125，较暗的观看环境中，其数值保持在1.2。

（二）EOTF与OETF

在数字信息化发展快速的时代，CRT非线性问题已经被基本的解决，但是在伽马转换的关系上面依旧保持着，这是为了能够使传统的现实设备达到兼容效果，同时也是利用了人眼在感知亮度时的非线性特征，在电平分配方面，将高亮区域的分配减少，将暗部的分配进行相应的增加。

这种将光电进行主动的加入，并将其电光转化的曲线被称为光电转换函数，即OETF，以及电光转换函数，即EOTF。其分别对应着编码伽马值以及显示伽马值。OETF和EOTF在进行相互配合作用的同时，也能够产生非线性关系，这种关系被称为呈现意图，由光电转换函数进行定义并对应系统伽马。

传统的SDR电视只能处理小于100尼特的亮度，并将高出100尼特的信号同样按照100尼特进行处理，这就导致了原始场景中的高亮部分细节，无法被真实的进行还原。因此为了能够将高于100尼特的亮度信号进行处理，将动态范围呈现的更大，在进行高量化比特数提高的同时，还应该将人眼视觉的特性进行有效的利用，对OETF和EOTF的曲线进行优化。

（三）韦伯定律与量化比特数

针对显示中的动态范围，在进行量化级数的时候，是需要韦伯定律来进行控制的，其动态范围和量化技术之间的关系如下：

在这个关系中，L代表的是在归一化之后的相对亮度，其控制范围是在0-1之间。V代表的是显示器在归一化之后的输入电平值。N代表量化级数，γ为伽马值，在传统的SDR电视技术中，伽马值基本为2.4.

在进行多次的测试之后，为了将轮廓效应进行减弱或者避免，应该将量化级数控制在5%以下，并基于此，进行量化级数与相对亮度之间的关系计算。在传统的8比特量化的SDR系统的电视中，其L数值应该为0.0258，超过其数值便会出现轮廓化，因此经过计算之后，动态范围的数值应该控制在5.27档;在10比特量化的显示系统中，动态范围数值应为10档;如果进行12比特量化，那么动态数值应该控制在14.95档，这个数值是与人眼的动态范围比较接近的。

（四）HDR解决方案

在量化比特数进行确定之后，伽马曲线的采用也是应该注意的问题，在传统的SDR显示系统中，为了能够将超过100尼特的区域进行细节显示，会利用多台摄像机，在相同的某一个电平位置进行拐点的设置，并根据拐点为基点，对高亮区域进行相应的压缩。将动态范围进行相应的扩大，但是在进行高亮区域的范围扩大时，能够使用的电平资源将在15%左右，因此无法将高亮区域中的灰度层次进行显示，这时，就需要将OETF和EOTF进行相应的优化。

在进行曲线优化的过程中，能够应用的技术有基本的两种，其一是感知量化编码，即PQ，另一种是混合对数伽马，即HLG，这两种技术在多年的发展过程中，已经被定义为HDR技术发展的核心，并将其作为基本的标准，这两中技术能够将HDR的高亮度电平资源大幅度的提升，使其能够包含更多的层次信息。

三、HDR的制作流程

（一）HDR的拍摄方面

在进行视频的拍摄时，视频的记录格式是由节目需要的质量，以及摄像机的实际性能进行决定的。当节目所需的画质要求较高的时候，可以将线性伽马、BT.2020色域以及2-16比特的RAW作为基本的编码格式;当节目的类型为常规的节目时，在进行拍摄的过程中，可以直接使用支持HLG记录的摄像机，当摄像机不能够支持HLG的时候，可以选择对数伽马格式，即Log模式，在拍摄完毕进行视频输出的时候，再将其转化为HLG模式进行播出。当今已经有较多的设备厂家拥有较为先进的LOG录制模式。对于HDR视频直播、录制都有其相应的技术模式。同时在进行实际的操作中，HDR拍摄的过程中应该将设备的曝光值调整至正常模式下的1-1.5档光圈，以保证画面中的灰、暗部细节的曝光能够达成一致。

（二）HDR的后期制作方面

在进行视频的后期制作方面，对于高画质要求的节目，可以了用RAW格式的文件进行制作，将RAW文件进行转化，使其成为低码率的代理文件，在进行输出成品的工程文件，再进行套片合成，最终形成HLG视频作品。RAW能够将视频的原始数据图像进行记录，同时在色彩方面，可以选择ACES技术进行调色;在节目需求处于常规质量时，可以直接使用HLG以及Log的压缩格式进行制作，Log在使用方面作为中间片，在后期要进行调色，所以在制作的效率上不够明显，相较于HLG来说，其制作方法比较便捷，可以直接将视频导入制作软件进行制作剪辑，便可以进行HDR视频的生成;在制作结束后，还应该将其进行合成输出，并分别进行4K文件以及高清文件的输出，并保证画面能够有较好的细节呈现以及能够将色彩进行还原。

（三）HDR的验收监看

在视频进行整体的制作完工之后，需要将其进行最重要的监视器验收环节，这不仅能够控制视频的质量，还能够从基本上满足人们的视觉需求，在视频监设备选择上，应该使用标准的HDR、SDR监视器，并同时进行HDR、SDE双重的效果查看，并能够保证监视器在亮度层次上面能够进行正常的显示。HDR监视器在亮度的要求上需要达到600尼特，并在此基础上进行进一步的升高，使动态范围保持在10000：1的范围内，并支持HDR以及色域BT.2020。

（四）HDR播出传输及显示

在HLG制作的节目在进行传输播出的时候，应该及时的在播出编码中进行HLG识别符的插入，当HDR电视机在进行识别符接收之后，能够及时的进入HLG的模式，并且在不同的HDR电视机上，可以通过可变伽马，进行100尼特以下的平均亮度调整，来使不同的电视机保证拥有相同的平均亮度。

电视机顶盒在通过接口进行显示信息获取，将HDR电视机能够进行正常的现实工作，同时在进行相应的适配处理，在当电视机接受到视频信号后，部分电视机能够直接进行HLG模式视频的直接播放，但当电视的模式仅支持PQ的时候，电视机顶盒能够将HLG曲线进行转换，使其成为PQ曲线;同时，电视机顶盒也可以将不同色域的视频进行相应的转化，使不同模式的视频节目都能够进行良好的输出。

四、结束语

在当今的HDR电视机中，由于先进的技术和信息化水平，在一定程度上面使电视机的实用性进行了增强，能够让高清电视、超高清电视得以应用发展。在满足了观众的视觉需求之后，HDR技术还应在发展中不断的进行自我完善，将制作工艺进行符合社会发展的创新，保证能够为广大电视用户带来更好的体验，为科技领域增加新成就。

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