高动态范围影像显示技术研究

朱宏宣

(北京电影学院中国电影高新技术研究院，北京 100088)

1高动态范围影像简介

高动态范围影像(High Dynamic Range video，HDRv)是近年来逐渐兴起的一种影像类型，它通过采用更多的位深、更先进的传递函数(Transfer Functions)来提升影像记录景物亮度范围的能力。

借助高动态范围影像显示设备，高动态范围影像可以展现出比标准动态范围影像更高的对比度、更丰富的层次，其亮度上的表现更接近人眼的感知范围，配合其他的影像技术，可以使人们获得更加逼真的视觉体验。

高动态范围影像与更早出现的高动态范围图像(High Dynamic Range Image,HDRI)不同。从获取的角度来说，高动态范围图像最常见的获取方法是通过一组曝光量不同的标准动态范围图像经融合而成，而高动态范围影像则主要通过具有高动态范围影像获取能力的数字摄影机直接拍摄得到。从显示的角度来说，高动态范围图像一般是在普通显示设备上显示，需要经过色调映射(Tone Mapping)将其转换成为标准动态范围图像，以适应普通显示设备较低的动态范围。尽管经过色调映射后的图像仍具有丰富的影调层次，但采用压缩动态范围产生的影调层次关系却并不同于原始的场景，也不符合人们的视觉习惯。相比之下，高动态范围影像则是在高动态范围影像显示设备上显示,通过将其转换成为符合某种高动态范围电光传递函数(EOTF)的影像，再经过色调映射，即可在不同亮度范围的高动态范围影像显示设备上显示，呈现出高对比度、层次丰富的影像。

可以说，高动态范围影像的最终显示是高动态范围影像得以展现的关键。为了让影像记录的动态范围充分发挥出来，人们设计开发了不同类型的高动态范围影像显示技术以满足不同使用环境中的放映显示需求。

2影像显示技术基本原理

显示技术根据影像产生的原理不同大体可分为两类：一类是通过发光单元自发光产生影像，即影像是由发光单元直接发出的不同亮度色度的光构成，如CRT、PDP、LED、OLED等，这类显示技术被称为自发光显示技术或主动发光显示技术；另一类是通过光源调制发光产生影像，即影像是由光调制单元对光源发出的光调制而产生的不同亮度和色度的光构成，如LCD、DLP、LCoS等，这类显示技术被称为调制发光显示技术或非主动发光显示技术。

从动态范围的角度来说，自发光显示技术一般可以产生较低的最小有效黑电平，随着发光材料技术的进步，峰值亮度也在逐渐提高，采用不同自发光显示技术的显示设备能达到的动态范围跨度可以从2～3个数量级到5～6个数量级。调制发光显示技术所能产生的亮度范围由被调制的光源亮度决定，光源亮度低，黑电平与峰值亮度也相对较低，光源亮度高，黑电平与峰值亮度也相对较高，因此采用这类显示技术的显示设备，其动态范围一般只有2～3个数量级。

3高动态范围影像显示技术分析

人眼对于亮度刺激的反应与适应过程是极为复杂的，尽管人眼的感光细胞能够接收的亮度范围可以达到10～ 10cd/m，但综合了视网膜灵敏度变化、瞳孔变化、光敏色素消耗等因素，人眼的近瞬时(Near-instantaneous)灵敏度仅为5～6个数量级，这个数量级就是高动态范围影像所要达到的基本要求。根据目前不同组织制定的高动态范围影像标准(表1)，高动态范围影像显示的亮度范围基本都在5个数量级以上。

表1 不同高动态范围影像的标准

LED、OLED等自发光显示技术在产生较低的最小有效黑电平同时还能产生较高的峰值亮度，动态范围可以达到5～6个数量级，满足高动态范围影像显示所需，而CRT、PDP等自发光显示技术动态范围仅为2～3个数量级，受显示特性的限制难以将动态范围提升至高动态范围影像显示所需。调制发光显示技术受显示原理的限制，仅采用均匀光源和单调制的显示方式无法产生足够大的动态范围，尽管采用更高亮度的光源可以提升峰值亮度，但黑电平也随之提升。因此，基于调制发光的高动态范围显示技术最常用的方法是：采用高亮度的光源来提升峰值亮度同时采用双调制技术来降低黑电平，以此提升其动态范围。

到目前为止，基于上述两类显示技术设计的高动态范围影像显示技术已经广泛应用于显示领域，这些显示技术包括：基于自发光显示技术的发光二极管显示技术、有机发光二极管显示技术，基于调制发光显示技术的全阵列局部调光显示技术、复合双层液晶显示技术以及高动态范围投影分区光照技术，接下来我们就这几种显示技术进行分析介绍。

4几种高动态范围影像显示技术原理

4.1发光二极管显示技术

发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)显示技术是一种广泛使用的自发光显示技术，它通过LED发光单元组成的矩阵来显示影像，每一个发光单元对应显示一个像素。LED的自发光特性可以通过完全不发光而产生绝对的黑以及极低的最小有效黑电平，也可以产生极高的峰值亮度。

在数字电影领域，采用发光二极管显示技术的高动态范围影像显示设备主要用于直射式电影屏幕，目前符合DCI认证的直射式电影屏幕包括：三星Onyx Cinema LED、索尼Crystal LED以及LG D-Cinema Direct View Display。以三星Onyx Cinema LED 的4K电影屏幕为例，它采用8,847,360颗LED灯珠以2.5mm或3.33mm间距组成分辨率为4096×2160的LED显示屏幕。其峰值亮度可达500cd/m，最小有效黑电平低至0.00173cd/m，动态范围超过105∶1。

图1 三星Onyx Cinema LED直射式电影屏幕示意

4.2有机发光二极管显示技术

有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示技术是近些年逐渐开始广泛使用的自发光显示技术，它的原理是在两电极之间夹上有机发光层，当正负极电子在此有机材料中相遇时就会发出光线。与LED一样，OLED的自发光特性可以通过完全不发光而产生绝对的黑以及极低的最小有效黑电平，在保证其具有较长的使用寿命情况下，峰值亮度可以达到或超过1000cd/m。

有机发光二极管显示技术在显示领域的应用逐年增加，应用范围包括视频监视器、显示器、电视机、手机、电子手表、数字仪表盘等。在数字电影领域，采用有机发光二极管显示技术的高动态范围影像显示设备多用于主控监视器，目前已经问世的4K分辨率的监视器产品型号有：索尼BVM-X300/PVM-X550、尊正XM551U/XM651U等。以索尼BVM-X300为例，它是世界首个采用OLED显示技术的高动态范围视频监视器，屏幕尺寸为30″，分辨率为4096×2160。其峰值亮度可达1000cd/m，最小有效黑电平低至0.00097cd/m，动态范围超过106∶1。

4.3全阵列局部调光显示技术

全阵列局部调光(Full Array Local Dimming，FALD)显示技术，简称局部调光、区域背光或动态背光，是基于LCD显示的高动态范围影像显示技术，它采用全阵列LED作为背光光源，LCD作为显示单元，通过对全阵列LED背光进行分区亮度调节和对LCD显示进行控制来实现双调制，既可以产生较高的峰值亮度，也可以产生较低的黑电平。

在传统LCD显示技术中，背光一般采用的是亮度较低的均匀光源，如：冷光荧光管(Cold Cathode Fluorescent Lamps)背光、边缘LED(Edge LED)背光或直射LED(Direct LED)背光，相比之下，全阵列LED(Full Array LED)背光则采用高密度的LED阵列作为背光。全阵列LED除了可以产生高亮度的背光，同时还可以根据影像的内容来调节不同区域(Zone)LED阵列的亮度(Local Dimming)，实现局部背光的亮度控制，与LCD配合显示能够有效提升显示设备的动态范围。

图2 不同类型的背光示意图

图3 全阵列局部调光技术显示原理示意图

全阵列局部调光显示技术是较为复杂的高动态范围影像显示技术，它需要将影像信号分为两部分：一部分用于驱动背光LED，另外一部分用于驱动LCD。全阵列局部调光显示技术主要用于显示器、电视机。在数字电影领域，采用全阵列局部调光显示技术的高动态范围影像显示设备产品型号有：索尼FWD-85Z9G/T、尊正XM310K/DM240、Atomos Shogun 7/NEON系列、佳能DP-V2420等。以尊正XM310K为例，它的屏幕尺寸为31″，分辨率为4096×2160。LED背光矩阵划分为2048个区域，亮度分级可达4096级。其峰值亮度可达3000cd/m，黑电平低至0.001cd/m，动态范围超过106∶1。

4.4复合双层液晶显示技术

复合双层液晶显示技术(Dual-layer LCD，Dual-cell LCD，Dual LCD)也是基于LCD显示的高动态范围影像显示技术，它采用高密度排列的直射LED作为背光光源，双层LCD作为显示单元，通过双层LCD对LED高亮度背光进行调制，来产生较高的峰值亮度与较低的黑电平。

图4 复合双层液晶结构示意图

图5 复合双层液晶技术显示原理示意

复合双层液晶中的内层液晶一般为分辨率较低的黑白LCD，外层液晶为分辨率较高的彩色LCD，双层LCD分别对亮度进行调制。相比传统单层LCD显示技术，双层LCD动态范围的数量级大约是单层LCD的二倍。另外，复合双层液晶技术可以通过对背光光源的进一步调制来提升其动态范围。

复合双层液晶显示技术是可以与OLED媲美的高动态范围影像显示技术，它同样需要将影像信号分为两部分，分别驱动两层LCD。近些年，此技术广泛用于视频监视器、显示器、电视机。在数字电影领域，采用复合双层液晶显示技术的高动态范围影像显示设备产品型号有：松下Magacon、索尼BVM-HX310、尊正XM311K、苹果 Pro Display XDR、艺卓CG3145/CG3146等。以索尼BVM-X310为例，它的屏幕尺寸为31″，分辨率为4096×2160。其峰值亮度可达1000cd/m，黑电平低至0.008 cd/m，动态范围超过105∶1。

4.5高动态范围投影分区光照技术

高动态范围投影分区光照技术(Zonal Illumination For High Dynamic Range Projection)是应用于投射放映的高动态范围影像显示技术，采用两级DLP芯片对光源发出的光进行双调制来实现高动态范围影像的显示，技术原理类似于复合双层液晶显示技术。

图6 高动态范围投影分区光照技术原理图解

高动态范围投影分区光照技术将传统DLP数字放映机光路中的单级DLP芯片升级为两级，采用两级DLP芯片对光源发出的光进行调制(如图6中所标注的15和13)，一级DLP芯片调制产生的动态范围大约为3个数量级，两级DLP芯片调制产生的动态范围大约为6个数量级。配合激光光源使用，高动态范围投影分区光照技术在获得较高的峰值亮度的同时，还能够获得足够大的动态范围。

图7 科视Eclipse E3LH激光放映机

高动态范围投影分区光照技术是科视公司的专利，仅用于科视公司生产的电影放映机。科视最新推出的Eclipse E3LH激光放映机，采用6DLP技术，动态范围可达20,000,000∶1。

5影像显示技术展望

不同显示技术具有不同的优势，同时也存在各自的问题。例如：OLED容易出现残影(Image retention)以及老化(Burn in)现象；FALD背光区域划分不够精细，在显示高反差画面时容易出现光晕(Blooming)，造成清晰度下降；Dual-layer LCD由于结构特性容易产生视差效应(Parallax Effect)而导致视觉失调(Parallax error)，影响图像质量等。不过，这些问题都在随着技术的改进而不断改善。

与此同时，新的技术也正在悄然兴起并开始普及，如：微型发光二极管显示技术。微型发光二极管(Micro LED)是指发光单元尺寸在 100μm以下的LED。Micro LED技术属于自发光显示技术，具有高亮度、高对比度、高饱和度、低延时以及低能耗等特点，是高动态范围影像显示技术的又一选择。近两年，三星、LG、TCL都相继展示了基于Micro LED技术的显示设备，其中TCL展示的“电影墙”(Cinema Wall)峰值亮度可达1500cd/m，动态范围可达2,500,000∶1。目前，Micro LED电视机已经在市场发售，相信不久将会进入专业领域。

此外量子点(Quantum dots)技术也逐步进入显示领域，与OLED中使用的有机发光材料相比，量子点基材料具有更纯净的颜色、更长的使用寿命、更低的制造成本和更低的功耗，因此将有可能成为下一代显示技术研究的核心。

6总结

从黑白到彩色再到宽色域，从标清到高清再到超高清，从标准动态范围再到高动态范围，显示技术发展的目标就是为了让人们从显示设备上获得的视觉感受尽可能接近人眼直接观看自然界中相同场景时的感受。

注释

①最小有效黑电平(Minimum Active Black Level)是指显示设备所能产生的非零的最低亮度。