8K 电视信号的HDR 和色域扩展技术

钱 岳

（中央广播电视总台，北京 100000）

0 引言

高动态范围（High Dynamic Range，HDR）和色域扩展技术被视为提升8K 电视观看体验的关键技术。HDR 技术支持电视在明亮和黑暗部分之间呈现更多细节，提供更生动的图像。色域扩展技术则增加了可显示的颜色范围，使得图像更加真实。研究如何在8K 电视信号中有效实现HDR 和色域扩展技术至关重要。

1 8K 电视技术概述

8K 电视技术，也称为超高清电视技术，是一种视觉媒体技术，主要特点是其出色的图像分辨率。与传统高清电视相比，8K 电视具有更高的分辨率，达到7 680×4 320 像素，意味着每个画面可以呈现超过3 300 万个像素。这极高的分辨率为观众带来了卓越的图像清晰度和更真实的视觉体验[1]。不同分辨率电视信号的画面尺寸对比如图1 所示。

图1 不同分辨率电视信号的画面尺寸

8K电视的发展可以追溯到几十年前的早期实验。然而，直到近年来，随着技术的不断进步，8K 电视才逐渐走向商业化应用。20 世纪90 年代，日本放送协会开始了对8K 电视技术的深入研究，并在2002年首次演示了8K 电视的原型。此后，8K 电视技术经历了多次标准化的努力，以确保其在广泛应用中的互操作性和可行性。随着技术的成熟和制造成本的下降，8K 电视在市场上的可获得性逐渐增加。

2 HDR 技术

2.1 HDR 的概念和原理

HDR 是一种视觉技术，其核心是通过扩展图像的亮度范围来提供更真实、更生动的图像。HDR 技术通过捕捉和呈现比传统标准动态范围（Standard Dynamic Range，SDR）更广泛的亮度范围来实现这一目标，原理主要是在拍摄或显示图像时，使用更高的亮度级别来记录和再现亮部和暗部的细节，使得图像可以同时展示深色细节和明亮区域的高光细节，从而增强了视觉效果[2]。

HDR 技术依赖具备更高亮度输出能力的显示设备，以及能够捕捉和编码广泛亮度范围的相机传感器。通过合适的硬件和软件支持，HDR 图像能够保持更多的细节，并呈现更多的色彩深度，使观众能够感受到更加逼真和生动的视觉体验。

2.2 8K 电视中的HDR 实现方式

在8K 电视中实现HDR 涉及多个关键步骤和技术，这些技术共同提高了图像的亮度范围和色彩深度，从而改善了视觉体验。在8K 电视中实现HDR的一般步骤如图2 所示。

图2 8K 电视中HDR 的实现方式

2.2.1 明暗信息捕获

HDR 技术首先需要捕获场景中的明亮和暗部分的信息，可以通过使用高动态范围摄像机或传感器来实现。对于明亮部分信息，通常通过增加曝光时间来捕获；对于暗部分信息，则需要使用多次曝光或不同曝光设置来捕获[3]。

2.2.2 明暗信息合成

捕获的明暗信息需要合成为一幅HDR 图像。这涉及将不同曝光下的图像进行融合，以获取细节丰富的图像。HDR 图像可以通过将明亮图像与暗部图像合成而得到，合成的过程可以表示为

式中：IHDR代表最终的HDR 图像；Ibright代表明亮部分的图像；Idark代表暗部分的图像；函数f涉及图像融合算法，如加权平均或色调映射。

2.2.3 色彩信息增强

HDR 并不仅仅关注亮度范围，还包括色彩信息的增强。色域扩展后的颜色可以通过将原始颜色与色域映射进行组合而获得，组合过程可以表示为

式中：Cexpanded代表经过色域扩展处理后的颜色，Coriginal代表原始颜色，Mmapjing代表映射函数。这个映射过程涉及将颜色从一个色域映射到另一个色域的数学操作，以扩展可见颜色的范围。

2.2.4 显示适应及色彩校正

HDR 图像需要适应具有更广亮度范围的8K 电视屏幕，因此需要调整图像的亮度和对比度，以确保它在8K 显示器上显示时保持最佳可见性。此外，色域扩展后的图像可能需要进行颜色校正，以匹配特定8K 电视的色域和色彩标准。

通过这些步骤和相关技术，8K 电视可以实现HDR，从而呈现更广泛的亮度和更丰富的颜色，为观众提供卓越的视觉体验。

3 色域扩展技术

3.1 色域的定义和重要性

色域是指可见颜色的范围，包括了人们可以在图像中看到的所有不同颜色。色域的大小直接影响图像的色彩丰富度和真实性。色域扩展技术旨在增加色域的范围，使图像能够呈现更多的颜色和更丰富的色彩，对于提升图像的视觉效果和质量至关重要，特别是在高分辨率的8K 电视上，观众期望能够欣赏到更生动、更逼真的图像[4]。常见的色域有Rec.709 和Rec.2020 两种，对比如图3 所示。

3.2 8K 电视中的色域扩展方法

在8K 电视中实现色域扩展涉及一系列关键技术，这些技术共同提高了图像的色彩表现力。在8K电视中实现色域扩展的一般步骤如图4 所示。

图4 8K 电视中的色域扩展方法步骤

首先，色彩信息捕获。为了扩展色域，首先需要捕获原始图像的色彩信息，可以通过使用高色彩深度的摄像机或传感器来实现。捕获的原始颜色信息通常以RGB 格式表示。

其次，色彩空间转换。捕获的RGB 颜色信息可能位于标准的色彩空间，如sRGB。要进行色域扩展，需要将其转换到更广泛的色彩空间，如Rec.2020。要进行从sRGB 到Rec.2020 色彩空间的色彩空间转换，可以使用一个3×3 的转换矩阵，将sRGB 颜色的红、绿、蓝分量表示为列向量，然后通过矩阵乘法运算将其映射到Rec.2020 色彩空间的对应分量，以实现色域扩展和广色域显示。需确保转换矩阵的准确性和颜色空间参数的一致性，以避免颜色失真。

再次，色彩映射和扩展。在更广色域中，某些颜色可能超出了原始图像的范围。因此，需要进行色彩映射和扩展，以确保颜色的平滑过渡和最佳可视性。此步骤可以通过调整颜色的亮度、对比度和饱和度来实现。

最后，扩展后的颜色信息需要适应8K 电视的色彩标准和显示能力，可能需要再次进行色彩空间转换或色彩校正，以匹配特定8K 电视的要求。

4 HDR 和色域扩展在8K 电视中的应用

4.1 HDR 技术在8K 电视中的应用

HDR 技术在8K 电视中的应用可以显著提高图像质量。8K 电视本身具有更高的分辨率，但如果不同步使用HDR技术，图像可能仍然缺乏视觉吸引力。HDR 技术通过扩展亮度范围和增强颜色的细节，使得8K 图像变得更加生动和逼真。不同的HDR 标准，如HDR10、Dolby Vision 和HLG 等，为8K 电视提供了多样的HDR 选择，以满足不同观众需求[5]。

4.2 色域扩展技术在8K 电视中的应用

8K 电视的色域扩展技术可以提供更广泛的颜色表现力。这意味着观众可以看到更多种类的颜色和更饱满的色彩。在8K 电视中，色域扩展对于呈现细微的颜色差异和更真实的色彩非常重要。通过使用现代的色域扩展技术，8K 电视可以提供更具视觉冲击力的图像。

4.3 案例分析

本案例对图5 进行处理，该图在细节表现上较为平坦。特别是在图片的暗部和亮部，细节丢失相对明显。这样的效果通常会让图片显得缺乏深度和动态范围，从而减弱其视觉吸引力。色彩方面，原始图片的色调和饱和度相对保守，没有特别突出的色彩元素。这可能会让图片显得相对单调，缺乏视觉冲击力。

图5 原始图像

采用HDR 技术对原始图像进行处理。使用HDR 技术对图片进行处理后，其视觉效果有了显著的提升，如图6 所示。最初的图片在亮度和对比度方面相对平坦，缺乏细节。经过HDR 处理，暗部和亮部的细节得到了明显的强化。特别是在图片的阴影区域，HDR 处理使得原本不易察觉的细节变得清晰可见。在高光部分，过曝的区域得到了有效的压制，使得原本因为曝光过度而丢失的信息得以恢复。

图6 经HDR 技术处理的图像

在此基础上，采用色域扩展技术对图像进行处理。如图7 所示，色域扩展技术进一步增强了图片的视觉效果，尤其是在色彩的鲜艳度和饱和度方面。在原始图片中，某些色彩可能显得相对暗淡或不够鲜明。经过色域扩展，这些色彩得到了显著提升，整个图片看起来更加生动和多彩。

综上所述，通过HDR 和色域扩展的综合应用，原始图片在质量和视觉效果上都达到了一个新的水平。HDR 处理带来了更广泛的亮度范围和更丰富的细节，色域扩展则让图片的色彩更加鲜明和饱和。这两种技术结合使用，使得图片在多个方面都得到了全面的提升。

5 结语

本文主要关注8K 电视技术中HDR 和色域扩展技术的应用。通过详细研究，文章深入探讨了这两种技术技术如何提升8K 电视的图像质量和视觉体验。HDR 技术通过提供更高的亮度范围和更多的色彩细节，使8K 图像更加生动和真实。色域扩展技术增强了色彩表现力，使图像更具吸引力。这些技术的结合为8K 电视带来了前所未有的视觉效果，丰富了观众的娱乐体验。