对于图像显示技术而言，追求贴近人眼所能见到的真实世界是必然趋势。在4K电视技术的普及、广色域的使用，以及视频播放流畅度提高到60fps，都已逐步朝人眼所见前进。而下一关卡，“亮度动态范围”是目前图像显示画质欲突破的关卡。此时，“高动态范围 （High Dynamic Range，HDR）”就应运而生，成为近年在国际消费性电子展（CES），图像显示技术最热门的讨论议题，各家音像制造厂商更以提高图像的动态范围为目标，相继投入高动态范围技术，并订定出相关标准，期望对此高规格质量把关。

本文首先简要介绍了HDR技术；然后深入介绍了目前知名的PQ－HDR——“杜比视界 （Dolby Vision）”提出的感知量化编码，以及BBC／NHK连手研发的混合对数伽玛分布（HLG－HDR），剖析如何将HDR技术运用至显示器，使得传输不失真；最后则是以宜特科技（Integrated Service Technology；iST）信号测试实验室的实际案例，介绍目前显示器主要接口HDMI如何纳入HDR，以及其对应的认证标准。

HDR技术

究竟，电视／电影和手机／相机讲的“HDR”到底有什么不一样？

HDR，多数人熟知是应用在相机的拍摄上，然而相机上所使用的HDR技术与电视视频的HDR，是完全不一样的事情。

手机／相机的HDR：多数人应该都有逆光拍照的经验，大部份逆光拍照的结果，不是阴影部分黑漆漆一片，就是明亮部分全都过饱和。因此，手机／相机的HDR，就是利用加减曝光指数所拍摄的多张图像，再通过芯片将这几张图像演算成为一张完整的相片；或是，由单张相片做区域性的加减光，演算达到高动态的成像，使各区域都呈现相对清楚的图像。

电视／电影的HDR：指的更像是一种标准／格式，由于视频属于持续的动态图像，如果要求显示器每一格都像照相机一样由3到5张组合，传输的带宽势必会增加3到5倍，这在现实的环境是达不到的。视频所讨论的HDR便定义在，如何把先进高动态广色域的摄影图像重新分布，并传输给显示器，让显示器能正确的还原先进高动态的图像——这也是作者在宜特实验室协助TFT／IPS电视及投影机等多项产品厂商进行HDR调校时发现多数厂商关切的议题。

将HDR技术运用至显示器

首先讨论杜比实验室（Dolby Laboratories Inc．）的Dolby Vision与BBC／NHK如何将HDR技术运用至显示器，使得传输不失真。

（一） Dolby Vision PQ－HDR EOTF（感知量化－HDR电光转换功能）

2014年就可以看到杜比实验室公告的Dolby Vsion白皮书，内容是杜比实验室投入HDR的成果，此后在电影电视工程师协会（The Society of Motion Picture and Television Engineers；SMPTE）收纳为SMPTE 2084规范，使HDR不仅成为动态视频录制及播放的讨论重点，SMPTE 2084所定义的版本也成为业界沿用HDR产品的第一代规范。

杜比HDR的核心技术叫做“感知量化 （Perceptual Quantizer，PQ）”的电－光转换功能（EOTF，将电信号转为可见光），这项技术将亮度标准定义在10，000Nits（普通的电视亮度仅100－200nits左右）。但是，目前还没有实际显示设备能达到这一亮度，因此目前Dolby Vision的亮度目标是4，000nits。

目前针对亮度处理的技术包括CMOS与CCD传感器，均已能感应高动态范围亮度的图像，然而，如何将HDR图像正确处理、储存并传输至显示器？Dolby通过重新安排亮度分布曲线、增加传输及处理深度（bit width）达12bit、制作环境参数（meta data）后送等方式，以避免重新分布后亮度不连续的问题，更能在图像传输至显示器时，精准还原HDR图像。（此技术收录在SMPTE 2084规范中。）

1．重新安排亮度分布曲线以及增加传输与处理深度达12bit

Dolby的主要核心技术EOTF建构在两部分上：依照Barten Ramp重新安排亮度分布曲线；以及增加传输与处理深度12bit。

根据Barten Ramp，暗部（亮度极低时）人眼视觉灵敏度较低，亮度极高时，人眼对对比的感觉较饱和，而这个曲线是建构在人眼刚刚好可以分辨的亮度改变（JND）上。由图像输出端的光－电转换功能（OETF，EOTF的反向）曲线，可以得知当暗部的分辨率低，跳阶比较粗，亮部视觉比较灵敏，所以跳阶比较密。而正确的亮度分配，正好可以把暗部多出来的阶数贡献给明亮部分，从而达到亮度重新分布的目的。

增加传输与处理深度达12bit，则可以确保此分布变化不至于使视觉观察到不连续的状况，而总体亮度也可获得更多阶数的处理单位。

图2：PQ－HDR图像输出端的OETF曲线，xy坐标皆为0～10000亮度。

不过，任何图像修正或重新分布的技术，必须同时提供还原的模式，否则在应用上会有一定的困难。图像输出前的技术即为OETF，而图像输出后制处理过的视频技术，定义为EOTF，两者都是一条“非线性的曲线”。然而，在处理亮度校正及色域转换议题时，必须先将信号还原成“线性曲线”，以减少后续处理的复杂度。

图3：PQ－HDR图像输出端的EOTF曲线，x坐标为0～1标准化亮度，y坐标为0～1，024的10位编码。

在图像分布曲线成功还原后，HDR 将“亮度”及“色域”两路分开处理，Dolby的处理方式之一是将YCbCr色域先转为IPT色域，再处理亮度及色彩饱和度。而色域映射（Gamut mapping）更提出由更复杂的3D查找表（3D LUT）来完成。

当然，使用这种HDR的技术在EOTF线性还原之后，并不一定要使用与上述一模一样的处理方式，多数的芯片都具备有其他定制化处理方式，差别在最终的画质好坏而已。

图4：PQ－HDR IPT处理方式之一。

2． 制作环境参数后送

要能使显示器正确的还原图像，录像及后制的环境因素必须传输给显示器，才能得到更精确的图像还原。制作HDR环境参数必须包含以下几项重要信息（CEA－8614．3规范及HDMI2．0a规范皆可看到详细信息定义）：

——信号源的RGBW色域范围

——显示器的最大／最小亮度值

——视频内容的最大亮度值（MAX CLL）

——一个画面中的最大亮度平均值（MAX Fall）

在实际应用案例上，例如宜特实验室收到多数送来测试的HDR视频，大多都以DCI P3色域及Mastering 4000 Cd／m2占多数，其他部分有些资料并不正确，因此显示器在处理时可能要有一些机制判断环境参数是否为合理值。

在HDR信号处理完毕之后，显示器在处理系统时，还必须设法把亮度曲线校正为较适合人眼的Gamma 2．0～2．4，以及颜色还原到显示器定义的色域范围，才能完成HDR的显示流程。

所以，正确的校正流程应该是由信号源产生HDR的亮度信号，并产生对应的环境参数，显示器收到环境参数后计算出适当的还原曲线，并校正为符合显示器规格的亮度分布。

（二） BBC／NHK的HLG－HDR对应方案

英国BBC及日本NHK电视台，也提出了对应的HDR 方案，称之为对数伽玛分布（Hybrid Log－Gamma；HLG），相对于Dolby 的PQ－HDR，HLG在应用上的方便性，是不需要Meta data 的传输，并在大部分既有的显示芯片上经过运算就可以执行，最后，再经过最终显示器亮度及色域的校正，便能达到HLG所宣称的效果（技术细节参考ITU－R BT．2100．0规范）。此版本也成为业界沿用HDR产品的第二代规范。

图5：HLG－HDR处理方块图

与PQ－HDR类似的，HLG－HDR也同样提出对应的OETF曲线，但是在HLG的作法上比较单纯也相对精确，信号源部分将亮度依照HLG OETF分布编码。而显示器部分则根据反向的OETF （OETF－1），先将信号线性化再做定制化的亮度及色彩修正，最后再根据显示屏幕的最大、最小亮度及环境亮度还原为HLG定义的亮度分布，称之为光－光转换功能（OOTF）。

OOTF部分HLG特别加入了环境的亮度，实验的结果是以对数（Log）的方式呈现，关系式如下：

r＝1＋（1／5） ＊Log（Ypeak ／ Ysrround） 

完整的EOTF则包含OOTF部分：

Yd＝αYsr＋β

α＝Lw－Lb （for Y range 0～1），β＝Lb 

Lw： 标准亮度峰值

Lb： Display luminance for black．

目前，HLG的最大亮度只在1，000Cd／m2下讨论，并不像PQ－HDR可以延伸到4000甚至10，000Cd／m2。有趣的是在ITU－R BT．2100附录中提到了PQ－HLG相互转换的方式，其实只要能够还原成线性曲线，各规范之间互转其实都做得到的。

为HDMI导入HDR及其对应认证标准

由于HDMI是显示型消费性产品的主要接口，多数显示产品会倾向先取得HDMI HDR的认证（HDMI2．0a），作为导入HDR产品的第一步。

HDMI协会在2015公告了HDR的标准后，便成为第一个导入HDR的有线传输界面，不再局限于图像串流的应用。

HDMI目前对于HDR的认证仅限于协议（Protocol）的部分，认证项目包括：

——HF1－53：Source Dynamic Range and Mastering InfoFrame–High Dynamic Range 

——HF2－54：Sink EDID–HDR Static Metadata Data Block 

——HF3－21：Repeater Repeated Output Port HDR 

——HF3－22：Repeater Repeated Output Port Source Functionality HDR 

——HF3－23：Repeater Repeated Input Port HDR 

——HF3－24：Repeater Repeated Input Port Sink Functionality HDR 

从作者在宜特信号测试实验室协助客户取得HDMI2．0a认证与HDR定制化算法调校与量测的实际经验中发现，大部分的客户显示器机种，除了“延伸显示辨识编码”（EDID，即有关厂商名称分辨率与序号等屏幕数据）的编辑可能有些小问题之外，客户通常都可以非常顺利取得认证。