HDR技术及标准发展情况

惠　慧，朱颖瑛，朱林林，何大治

(1. 上海交通大学　未来媒体网络协同创新中心，上海　200125；2.数字电视国家工程研究中心，上海　200125)

HDR技术及标准发展情况

惠慧1，2，朱颖瑛1，2，朱林林1，2，何大治1，2

(1. 上海交通大学未来媒体网络协同创新中心，上海200125；2.数字电视国家工程研究中心，上海200125)

摘要:高动态范围(HDR)技术已经成为电视领域继4K之后的又一关注焦点，2016年或将成为HDR标准化与产业化的一年。由2016年国际消费电子展HDR电视新品切入，介绍了HDR产业发展概况及技术特点，认为标准化已成为HDR发展亟需解决的问题。在此基础上，对HDR的标准化现状进行了梳理和总结，并探讨了HDR技术的发展前景。

关键词:高动态范围(HDR)；电视技术；标准化

在今年的国际消费电子展(CES2016)上，HDR成为电视领域继4K之后的又一关注焦点。各大整机厂商希望继4K之后迅速找到新的销售点，因此LG、三星、索尼三家知名电视厂商均展示了支持HDR显示的电视新品，包括LG的SIGNATURE4KOLED系列、索尼的X9300D系列以及三星的无边框量子点SUHD电视等。国内厂商TCL也推出了一款型号为X1的QUHD新品电视，采用了杜比公司最新的HDR技术，同样支持HDR显示。毫无疑问，在未来这一年中，HDR将成为电视行业的热门关键词和发展趋势，开始走入大众的视野。

1CES 2016主要HDR电视概览

今年的CES上，除了VR引起了很大的关注，在视频领域，新型HDR电视成为各大厂商重点推荐的新产品。HDR相较普通的高清、超高清电视呈现了更加明亮、更加清晰、更加真实的画面，吸引了大批参观者驻足体验。下文将介绍目前较具代表性的几款HDR电视产品。

1.1索尼：X9300D系列和X8500D系列

X9300D系列电视搭载基于“动态背光系统-精英版”的全新网阵式背光照射结构，最高亮度可达4 000nit(1nit=1cd/m2)，可呈现更细腻的色彩和更为生动的明暗对比效果。此外，在机身外形上，X9300D具备纤薄挂壁效果，挂壁后距离墙面仅36.7mm。该款电视已于2016年初首先在中国预售，其中55in(1in=2.54cm)售价14 999元，65in售价21 999元。

X8500D系列电视定位中高端，采用了4K处理芯片X1、4K迅锐图像处理引擎PRO以及特丽魅彩显示技术，从而能更好地呈现HDR画面细节。该系列同样拥有55in和65in两个尺寸，售价分别为8 999元与15 999元。

1.2LG：Signature系列、G6系列和E6系列

LG于CES2016发布了数款HDR4KOLED电视。这些电视机型采用DolbyVision技术，支持下一代广播传输标准BT.2020，搭载LG最新的WebOS3.0智能电视系统。在外观上，采用“Picture-on-Glass”设计，厚度仅为2.57mm。目前这批新款电视的定价和开售日期尚未公布。

1.3三星：量子点SUHD系列

三星2016年发布的新一代SUHD系列电视在保留曲面4K屏的基础上新增了HDR功能。其屏幕采用了10bit量子点技术，亮度可达1 000nit。该系列电视搭载Tizen操作系统，内置IoTHUB技术，拥有49～88in的5款机型，尚未公布售价和上市日期。

2HDR概况

HDR，全称HighDynamicRange，即高动态范围。通俗来说，HDR可以拓展显示的亮度范围，展现更多的亮部和暗部细节，为画面带来更丰富的色彩和更生动自然的细节表现，从而使得电视画面更接近人眼所见。如果说4K分辨率是对像素数量的一次提升，那么HDR显示技术则是对像素质量的一次升级。相较于4K分辨率，HDR技术所带来的视觉震撼更为明显。无论屏幕尺寸如何、观影距离多少，其对画质的提升效果都是显而易见的。

目前，4K分辨率已然成为各大电视机厂商旗舰产品的标配，而HDR作为超高清下一步的发展方向也成为了终端制造领域的新宠。近几个月来，业内多次超高清广播测试使用了4KHDR标准的内容。CES2016上，LG与三星均采用ATSC3.0标准进行了4KHDR的广播演示。除此之外，HDR的内容制作也开始涌现。在线视频领域，流媒体巨头亚马逊已经率先于2015年6月推出了首部4KHDR剧集《丛林中的莫扎特》，而Netflix也已经将其自制剧《马可波罗》转制成了支持HDR显示的格式。可以预见，2016年，或将成为HDR标准化与产业化的一年。

3HDR技术介绍

HDR概念中的“动态范围”，是指一个图像中最亮处和最暗处之间的比值。

人眼所能感受的亮度范围约为10-3～106nit，所能感受的瞬时对比度范围可达10 000∶1，而目前消费级液晶显示器的亮度一般在300～400nit左右，其亮度范围一般为2 000∶1。可见，人眼的亮度分辨能力远高于当前主流的显示设备。而HDR显示技术就是要提升显示的亮度范围，在使得显示亮度更亮的同时，又让呈现的黑色更黑。

目前显示器对比度的限制是由1990年发布的ITUBT.709标准决定的。为了达到最佳的观看效果，该标准中的电光转换函数(EOTF)是以过去CRT显示器的特性为基础设定的。但CRT显示器的亮度一般不超过100nit，对于现在亮度可达400nit甚至1 000nit的显示器而言，BT.709标准已经束缚了最佳显示效果的呈现。因此，当前不少广播电视界的机构组织均提出了新的HDR显示技术，以实现更高动态范围的显示。

HDR显示技术的关键是电信号与光信号之间的转换规则，即对于电光转换函数(EOTF)和光电转换函数(OETF)的定义。要对CRT时代的伽马曲线进行替代，目前有两种新的转换方案：1)DoblyVision的HDR方案，该方案由杜比实验室提出，采用感知量化编码(PerceptualQuantizer，PQ)，可采用12bit色彩深度实现107高动态范围，其亮度范围达到10-3～104nit[1]。2)对数伽马分布(HybridLogGamma，HLG)，该方案由BBC和NHK联合研发，HLG方案通过两种不同的方式来分别对HDR信号当中所包含的高光和低光部分进行解码。

然而，不同的HDR技术需要相对应的显示设备进行解码调整。一个能够显示DoblyVisionHDR格式内容的电视机，未必就能显示BBC制作的HDR内容。这就给HDR技术的大规模推广带来一些阻碍。因此，在技术条件已经具备的情况下，标准化已经成为HDR发展亟需解决的问题。

4HDR标准化情况

当前，世界各地的行业标准组织都已经投入到HDR标准的制定工作中来。美国电影电视工程师协会(SMPTE)于2015年3月率先公布了电光转换函数标准SMPTEST2084，采纳了Dolbyvision的PQ曲线。而这一标准又被其他行业组织采纳为自身标准体系的电光转换标准。

4.1蓝光光碟协会(BDA)

BDA致力于制定超高清蓝光系列标准。2015年5月12日，BDA宣布完成Ultra-HDBlu-ray标准和商标。该标准将包括4K3 840×2 160像素的分辨率、广色域(提升到BT.2020标准)、高帧速率(60f/s)等，将从2015年8月24日开始授权。

此外，该标准将支持开放HDR，使用10bitHEVC编码和SMPTEST2084标准，同时准备采用DolbyVision和Philip建议作为选项。BDA也会将10bit编码和宽色域用于目前的SDR内容。

4.2美国消费电子协会(CEA)

2015年8月，CEA初步起草了关于电视和显示器行业产品支持HDR技术的内容，对“兼容HDR显示器”进行了定义。其中包括：在电视、显示器或者投影机中，至少有一个接口，可以支持HDR技术，而且要符合数字电视规范文件CEA-861-F以及未经压缩视频规范CEA-861.3文件中的规定。另外，还要支持HDR10媒体传输标准，比如可以通过IPTV的方式播放HDR视频，或者通过HDMI接口传输HDR视频[2]。

HDR10媒体档次需支持如下内容：符合SMPETST2084电光转换标准；色采样4∶2∶0；比特深度10bit；彩色空间符合BT.2020；支持元数据SMPTEST2086)。

4.3超高清联盟(UHD Alliance)

在今年初的CES2016上，超高清联盟发布了4K/HDR认证标识“UltraHDPremium”。其要求设备分辨率达到3 820×2 160，色深达到10bit，支持BT.2020色域信号输入，显示覆盖90%以上DCI-P3色域空间。在HDR显示方面，该标准要求符合SMPTEST2084电光转换标准；峰值亮度与黑位达到其中一项：1)亮度1 000nit以上/黑位低于0.05nit(主要针对LCD显示器)；2)亮度540nit以上/黑位低于0.000 5nit(主要针对OLED显示器)[3]。

此外，根据SMPTE研究小组2015年9月发布的《HDR影像生态系统》(High-Dynamic-RangeImagingEcosystem)报告，其他组织有关HDR标准制定的计划如下：

1)ATSC正在考虑将传输HDR内容加入ATSC3.0地面广播标准；

2)SCTE(有线与通信工程协会)开始研究未来HDR有线传输；

3)MPEG正在评估HDR的影响，考虑是否需要调整HEVC压缩标准中的各种工具，HDR内容的流媒体传输也有待定义；

4)日本ARIB发布了一个光电转换函数(OETF)的标准(ARIBSTD-B67)；

5)NHK已宣布传输HDRWCG图像的时间表；

6)欧洲DVB正积极寻求家庭传输HDR的可能选项；

7)ITU-RSG-6形成了有关HDR电视系统的RapporteurGroup(RG24)Recommendations。

5HDR发展前景

HDR并非一个孤立的技术，而是超高清电视整体规划中的一部分。与HDR的高亮度范围显示同步到来的，还将是更高的色彩深度以及更大的色彩空间范围。色彩深度越高，可支持的颜色也越多。色彩深度的增加不仅仅增加了图像的灰度值，也使得同一色系的视觉过渡更为平滑，避免了在表现渐变色彩时出现明显的分层。而新一代的超高清规范ITUBT.2020所规定的色彩范围，也将比BT.709多70%，尤其在绿、黄、青3个高亮度区域有显著的扩大(如图1所示)。在现在已经发布的HDR标准中，均对色彩深度和色彩空间作出了相应的规定。这些参数提升共同带来了“更好的像素”显示。

图1　BT.2020与BT.709色域比较

HDR技术将被加入到4K甚至8K电视之中，将“更好的像素”与“更多的像素”结合，重新定义电视画面。

据IHS预测，2019年，符合超高清联盟验收标准的HDR电视的出货量有望从2016年的290万台激增至3 260万台(如图2所示)[4]。在其最新的欧洲超高清市场预测中，IHS表示，预计今年二季度，HDR电视会进入市场销售，到2017年销量将有明显提升，而到2019年，HDR机型将占据超高清电视销售总量的38%[5]。此外，ABIResearch也预测，到2020年，将有70%的4K超高清电视机将支持高动态范围(HDR)、更广色域、高帧频和沉浸式音频等新技术。

图2IHS：HDR电视出货量预测(截图)

相较于VR等新兴业务对普通消费使用习惯带来的冲击，HDR与超高清一样，具有更加“平易近人”的特性，在经过由标清、高清、超高清的清晰度升级之后，技术研发和厂家开始关注更高的收视质量，以达到真正的沉浸式、临场感收视体验。因此基于技术的突破性优势、迅速的标准化进度以及HDR电视终端的市场发展趋势，未来HDR电视将在市场上迎来快速发展的时期。

参考文献：

[1]HIFI说. 2015电视技术四大热点：高动态范围HDR、量子点QuantumDot、DolbyVision、4K[EB/OL].[2016-02-14].http://www.hifishuo.com/view_art.php?id=7624.

[2]CEAdefines‘HDR-compatible’displays[EB/OL]. [2016-02-15].http://advanced-television.com/2015/08/28/cea-defines-hdr-compatible-displays/.

[3]万维家电网.CES上的新鲜物 最新的UHDPremium标准解析[EB/OL]. [2016-02-15].http://tv.ea3w.com/150/1503054.html.

[4]GlobalHDRTVshipmentstotop32m[EB/OL]. [2016-02-14].http://advanced-television.com/2015/10/20/global-hdr-tv-shipments-to-top-32m/.

[5]IHS: “We’reupgrading4Kforecasts” [EB/OL]. [2016-02-15].http://advanced-television.com/2016/01/21/ihs-were-upgrading-4k-forecasts/.

责任编辑：许盈

Developmentandstandardizationofhighdynamicrangetechnology

HUIHui1，2,ZHUYingying1，2,ZHULinlin1，2,HEDazhi1，2

(1. Cooperative Medianet Innovation Center，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200125, China;2. National Engineering Research Center of Digital Television，Shanghai 200125, China)

Abstract:High Dynamic Range (HDR) Technology has become a new spotlight after 4K in the television field. It is probably that the year of 2016 will see the standardization and industrialization of HDR technology. Started with the overview of new HDR TVs launched on CES 2016. In this paper, the general situation and key technology of HDR are introduced. Noting that standardization has become an urgency of the development of HDR technology, the work of standardization of several associations are elaborated and the prospect of HDR technology is explored.

Key words:HDR; television technology; standardization

中图分类号:TN949

文献标志码:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.016

收稿日期：2016-02-01

文献引用格式：惠慧，朱颖瑛，朱林林，等.HDR技术及标准发展情况[J].电视技术，2016，40(3):75-78.

HUIH，ZHUYY，ZHULL，etal.Developmentandstandardizationofhighdynamicrangetechnology[J].Videoengineering，2016，40(3)：75-78.