HDR技术的格式标准及应用

焦 扬

（中央电视台，北京 100859）

高动态范围（High Dynamic Range， HDR）在视频制作和视频播放终端的应用中，已经成为一个标杆式的新技术代名词。在当今人们对图像和视频质量要求越来越高的背景下，HDR展现的更真实和更富有感染力的图像质量很容易使观影者体会到耳目一新的感觉，因此开始在影视制作、分发和播出环节逐渐推广开来。

1 静态拍摄的动态范围

HDR最早是应用于照片拍摄和后期处理的过程中。人们通常会有这样的经验，在一个阳光明媚的屋里，人眼不仅可以看到屋里的各种物体，同时也可以透过窗户看到窗外的景色；而用相机拍摄下来的照片会出现屋里漆黑一片、窗外白茫茫一片，很难取得一张屋内屋外都可以真实还原的照片。这是因为人眼具备识别暗场和明场交织的各类场景的能力，而因为相机拍摄的局限性，对于同一镜头下光照条件不同的景物，往往因为曝光参数的单一性而无法将所有景物的亮度、色彩等细节准确采集。拍摄时为了满足屋内相对较差的光照条件就需要提高曝光参数，这样的调整对于窗外已经足够明亮的环境来说就“过曝”了；如果迁就窗外的光照条件而降低曝光参数，则屋内的拍摄效果就会“曝光不足”。以图1的花朵来解释亮度范围更直观，可以看到真实世界中的花朵亮度范围从背景最低的145 nit直到花瓣黄色区域的14 700 nit（1 nit=1 cd/m2），这需要相机具有高水平的性能。

为了获得理想的效果，通过调整不同曝光参数而拍摄多张相同景物的

方式对不同光照条件下的景物进行分别采样，然后通过技术手段将各自达到理想曝光参数的景物合成到同一张照片里，从而形成了HDR影像。通过这种方法，可以有效提高照片中不同景物的曝光效果和色彩范围，使人们可以通过一张照片不仅看到“亮的地方”，也能看到“暗的地方”，从而实现理想的拍摄效果。如图2所示，（a）是普通拍摄的照片，（b）是采用上述HDR技术拍摄处理后的照片。

图1 亮度范围的显著差别

图2 不同动态范围的照片对比

2 视频拍摄的动态范围

类似的问题在视频拍摄中也同样存在，特别是明暗对比很强烈的画面，最暗处或最亮处细节的缺失是非常常见的情况。想必大家对以往足球转播时明暗切换的显示效果有切身感受，当镜头从球场的光照区切换到遮挡区或反之操作的时候，往往需要一点时间来“切换”以适应不同光照条件。特别是，当镜头所在的转播位置恰好处于明暗交界区域时，画面便会出现忽明忽暗的“摇摆现象”，严重影响画质。同样的情况在影视制作方面也不胜枚举，火堆周围欢庆的人群、天空中飞过的飞机、蓝天白云掩映下的山峦叠嶂、城市夜景的灯火阑珊…… 采用HDR技术则可以有效解决上述问题，改善画质，图3显示了标准动态范围成像与高动态范围成像的对比效果。

然而受限于现有信号采集和传输技术，当今的电视播出系统所提供的视频信号只能达到最高 100 nit亮度和一小部分色域，影院还受峰值亮度和小于 50% 可见颜色空间的限制。因此，不能简单认为HDR只是对影像的处理，仅从画面处理方面入手是不够的，而是需要从画面采集、处理直到播出有一套端到端的处理标准，才能实现理想的画面效果。

2.1 HDR技术发展的代表性技术

HDR技术的关键是建立光信号与电信号的转换关系定义，从而实现把现实事物的亮度与色彩信息转换为可编辑、可传输、可重建的视频信息。以此为标准，当前HDR技术发展的代表性的技术有：

（1）以杜比公司提出的量化感知编码（PQ，Perceptual Quantizer）为基础的HDR格式，包括HDR10和杜比视界（Dolby Vision）；

（2）BBC 和NHK 联合研发的混合对数伽马（HLG，Hybrid Log Gamma）分布。

2016年4月18日，美国超高清论坛（Ultra HD Forum）公布的超高清规范（UHD Phase A）中，将PQ和HLG并列为UHD的光电转换标准，同时10 bit色深和Rec 2020色域也进入到UHD规范中。

PQ编码是一种非线性光电转换函数，它将最高10 000 nit的亮度进行量化，从而记录亮度等级的绝对值。HLG编码也是一种非线性光电转换函数，但是与PQ进行绝对量化编码不同，HLG是一种相对亮度编码，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中灰度部分进行处理，其中中灰度部分使用标准的伽马曲线，而高光部分则使用对数曲线，这样在支持HDR的同时可以兼容SDR电视，因此，可以根据显示设备的能力不同实现最高1 200 nit的亮度等级（如图4）。

图3 标准动态范围(SDR)成像与高动态范围(HDR成像)

图4 SDR、PQ与HLG转换曲线

HDR10标准是美国消费电子协会（Consumer Technology Association）于2015年8月公布的HDR格式标准，由于其免费和开源的特点，是目前采用最为广泛的HDR标准。杜比视界则是杜比公司开发出来的HDR标准，它不仅兼容HDR10格式，同时可以实现比HDR10更先进、效果更好的画面质量，可以说是基于HDR10核心的增值版HDR技术。

从技术角度讲，两者都采用Rec 2020色域以及4K分辨率，相较现有标准动态范围都可以提供更理想的画面效果。4K分辨率4倍于FHD分辨率，包含了数量更高的像素，提高画面显示效果使之更细腻；而相比现有高清电视采用的Rec 709（即sRGB）的色域显示水平，Rec 2020显著扩展了颜色显示范围。如果考虑到亮度对颜色显示范围的影响，这两者之间的效果差异则更加明显（图5）。

2.2 各种HDR技术的比较

（1）色深

HDR10和HLG均采用10bit色深量化精度（约10亿），而杜比视界采用更高的12 bit色深（约680亿）。更高的色深意味着可以实现更多和更平滑的颜色过渡，从而使画面细节更到位。

（2）对颜色和亮度等基础数据的处理形式

HDR10采用静态数据处理方式，也就是处理和转换整部视频或段落视频的全局数据，而杜比视界采用动态元数据方式，将颜色和亮度信息“实时”整合在动态视频流当中，因此，它可以实现根据实时场景随时调整相关颜色和亮度信息，更准确地还原事物的本来面目，实现更好的显示效果。

杜比视界采用动态元数据的方式集成画面的色彩、亮度等基础信息，打通了整个视频流的传输路径，意味着现有显示终端可以有机会发挥其真实的显示能力，即电视机画面可更接近真实的亮度与色彩。此外，杜比视界有完整的HDR生态系统，可为电影和电视制作人员提供强大、灵活的创作和编辑功能，可更准确地表达制作意图。当然，相应地对视频源的采集、处理、传送、播出都提出了更高的要求，需要在上述各个环节都有相应的软硬件支持。

HLG没有元数据的部分，是将HDR信号结合进电视广播信号中。

（3）兼容性

HDR10由于采用的是静态绝对元数据，这与SDR电视在信号匹配上存在问题，因此，在非HDR电视上无法显示。

杜比视界为了解决这一问题，采用双层编码技术，并不需要准备单独的HDR和SDR内容，而是在SDR内容的基本层上再增加支持HDR的增强层，从而达到兼容SDR的目的。同时，这些元数据并不需要新的编解码格式，它们依然采用现有HEVC/AVC编解码，依然通过现有视频传输方式进行传输和转换，再通过支持杜比视界的播放终端即可将原始视频流进行还原和播放（如图所示6）。然而，为了实现端到端的解决方案，杜比视界需要在视频传输的整个路径上都采用杜比授权的硬件芯片支持，这在很大程度上限制了其技术的广泛拓展，特别是在现在自媒体、直播等新媒体日益壮大的今天，要想在全链路普及，涉及授权费、硬件升级等问题，可谓任重道远。

图5 Rec 709与Rec 2020色域

图6 Dolby Vision使用基本层+增强层来实现向下兼容性

HLG因为并没有采用元数据，而且使用的是亮度相对量化的标准，因此，可以兼容现有电视广播的传输设备与显示设备，无需任何额外硬件支持。同时，采用与HDR10类似的免授权费形式，也有助于HLG技术在电视广播以及网络直播和小视频等媒介的应用与推广。

2.3 HDR技术的应用

不同的HDR技术拥有各自不同的特点，造成现有厂商和内容商纷纷站队。任何一项新技术在影视行业的普及推广，都需要从拍摄设备、后期制作、渠道发行、播放终端等各环节相互配合。

2.3.1 播放终端

最早对HDR技术的宣传无疑是各大电视品牌。作为4K电视的推出，HDR技术的应用几乎成为各个中高端电视产品最重要的功能。

起初，以三星、索尼为代表主推HDR10标准的HDR电视， LG、TCL、创维、长虹、Vizio为代表则加入了杜比视界的阵营。随着时间的推移，作为播放终端，支持多个HDR标准被认为是更好的选择，于是从2017年开始，以索尼为代表开始在电视上进行固件升级以支持包括杜比视界和HLG在内的多个HDR标准。

从上面的介绍中可以看到，杜比视界是向下兼容HDR10的，同时由于杜比视界是目前HDR标准中综合表现效果最好的，因此，越来越多的电视厂家开始在HDR电视中集成杜比视界，从而保证对HDR10的兼容性。

2.3.2 内容制作

杜比依赖自身在影视制作领域强大的号召力和驱动力，近年来从电影和电视剧制作的源头入手开始积极推广杜比视界技术，目前处于HDR内容方面绝对的领先地位。

全球知名的影业公司多已同杜比展开合作，从2017年开始通过杜比视界拍摄的影片呈爆发式增长，包括票房火爆的《变形金刚5：最后的骑士》《加勒比海盗5》《蜘蛛侠：英雄归来》《寻梦环游记》《星球大战：最后的绝地武士》等，以及2018年春节刚刚上映的《红海行动》《唐人街探案2》，均采用杜比视界技术拍摄。进入2018年，杜比视界与杜比另一项知名技术“杜比全景声”一起，几乎成为好莱坞各大片的标准配置，在2018年奥斯卡提名最佳视觉效果的影片更是清一色采用杜比视界和杜比全景声制作。

在电影产业快速开疆拓土的同时，杜比视界技术依托在后期编辑的便利性，在电视剧制作领域也开始布局。《琅琊榜之风起长林》是杜比视界携手爱奇艺在电视剧领域的全新尝试，平台方用技术带给用户视听体验的新变革正悄然而起。

此外，在赛事方面，欧洲足联和法国网球公开赛等赛事转播也提供杜比视界支持，给观众带来更加赏心悦目的精彩比赛效果。

2.3.3 内容的渠道发行

目前，HDR的主要流通途径有以下几个方面：各大电影院线；网上流媒体分发渠道，如国外的Netflix、Amazon、Vudu以及国内的腾讯视频等；UHD蓝光光盘和支持HDR标准的蓝牙播放机等，以及未来可预见的新款游戏及其设备等。

这当中有一个问题，目前普及度最高的电视播出系统并没有纳入HDR的支持体系当中。由于现有支持HDR内容的影片几乎都是杜比视界标准，而这部分内容要进入电视播出系统，面临的最大挑战就是现有有线电视网络的带宽限制以及有线电视机顶盒的升级换代。而HLG格式的HDR内容虽然在技术上对现有系统的兼容性最高，但目前HLG内容的严重匮乏是它最大的障碍——即使是推出这个标准的BBC和NHK目前也没有真正制作用于播出的HLG内容。

作为广播传媒领域的 “全能选手”索尼，从2017年下半年开始推出基于HLG技术的便捷HDR（Instant HDR）制作方案。通过固件升级的方式，索尼在自家4K摄像机中集成了便捷HDR拍摄方式，同时在其4K电视中同样追加HLG格式内容支持。

由于不同类型视频内容对于HDR效果的需求不尽相同，这就对电视制作提出了更复杂却也更灵活的要求。对于注重展现效果或具备更长制作周期的节目如纪录片、电视剧、宣传片、赛事转播等，杜比视界无疑是更好的选择。对于新闻、短剧、周期性娱乐节目等突出时效性和娱乐互动性的节目，采用HLG格式就显得更加方便和高效。由于HLG格式操作简单不需要复杂后期制作以及兼容性强的特点，通过便捷HDR方式拍摄的内容可快速、高质量地交付，很适合互联网视频、婚庆视频、企业宣传片和活动录制等领域的需求，甚至普通家庭用户也可以拍摄自己的HDR视频并导出到支持HLG格式的电视上播放，可以方便地感受到HDR带来的更好视觉体验。因此，对于不同类型的HDR内容进入到电视播出系统就需要统筹兼顾，以便将来系统升级过程中对不同HDR标准实现同步兼容，保证与现有HDR电视机共同配合实现HDR端到端的良好播出效果。

3 结语

HDR的应用在视频领域是大势所趋，广大观众通过影院、网络视频、4K蓝光以及4K游戏等途径越来越多地了解了HDR的显示效果，但HDR未来的普及道路也并非一马平川。目前，采用HDR技术制作的内容与SDR的内容相比，在绝对数量上依然远远落后，同时庞大的电视机存量市场和有线电视网络还依然停留在SDR阶段，这些都需要更长的时间逐步实现技术升级。不过回顾历史上的技术沿革，有理由相信，在设备和终端不断推陈出新的推动下，特别是大品牌的助威，如同高清标准的推行一样，HDR将成为未来4K以上超高清电影、电视领域又一项重要的基础功能，一起拭目以待。