乱花渐欲迷人眼

主流HDR标准解析

近年来，伴随4K影视内容和技术的发展，HDR成为了非常热门的话题，4K不带HDR，犹如炒菜不放盐，上阵不带枪。目前HDR已经发展出了HDRlO、HDRlO+、Dolby Vision、HLG等好几种标准，它们各自有什么特点以及应用性如何，是要拼个你死我活还是求同存异共同发展？這是本文要研究的问题。

很多人都知道.4K和HDR是一对随时都成双成对不可分割的组合。4K影像为什么一定要有HDR？因为在4K的分辨率下，HDR能够带来更多的色彩空间、更广的动态范围，才能让画面的各种细节纤毫毕现，而SDR无法满足这种要求。HDR并不是具体的某种技术，而是一些类似标准的统称，目前HDR已经发展出了多种标准。其中，电影和流媒体运营商大多支持Dolby Vision和HDRlO，BBC，NHK等电视台支持HLG，三星和松下则玩起了HDRlO+。鉴于要介绍这些标准都避不开那几个专业名词，我们还是有必要解释—下这些名词。

先从伽马谈起

首先要提到伽马曲线，它用来衡量所有图像输入或输出的设备对于光线亮度的反应。这里涉及到线性和非线性的问题。人类对外界刺激的变肥，比如声音大小、气味浓淡、明暗程度等，作出的反应的非线性的。例如，一杯水加一勺糖，人们会觉得甜：再加一勺糖，糖度已经是原来的2倍，但人不会觉得比原来甜2倍，只会觉得“甜一点”。同样的道理，人眼也是非线性的，一颗灯泡会让人觉得亮，但两颗灯泡也只会让人觉得”亮一点”而不是“亮了2倍”。当年的CRT显示设备也具备这种非线性特征。用电子枪通过高压轰击荧光粉，它会发光。然而将高压再提到2倍，荧光粉的亮度却不会提高两倍。将这种亮度和电压的矣系画出一条幂律曲线，就是CRT的伽马曲线。未经过校正的CRT的伽马值通常是2.5。

人眼这种特性，让我们可以识别明暗差别很大的场景，例如逆着阳光也能看清云朵，看见树上的叶子，但同样的场景要通过CMOS和CCD这类线性元件来“看”，那就什么都看不清，因为线性和非线性的成像元件输出结果差别非常大，这就需要对图像的伽马曲线进行调整，也就是所谓的伽马校正。以前胶爿时代没有这些问题，因为胶片用化学成像的方式模拟了人眼的非线性感光能力，因此多数人觉得胶片电影效果更好，因为它最接近人眼看到的效果。

明白了伽马的概念，再来说说OETF，EOTF、OOTFo这些奇怪的字母组合其实定义着实现HDR的关键：光与电的转换函数。OETF是指光电转换函数，只有摄像机能将光信号转变成电信号，因此OETF通常也相当于摄像机的伽马。

EOTF是电光转换函数，只有终端显示设备能将电信号转变成人眼可见的光信号，这也代表了显示设备的伽马。

OOTF则囊括了光信号输入到光信号输出，也就是整个影像制作流程。

因此，一套真正的HDR影像实现条件，需要上述这几个“TF”都有统一的转换机制，或者说端到端的系统解决方案和标准。顺便提—下，目前十分热门的手机HDR拍照并不是真的HDR，实际上是一种多帧合成技术。手机连续拍摄多张照片，然后通过算法将这些照片叠加处理，以达到同时保留高光和暗部细节的目的，从技术上讲这叫“色调映射”，它依然属于SDR的范畴。并且，软件算法要由人来调试，这就使得不同品牌甚至同品牌不同系列手机的效果都参差不齐。

HDR和SDR的根本区别就在于，两者用了不同的伽马曲线。HDR的伽马曲线能让图像有着更强的色深表现和更广的动态范围。但因为HDR和SDR的伽马曲线不同，因此还要解决HDR与SDR的兼容问题。

没错，HDR必须兼容SDR。因为现在很多的视频标准是CRT时代就制定下来的，除了SDR还有BT.709，sRGB色域、100cd/m2亮度等等。因为当时世界上所有的显示设备都是基于CRT，它有着一套自己的图像标准，所有的影像内容提供者都要遵循这个标准。后来，LCD的显示能力超过了CRT的水平，但相应的标准却没有跟上来。CRT标准的画面用在LCD上就会相当糟糕，为了解决这个问题，电视厂商开发了各种画质增强技术，例如广色域显示、动态背光调节等。所谓动态背光调节就是根据画面的明暗不同来分别控制背光灯亮度。索尼的精锐光控、三星的局域控光、夏普的煌彩技术，都是这一原理，能够大幅度提升画面动态范围。

现在我们可以明白了，HDR的核心就在于如何定义光电互相转换的函数，也就是用什么样的伽马。数字影像的本质是数据处理和运算，伽马就是它的算法。当算法统—之后，就能让影像在色彩、亮度不同的设备上都能做到显色一致性。

两种最基础的伽马

2015年8月，美国消费者技术协会公布了HDRlO标准，世界上第一个HDR标准终于诞生。时至今日，出现了众多的HDR标准，但它们都只是基于两种不同的伽马曲线：PQ和HLG。这是由国际电信联盟针对HDR，TV的建议书BT.2100中提出的两种伽马方案。

PQ.即Perceptual Quantizer，感知量化技术。前面说过，2勺糖并不会让人觉得甜了两倍，实际上人也很难通过感官将甜度量fb。但杜比实验室提出了PQ编码，通过一系列数学模型将亮度等级以绝对值进行记录，也就是每个输入的电平都有对应的绝对输出亮度值，不存在变化.除非改变EOTF的函数。这便是PQ的核心一一绝对亮度。这是一个完全按照人眼的感知来设计的伽马，其设计理念是要让显示终端输出的画面亮度和拍摄场景的实际亮度相同（看战争片可得当心了）oPQ要求显示终端的峰值亮度达到10000cd/m2.而目前没有设备能达到这个亮度，要知道以前的CRT亮度顶多也就200cd/m2。那怎么办？只能把高亮部分切掉，这会使得画面看起来很奇怪。杜比给出了解决这个问题的方案，要么观众必须在亮度达到我们要求的影院里观看，目前这一亮度大概就是4000cd/m2;要么终端显示设备的亮度必须和制作过程中的监视器亮度相同，这一才能保证在亮度不同的显示设备上呈现出相同的效果。因此基于PQ制作的内容必须明确其制作流程中使用的监视器峰值亮度.PQ输出的元数据也包含了场景亮度绝对值等信息。PQ与传统的SDR完全不同，是一个为了再现绝对亮度的全新体系。但受硬件技术限制.PQ只能在一定范围内重现它想达到的绝对亮度。

HLG，是由BBC和NHK联合发布的混合对数伽马（Hybrid Log Gamma）.它是一种非线性的光电信号转换算法，将图像的伽马分为两部分，在SDR标准范围内采用常规的伽马曲线，在偏向高光部分则采用特殊的非线性伽马曲线，这也是HLG名字中“混合”一词的由来。HLG不带元数据，其亮度编码是按照百分比转换出来的相對值，这样就能在不同的显示设备上再现拍摄场景的相对亮度。BT.2100建议HLG的峰值亮度为1000cd/m2.是SDR的10倍，这并不能再现拍摄场景的绝对亮度，但呈现其相对亮度就能解决问题，HLG的核心也在于相对亮度。HLG对于传统SDR有着非凡的兼容性，基于HLG流程制作的影像，理论上可以在市售的所有电视上播放，而PQ就不行。

PQ和HLG的另一个区别在于，PQ需要对摄像机之后的信号进行处理，来适配监视器亮度等级一称为“显示参考”。制作者参考监视器的亮度等级来对内容进行编辑，最终内容能够反映出制作者的创作意图。因此PQ适合电影等复杂的视频内容。

HLG是在摄像机内完成HDR的编码工作，属于“场景参考”.它只受到摄像机光学特性和硬件特性的影响，而与制作者的好恶无关，因此适合于传统的广播电视制作流程。

PQ和HLG，是所有HDR标准的基石。

Dolby Vision

这是高清爱好者们非常耳熟的两种标准。其实严格说来， Dolby Vision是一系列图像增强技术的统称，HDR只是其中一个部分。Dolby Vision就是最典型的使用PQ伽马的标准，它将HDR图像数据重新编码为双层数据：代表SDR图像的基本层和代表高动态范围信息的加强层，实现了SDR与HDR的自动兼容。其技术指标，除了亮度标准定义到10000cd/m2以外，还必须满足12bit色深、Rec.2020色域以及4K分辨率。

Dolby Vision是目前为止技术要求最高的HDR标准，它的内容、播放源、显示设备都必须兼容Dolby Vision标准才能使用，信号源根据显示设备的图像输出能力来逐帧优化输出。所有的Dolby Vision兼容显示设备都采用这种优化算法，并且是通过硬件来实现，因此普通设备无法通过固件更新来支持Dolby Vision。而要想支持DolbyVision，就必须缴纳授权费。是的杜比就是这么硬气，根本不怕厂商们被“收费”二字吓跑。因为杜比是当今影院技术的领袖级企业，它推出的DolbyCinema是全方位提升影院视听效果的完整解决方案，包含了分别负责声音和画面的Dolby Atmos和Dolby Vision.共同组成这一全方位提升影院音画效果的完整解决方案。要想在影院体验最好的画面和声音，除了IMAX影院，就只能是DolbyCinema影院了。

对于家庭用户而言，尽管需要授权，但DolbyVision设备还是越来越多了。硬件方面，LG、索尼、海信、飞利浦、TCL等老牌厂商纷纷拿出了支持Dolby Vision的电视机;去年9月发布的新款Apple TV能同时支持Dolby Vision和HDRlO;支持Dolby Vision的UHD蓝光播放器和影碟也已面市。内容方面，索尼、华纳、环球和米高梅将与杜比合作发行Dolby Vision格式的家用视频内容。亚马逊、Netflix、沃尔玛的VUDU等也打算通过兼容的电视直接播放Dolby Vision内容。

HDR10和HDRlO+

HDRlO同样使用PQ伽马，但它只有单层的图像数据和元数据，因此它无法支持SDR和HDR自动兼容。典型例子就是SDR设备由于不能识别HDRlO的PQ和显示元数据信息，伽马值会远低于该设备的伽马值，导致画面惶不忍睹。

ITU给出的标准是要满足Rec.2020色彩空间和4K分辨率，但只要求色深达到10bit，亮度达到lOOOnit以上，所以HDRlO和Dolby Vision根本就是同根生，是Dolby Vision的简化版本。DolbyVision的影像可以转成HDRlO的影像，但反过来就不行。HDR10的一个关键特性是是免费授权，世界上再没有比免费二字更吸引人的了。并且，它还是UHD蓝光格式指定的HDR标准。于是，HDRlO集齐了生得早（诞生于2015年）、免费、技术要求低、有贵人提携（UHD蓝光）这几大优势，在内容和发展上也抢得了先机。

硬件上，支持HDRlO的电视机品牌更多，无需再一一列举;P54，Xbox One、各种UHD蓝光播放器更是只支持HDR10。内容上，除了Vudu以外，所有的HDRL媒体服务都使用HDRlO，顶多就是同时支持Dolby Vision。全球各大主流制片厂推出了UHD蓝光电影全部采用HDRlO标准，而采用Dolby Vision的寥寥无几。总的来说，DolbyVision多用在需要顶级视听享受的专业场合，例如影院;HDRlO则在家里也能享用。

这里要顺便说说HDRlO+，这个名字没有想象力的标准是由三星主导的。它和Dolby Vision一样用动态元数据处理图像，它与HDRlO最大的区别在于加入了“动态色调映射（Dynamic ToneMapping）”，采用可变的动态元数据来帮助实时调整亮度和对比度，并逐帧优化，确保画面不论明暗部分的细节都一清二楚oHDRlO+能够兼容HDRlO，并且同样免费。三星这种想主导标准的底气，也是缘于它在全球电视市场中拥有最大的份额，这足够说服硬件厂商和内容提供商加入HDRlO+的阵营。三星拒绝使用Dolby Vision，并在其生态系统的所有环节大力推广HDRlO+，还与Multicore Ware合作，在HEVC编码中加入对HDRlO+的支持。

不过目前，只有松下电视机、20世纪福克斯和亚马逊明确表态入伙，其他厂商仍然态度不明。

另一方面，尽管HDRlO+某些技术特征和Dolby Vision相似，但Dolby Vision依然是技术含量最高的HDR标准，而且杜比公司仍然在技术的天花板上反复试探。此外， Dolby Vision可兼容HDMI l.4a，而HDRlO+则需要HDMI 2.0，所以，HDRlO+远没有达到能打败Dolby Vision的程度。到目前为止，Dolby Vision和HDRlO依然是最流行、应用最广泛的HDR标准。

HLG

前面提到，PQ适合电影这种需要花时间对画面精雕细琢的场合，但对于电视台则不行，他们的预算和精力有限，并且电视节目都是24小时播放t不可能像电影那样花费大量时间进行内容再制作和HDR编码。广播电视领域面对的问题复杂得多，因为它得面向所有的电视用户，用户家里的电视机更是五花八门，仍在使用等离子电视机的不在少数。Dolby Vision无法适配那么多的电视机，或者说，PQ伽马的HDR标准不适合广播电视。

而HLG就很好地解决了这个问题。前面我们介绍了过，HLG可以在拍摄阶段直接完成，通过相对亮度来适配各种电视机，它不像PQ那样明确标识亮度，而是采用动态的百分比范围来输出亮度，这个范围为1200%，这样大的动态范围足够兼容任何新旧电视。亮度低于400cd/m2的SDR显示设备，HLG能够保证色彩表现基本一致：对于亮度高于400cd/m2的广色域显示设备，能表现出更艳丽的色彩和更高的动态范围。在真正的HDR显示设备上，HLG同样具备一套转换标准保证显示一致性。原理就在于，它把图像的伽马信号在50%电平处进行分离。50%以下是图像中的中间调和阴影的部分，HLG使用传统的伽马曲线对图像进行编码。高于50%的部分，HLG采用另一种伽马曲线以获得更多的亮度细节，将图像信息直接映射到HDR兼容显示设备的高光范围内。这种混合算法除了保留图像暗部细节外，在高光部分也能较好地还原图像细节，得到高动态范围的图像。

HLG同样支持Rec.2020广色域、10bit色深，支持HEVC，VP9，H.264/MPEG，4 AVC等视频编码格式，可以轻松的融人传统SDR的廣播电视流程。而且，HLG是免费的，设备可以通过固件升级的方式支持HLG。

HLG并不是4K蓝光标准的一部分，未来它可能只会使用在电视广播信号上。另外，HLG能否在所有的电视上都呈现出高质量的画面也尚不清楚，毕竟亮度信号的拉升也可能造成渲染质量的下降。

2017年以来，HLG的“涨粉”速度很快。索尼、三星、LG纷纷加入该阵营，推出的新品可以自动识别HLG和HDRlO信号。由于HLG的开源特性，现有的HDRlO设备都能通过固件更新方式来支持HLG，因此二者可以在同一台设备上共存oHDRlO偏重于游戏和电影，HLG更适合数字电视、摄影等。实际上，HLG也在成为数码界的新宠，日本几大传统相机厂旗下的新款高端单反/单电相机，以及大量的商用录像设备，都提供了HLG的伽马选项。索尼还提供了HLG、HLGl/2/3四种预设选项，其中HLG2保持了噪点消除和动态范围的平衡;HLG1的噪点少，动态范围相对更窄;HLG3则正好相反。HLG甚至开始蚕食移动端。目前手机上的BBCiPlayer、谷歌YouTube等已经支持HLG格式视频的回放。

谁能笑到最后

现在，又该回到本文最初的问题：这么多的HDR标准，谁能笑到最后？答案恐怕是：大家一起笑。

这些年来，作为消费者的我们被动地经历过很多标准大战，比如录像机时代的VHS和Beta，光盘时代的蓝光和HD DVD.高清时代的HDMI和DisplayPort，移动时代的GSM和CDMA，在这些竞争中，我们只是“吃瓜”群众，并没有决定谁胜出的权利，还带来了选择上的痛苦。而面对这么多的HDR标准，我们终于不再选择困难，因为，它们对应着不同的领域。HDRlO是目前应用最广泛的HDR标准，Dolby Vision在电影领域独孤求败，而HLG会成为广播电视信号的主流标准。大家不会，也不能聚到一起拼个你死我活，除非有一天，影院消失，或者广播电视消失，否则这些HDR标准必然伴随左右并一起发展。

现在，想要选购平板电视机的人也不用再被厂商的宣传所迷惑。除了了解屏幕的亮度、色域、延迟等硬件指标外，未来所有的电视机都将支持HLG。所以能够同时支持HDR10+HLG将是选购HDR电视的必要条件，其他的，不用再去矣注，也能避免掉坑。