HDR 显示技术在小点间距LED 显示屏上的应用分析

宁喜峰

（厦门一视科技有限公司，福建 厦门 361028）

HDR 技术兴起于广电行业，全称是High-Dynamic Range，即高动态范围图像技术，最早应用在摄影，因4K显示时代的到来，现已经扩展到手机拍照和4K 电视机，在小点间距LED显示屏上的应用目前还是一个相对滞后状态。本文主要针对HDR 显示技术在小点间距LED 显示屏上的应用技术展开分析。小点间距LED 显示屏HDR 具有色彩鲜艳、图像清晰、亮度高、能够根据场地任意变化显示区域的优势特点，通常被应用于室内会议、展厅、报告厅、舞台背景等，有效地提高观看者观看图像的效果和体验。

1 HDR 显示技术的标准

HDR 的三大标准为 HLG（Hybrid Log Gamma）、HDR10、Dolby Vision，如图1 所示。

图1 HDR 的三大标准

HLG 的全称是Hybrid Log Gamma，是由英国BBC 和日本NHK 电视台联合开发的高动态范围HDR 的一个标准。

HDR10 为2015 年美国消费电子协会公布的HDR10 媒体档案，俗称HDR10，使用建议2020 色彩空间、Perceptual Quantizer（PQ）和10 位的位深度。HDR10 是由各种各样的公司所支持的。

Dolby Vision（中文名：杜比视界）是美国杜比实验室推出的影像画质技术，通过提升亮度、扩展动态范围来提升影像效果。它可以提升视频信号保真度，从而让图像的无论从亮度、色彩还是对比度角度看都非常逼真。

2 三大标准差异比较

从推广普及程度来说，HLG 是最广泛、推广成本最低、接受度最高的。HDR10 次之，Dolby Vision 最高端，不是一般用户能接触到的，而且需要授权才能使用。从技术角度来说，HLG 的输出不带元素据，其编码值是相对值，按照百分比进行。能后向兼容SDR，最大照度值=显示设备的技术指标，因此HLG 可以根据不同的显示设备显示出不同程度的HDR 效果，具备自适应性能。相比HDR10，它的画面即使在现有的SDR 显示设备上，也能呈现得更加艳丽动人。HDR10 和 Dolby Vision 都是 Perceptual Quantizer（ 也称SMTPE ST2084）绝对值显示，PQ 的输出带元数据，其编码值是绝对亮度值，其输出可以有很多版本，比如500 nit、1 000 nit、2 000 nit 等。如果显示设备没有达到输出版本的亮度要求，则高亮部分会被切掉。

3 HDR 生态链

无论是HLG 也好，Dolby Vision 也罢，都是致力于再造拍摄→后期→母版制作→传输→显示这样一个端到端的生态环境，来保留和重现视频中更亮和更丰富的色彩像素，从而让人眼从显示端上看到视频的时候，能够感觉到图像效果的提升，也就是所说的HDR 全流程制作，如图2 所示。

在这个全流程制作推广过程中，前4 个环节都有影片公司或传媒公司完成，同时前面4 个部分所投入的成本也是非常高的，高投入的制作片源，只有得到商业普及，才能实现其价值。要商业普及势必就要实现显示端的易实现且成本被接受，显示端根据普及方向简单的分为3 种形态：投影机、液晶电视、LED 屏。相比于投影机和液晶电视，小点间距LED 屏HDR 显示这个平台实现就相对复杂，需要进行HDR解码→编码→发送→接收→驱动的过程。在这个过程中，要保留和重现视频中更亮和更丰富的色彩像素，给系统方案带来了巨大的挑战。

图2 HDR 全流程制作

4 HDR 技术在小点间距LED 显示屏上的显示应用

4.1 小点间距LED 屏系统连线

常用小点间距的LED 屏灯珠点间距为1.875 mm、1.667 mm、1.5 mm、1.2 mm 等，因为灯珠点间距变小使每个箱体的灯珠数量成倍增加，这需要更多的接收卡来驱动一个常规箱体上的LED 灯珠，一箱体两卡、三卡甚至四卡（接收卡）。同时LED 系统控制软件中的刷屏也不同于常规刷屏的任意连线方式（如图3 所示），因为每条网线只能带载65 万像素点，这样只能竖向垂直走线（如图4 所示），才能解决单条网线带宽问题。由图3 和图4 网络连线可以看出，同样物理面积的LED 显示屏，普通LED 屏使用了3 条网线，小点间距LED 则使用了5 条网线来带载，而且是单一的竖向走线。

图3 常规LED 屏的S 走线

图4 小点间距LED 屏的竖向走线

4.2 LED 屏HDR 显示的实现方式

LED 屏的HDR 实现方法目前有2 种：用支持HDR 功能的视频处理器实现HDR 效果显示、用支持HDR 功能的发送卡实现HDR 效果显示。目前这2 种方式都有在使用，以下详细分析这2 种解决方法。

用支持HDR 功能的视频处理器实现LED 屏HDR 显示效果如图5 所示，根据HDR 生态链的要求，首先需要HDR视频源，无论是何种HDR 标准，片源是必须的。HDR 片源进入视频处理器，视频处理器将HDR 片源解码。目前HDR片源绝大部分都是4K 视频，视频处理器解码完成后，需要再做画面分割，将画面分割为多个拼接画面。拼接画面输出给发送卡，发送卡经过编码后传输到接收卡，接收卡解码驱动LED 屏幕。这个方法是视频处理器完成HDR 视频解码和处理，发送卡系统只负责编码传输显示，这样HDR 显示的重点就在视频处理器上。

用支持HDR 功能的发送卡实现LED 屏HDR 显示效果如图6 所示，HDR 视频源直接给到发送卡系统，发送卡进行HDR 片源解码，经过视频解码后，再次重新编码，编码方式有特殊标记为HDR 视频编码，带有特殊标记的编码数据传输给接收卡，接收卡接到数据，根据特殊标记的编码数据使用HDR 的方式驱动LED 显示，这种HDR 显示方式的实现是用发送卡和接收卡共同完成。

图5 用支持HDR 功能的视频处理器实现LED 屏HDR 显示效果

图6 用支持HDR 功能的发送卡实现LED 屏HDR 显示效果

4.3 LED 屏HDR 显示视频处理器实现方式

视频处理器实现LED 屏HDR 显示效果重点在于视频处理器实现HDR视频解码，将HDR视频解析后再次编码输出，其编码值是相对值，按照百分比将色域、亮度、对比度变为一个相对值给到发送卡和接收卡。在这个过程中，不需要对发送卡和接收卡做任何特殊设置，发送卡和接收卡以及LED显示屏作为被动显示部分，只负责编码解码显示。这种方式像极了HDR 的HLG 的标准方式，可以根据不同的显示设备显示出不同程度的HDR 效果，具备自适应性能。在推广过程中，这种方式给用户带来了极大的便利性，简单易实现，LED 系统兼容性好，不论哪种LED 发送卡系统都适用，普通的发送卡和接收卡便可以实现HDR 显示效果，从而提升LED 显示屏的观看显示质量。

4.4 LED 屏HDR 显示发送卡实现方式

发送卡实现LED 屏HDR 效果显示是由发送卡和接收卡共同完成，市面上的几家主流发送卡厂家的实现方案略有不同。方案之一是由发送卡接收到视频，根据视频协议来判断HDR 和SDR 以及HDR 标准分析；根据HDR 视频标准，做相应解码和编码，编码给接收卡的时候，增加HDR 特殊视频的处理方式，接收卡收到发送卡过来的数据时，按着HDR的视频数据来驱动LED 屏显示。首先需要发送卡和接收卡都支持HDR 功能，即在LED 屏厂做系统显示时，要购买对应的硬件和软件。这个方式的实现方式和HDR10 和Dolby Vision 标准很相似，其编码解码的色域、亮度、对比度数值都是绝对值。

5 结论

综上所述，在当前LED 显示屏的HDR 显示应用中，采用HDR 视频处理器的优势在于普通发送卡系统也可以实现HDR 效果，支持HDR 视频也支持SDR 视频，显示效果可以根据视频片源来选择。采用HDR 发送卡和接收卡的方式，针对HDR 显示效果会更好，但不能兼容SDR 视频，播放SDR 视频色彩偏差就会很大。这2 种方式在市场上都认可，使用HDR 视频处理器实现HDR 效果的案例会比较多，是因为在项目投标、项目成本核算、项目施工方案、后期维护、客户的临时需求等诸多可变因素中，有很多的可控因素，可以通过增加HDR 视频处理器，来对旧项目改造实现HDR效果；增加HDR 视频处理器，来对客户临时需求HDR 视频进行播放显示等，通过HDR 视频处理器来应对项目的可变因素。