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你真的瞭解 HDR 嗎?想徹底瞭解 HDR 嗎?

已更新:2022年12月8日

瞭解 PQ HDR 及 HLG



你真的瞭解 HDR 嗎?想徹底瞭解 HDR 嗎?
你真的瞭解 HDR 嗎?想徹底瞭解 HDR 嗎?



HDR(High Dynamic Range 高動態範圍)已成為我們觀看體驗中最受關注的發展之一,它將高解析度(公稱為4K+8K)與高動態範圍(透過PQ - Perceptual Quantize感知量化,或HLG - Hybrid Log-Gamma混合對數Gamma)和廣色域(Wide Colour Gamut Rec2020)相結合。


然而,整個HDR概念的定義仍然很不完善,即使是基礎知識也很難掌握。



HDR

HDR的誕生有些困難,不同的顯示器製造商在HDR10、HDR10+、Dolby Vision和HLG的基礎上,有效的定義了他們自己的HDR規範。


相應的,UHD聯盟已經發佈了所謂明確的(目前)Ultra HD規範,稱為Ultra HD Premium,而Eurofins(歐陸集團)則推出了他們的4K HDR Ultra HD標誌計畫,然而更多的認證標準比比皆是,還有更多的承諾。


除此之外,HDR規格的個別方面可以、且通常是獨立使用。例如,沒有任何東西可阻止具有標準HD、甚至SD解析度的標準色域顯示器(Rec709)與具有高對比的HDR EOTF一起工作。


HDR的問題在於普遍的缺乏對於HDR技術方面的瞭解,及它們對於最終觀看的影像的實際意義。本文著重在一些這樣的問題,並試圖解釋其相關的潛在好處和問題。




PQ & HLG

本文特別著重於PQ和HLG HDR及它們對顯示器校正(Calibration)、影像工作流程、及最終影像觀看體驗的意義。雖然Philips/Technicolor及EclairColor HDR格式,包含在ColourSpace的標準HDR格式選項中,但它們還沒有被廣泛使用,因此在此技術文中將省略,以簡化有助瞭解。


本文涉及的一些問題是:

  • HDR - 不僅僅只是更亮

  • 絕對與相對 – 觀看環境

  • 中繼資料(Metadata) - 為什麼需要它?

  • 基於PQ的HDR - Dolby Vision、HDR10、及HDR10+

  • HLG HDR - BBC

  • HDR - 現實及相關問題

  • WCG - 廣色域

  • UHD - 解析度


注意:PQ HDR定義了HDR10、HDR10+、及Dolby Vision,因為它們都使用相同的目標色彩空間 - Rec2020 Gamut,具有相同的PQ EOTF。因此,所有的校正基本上是相同的。基於HLG的HDR則不同。




HDR – 不僅僅只是更亮

關於HDR的最大困惑是,它並不是試圖讓整個影像更亮,不幸的是,這似乎是一個常見的誤解,但其目的是為光譜高光的細節,提供額外的亮度空間 – 例如:金屬鉻的反射、太陽照射的雲、火、爆炸、燈泡燈絲等。


顯然,在調光過程中,調光師/攝影指導(DoP),及任何其他對於最終影像的樣貌有所參與的人,都可因他們認為適當而自由的使用擴展的亮度範圍。但是,偏離了保持與SDR一致的平均畫面位準的預期應用,將產生意想不到的結果,並被最終的觀看者評估為影像品質差。


必須記住,如果畫面的平均亮度區域很高,許多HDR顯示器無法對輸入訊號的亮度變化,保持線性的輸出亮度回應,只有一小部分螢幕可以有HDR亮度。Eizo CG3145 Prominence是少數能對輸入訊號亮度,保持線性輸出亮度回應的HDR顯示器之一,因為它有效的使用每個像素的背光(Backlight)



HDR - 它對畫面位準的真正含義

以下內容,直接取自ST2084(PQ EOTF)規範。


“此EOTF(ST2084)的目的,是使創建的視訊影像具有更高的亮度範圍;而不是創建整體具有更高亮度位準的視訊影像。為了在具有不同輸出亮度的設備上呈現出一致性,內容中的平均畫面位準(Picture Level)可能會保持與當前的亮度位準相似;亦即中段範圍的場景曝光(Mid-Range Scene Exposure),會產生當前預期的適合視訊或電影的亮度位準。”


基於PQ的ST2084 HDR規範,最初將預期參考白光(公稱為漫射白光Diffuse White)定義為100尼特(Nit)左右,這與SDR(Standard Dynamic Range標準動態範圍)顯示器基本相同,是為母片製作(調光)Grade -1的應用而規定。對於PQ HDR,100尼特以上的亮度預計只用於光譜高光細節。這意味著對於大多數影像來說,PQ HDR顯示器的平均影像位準(APL - Average Picture Level)與SDR顯示器並沒有明顯的區別。


然而,隨後對基於PQ的HDR影像的評估,顯示出在200尼特左右的漫射白光下,可獲得更好的相對影像。此後,它被ITU的BT.2408規範採用(實際上是203尼特),這是全PQ訊號(輸入)位準的58%。


BBC的HLG HDR標準使用75%的訊號(Input Code Value輸入編碼值)範圍作為公稱漫射白光(Nominal Diffuse White),這顯然是一個“輸出尼特變數”值,因為HLG標準是一個“相對”標準,而不是像PQ那樣的“絕對”。這與現有的SDR標準是一致的,在日間觀看時,在較高的亮度峰值位準(Peak Luma Level)上執行峰值白光(Peak White),就像大多數家庭起居室的情況一樣,這是常見做法。


雖然HLG漫射白光的公稱尼特值,會隨著顯示器的峰值亮度而變化,但1000尼特的顯示器,會將漫射白光放在200尼特左右,類似於基於PQ的HDR;而5000尼特的HLG顯示器,則會將漫射白光放在550尼特左右,這取決於系統Gamma(見後面關於HLG系統Gamma的說明)。


因此,現實情況是HDR主要是增加SDR顯示器的現有亮度範圍,因此在影像的明亮區域可看到更多細節,而現有的SDR影像只是直接的剪切(Clip),或衰減(Roll-Off)影像的細節。


下面的長條圖是SDR(標準動態範圍)影像與PQ HDR等效影像之間差異的簡化圖表。


請注意,APL(平均影像位準)在SDR與ST2084 HDR影像之間保持大致一致,只是對比度範圍和鏡面高光位準(Specular Highlight Level)有所增加。


請記住,100尼特和200尼特之間的差異是對數差異,而不是兩倍的亮度,所以實際上是相當小的。



HDR 的範圍

如果瞭解了HDR的這種公稱漫射白光的方法,並在使用額外亮度範圍的基礎上,創造出鏡面高光的影像,HDR的真正潛力就將不難瞭解。



絕對與相對 - PQ 與 HLG

在家裡看電視時,我們已簡單的接受了一件事,那就是我們所設定的電視峰值亮度,以適應放電視的房間內現有觀看環境為主 - 最常見的就是起居室。這顯然忽略了那些擁有真正環境受控制的家庭劇院設置的視訊愛好者,但他們並不是家庭電視觀看的標準。


雖然我們知道並瞭解SDR調光顯示器將被校正為100尼特,但我們也知道它將被安放在一個受控的調光環境中,環境光線很少。SDR對Gamma的相對方法的好處是,電視可簡單的變得更亮,以克服光源不可控制的環境,包括使用不同的Gamma值。


基於PQ的HDR在家庭觀看中經常被忽視的一個潛在問題是,由於該標準是絕對的,沒有辦法增加顯示器的光源輸出,以克服周圍房間的光源位準 - 峰值亮度不能增加,固定的Gamma(EOTF)曲線也不能增加。


因此我們第一個就指出PQ HDR是絕對標準的這個問題點,Dolby公司推出了IQ,作為試圖克服這個問題的方法。


IQ故意打破PQ標準,試圖為更明亮的觀賞環境將影像“增亮”。


如上面所述,在基於PQ的HDR中,平均影像位準(APL)將與普通SDR影像大致相同。其結果是,在不太理想的觀賞環境中,周圍房間的亮度位準相對較高,PQ HDR影像的大部分將顯得非常黑暗,暗部細節可能變得非常難以看到。在漫射白光目標為200尼特、而不是原來的100尼特漫射白光的情況下,這種情況仍然存在。


為了能夠觀看基於PQ的“絕對”HDR影像,環境光源位準必須得到非常仔細的控制。遠遠超過SDR觀賞的要求,這確實意味著需使用一個真正的家庭劇院環境。


或者,PQ EOTF(Gamma)必須被刻意“打破”,以允許更明亮的影像 - 正如Dolby IQ的方式。


為了支持這一說法,基於PQ的HDR觀看所需的平均環境照明位準被指定為5尼特,而對於SDR,它一直被指定為顯示器最大亮度的10%。不幸的是,SDR的環境光照明規格後來也被(錯誤的)改為5尼特。




PQ - 一個絕對標準

將PQ稱為“絕對”標準,意味著對於每個輸入資料位準,都有一個絕對必須遵守的輸出亮度值,沒有改變的空間,例如:改變Gamma曲線(EOTF),或增加顯示器的光源輸出,因為那已經是最大的輸出了。


(此聲明忽略了動態中繼資料,後面會詳細說明)。


下表顯示了一台 1000 nit (cd/m2) 顯示器的PQ EOTF範例:


1000 nit (cd/m2) 顯示器的PQ EOTF範例
1000 nit (cd/m2) 顯示器的PQ EOTF範例

有了基於HLG的相對HDR,這個問題就不那麼嚴重了,因為HDR標準可以與傳統SDR電視完全相同的方式進行縮放,且還包括一個基於環境照度(Surround Illuminance)的系統Gamma變數,專門用於克服環境光源的問題。


但是,儘管如此,如果顯示器的峰值亮度(Peak Luma)低於約1000尼特,基於HLG的HDR也有其自己的問題。因為HDR影像的平均影像位準,會比同等的SDR影像顯得更暗。這是由於公稱漫射白光點,低於設置為200至250尼特的SDR電視的實際峰值亮度,這在家庭觀賞環境中是正常的。


關於PQ和HLG標準的EOTF曲線的更多具體資訊,請見後面。



中繼資料(Metadata)

基於PQ的HDR使用嵌入在訊號中的中繼資料,為接收的顯示器提供關於調光顯示的參數及影像內容的資訊,接收顯示器使用這些資訊來“猜測”其最佳組態以顯示影像內容。


注意:使用“猜測”一詞並不是為了否定,而是因為中繼資料的應用,取決於顯示器的準確校正。不幸的是,目前還沒有真正可行的方法來校正HDR電視。


基於PQ的HDR中繼資料有兩種形式 - 靜態(Static)和動態(Dynamic)。


靜態和動態中繼資料都包括母片製作顯示器的RGB原色的色度座標(Chromaticity Coordinate)、白點色度(White Point Chromaticity)、及最小/最大亮度(MinDML & MaxDML)。它還包括最大影格平均亮度(Max Frame-Average Light Level - MaxFALL),及最大內容亮度(Max Content Light Level - MaxCLL),前者是給定程式/序列中最高的影格平均亮度,後者定義了最亮像素的亮度。


靜態中繼資料,正如你所想的那樣,在節目的整個持續時間內使用相同的值,而動態中繼資料則根據需要經常變化 - 可能以逐著影格為基礎。


HDR10使用靜態中繼資料,而Dolby Vision和HDR10+則使用動態中繼資料


中繼資料 - 是否真的需要?

真正需要中繼資料的原因只有一個 - 當HDR被導入時,沒有電視可匹配母片製作/調光顯示器的亮度峰值及色域覆蓋,尤其是是亮度峰值。由於基於PQ的HDR的“絕對”性質,沒有與母片製作示器相同的亮度峰值是一個問題,因為影像會被裁切(Clip)。為了克服這個問題,導入了中繼資料,允許HDR電視重新映射影像內容,以試圖克服其較差的能力 - 對EOTF/Gamma曲線套用Tone Map衰減(Roll-Off)。


這種動態中繼資料是如何產生,也有助於定義它的播放方式,有助於瞭解整體的方法。


但現實情況的是,使用中繼資料只是扭曲了導演和調光師的意圖,可能會失去色彩調光所產生的預期情緒反應。


請參閱後面的HDR - 現實及相關問題。


中繼資料的生成和應用

在調光/母片製作過程中產生中繼資料的基本方法是,首先在專業的HDR顯示器上對HDR內容進行調光,沒有任何形式的衰減(Roll-Off)/色調(Tone)映射(Mapping),使用最高的亮度和色域(公稱是P3色域,在1000到4000尼特之間)。然後,HDR調光過的鏡頭,會透過一個分析系統,將HDR影像重新映射(Re-Map)為SDR,試圖保持原來的HDR原意,添加動態中繼資料來定義HDR原始版本和SDR版本之間的變化。通常,調光師會協助進行“修剪(Trim)”過程的調光,以幫助保持原來的藝術原意。


透過這種方式,中繼資料描述了從HDR母片到SDR版本的“調光”變化。


有了這個中繼資料,當HDR素材在峰值亮度和/或色域小於原始母片顯示器的HDR顯示器上播放時,顯示器會使用動態中繼資料,根據電視的播放能力,將素材重新映射至SDR調光及全HDR調光之間。


而問題是,很少有家用電視能準確的套用正確的映射,這嚴重扭曲了鏡頭的原始藝術意圖。


然而,許多家用電視現在已接近於匹配調光顯示器的峰值亮度和色域能力,尤其是大多數HDR母片是在1000至2000尼特的顯示器上調光,這使得對中繼資料的要求,成為未來一個有趣的問題。如果觀看的電視能夠與調光顯示器相匹配,為什麼還需要中繼資料?答案是,不需要...


而非基於PQ的HDR,如:HLG,並不需要中繼資料,這是使用基於相對HDR標準,而不是絕對HDR標準的主要區別之一。




HDR 顯示器校正的比較

瞭解上述關於需要或不需要中繼資料之後,為如何比較不同的HDR顯示,帶來了一個有趣的想法。


假設現代的HDR顯示器,都能達到一個給定的最小峰值亮度,例如:1000尼特,一個HDR訊號源母片製作為1000尼特,使用的色域在90% P3的UHD規格範圍內,應該不會在播放顯示器中觸發任何基於“中繼資料”的處理(色調映射/退減),就可直接比較不同顯示器的基本校正精度。


從此第一次的比較中,再將相同的顯示器比較不同的來源素材,這將是一個相對簡單的額外步驟,這些來源素材的母片製作為2000+尼特,具完整的P3色域,使顯示器的色調映射/衰減可各自單獨比較。


基於這一概念,ColourSpace有一個子空間(Sub-Space)的能力,例如:讓P3在Rec2020容器中進行剖析(Profiled)。


注意:使用中繼資料的另一個潛在原因是,讓接收電視瞭解它應該使用雙串流HDR影像串流的哪一部分。有這種形式的中繼資料的HDR,使用雙層影像串流,一個是SDR的基礎層、一個是HDR和WCG的增強層。不瞭解HDR的SDR電視只使用基礎層,而相容HDR的電視則可將基礎層與增強層結合起來。但這種中繼資料對顯示器的影像色度測量(Colourimetry)及校正沒有影響。




PQ HDR - Dolby Vision、HRD10 和 HDR10+

ST2084為基於PQ的Dolby Vision、HDR10和HDR10+等HDR格式,定義了EOTF(Gamma)。


PQ HDR是基於具有10,000尼特最大亮度能力的理論“參考”顯示器,所有“現實世界”的顯示器都參照這個理論顯示器,並具有如下的Gamma曲線(Electro Optical Transfer Function – EOTF 電子光學傳輸函數)。


HDR ST2084 EOTF

如果你將它與標準的Rec709 Gamma曲線相比較,差異是顯而易見的,要記住HDR的範圍是10,000尼特,而SDR的範圍則是100尼特。


Rec709 EOTF

注意:由於基於PQ的HDR是一個“絕對”標準,基於10,000尼特的峰值亮度,而Rec709是一個相對標準,沒有設定峰值亮度值,實際上很難直接比較Gamma(EOTF)曲線。最接近的方法是將Rec709的峰值亮度值與1000尼特的ST2084顯示器進行比較,如下所示。


Rec709 EOTF @ Various Peak Luma Values

有趣的是,這顯示了與基於Rec709的顯示器校正相比,基於PQ的HDR在暗部中是多麼的“暗”,特別是當Rec709顯示器的亮度峰值被提高時。這是基於PQ的HDR的主要問題之一 - 整體畫面亮度比大多數家庭使用者所習慣的要低很多,使得在正常明亮的客廳環境中觀看非常困難。這就是為什麼PQ HDR的公稱漫射白光被調整為約200尼特的部分原因,在後面的觀看環境考慮的部分做進一步的討論。


對於PQ HDR,不同的顯示器會有不同的峰值亮度位準,因此需要修改EOTF曲線的裁切點(Clipping Point),例如:Dolby的4000 nit Pulsar顯示器,它需要的HDR Gamma曲線的峰值是在PQ標準的90%左右。


注意:只有裁切點不同,曲線是絕對的,所以保持一致 - 見本節的第四張圖。


HDR EOTF 4000 Nits

SONY的BVM-X300顯示器需要一個峰值為PQ標準75%的EOTF,因為BVM-X300顯示器的峰值為1,000尼特,而PQ標準的最高值為10,000尼特。


HDR EOTF 1000 Nits

而下面的PQ HDR EOTF曲線,透過比較顯示了100 Nit顯示器的顯示效果。