HDR技術及標準發展情況
高動態範圍（HDR ）技術已經成為電視領域繼4K 之後的又一關注焦點，2016 年或將成為HDR 標準化與產業化的一年。今天推出的文章由2016 年國際消費電子展HDR 電視新品切入，介紹了HDR 產業發展概況及技術特點，認為標準化已成為HDR 發展亟需解決的問題。在此基礎上，對HDR 的標準化現狀進行了梳理和總結，並探討了HDR 技術的發展前景。敬請閱讀！圖片為精研總部剛剛入手在美國已經發售的瘋狂麥斯憤怒道的4K藍光片
HDR 技術及標準發展情況惠慧，朱穎瑛，朱林林，何大治（上海交通大學未來媒體網絡協同創新中心，數字電視國家工程研究中心）
在今年的國際消費電子展（CES 2016 ）上，HDR 成為電視領域繼4K 之後的又一關注焦點。各大整機廠商希望繼4K 之後迅速找到新的銷售點，因此LG 、三星、索尼三家知名電視廠商均展示了支持HDR 顯示的電視新品，包括LG 的SIGNATURE 4K OLED 系列、索尼的X9300D 系列以及三星的無邊框量子點SUHD 電視等。國內廠商TCL 也推出了一款型號為X1 的QUHD 新品電視，採用了杜比公司最新的HDR 技術，同樣支持HDR 顯示。毫無疑問，在未來這一年中，HDR 將成為電視行業的熱門關鍵詞和發展趨勢，開始走入大眾的視野。
1 CES 2016 主要HDR電視概覽今年的CES 上，除了VR 引起了很大的關注，在視頻領域，新型HDR 電視成為各大廠商重點推薦的新產品。HDR 相較普通的高清、超高清電視呈現了更加明亮、更加清晰、更加真實的畫面，吸引了大批參觀者駐足體驗。下文將介紹目前較具代表性的幾款HDR 電視產品。
1.1 索尼：X9300D系列和X8500D系列X9300D 系列電視搭載基於“動態背光系統- 精英版”的全新網陣式背光照射結構，最高亮度可達4 000 nit （1 nit =1 cd/m2 ），可呈現更細膩的色彩和更為生動的明暗對比效果。此外，在機身外形上，X9300D 具備纖薄掛壁效果，掛壁後距離牆面僅36.7 mm 。該款電視已於2016 年初首先在中國預售，其中55 in （1 in=2.54 cm ）售價RMB 14 999 元，65 in 售價RMB 21 999 元。X8500D 系列電視定位中高端，採用了4K 處理芯片X1 、4K 迅銳圖像處理引擎PRO 以及特麗魅彩顯示技術，從而能更好地呈現HDR 畫面細節。該系列同樣擁有55 in 和65 in 兩個尺寸，售價分別為RMB 8 999 元與RMB 15 999 元。
1.2 LG ：Signature系列、G6系列和E6系列LG 於CES 2016 發布了數款HDR 4K OLED 電視。這些電視機型採用Dolby Vision 技術，支持下一代廣播傳輸標準BT.2020 ，搭載LG 最新的Web OS3.0 智能電視系統。在外觀上，採用“ Picture-on-Glass ”設計，厚度僅為2.57 mm 。目前這批新款電視的定價和開售日期尚未公佈。
1.3 三星：量子點SUHD系列三星2016 年發布的新一代SUHD 系列電視在保留曲面4K 屏的基礎上新增了HDR 功能。其屏幕採用了10 bit 量子點技術，亮度可達1 000 nit 。該系列電視搭載Tizen 操作系統，內置IoT HUB 技術，擁有49~88 in 的5 款機型，尚未公佈售價和上市日期。
2 HDR 概況HDR ，全稱High Dynamic Range ，即高動態範圍。通俗來說，HDR 可以拓展顯示的亮度範圍，展現更多的亮部和暗部細節，為畫面帶來更豐富的色彩和更生動自然的細節表現，從而使得電視畫面更接近人眼所見。如果說4K 分辨率是對像素數量的一次提升，那麼HDR 顯示技術則是對像素質量的一次升級。相較於4K 分辨率，HDR 技術所帶來的視覺震撼更為明顯。無論屏幕尺寸如何、觀影距離多少，其對畫質的提升效果都是顯而易見的。
目前，4K 分辨率已然成為各大電視機廠商旗艦產品的標配，而HDR 作為超高清下一步的發展方向也成為了終端製造領域的新寵。近幾個月來，業內多次超高清廣播測試使用了4K HDR 標準的內容。CES 2016 上，LG 與三星均採用ATSC 3.0 標准進行了4K HDR 的廣播演示。除此之外，HDR 的內容製作也開始湧現。在線視頻領域，流媒體巨頭亞馬遜已經率先於2015 年6 月推出了首部4K HDR 劇集《叢林中的莫扎特》，而Netflix 也已經將其自製劇《馬可波羅》轉製成了支持HDR 顯示的格式。可以預見，2016 年，或將成為HDR 標準化與產業化的一年。
3 HDR 技術介紹HDR 概念中的“動態範圍”，是指一個圖像中最亮處和最暗處之間的比值。人眼所能感受的亮度範圍約為10-3~106 nit ，所能感受的瞬時對比度範圍可達10 000 ∶ 1 ，而目前消費級液晶顯示器的亮度一般在300~400 nit 左右，其亮度範圍一般為2 000 ∶ 1 。可見，人眼的亮度分辨能力遠高於當前主流的顯示設備。而HDR 顯示技術就是要提升顯示的亮度範圍，在使得顯示亮度更亮的同時，又讓呈現的黑色更黑。目前顯示器對比度的限制是由1990 年發布的ITU BT.709 標準決定的。為了達到最佳的觀看效果，該標準中的電光轉換函數（EOTF ）是以過去CRT 顯示器的特性為基礎設定的。但CRT 顯示器的亮度一般不超過100 nit ，對於現在亮度可達400 nit 甚至1 000 nit 的顯示器而言，BT.709 標準已經束縛了最佳顯示效果的呈現。因此，當前不少廣播電視界的機構組織均提出了新的HDR 顯示技術，以實現更高動態範圍的顯示。HDR 顯示技術的關鍵是電信號與光信號之間的轉換規則，即對於電光轉換函數（EOTF ）和光電轉換函數（OETF ）的定義。要對CRT 時代的伽馬曲線進行替代，目前有兩種新的轉換方案：1 ）Dobly Vision 的HDR 方案，該方案由杜比實驗室提出，採用感知量化編碼（Perceptual Quantizer ，PQ ），可採用12 bit 色彩深度實現107 高動態範圍，其亮度範圍達到10-3~104 nit 。2 ）對數伽馬分佈（Hybrid Log Gamma ，HLG ），該方案由BBC 和NHK 聯合研發，HLG 方案通過兩種不同的方式來分別對HDR 信號當中所包含的高光和低光部分進行解碼。然而，不同的HDR 技術需要相對應的顯示設備進行解碼調整。一個能夠顯示Dobly Vision HDR 格式內容的電視機，未必就能顯示BBC 製作的HDR 內容。這就給HDR 技術的大規模推廣帶來一些阻礙。因此，在技術條件已經具備的情況下，標準化已經成為HDR 發展亟需解決的問題。
4 HDR 標準化情況當前，世界各地的行業標準組織都已經投入到HDR 標準的製定工作中來。美國電影電視工程師協會（SMPTE ）於2015 年3 月率先公佈了電光轉換函數標準SMPTE ST 2084 ，採納了Dolby vision 的PQ 曲線。而這一標準又被其他行業組織採納為自身標準體系的電光轉換標準。
4.1 藍光光碟協會（BDA）BDA 致力於製定超高清藍光系列標準。2015 年5 月12 日，BDA 宣布完成Ultra-HD Blu-ray 標準和商標。該標準將包括4K 3 840 × 2 160 像素的分辨率、廣色域（提升到BT.2020 標準）、高幀速率（60 f/s ）等，將從2015 年8 月24 日開始授權。此外，該標準將支持開放HDR ，使用10 bit HEVC 編碼和SMPTE ST 2084 標準，同時準備採用Dolby Vision 和Philip 建議作為選項。BDA 也會將10 bit 編碼和寬色域用於目前的SDR 內容。
4.2 美國消費電子協會（CEA）2015 年8 月，CEA 初步起草了關於電視和顯示器行業產品支持HDR 技術的內容，對“兼容HDR 顯示器”進行了定義。其中包括：在電視、顯示器或者投影機中，至少有一個接口，可以支持HDR 技術，而且要符合數字電視規範文件CEA-861-F 以及未經壓縮視頻規範CEA-861.3 文件中的規定。另外，還要支持HDR10 媒體傳輸標準，比如可以通過IPTV 的方式播放HDR 視頻，或者通過HDMI 接口傳輸HDR 視頻。
HDR10 媒體檔次需支持如下內容：符合SMPET ST 2084 電光轉換標準；色採樣4 ∶ 2 ∶ 0 ；比特深度10 bit ；彩色空間符合BT.2020 ；支持元數據SMPTE ST 2086 ）。
4.3 超高清聯盟（UHD Alliance）在今年初的CES 2016 上，超高清聯盟發布了4K/HDR 認證標識“ Ultra HD Premium ”。其要求設備分辨率達到3 820 × 2 160 ，色深達到10 bit ，支持BT.2020 色域信號輸入，顯示覆蓋90% 以上DCI-P3 色域空間。在HDR 顯示方面，該標準要求符合SMPTE ST2084 電光轉換標準；峰值亮度與黑位達到其中一項：1 ）亮度1 000 nit 以上/ 黑位低於0.05 nit （主要針對LCD 顯示器）；2 ）亮度540 nit 以上/ 黑位低於0.000 5 nit （主要針對OLED 顯示器）。
此外，根據SMPTE 研究小組2015 年9 月發布的《HDR 影像生態系統》（High-Dynamic-Range Imaging Ecosystem ）報告，其他組織有關HDR 標準制定的計劃如下：
1 ）ATSC 正在考慮將傳輸HDR 內容加入ATSC3.0 地面廣播標準；2 ）SCTE （有線與通信工程協會）開始研究未來HDR 有線傳輸；3 ）MPEG 正在評估HDR 的影響，考慮是否需要調整HEVC 壓縮標準中的各種工具，HDR 內容的流媒體傳輸也有待定義；4 ）日本ARIB 發布了一個光電轉換函數（OETF ）的標準（ARIB STD-B67 ）；5 ）NHK 已宣布傳輸HDR WCG 圖像的時間表；6 ）歐洲DVB 正積極尋求家庭傳輸HDR 的可能選項；7 ）ITU-R SG-6 形成了有關HDR 電視系統的Rapporteur Group (RG24) Recommendations 。
5 HDR 發展前景HDR 並非一個孤立的技術，而是超高清電視整體規劃中的一部分。與HDR 的高亮度範圍顯示同步到來的，還將是更高的色彩深度以及更大的色彩空間範圍。色彩深度越高，可支持的顏色也越多。色彩深度的增加不僅僅增加了圖像的灰度值，也使得同一色系的視覺過渡更為平滑，避免了在表現漸變色彩時出現明顯的分層。而新一代的超高清規範ITU BT.2020 所規定的色彩範圍，也將比BT.709 多70% ，尤其在綠、黃、青3 個高亮度區域有顯著的擴大（如圖1 所示） 。在現在已經發布的HDR 標準中，均對色彩深度和色彩空間作出了相應的規定。這些參數提升共同帶來了“更好的像素”顯示。
圖1 BT.2020 與BT.709 色域比較http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/9kySIwBeGl2HmSQhdrv28WARVoTfE6Khz5gQ5cUGCDsHrvj8RzmowyZdWmkUd7iaIHianLOnl5A4m6H7b7yyVQxg/0?wx_fmt=png
HDR 技術將被加入到4K 甚至8K 電視之中，將“更好的像素”與“更多的像素”結合，重新定義電視畫面。據IHS 預測，2019 年，符合超高清聯盟驗收標準的HDR 電視的出貨量有望從2016 年的290 萬台激增至3 260 萬台（如圖2 所示）。在其最新的歐洲超高清市場預測中，IHS 表示，預計今年二季度，HDR 電視會進入市場銷售，到2017 年銷量將有明顯提升，而到2019 年，HDR 機型將佔據超高清電視銷售總量的38% 。此外，ABI Research 也預測，到2020 年，將有70% 的4K 超高清電視機將支持高動態範圍（HDR ）、更廣色域、高幀頻和沈浸式音頻等新技術。
圖2 IHS ：HDR 電視出貨量預測（截圖）http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/9kySIwBeGl2HmSQhdrv28WARVoTfE6Kh9j5avbIubO5tDuXo1QEkvTVfAoDLMza7eYibiaYA604ic6WTNVtiaCnz4g/0?wx_fmt=png
相較於VR 等新興業務對普通消費使用習慣帶來的衝擊，HDR 與超高清一樣，具有更加“平易近人”的特性，在經過由標清、高清、超高清的清晰度升級之後，技術研發和廠家開始關注更高的收視質量，以達到真正的沉浸式、臨場感收視體驗。因此基於技術的突破性優勢、迅速的標準化進度以及HDR 電視終端的市場發展趨勢，未來HDR 電視將在市場上迎來快速發展的時期。 關於站長大人的這篇文章，我先轉貼本人去年10月下旬回覆Popo0121版主大人的一段文字：
剛剛在IMDB查了一下版主大人提供的這個片單，不幸的是只有舞力麥克：尺度極限XXL的電影院版本是採用4K規格進行後製，也就是說只有這一部有4K版本，其他的應該都只是由原本的2K版本upscale出來。我比較好奇的是，4K藍光的規格除了object-based的多聲道3D音效(immersive sound)以外，影像上也將採用高動態範圍(High Dynamic Range，簡稱HDR)調校。但是根據The Hollywood Reporter(THR)前兩天的報導，不但多聲道3D音效還沒有標準規格，HDR似乎也沒有。THR報導提到，美國電影電視工程師協會(Society of Motion Picture and Television Engineers，後面簡稱SMPTE)在本週一提出了一份長達50頁的HDR研究報告，THR這則報導的標題是SMPTE Releases High Dynamic Range Report, Aims To Sidestep Format War，意思是SMPET發表HDR報告意圖給(可能引發的)規格戰下台階，從報導內容看來，HDR也還沒有一個標準格式，至少還沒有可以讓美國影視界得以全面遵循的標準，THR報導中提到了至少包括亮度等級(brightness levels)、壓縮(compression)...等，都還沒有一個標準。我很好奇，華納目前提供的這份片單幾乎都是upscale版本，等到HDR的標準規格制訂完成後，華納是否還要重新再依照HDR新標準upscale一次。4K藍光還無法在年底前上市，或許HDR是其中一個原因。
關於HDR的部份，由於專業程度已超越本人的理解，以下是The Hollywood Reporter相關報導的網路連結，有興趣的朋友請自行前往閱讀。
http://www.hollywoodreporter.com/behind-screen/smpte-releases-high-dynamic-range-834812
至於SMPTE週一提出的50頁報告，以下是SMPTE的官網連結，在Study Group Report: High-Dynamic-Range (HDR) Imaging Ecosystem這一篇下方可以看到下載(download)連結，有興趣的朋友點選後可以下載這50頁報告自行閱讀了解。
https://www.smpte.org/standards/reports
所以，站長大人在HDR標準化中提到的這段文字『美國電影電視工程師協會（SMPTE ）於2015 年3 月率先公佈了電光轉換函數標準SMPTE ST 2084 ，採納了Dolby vision 的PQ 曲線。』就出現兩個問題。首先，根據站長大人的引述，這是去年3月的事，而我在前面轉貼提到的則是去年10月下旬的SMPTE研究報告，研究報告指出HDR還沒有標準化。其次，那就是我前兩年提過好幾次，杜比視界(Dolby Vision)的主要成份是HDR，但是還有其他秘密成份、包括杜比公司前幾年陸續從包括柯達在內的幾家公司買來的專利，也就是說HDR與杜比視界並不完全相同。所以，理論上，搭載HDR的顯示器不一定能夠完全重現使用杜比視界後製的畫面、星際大戰：原力覺醒(Star Wars：The Force Awakens，2015)就是採用杜比視界後製畫面，但是使用HDR後製的畫面在搭載杜比視界的顯示器上有可能表現會更好。
另外，SMPTE原本預定今年初會完成object-based的多聲道3D音效(immersive sound)標準規格，可惜目前仍然沒有進一步的消息，這也就是DTS:X已經推出一年多，但僅7張BD有搭載DTS:X音效，而其中只有派拉蒙的大賣空(The Big Short，2015)與家有兩個爸(Daddy's Home，2015)是好萊塢六大的電影，而這兩部的共同點就是：都不是大製作(製作成本分別是2800以及5000萬美元)，兩片原本都只有channel-based的音效(葉問3也是一樣)。而目前的7張BD中，大賣空與Ex Machina都是劇情片，屬於喜劇片的家有兩個爸應該也不會有什麼大場面可以測試DTS:X的音效。
最後，星際大戰：原力覺醒不但使用杜比視界後製畫面，音效也採用杜比全景聲(Dolby Atmos)後製，即將發行的BD只有DTS HD 7.1，畫面顯然也沒有用到杜比擁有專利的杜比視界，下一代UHD BD可能還有很長的一段觀望與觀察期。
就目前洩漏出的檔案來觀察，ST-2084 的 Metadata 已經能被大部分的軟硬體識別，相信之後會迅速的普及
至於 Dolby Vision 雖然 ST-2084 的 PQ Curve 與其相同，但現在一般軟體還是無法識別期任何相關資訊
目前所知的答案是如果需要使用 Dolby Vision 做製作發行，相關檔案還是需要送至 Dolby 公司去做處裡，無法像 ST-2084 於一般軟體就可進行處裡
雖然站長引述的文章中敘述『美國電影電視工程師協會（SMPTE ）於2015 年3 月率先公佈了電光轉換函數標準SMPTE ST 2084 ，採納了Dolby vision 的PQ 曲線。』，但需要強調的是兩者的 OETF 雖然相同，但是其中還又更深層的 Metadata 使兩這有更大的差別
個人相信相關的 Dolby Vision 隱藏的 Metadata 有機會是像 ST-2084 的 Master Display、MaxCll、MaxFall 之類的色域轉換及亮度對換之類的資訊
而至於 HLG (arib-std-b67) 個人覺得相關市場應該已經被另外兩者邊緣化了，未來應該只能慢慢淡出市場
可以預期未來的電視、投影機中高階機種 HDR 應該會成為標配，而初階機種可能會以搭載轉換晶片降轉 HDR 的 方式來做因應 市場發展越來越快！
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