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苹果iPhone X都来凑热闹,HDR为何这么火?

发布时间:2017-10-12 09:16:58  来源:互联网   编辑:贺飞  背景:

  iPhone X的发布,又一次刷新了苹果手机的价格上限,与此同时也带来了诸多崭新的技术,除了Face ID、A11、OLED这些大腕之外,还有一项对于手机屏幕有着质的提升的HDR技术。在此之前,HDR技术已经在彩电行业卷起了一波热浪,几乎成为所有入门级彩电以上的标配功能。从电影院、彩电再到手机,HDR一直都被委以重任,为何这项技术会受到显示行业的热捧?下面我们就来简单聊聊。

  iPhone X同时支持了HDR10和Dolby Vision两种HDR标准,基于OLED面板。这带来的最直观的感觉,就是手机上的画面,更加接近于真实世界的样子。色域覆盖和亮度增加,带来更高的色彩空间,这是除了分辨率提升之外,最赏心悦目的改变了。

  为何HDR显示近两年才火起来?

  HDR真正诞生的时间是2015年,美国消费者技术协会公布了HDR10标准,并提供17.6档的动态范围,但这之前我们在数码相机、手机上早就听闻HDR了。其实“此HDR”非“彼HDR”。数码相机时代的“HDR”是通过算法调光校正不同亮度下的色彩和细节,归根结底还属于SDR的范畴。而真正的HDR有着严格的硬件标准,以及一套完整的工业体系。

  拍摄上需要能记录高动态范围的摄影机、后期处理上又需要HDR算法处理(不同的视频场景还需要不同的参数调整)、传输上需要更大的宽带支持、放映上需要解码支持,以及广色域高亮度硬件的支持。

  显示技术上一切的努力都是围绕还原更接近真实世界的画面而进行。视频技术的发展已经经历了相当漫长的时间,影响视频画质的分辨率、色深(灰度)、帧率、色域空间,都已经有了非常成熟的发展,而唯独亮度动态范围还停留在一个比较基础的水平——SDR时代。

  而行业迫切需求新的色彩空间标准来指导视频和显示技术的发展方向。HDR可以说是随着硬件技术的进步应运而生的,比如亮度可以达到1000nit、色域达到Rec.2020,这都是近些年才广泛发生的硬件革命。

  HDR为何更能接近真实世界的画面?  

  什么样的体验叫做终极视觉体验呢?我们观看电视电影最想获得的是什么样的效果呢?其实不过是再现我们在自然界中体验到的视觉享受罢了。要想用显示设备模拟人眼所观察到的世界,必须具备三个关键的要素:清晰度、亮度动态范围(HDR)、颜色。

  视频技术和显示设备的分辨率最高已经达到了8K,色域也早就到了可以“以假乱真”的地步,可以你却从未惊呼过,电视里的太阳好刺眼。

  真实世界中,最高亮度来源是太阳,可达到10^9cd/m²,最暗的莫过于黑暗中微弱的星光10^-6cd/m²。而人眼系统能捕捉到大动态范围里面的10^5cd/m²,人眼虽看不到整个范围,但有一定适应性,通过瞳孔的放大和缩小来适应不同的亮度动态范围。比如睡前关灯之后的1秒左右,会觉得眼前一片漆黑,但是瞳孔放大之后眼前的一切又逐渐清晰。

  某些高端摄像机可以将10^5cd/m²亮度记录下来,高端的显示设备也能还原出这个亮度,但是视频格式的记录和传输,还是沿用了50年前的SDR的标准,最大只能承载到10^3cd/m²。无法满足人眼视觉系统对于环境光线感知的需求。

  或许你会质疑亮度那么高有什么用,亮瞎眼?然而事实是,亮度和色彩是不可分割的孪生兄弟,它们之间共同构成了一个新的概念“显色体积”。当亮度动态范围和色彩相结合时,就会形成立体的色彩空间。这个立体色彩空间就可称之为“显色体积”,它意味着视频格式能带来多大的色彩数量。如果离开亮度谈色彩,就会变成伪命题。

  举个例子,视频中观看火山喷发和烟火表演,无论视频画质多清晰,总是没办法体验到亲临现场的那种壮阔。原因就在于,虽然视频中有火山喷发和烟火绽放时的准确颜色,可是这个颜色没有在合适的亮度下来展示,比如火山喷发有1500nit,但显示设备最高只有800nit,实际颜色的层次就会大大压缩,从而没办法给到你真实的感受。

  从理论上来看,所有定制颜色编码的方法,无论是BT.709、SDR、HDR,都需要用色域空间×亮度范围,才能变成一个立体的概念,更高亮度宽容度的HDR的显示设备,才能把更极端亮度下的颜色和细节展现清晰。

  HDR10和Dolby Vision有何差异?

  HDR兴起之初一度陷入了格式之争,主流的三种格式包括Dolby Vision、HDR10和HLG。抛开原理不说,三者的区别非常简单,Dolby Vision>HDR10>HLG。三者呈递减关系,越来越简化HDR的制作流程,也更方便于内容制作和目前带宽条件下的传播。从这种“包含”关系来看,格式之争自然不攻儿破,他们都有各自不同的使命。

  当然仔细来看他们的关系也并非如此简单。Dolby Vision和HDR10是同门师兄,属于SMPTE主导的Perceptual Quantizer技术(感知量化),也就是把电信号进行HDR编码转换为光信号。只不过,Dolby Vision的硬件要求更高,HDR10照顾到了更多普通的显示设备。而HLG则是ITU(国际电信联盟)主导的Hybrid Log-Gamma技术,在摄像机内直接完成HDR的编码,将光信号转换成电信号。

  所以不需耗费大量后期工作的HLG广泛运用在电视广播领域,而Dolby Vision和HDR10主要运用在电影、电视剧领域。HLG目前还并非4K蓝光标准的一部分,画质上略逊一筹,但是贵在兼容性极高,甚至在CRT电视上也能呈现HDR的效果,但体验可能不尽人意。

  接下来我们主要看看Dolby Vision和HDR10之间的差异。HDR10相当于低配版的Dolby Vision,为了满足大部分设备的平均性能而做出的妥协产物。而后者在前者的基础上提供了更多的功能,拥有更好的表现效果。从表格中参数对比也可以看出,HDR10不兼容SDR,色深仅有10bit,使用静态元数据,对不同设备性能间的映射能力不足。但是HDR10无授权费,也就有着更低的传播门槛。

  三星、索尼等电视厂商坚持了HDR10的标准,LG、TCL、创维等支持拥有更多功能的Dolby Vision。对Dolby Vision的支持,也就意味着同样支持了HDR10。他们之间的差异在主流设备上而言,并不明显。但是随着显示技术硬件性能的进一步提升,Dolby Vision将会被越来越多的企业采纳。

  HDR与SDR效果实测对比  

  谈了这么多HDR的特点及分类,接下来我们具体的实测一下,看看HDR与SDR之间有多大的差距。(图片上部分为支持HDR10的电视播放HDR10影片的屏摄图,下部分为不支持HDR的电视播放SDR影片的屏摄图)

  从这张《少年派的奇幻漂流》的屏摄图中可以看到,HDR整体的亮度就要高SDR一截,亮度层次更加丰富,也让对应的颜色更加丰富准确。所以HDR的整个画面看上去通透不少,SDR像蒙上一层面纱。

  人物的特写也能够清晰的看出两者差异,HDR对皮肤颜色的描写更加真实,在大逆光下,HDR对画面的宽容度更高,人物脸部皮肤的细节、胡须的细节、衣服的纹理都要强过SDR,而SDR显得密不透风。

  较暗的环境下,HDR更是表现出了亮度高动态范围的实力,天空云朵的层次感,三台逆光下飞机的暗部细节、朝阳的浓郁和生机HDR都明显要更出色。

  从实际的对比来看,HDR的表现效果几乎拥有压倒性的优势。我们可以看到HDR带来的不仅仅只是亮度的提升,而是在更高的亮度范围中,携带有更丰富的色彩层次、灰度层次,以及对比度,这是在SDR时代不曾想象的。

  总结:疲软的显示设备市场需要创造新的消费刺激,HDR无疑是重头戏。然而我们不得不考虑一点,HDR是为内容而生的,这项新技术还面临着内容匮乏的尴尬,而且这种尴尬并不会很快化解,因为内容创作是一次性的,越来越庞大的电视节目库不可能整体升级,可以期待的只是增量,只有新内容可以用更高的技术规格进行制作。

  除了iPhone X之外,还有Apple TV也拥有HDR10和Dolby Vision功能,并且还和最大的好莱坞制片商达成合作,促成它们将更多4K HDR搬到iTunes商店上;各大电视制造商也在积极同视频运营商合作,越来越多的HDR内容将出现在各种视频终端。我们离显示设备上还原真实世界,又近了一步。




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