前言

不知道從什么時候起，商場里的電視機、顯示器，以及手機視頻軟件在播放視頻影像時，都開始出現“HDR”的字樣。最初，大家對于這個概念還比較陌生。然而，時至今日，大多數消費者看到時會心一笑——這個是提升我觀看體驗的一種新技術，能讓我看清更多圖像細節。然后會在條件允許的情況下選擇HDR模式，以體驗更棒的視覺效果。

技術的推廣，往往就是這樣”潤物細無聲“，我們今天科普的主題就是剛剛提到的另一位熟悉的陌生人——HDR。

認識HDR

定義

HDR(High-Dynamic Range)高動態范圍技術是一種在圖像處理和顯示領域中常用的技術，旨在提供更廣泛的亮度范圍和更豐富的色彩細節。它通過在圖像中捕捉和顯示更多的亮度級別來提高圖像的質量。提高了圖像和視頻的質量和逼真度，在攝影、顯示和娛樂領域得到廣泛應用。

與SDR的對比

傳統的標準動態范圍（SDR）圖像通常具有相對較低的亮度級別（通常為8位），限制了它們能夠顯示的細節和色彩范圍。相比之下，HDR圖像使用更高的亮度級別（通常為10位、12位或更高），可以顯示更多的細節和更豐富的色彩。

在攝影領域，使用HDR技術可以通過在多個曝光下拍攝同一場景，并將這些曝光合并在一起，從而捕捉到更廣泛的亮度范圍。這樣可以在照片中還原出細節豐富的陰影區域和高亮區域，使圖像更加真實和生動。

在顯示技術中，HDR可以提供更好的視覺體驗。高動態范圍顯示器能夠顯示更高的亮度和對比度，以及更豐富的色彩范圍。這使得影片、游戲和其他圖像內容能夠以更真實的方式展示，更好地逼近人眼所能感知的亮度和顏色。

如果從技術參數的角度而言，就是相較于SDR而言，HDR技術能提供更寬廣的色域、更深的色深以及更寬的亮度范圍（在實際情況下，顯示屏的峰值亮度能體現其亮度范圍）

概念描述

那么接下來我們就一起來了解一下，影像HDR功能的哪些參數究竟是什么含義？具體的概念是什么。

色域

色域（ color space），也稱色彩空間，是描述顏色范圍的一個概念。通俗描述，如果把色域看成一條過渡絲滑彩帶，這條彩帶能展現的顏色范圍就是色域的概念。

我們用 CIE 1931 色彩空間色度圖來表示人類所能看到的所有色彩。對比HDR的常見色域BT-2020（也稱Rec-2020），美國國家電視標準委員會在 1953 年訂制的NTSC色域，以及SDR常用的色域REC-709（也稱sRGB），可以看出BT-2020色域面積明顯要比其它大，所以HDR技術下的影像能展示的色彩豐富度會比較高。

色深

色深（ color depth），是描述顏色的“細膩程度”的概念，一般用單位bit來衡量。簡單理解就是單位面積內為顏色數量的多少。數值越大畫面越細膩，同時色彩過渡就更加平滑自然。目前主流顯示器的色深一般是6 bit、8bit和10bit。

我們通過一張圖感受一下8bit和10bit的區別，可以明顯發現10bit影像會更細膩，而HDR技術的色深基本都是10bit及以上的技術標準。所以呈現的畫面細節更多，過度更自然。

峰值亮度

峰值亮度是指顯示器可以短時間維持的最大亮度規格，單位為nit，SDR技術的峰值亮度基本在500nit左右，而HDR技術的峰值亮度基本在1000nit以上，這意味著HDR技術在色彩信息等同的情況下，可以呈現更有層次的圖像信息，通過差異化的灰度值使圖像的整體對比度更高。

HDR的攝影應用

剛剛了解到HDR（高動態范圍）技術，通過擴展圖像的亮度范圍和色彩細節來提高圖像質量。它的工作原理涉及攝影和顯示兩個方面。在攝影中，HDR技術通過多曝光和圖像合成來捕捉更廣泛的亮度范圍。具體步驟如下：

多曝光技術

攝影師拍攝同一場景的多張照片，每張照片使用不同的曝光設置。一般會拍攝一張正常曝光的照片、一張曝光過度的照片（用于捕捉陰影細節）和一張曝光不足的照片（用于捕捉高光細節）。

圖像合成

將這些曝光不同的照片合成為一張HDR圖像。合成過程中，通過比較不同曝光下的像素值，選擇最佳的像素值以還原出更廣泛的亮度范圍和更豐富的細節。

HDR的顯示應用

在顯示設備中，HDR技術通過使用高動態范圍顯示器和相應的HDR格式來實現更好的圖像質量。具體步驟如下：

高動態范圍顯示器

HDR顯示器具有更高的亮度范圍和更高的對比度，通常使用本地區域調光（local dimming）技術來實現。本地區域調光允許顯示器控制特定區域的背光亮度，從而在顯示過程中提供更準確的亮度級別和對比度。

HDR格式和編碼

HDR圖像和視頻使用特定的HDR格式進行編碼和傳輸。這些格式通常包含動態元數據，用于描述圖像的亮度范圍和色彩信息。在顯示過程中，顯示器會讀取這些元數據，并相應地調整亮度和色彩，以呈現出更準確和真實的圖像。

HDR格式類型

我們有介紹到HDR圖像有許多不同的格式，之所以會這樣，是因為存在不同的組織在運用HDR技術時，采用了不同的技術標準，這樣使得生成的HDR圖像格式并不統一，現存的HDR格式類型有非常多。

我們這邊列舉一些比較常見的格式，包括國外的HDR10、HDR10+、Dolby Vision、HLG（Hybrid Log-Gamma）、國內推出的HDR Vivid（菁彩），以及DP推出的DisplayHDR。還有其它格式類型，限于篇幅這里不一一說明。上圖將這些HDR的不同數據類型的性能參數做了一個簡單對比。

元數據

在正式介紹HDR格式前，我們先要明白一個概念——元數據。

HDR的元數據表示描述視頻或圖像處理過程中的關鍵信息或者特征，主要有兩種：靜態元數據和動態元數據。

靜態元數據規定了整個片子像素級別最大亮度上限，在ST 2086中有標準化的定義。靜態元數據的缺點是必須做全局的色調映射，沒有足夠的調節空間，兼容性不好。

動態元數據可以很好地解決這個問題。動態元數據主要有兩個方面的作用：與靜態元數據相比，它可以在每一個場景或者每一幀畫面，給調色師一個發揮的空間，以展現更豐富的細節；另一個方面，通過動態元數據，在目標顯示亮度上做色調映射，可以最大程度在目標顯示器上呈現作者的創作意圖。

HDR10

HDR10是由美國消費者技術協會（CTA）于2015年推出，是目前最常見和廣泛支持的HDR格式，被亞馬遜和Netflix等用戶，應用在電視、顯示器和藍光光盤等媒體上。

HDR10制定了基本的標準，包括4:2:0顏色采樣，10bit色深和rec.2020顏色空間等基本規則，支持最大亮度1000nit，并且包含靜態元數據，描述了整個內容的亮度范圍。

HDR10+

2017年4月20日由三星和亞馬遜 Video 、松下共同公布，由于杜比視界 HDR 極高的版權費用，三星等廠商不愿意支付，所以與松下、亞馬遜和20世紀福斯創建了 HDR10 + 聯盟，以推廣HDR10 +標準。HDR10+ 通過添加動態元數據來更新 HDR10，動態元數據可用于在逐個場景或逐幀的基礎上更精確地調整 HDR 的亮度級別，和杜比視界 HDR 類似，不過色深依舊是 10bit。

Dolby Vision

杜比實驗室（Dolby Laboratories）推出開發的高級HDR格式。它使用12bit色深（每個顏色通道有4096個級別），支持最大亮度為10000nit，以保證更大的亮度范圍和更高的對比度。與HDR10不同，Dolby Vision使用動態元數據，使得每個場景和幀都可以進行動態調整，以最佳方式顯示。

從Dolby Vision高規格的技術標準可以看出，杜比支持的HDR技術確實會更好，然而這也意味著在體驗上會更難。要想體驗到Dolby Vision，首先要求片源支持杜比格式，其次拍攝設備和輸出設備要有杜比實驗室認證，最后需要繳納不算便宜的Dolby Vision授權費用。所以，目前而言Dolby Vision對于大多數普通人而言還比較難觸及。

HLG（Hybrid Log-Gamma）

英國BBC和日本NHK電視臺合作開發的，是4K廣播電視系統采用的技術標準。將SDR和HDR合二為一，在SDR顯示器上也能正常播放。相比HDR10，它可以適應檔次較低的顯示設備，亮度區間為500~2000nit，目前各大電視臺還有SONY一直在用這個技術，HLG也是免費授權，市場接受度也比較高，成本較低，最大的優勢是兼容性特別好。然而HLG跟HDR10一樣只支持靜態元數據，這方面比起杜比視界和HDR10+稍微有所遜色。

HDR Vivid

中國超高清視頻產業聯盟（ CUVA）聯合華為的廠商主導的HDR Vivid，中文名稱菁彩HDR。HDR Vivid 是中國超高清視頻產業聯盟，以華為海思的技術為主導，推出的一個中國獨創的HDR新標準，免授權費，同時支持動態元數據，可以對畫面信息進行幀級調整。并且對圖像的亮區和暗區有更精細化的調整。

從技術上來講已經是和杜比視界一個層次了，但是由于起步較晚，之前的幾大 HDR 標準都已近形成了比較固定的市場份額，HDR Vivid 的在國外推廣普及會比較困難。但是目前在國內許多媒體平臺已經支持HDR Vivid。2021年初騰訊視頻成為全球首個上線 HDR Vivid 內容的互聯網綜合視頻內容平臺，2021年9月愛奇藝成為了網絡視聽行業首個全量的HDR Vivid內容，未來HDR Vivid的支持平臺可以預見會越來越多。

DisplayHDR

視頻電子標準協會（VESA）專為PC顯示器設定的HDR標準，根據最新的CTS 2019.1的 VESA DisplayHDR 和 DisplayHDR 真黑標準的規范，將DisplayHDR標準分為5類，本別為 DisplayHDR 400、DisplayHDR 500、DisplayHDR 600、DisplayHDR 1000、DisplayHDR 1400；將DisplayHDR 真黑標準分為三類。分別為DisplayHDR True Black 400

、DisplayHDR True Black 500、DisplayHDR True Black 600。

DisplayHDR 和 DisplayHDR 真黑標準的劃分級別主要是根據色域、色深和上升時間等特性的不同來進行區分，詳見上圖。

HDR應用范圍

攝影和攝像

在攝影和攝像領域，HDR技術被廣泛用于捕捉和呈現更廣泛的亮度范圍和更豐富的色彩細節。攝影師可以通過多曝光和圖像合成來拍攝HDR照片，以還原真實的場景光照條件。在攝像中，HDR技術能夠帶來更逼真的影像，特別是在復雜光照條件下，如室內和室外對比度較大的情況。

電影和電視制作

在電影和電視制作中，HDR技術能夠提供更好的圖像質量和視覺效果。通過使用HDR技術，制片人可以還原影片拍攝時真實的光照條件，呈現更真實、更細膩的畫面，使觀眾有更加沉浸式的觀影體驗。

游戲和VR

在游戲產業和虛擬現實領域，HDR技術可以提升游戲畫面的品質和沉浸感。HDR游戲能夠呈現更真實的光照效果、更生動的場景和更豐富的色彩細節，增強了游戲的視覺吸引力和沉浸感。

顯示技術和消費電子產品

HDR技術在顯示器、電視和移動設備等消費電子產品中得到廣泛應用。高動態范圍顯示器能夠提供更高的亮度和對比度，使圖像更為逼真。越來越多的電視、手機和平板電腦產品支持HDR功能，為用戶帶來更好的觀看體驗。

發展趨勢

AI技術的結合

近年，AI在視頻領域的應用，讓我們看到視頻內容發展的新路徑。基于AI的超分辨率技術可以實現低分辨率向高分辨率的提升，從而還原出大量的圖像細節；基于AI的逆色調映射（Inverse Tone Mapping）技術和色彩增強技術，可以實現對比度、色彩飽和度等多個層面的提升。這些提升的細節，需要用HDR視頻的高動態范圍和寬色域來進行表達。

應用場景來說，可以將智能視頻重制劃分為智能畫質提升和智能老片修復兩個分類。其中智能老片修復可以極大地提升傳統的人工修復效率，而超分和HDR則進一步提升彌補細節，調節亮度和飽和度，盡量提升到接近真4K的水平。

互聯網平臺的普及

HDR顯示技術的另一個趨勢是線上平臺的普及，目前在終端線下設備的應用日趨完善，隨著HDR終端播放設備、移動終端尤其是智能手機的不斷發展，HDR顯示技術的線上化技術基礎已經十分成熟，我們可以看到，越來越多的互聯網平臺在普及HDR顯示技術。

以國內為例，愛奇藝融合4K+HDR+高幀率+全景聲的技術，打造一個比“藍光”更高檔次的選項“幀綺映畫”，騰訊視頻應用HDR10+環繞音效+藍光的技術打造了“臻彩視聽”的高級選項。還有許多其他互聯網視頻平臺都有對應的HDR技術應用極大提升了用戶的使用體驗。未來HDR在互聯網平臺的普及和應用會更廣泛和深入。