自从2016年开始,UHD 联盟开始出炉 4K HDR 家用电视/投影仪的规范后,HDR 的标准被定了下来,同年1月份的 CES 展会上,UltraHD Premium 认证标准的公布也昭示着 4K 真正进入到规范化的年代,也正因为如此,4K HDR 的相关产品也相继出炉了,比如 4K HDR 电视、4K HDR 投影仪、4K HDR 蓝光影碟以及支持 4K HDR 功放等等。

UltraHD Premium 的设备认证标准:

    1.分辨率:3840×2160像素

    2.色深:10bit

    3.信号输入:支持BT.2020(注意,目前的电视产品均无法完全覆盖BT.2020色域范围,这里仅规定支持BT.2020信号输入)

    4.色域:大于90% DCI-P3色彩空间

    5.HDR:支持SMPTE ST2084 EOTF的高动态范围影像电光转换

    6.亮度动态范围:(1)亮度1000尼特以上/黑位低于0.05尼特 (主要针对LCD);(2)亮度540尼特以上/黑位低于0.0005尼特 (主要针对OLED)

但现在 HDR 似乎进入到了混乱期,因为层出不穷的 HDR 标准出来以后,大家有点摸不清头脑了,什么 HDR Pro、HDR10+、HDR400/600/1000 等等杂七杂八的,就有点绕晕了,为此,我在这里做一个小专题,让大家可以真正从深层次了解一下这些标准背后的事情,以免大家在购买 HDR 产品的时候不至于被忽悠。

什么是 HDR?

想弄明白就得从基础开始,什么是 HDR 呢?简而言之,HDR 就是「高动态范围」的缩写,英文全称是「High-dynamic-range」,它属于一种显示技术,对应的显示技术就是 SDR(标准动态范围 Standard-dynamic-range),所谓的动态范围,在图像领域就是指亮度的明暗差别。动态范围越大,图像上同时记录的亮部细节和暗部细节就越丰富。HDR 可以表达出比 SDR 动态范围更宽的亮度。

由上图可以看到,HDR 更接近人眼看到的实际图像效果,而 SDR 不论是第一张图还是第二张图都分别在前后景中出现损失。

通常人眼可感知亮度的范围是 10¹² cd/m²,但传统的显示设备只能显示 10³ cd/m²,然而,HDR 显示设备可以显示的亮度宽度为 10⁵ cd/m²,换句话说,它可以捕捉到传统显示设备100倍以上的亮度。

HDR 作为下一代高质量图像技术受到关注,HDR 的各种名词术语有哪些?

在 HDR 显示设备环境下有多个名词术语是需要了解的,在这里也梳理一下:

1、尼特(nits)与档(stops)

显示设备输出光的亮度,这是以尼特(nits)为单位进行测量的,1nit=1cd/m²。显示设备能呈现的亮度越亮,尼特数越高。

而按照不同的亮度值取2的对数,得到的数值在影像领域称为档(Stops)。能显示出从最暗的-5到最亮的+5,就称为具有10档动态范围。

但是显示设备中看到的亮度与你眼睛所看到的真实物体的亮度还是有差别的,比如拍摄的是太阳,太阳的真实亮度是 10¹² 尼特,但在显示设备中不可能真的以 10¹² 尼特来呈现,你看到的亮度可能只是窗外的亮度,大概是 10³ 尼特。

2、什么是动态范围?

所谓「动态范围」就是显示明亮的范围,那么想要提高「动态范围」并且能够显示出来,最关键的一点就是要能够达到更高的亮度。

在真实的自然环境中,一个场景里的亮度差别可能会非常大,如阳光照耀部分的中心花瓣最亮可以达到1万多尼特,而背景的亮度仅有100多尼特,相差了100倍。在以往传统的 Rec.709 的显示设备中,这些色彩以及亮度是无法被正常显示出来的,因为 Rec.709 的色彩和亮度显示范围很小,所以需要更广阔的色彩空间以容纳更多的色彩以及亮度,这时候就需要 Rec.2020 这个标准啦,那么什么是 Rec.709 和 Rec.2020 呢?下面我们来详细说一下。

3、Rec.709 、 Rec.2020

在影视领域主要有三种色彩标准,分别为Rec.2020、DCI-P3、Rec.709。Rec.2020在民用领域应用较少。

1990年,国际电信联盟将Rec.709作为HDTV的统一色彩标准。它有相对较小色域和用于互联网媒体的sRGB色彩空间相同。大部分影片在后期发行的过程当中,都需要在原片的基础上参照Rec.709色彩标准进行转码,以期提供符合主流播放形式如网络视频、蓝光DVD等的电影载体。电影视频在采集及后期制作的时候是根据DCI-P3色彩空间,但转为用户可以看到的DVD或者片源的时候,则统一要转为Rec.709色彩空间。

BT.709 (Rec.709) 是在1990年代根据当时的 CRT 阴极射线管显示器来定义亮度,从 0.1nit (cd/m²) 到 100nits (cd/m²),而动态范围仅仅为6.5档。

当画面图像显示范围超过 BT.709 所能定义的范围时,就会出现高光溢出和暗部的裁切。即不能够显示出更多的亮度细节,表现为高光死白和暗部死黑的情况,比如以下两张图分别显示出的:

Rec.2020 色彩空间标准是 Rec.709 的升级版,它也是超高清设备的制定色彩空间,比如现在的 4K 显示设备以及未来的 8K 显示设备,相比起 Rec.709 来说,它可以显示更多的颜色,以及更宽广的亮度范围。

Rec.709 的亮度范围为 0.1nit 到 100nits,而 Rec.2020 的亮度范围可以从 0.0005nit 到 10000nits,简单点说,就是可以看到几乎无尽的黑和几乎最亮的光。

4、常说的峰值亮度是什么?

现在的 4K HDR 电视,通常都会说它的「峰值亮度」,那么什么是「峰值亮度」呢?其实这个很好理解,就是一台电视它所能达到的最高亮度,而这个最高亮度可以决定 HDR 所能呈现的效果。

目前对于超高清电视(UHDTV)来说,OLED 面板的峰值亮度必须达到 500 尼特,而采用 LCD 面板的必须达到 1000 尼特。实际上,现阶段很多采用 LCD 面板的 4K HDR 电视都已经达到或者超过了1000尼特,而 OLED 面板受限于技术原因(昨天发布关于 OLED 的文章有提到,不再复述),暂时还未有达到 1000 尼特的(最高的局部已经可以达到 800 尼特了),不过这并不代表 OLED 的亮度就很低,实际观看的话,在最高光部分,已经非常亮眼。当然,需要说明的是,任何一部影视作品,不可能从头到尾都是最高亮度呈现,顶多就是在一些爆炸火光场景,区域性的产生最高亮度(理论上按 HDR10 的要求是可以达到 4000 尼特的,对眼睛基本无害。

好了,说完这么多关于 HDR 的基础知识,都了解了的话,我们开始进阶到新的知识点,而这个也是最关键的。

目前用于家用影音设备的 HDR 标准有哪些?

家用影音自然包括了电视、投影仪、显示器、播放器、功放等等设备,我们逐个来说明一下。

HDR10

最基础的标准莫过于 HDR10 了,这是所有厂商 HDR 的基础,它是由消费者技术协会2015年8月27日宣布的开放标准,不需要支付任何版权费。这个标准要求必须使用宽色域 Rec.2020 色彩空间,10bit 色深,但它的数据元全部是静态的,简单来说就是每一帧所输出的 HDR 图像效果是一样的。目前所有支持 4K HDR 的设备都必须达到这个标准。

杜比视界(Dolby Vision) HDR

杜比视界 HDR 是由杜比实验室提出并定制的 HDR 当前最高级标准,与 HDR10 不同的是,它不是开放的标准,需要使用它必须交付一定的版权费用(据悉是每年每台设备3美元)。杜比视界要求必须使用宽色域 Rec.2020 色彩空间, 与 HDR10 不同的是,它采用 12bit 色深,并且支持动态数据元结构,杜比视界允许 10000 尼特的最大亮度(目前在设备中最高只达到 4000 尼特)。

HDR10+

HDR10+,也称为 HDR10 Plus,于2017年4月20日由三星和亚马逊 Video 共同公布,由于杜比视界 HDR 极高的版权费用,三星等厂商不愿意支付,所以与松下、亚马逊和20世纪福斯创建了 HDR10 + 联盟,以推广HDR10 +标准。HDR10+ 通过添加动态元数据来更新 HDR10,动态元数据可用于在逐个场景或逐帧的基础上更精确地调整 HDR 的亮度级别,和杜比视界 HDR 类似,不过色深依旧是 10bit。

HLG(Hybrid Log-Gamma)

HLG 是由 BBC 和 NHK 联合开发的 HDR 标准,它与标准动态范围(SDR)显示兼容,但它需要 10bit 色深。HLG 定义了非线性电光传递函数(EOTF),其中信号值的下半部分使用伽马曲线,信号值的上半部分使用对数曲线。HLG 标准免版税,与 SDR 显示兼容。HLG 主要应用于广播以及部分流媒体,如 BBC iPlayer、YouTube。

以上4个都是目前最主流的 HDR 标准,到这里其实应该结束的,但是,意外总是那么多,因为各家厂商又搞了几套自己定制的 LOGO,搞得人弄不清。

HDR Pro

在2016年的时候,LG 在推广自己的产品早期 4K HDR 电视的时候,都会带上这个标志,但实际上它本质还是 HDR10。当然,现在新款的 HDR 电视已经不会再出现这个 LOGO 了。

4K HDR

这个 LOGO 是索尼的,泛指它们家的 4K HDR 产品线,凡是标注了这个 LOGO 的,全线产品都支持 HDR10 ,或者部分产品支持杜比视界 HDR。

看到这里,是不是晕了,是不是想哭?你以为到这里就算终结了吗?并没有!因为,显示器这一块,又搞出了一个新名堂!

DisplayHDR

2018年,VESA 再度推出 DisplayPort 1.4a 版本,针对显示器产业,制定出 DisplayHDR 的新标准,该标准明确制定出 HDR 400、600、1000 等入门、中阶、高阶的 HDR 显示器的效能分级标准,搭配 VESA 协会将于近期展开各种符合 HDR 的产品认证计划,将加速产业推出相关的认证产品。

由于 UHD 联盟推出的 UltraHD Premium 标准需要缴纳很高的权利金,在显示器领域,甚至是笔记本电脑领域里,还是比较困难的。对此,VESA 推出的 DisplayHDR 标准很好的解决了这个问题。这次 VESA 针对 HDR 的统一认证标准,推出了 HDR400、HDR600 与 HDR1000,就是要让电脑产业也有相对应的标准可供遵循。除了原先的最高规 HDR1000 效能标准(相当于UHD Premium)之外,还制定出 HDR600 与 HDR400 这两种中端与入门效能标准,只要符合该标准的产品,就可打上认证标章,会员是不需要缴交权利金的。

不过 VESA 推出的这个标准,也很好的解决了现今电脑领域里滥用 HDR 宣传的现象,给出了更透明的认证标准,同时协助 LCD 设备制造商打造出不同 HDR 效能级别的产品。

对于一般消费者端而言, VESA 协会也推出自我测试工具,让一般用户能够自行下载测试工具,来检视自己的显示器是否符合最新的 HDR 标准,让玩家们无论是在看影片或玩游戏时,能够看到更优异的画质。

不过需要说明一下的是,DisplayHDR 并不等同于 HDR10,更不能与杜比视界 HDR 相提并论。

DisplayHDR400 认证的产品,是暂时达不到真正的 HDR 效果的,但 DisplayHDR600 以及 DisplayHDR1000 的话,则是真正的 HDR 输出效果的。

HDR&SDR.jpg

好了,混乱的 HDR 局面,已经基本解说完毕了。

最近几年 HDR 确实是挺火的,商家也普遍存在滥用 HDR 进行过度宣传的现象,很多既不是 HDR10 也不是 HDR400 的假 HDR 也都要拿出来大吹特吹一段!

市面上最普遍的 HDR10 和 HDR400 效果并不是很明显,不过聊胜于无,真要体验较好 HDR 效果的话,得加钱买 HDR500 及以上!

HDR10 是一种使用最普遍、最广泛的 HDR 格式,它是指显卡与显示器之间传输 HDR 内容的协议与标准,这是一个开放标准,不需要支付任何版权、认证费用。支持 HDR10 只能表明显示器可以接受 HDR 片源输入,但并不能明确显示器输出 HDR 的效果怎么样!

视频电子标准协会 VESA 推出的 DisplayHDR 认证才是真正衡量显示器 HDR 效果的标准,它是在支持 HDR10 的基础之上,进而根据显示器的亮度、色域、色深、调光类型、黑电平(black level)等划分等级,各等级以峰值亮度来命名。

最基础的是 HDR400,仅要求显示器峰值亮度不低于 400nit、原生 8bit 色深、95%sRGB 色域、全局调光(Global dimming)。

全局调光:屏幕只有一个背光分区,只能全屏统一调节,要么全屏更亮,要么全屏更暗。
区域调光:屏幕背光划分为多个区域,各区域能够独立调节亮度。

可以看出 HDR400 的认证要求其实是非常低的,和稍好点的普通显示器并没有多大差别,也正因为门槛低,因此市面上贴了 VESA 认证徽标的显示器基本上都是 HDR400!而普通消费者看到这个认证徽标就会理所当然地以为很牛逼,因此很容易被忽悠和误导!

HDR500 及以上,认证要求才有了质的提高:区域调光(Local dimming),10bit 色深,90% DCI-P3 色域等,其中最重要的是区域调光,能够极大地提高对比度和动态范围,实现真正的 HDR 体验,而 10bit 色深和 P3 广色域同时也能带来更好的色彩观感。但这些都是 HDR400 认证要求所没有的!

不同级别 DisplayHDR 大致区别如下图,各级标准的详细要求及具体认证产品可以上官网查看:Vesa Certified DisplayHDR™

VESA HDR各级标准的详细要求.jpg

综上,凡是没有 VESA 认证的 HDR 基本上都是耍流氓!而最低端的 VESA HDR400 也可以说是一个极易误导消费者的标准!

此外,要实现 HDR 还需要处理器、显卡、系统、线材、片源等一系列的支持,任何一个环节出错,最终都不能看到 HDR 内容!其实大部分人买回来 HDR10 或 HDR400 的显示器,几乎从来都不会去开 HDR!