回顾在整个电子影像行业的发展之中,我们一直关注的重点都停留在如何获得更多的画面精度之上,不管是拍摄端设备的像素越来越高,还是在显示输出端的画面分辨率从标清走向高清,甚至是超高清。而发展的过程中,我们不禁发现除了精度之外,影响观看质量的其余几大关键要素依然并没能够得到同步发展,例如影像的帧率、画面的色彩深度与色域、明与暗部的动态范围等,直至UHD超高清蓝光规范的落实,从源头制作到显示端才得以迎来彻底的改变,其中HDR高动态范围技术就是其中一个备受关注的改革。相对于分辨率的概念,HDR从基本的概念出发就已经较难理解,究竟什么是HDR?HDR对于我们的观看将会带来怎样的改变?我们将会在下面为大家深入地解答这些疑问。

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究竟什么是动态范围

  所谓动态范围(dynamic range)是一个用法非常广泛的专业名词,笼统的说法是一个可变信号的最大值和最小值之间的比值,而且多数是指声音和光的信号。而在视频显示领域,对于一个显示设备的动态范围,基本上可以表达为最亮处与最暗处之间的过渡范围。不过需要注意的是,对于动态范围,这里还需要提及另外一个重要的概念,就是有效的动态范围。对于一个视频系统而言,动态范围不仅仅和显示设备有关,还和输入信号有关。

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  有效动态范围是指能够完整表现出输入信号幅度的范围。以往由于在影像制作过程中一直没有重视动态范围,即使进入了高清视频制作的阶段,动态范围的幅度仍然只停留在10-2-102nit之间,而人眼对于光线接受的动态范围则高达10-6-1014nit,即使是平均人群的水准也能达到10-4-104nit的范围。这样的动态范围技术规范显然是远远不足的,不过在以往电视与家庭影院投影机动态范围普遍不高的情况下,这个问题并没有得到很好的重视,而随着OLED有机二极管平板电视、采用激光光源的家用投影机以及区域性LED背光控制技术的广泛使用,现阶段的显示设备所拥有的动态范围已经远远超出了原有的标准,于是就促使了HDR(high dynamic range)高动态范围标准的出现。

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技术要点

国际亮度单位nit(尼特)

  对于显示画面的发光强度,我们通常都会以cd/m2坎德拉每平方米或者nit(尼特)来表示,而相对应的英制单位是fL(英尺朗伯)。要注意的是,对于投影机而言,厂商方面定义的参数是流明,主要指投影机发射出去的光线的亮度,而不是结合投影幕之后的发光亮度。我们在测试一个投影系统的发光强度之时,通常也是以cd/m2或fL为标准的,两者之间的换算为1fL=3.426cd/m2。


HDR高动态范围会对影像重现带来怎样的影响

  由于我们目前所观看的影像不再属于简单的黑白影像,而是属于由许多种不同颜色构成的彩色影像,每一种色彩都会拥有亮度值,整体画面的动态范围越高,所带来的色彩鲜艳度也就更接近人眼所能看到的景象。因此高动态范围的影像能让显示设备所呈现的影像更加接近我们生活中的实际情况,以后甚至从电视或投影机上所看到的影像,就像是透过窗户所看到的景象一样,当然这又将涉及到WCG(Wide Color Gamut)广色域的问题,毕竟除了色彩的亮度范围的提升之外,色域的宽度也是另外一个重要的方面。在UHD Blu-ray超高清蓝光技术规范当中,蓝光协会就将Rec.2020超高清标准的WCG宽色域技术规范融入其中。因此,如果想充分发挥超高清蓝光在影像方面的魅力,就要一款能够同时具备HDR与WCG两种技术的显示设备了。

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HDR高动态范围技术规范是否只有一种

  这是一个大家都非常关心的话题,毕竟如果每一家显示设备厂商都有自己的标准,而它们之间又不能相互兼容的话,无论是未来HDR技术的普及,还是我们去选购具有HDR的显示设备都会存在不少问题。而根据目前的状况看来,国际上确实存在多种不同的HDR技术规范,包括Dolby Vision、Technicolor、BBC(英国广播公司)、Phillips等,甚至不同的电视厂商都会有自己的HDR处理方式,包括Sony、LG、Samsung等。而这些不同之处在于HDR技术当中会存在一个名为HDR metadata的元数据,以记录影像信号的静态扩展信息。由于不同的HDR技术会有不同的规范,所以需要对相对应的显示设备进行解码调整。简单来说,如果电视或投影机能够显示Dolby Vision的HDR影视内容,并不意味着它也能处理BBC制作的HDR内容。

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目前国际上是否有相关标准对HDR技术进行规范统一化

  面对着整个影音市场颇为复杂且数量众多的HDR技术,必须有相关的组织对其进行统一并规范化。而目前主要是美国方面的组织对其进行规范,其中CEA(Consumer Electronics Association)消费电子联盟就带来了针对元数据的“HDR Static Metadata Extensions”HDR静态元数据扩展的规范,而另一家组织SMPTE(Society of Motion Picture & Television Engineers)电影电视工程师协会就带来了ST 2086:2014“Mastering Display Color Volume Metadata Supporting High Luminance and Wide Color Gamut Images”支持高亮度与广色域图像的显示设备色彩容量元数据制作的规范,其实也包括了HDR元数据的定义,另外SMPTE也带来了SMPTE ST 2084关于定义高动态范围影像EOTF电光转换函数,定义PQ感应量化编码曲线,使得在较低的色深下也能实现高动态范围的影像。

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  基本上,这些国际的技术规范从影像后期制作端到显示输出端将HDR技术规范统一在一起,让各种不同的HDR技术能够相互兼容,使得我们在挑选HDR显示设备与AV放大器的时候就不用担心是否存在各种各样的传输连接方面的问题。


技术要点

EOTF电光转换函数

  EOTF的全称是Electro-Optical Transfer Function,也就是电信号转换成光信号的规则,主要是用于显示设备当中。以往EOTF会以Gamma的方式存在于电视或投影机之中,事实上它是一条非线性的曲线,通过调整它的变化来满足在不同环境之下都能获取更多灰阶层次与细节。一般而言,如果是在客厅环境之下,建议Gamma的取值为1.8-2.0;如果是在完全遮光的独立视听室,建议Gamma的取值为2.2-2.4。

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技术要点

PQ感应量化编码曲线

  PQ的全称是Perceptual Quantizer,是由杜比实验室所带来的感应量化编码曲线,简单来说是应用在HDR高动态范围显示系统当中的EOTF规则,在10-3-104nit的动态范围之内,只需12bit的色深就能获得顺滑的灰阶过渡,让画面不会出现梯阶失真的问题。如果是按照Rec.1886定义的EOTF(Gamma)规格来定义HDR的灰阶过渡变化,则要到15bit才不会出现失真,但这就大大增加了信号传输量以及信息的处理量,对于传输与运算处理都加大了负担。


要传输HDR高动态影像信号,在信号传输的端口有什么具体要求

  基本上现阶段的HDR影像节目源都是超高清的信号源,可以是4K,也可以是8K。由于现在整个影音系统还是采用HDMI的连接端子作为信号传输的桥梁,按照HDMI官方的标准,如果要传输超高清的信号,最起码要1.4版本,如果对帧率有要求,如4K/60p,还需要2.0版本。但是当加入了HDR之后,HDMI的传输端子就要求2.0a版本。不过这并非意味着所有低于2.0a版本的现有设备都无法支持HDR,有部分2.0版本的设备若当中的HDMI处理芯片已具备大码流的HDR信号处理能力,则有可能通过固件升级至2.0a版本,从而支持HDR信号的传输。

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  对于家庭影院系统,信号传输并不是HDR信号源输出到支持HDR的平板电视这么简单,中间往往要经过影音系统的中枢,也就是AV放大器。因此,AV放大器所配备的HDMI端口也需要是2.0a的版本。那么,究竟现在有哪几款机型拥有最新版本的HDMI端口?下面,我们特别为大家挑选了已经在国内外市场上市的几款合并式机型作介绍,包括Pioneer(先锋) SC-99、Onkyo(安桥) TX-NR747、DENON(天龙) AVR-X2200W与Marantz(马兰士) SR5010。(具体报道请看下一期)

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