简单聊聊我所理解的（目前这代）HDR显示技术

erunia

最近PS4的更新支持了HDR输出，加上HDR电视概念的热炒，HDR输出成为了一个新的概念。最近换电视机对这方面做了些研究，与大家分享一下。

既然是简单聊，就不配图了：）

首先要说明的是，HDR输出（即显示）技术，与拍照录像时的HDR是有很大不同的（输入）。但为了把问题说清楚，还是要从输入端讲起。

Episode #1 输入端

如果之前有过摄影经验的同学，肯定发现过拍一张照片，有亮的地方也有暗的地方，相机拍出来看到的画面和人眼看的亮度不一样。经常会发生暗处人眼看着挺亮挺清楚的，照片中已经很黑看不清了；或者是亮的地方人能看清，照片上却是一片白色。

这种情况是由于人眼对亮度的“宽容度”远高于相机造成的。这里的宽容度，在一些场景也可被称作“动态范围”，英文缩写DR。

用字符比划一下差不多是这样：

人眼的动态范围：EEEEEEEEEEEEEEEE
相机的动态范围：     CCCCCCCCCC

上面一条是人眼看到的从暗到亮的图像信息，而到了相机摄录时，因为动态小，信息量就被掐头去尾了。

相机是属于输入设备，录像机也一样。在输入设备中实现了接近人眼甚至高于人眼的动态范围，就叫HDR，全称High Dynamic Range。

输入设备的高动态方案很多，有像RED电影机那样在传感器硬件级别实现超高动态范围的，有优化整个图像处理流的，拍照这块也有通过多帧技术合成实现的。最终的成果，大致如下：

人眼所见：EEEEEEEEEEEEEEEE
非HDR：        CCCCCCCCCC
HDR效果：   HHHHHHHHHHHH

well done! 看起来事情到现在为止就搞定了，是吧？嘿，还差得远呢。

Episode #2 输出端

如果你之前有使用过相机的HDR功能的话，又没有花四五千或更多价钱去购买一台砖业显示器的话，可能会发现一个现象：那就是用类似多帧合成技术拍摄的HDR照片，放在显示器上看，虽然亮部和暗部的细节是更多了，但整体画面看起来灰灰平平，反而不如正常照片那样鲜亮动人。

问题就出在输出设备上。实际情况需要用下面的符号来表示：

自然中的图像亮度范围：NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN
相机费牛力拍的HDR照片：          CCCCCCCCCCCC
普通屏幕所能展现的亮度范围：         SSSSSSSS

可以看到输入设备所实现的HDR效果，在自然场景中摘取了多一些的信息，但到了显示的时候却被丢失掉了。

但这里与输入时有个很大的区别，下面要用到数字来描述。

首先看输入端：

比如画面中有一个点，在自然中，可能这个亮度是80。
然后，巧合发生了，当相机拍下这个点的时候，刚刚好也能用80这个数字来描述这个点的信息。

上面这是理想的情况，另一种情况是，在自然中，有个点的亮度是120。但相机拍摄后记录这个点的亮度信息，只能是0到100。结果就是，这个点被表达为100，多出的20就这样米了。

这时，输入端HDR技术出场了，费了各种牛力，最终，使得相机可以感应到（注意不是记录）0~150的亮度信息。但问题是，最终记录的时候，还是只能记录0~100的数字。于是这个120，最终被记为80。

所以可以看到，从某种程度上讲，除非使用特别的记数方法（如一些影片格式，log之类的），输入端的HDR技术，本质上是把更多的信息压缩到更小的范围中描述。类似于“压缩打包”

现在轮到输出端了：

首先目前人类的各种显示设备，都不能真实模拟出自然界的所有亮度范围（不然起码得在你家客厅造个太阳吧？），那么这个显示的亮度，必然是有局限范围的。

这时我们拿那个自然中叫120的亮度点来说，当你使用非HDR技术拍摄时，得到的数字是100。这时虽然显示器不给力吧，但好歹这是个最大值吧？于是使劲把亮度调到最大，虽然离120有点差距，但盯着屏幕，只在屏幕内做比起，看起来差不离了。

如果是HDR所记录的信息，这个120的亮度被记为80，显示器一看我擦这亮度对我来说毛毛雨啊，哪有得着使全力？于是该亮的地方，反而显示得更暗了。

暗部方面同理。

所以，输出端的HDR技术，有点类似于“解开压缩包”的意思。即把压缩后的HDR数据源解包还原回去，尽可能地还原自然中亮度范围的画面。（所以索尼介绍大师版精锐光控所说的，还原接近真实场景中的高光效果令我印象深刻）

那么支持HDR的电视机，首先要实现的就是在同一帧画面中（不是连续的画面中，那是前几年专用来骗人的动态对比度），要达到一个很高的对比度，并且客观上来说，实现的亮度越高越好。

而对这代电视机来说，这一直接的认证就是Ultra HD Premium认证，该认证中包括的条件除了4K分辨率、10bit色深、色域的支持要求外，就是对HDR的支持要求：

1、对LCD/LED电视机：亮度1000尼特，黑位低于0.05尼特
2、对OLED电视机：亮度540尼特，黑位低于0.0005尼特

Episode #3 规范

这方面的细节我了解不多，但简单地讲，就是输入端录得了HDR的信号源，输出端可以输出足够宽泛的亮度范围，还差的就是两者中间的约定。

这样，电视机/显示器就可以在得到HDR信号源的时候，知道这是HDR信号，并且应该如何去显示。

目前的HDR规范有2个：HDR10和Dolby Vision（中文名杜比视界好像叫）

从规格来说，Dolby Vision远高于HDR10，但目前真正支持Dolby Vision的设备基本上没有，比如12bit面板、4000nits亮度这种妖孽的指标，现在真做出来没个10万RMB不可能买到。有个别电视机宣称支持，也仅仅是“支持”，并达不到其标准，就好比Ultra HD Premium要求支持BT2020色域，也只是支持这种格式输入……X9300D测下来也就只能达到BT2020色域的到70%不到，卵用没有。

同样，目前PS4/Pro和Xbox One S的HDR输出也只是支持到HDR10规格，不过用是够了。

Episode #4 游戏中的HDR

说了这么多，最后还是要绕回游戏上来。游戏这块的HDR实现还是有很大差别的。原因就在于游戏的场景是由美术绘制，而非真实录制的。

因此，并不存在上文中提到的“自然中的场景”，只有设计师“所设想的场景”。而且游戏的内容规格远不及电影那么高，毕竟要适配大多数中低端设备。比如在色域上，绝大多数游戏都是以最low的sRGB为基准开发。

所以，在游戏中实现HDR输出，并不需要做大量的素材重绘，根据我的估计，只需要在原有的输出素材中，加入对应HDR规范的调整参数，并在美术层面对HDR后的效果做出预估，不要出现场景色彩大范围偏离，甚至影响游戏进行就行。

Episode #5 总结

完整的HDR内容供应，如果是录制内容话，需要输入端采集HDR信号源，之后通过约定的规范，输送给支持HDR具有高亮度特征的电视机/显示器。整个过程，就像是压缩+解包，最后给人眼看到。

而游戏方面，则需要对内容进行调校，之后使用支持HDR输出的游戏机，接上完整支持HDR规范（一般是HDR10）的电视机就可以实现。


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补充一下，很多人看完文章只看到了对比度。的确静态对比度是实现HDR显示效果的关键。

但亮度同样是当前hdr实现的重要指示。因为hdr最终的目标是实现接近真实世界的视觉观感。比如现在oled在不发光时的亮度可以说接近于0，那么对于一个款400尼特的亮度显示设备来说，是不是对比度就是无限了呢？就能真实再现现实场景了呢？显然不是的。

对于显示设备来说，其终极目标肯定是在可见光频段内实现人眼可见的所有波长强度范围，所以亮度同样是重要指示。

当然，我还是有点怀疑在那天来临之前脑后插管技术已经先行完善了

johnfather

原创的话辛苦了，顶一顶，涨知识

zyman!

这种知识贴赏心悦目！非常棒的科普。

SooN1219

我看看标题就行了，完全看不懂啊

该用户已被禁言

写得非常好，我之前一直就在说 hdr在游戏上的应用还是比较有限的 游戏不存在复杂的明暗过渡 本来就是虚拟的 对于电影这样的复杂图像 更有意义

跟hdr配合的还有色域 我倒觉得这个更有意义

siping5huang

支持一下，楼主辛苦了

関智一

我一个玩游戏的，搞那么复杂干啥。

johnfather

scv1990 发表于 2016-11-20 08:30
写得非常好，我之前一直就在说 hdr在游戏上的应用还是比较有限的 游戏不存在复杂的明暗过渡 本来就是虚拟的 ...

怎么会不存在复杂的明暗过渡，说话前先想清楚好吗？

该用户已被禁言

hdr要配合bt2020才会体现出更强的色彩

ichigocheng

说的不错，基本正确，楼主辛苦啦
bt2020的覆盖率现在最多百分之六七十，全覆盖还早哩，现在民用的顶多做到D什么P3全覆盖，只要内容制作者使用的颜色也在这个范围内就不影响