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剖析如何将HDR技术运用至显示器实现传输不失真

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OFweek电子工程网讯 对于图像显示技术而言,追求贴近人眼所能见到的真实世界是必然趋势。在4K电视技术的普及、广色域的使用,以及视频播放流畅度提高到60fps,都已逐步朝人眼所见前进。而下一关卡,“亮度动态范围”是目前图像显示画质欲突破的关卡。此时,“高动态范围 (High Dynamic Range,HDR)”就应运而生,成为近年在国际消费性电子展(CES),图像显示技术最热门的讨论议题,各家音像制造厂商更以提高图像的动态范围为目标,相继投入高动态范围技术,并订定出相关标准,期望对此高规格质量把关。

本文首先简要介绍了HDR技术;然后深入介绍了目前知名的PQ-HDR——“杜比视界 (Dolby Vision)”提出的感知量化编码,以及BBC/NHK连手研发的混合对数伽玛分布(HLG-HDR),剖析如何将HDR技术运用至显示器,使得传输不失真;最后则是以宜特科技(Integrated Service Technology;iST)信号测试实验室的实际案例,介绍目前显示器主要接口HDMI如何纳入HDR,以及其对应的认证标准。

HDR技术

究竟,电视/电影和手机/相机讲的“HDR”到底有什么不一样?

HDR,多数人熟知是应用在相机的拍摄上,然而相机上所使用的HDR技术与电视视频的HDR,是完全不一样的事情。

手机/相机的HDR:多数人应该都有逆光拍照的经验,大部份逆光拍照的结果,不是阴影部分黑漆漆一片,就是明亮部分全都过饱和。因此,手机/相机的HDR,就是利用加减曝光指数所拍摄的多张图像,再通过芯片将这几张图像演算成为一张完整的相片;或是,由单张相片做区域性的加减光,演算达到高动态的成像,使各区域都呈现相对清楚的图像。

电视/电影的HDR:指的更像是一种标准/格式,由于视频属于持续的动态图像,如果要求显示器每一格都像照相机一样由3到5张组合,传输的带宽势必会增加3到5倍,这在现实的环境是达不到的。视频所讨论的HDR便定义在,如何把先进高动态广色域的摄影图像重新分布,并传输给显示器,让显示器能正确的还原先进高动态的图像——这也是作者在宜特实验室协助TFT/IPS电视及投影机等多项产品厂商进行HDR调校时发现多数厂商关切的议题。

将HDR技术运用至显示器

首先讨论杜比实验室(Dolby Laboratories Inc.)的Dolby Vision与BBC/NHK如何将HDR技术运用至显示器,使得传输不失真。

(一) Dolby Vision PQ-HDR EOTF(感知量化-HDR电光转换功能)

2014年就可以看到杜比实验室公告的Dolby Vsion白皮书,内容是杜比实验室投入HDR的成果,此后在电影电视工程师协会(The Society of Motion Picture and Television Engineers;SMPTE)收纳为SMPTE 2084规范,使HDR不仅成为动态视频录制及播放的讨论重点,SMPTE 2084所定义的版本也成为业界沿用HDR产品的第一代规范。

杜比HDR的核心技术叫做“感知量化 (Perceptual Quantizer,PQ)”的电-光转换功能(EOTF,将电信号转为可见光),这项技术将亮度标准定义在10,000Nits(普通的电视亮度仅100-200nits左右)。但是,目前还没有实际显示设备能达到这一亮度,因此目前Dolby Vision的亮度目标是4,000nits。

目前针对亮度处理的技术包括CMOS与CCD传感器,均已能感应高动态范围亮度的图像,然而,如何将HDR图像正确处理、储存并传输至显示器?Dolby通过重新安排亮度分布曲线、增加传输及处理深度(bit width)达12bit、制作环境参数(meta data)后送等方式,以避免重新分布后亮度不连续的问题,更能在图像传输至显示器时,精准还原HDR图像。(此技术收录在SMPTE 2084规范中。)

剖析如何将HDR技术运用至显示器实现传输不失真

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