小科普 | HDR为何还没普及？

HDR为何还没普及？这个话题三言两语说不清，今天我们就来聊聊这个东西。这次要说的不是手机相机拍“HDR”的功能，而是显示器的功能，他们存在着本质上的不同，前者是记录，后者是展现。

▌什么是HDR

全称High-Dynamic Range意思是高动态范围，亮的够亮，暗的够暗，但都有细节看的清楚，色彩更加丰富。

相对的，自然也有SDR标准动态范围（Standard Dynamic Range）的概念，也就是我们平时接触到的显示设备符合的规范，这个规范是从CRT大屁股（显像管）时代沿用下来，比如BT.709和sRGB色域，

传统EOTF曲线，6档动态范围；影视节目制作的100nits最高亮度标准，以及常见的8bit色深（即1670万色，256级灰度）。

其实我们小时候或多或少已经知道了有HDR这个东西，但早期都是群龙无首、各做各的，因为没法衡量谁家做的好，大多是在炒作概念、鱼目混珠。

▌业界标准HDR10出现

真正诞生还是得从2015年8月27日说起，因为这一天，美国消费者技术协会（CTA）制定公布了HDR10标准，免费使用、所有HDR电视都可以免费解码，这时候大家才有了统一的竞争方向。它成为了HDR的基础，主要特性如下：

1.能提供17.6档动态范围

2.建议4K（3840x2160）10bit / 8K（7680x4320）12bit分辨率和色深

3.采用16:9画面比例，支持4:2:0压缩

4.在EOTF方面SMPTEST 2084代替了Gamma2.2

5.在色域方面BT.2020代替了BT.7096.引入了Perceptual Quantizer概念（PQ，感知量化）

7.终于取消隔行扫描，画面将更流畅

8.免费

除了电视机和一部分显示器外，XBOX ONE、PS4pro、Apple TV 4K支持的也是HDR10标准。而亮度方面，300~1000 nits都可以支持HDR10，其实并没有明确的规定，网上传闻的所谓1000nits其实是和之后要说的HDR1000搞混了。

▌孪生兄弟Dolby Vision 

其实DolbyVIsion杜比视界比HDR10标准更早，早在2009年就已经展出过原型机，2014年就有了硬件级支持的电视，机制也颇为相同，本质上可以看作是“满血版HDR10”，要求非常高，

1.支持10000 nits峰值亮度（目前限制为4000）

2.最低0.007 nits黑场亮度

3.要求Rec.2020色域，12bit色深

4.PG感知量化（ST2084）

5.逐帧动态元数据

6.收费

前面HDR10提到的Perceptual Quantizer感知量化其实就是指SMTPEST2084，由杜比开发的HDR转换方式，按照人眼灵敏度设计，把亮度等级以绝对数值进行记录。我们常用的Power Gamma会根据显示器设置的亮度影响亮部和暗部的观看细节，

而ST2084是绝对曲线，如果100%是10000 nits，那么75%大概是1000 nits，50%是100 nits，无论你怎么调对比度都不会看到更多细节，超出最高亮度的部分并不会被溢出切掉，兼容各种最高亮度的显示设备。（这里涉及的EOTF非常复杂，建议大家有兴趣自行找文献）

同时，杜比也参与了HDR标准制定，Dolby Vision母带可以轻松转化成HDR10。不同的是，它有SDR和HDR双层编码技术，通过在SDR的基础上增加HDR增强层，实现兼容SDR设备，但需要芯片支持。

逐帧动态元数据可以根据你每一帧的画面亮度变化、时刻改变，而HDR10只有整条视频的静态元数据。但实现DolbyVision需要专用解决方案，显示设备、播放器、片源全都符合DolbyVision硬件级认证，以及一定的版权费用，因此应用并不广泛。

▌再度改进HDR10+

而我们现在所知的HDR10+并不是CTA的提出的，而是2017年三星在原有基础上提出的增强版，和Dolby Vision一样支持动态元数据，可以逐帧调整亮度，峰值亮度最高4000 nits。

同时它依然是免费开放标准，任何厂商都可以无偿使用，Amazon与之合作，可以在全球Prime Video上使用HDR10+，同时宣布合作的还有松下、飞利浦、福克斯、华纳兄弟等等。

▌混合的结果HLG

HLG可能用微单拍视频的小伙伴们比较熟悉，全称Hybrid Log Gamma即混合对数伽马，它是BBC和NHK两家广播公司合作开发的，将SDR和HDR合二为一，在SDR显示器上也能正常播放。

从OETF曲线上来看，在信号强度0.5之前为Gamma曲线，之后为Log曲线，得到1200%的亮度范围，采用YUV编码（PG为RGB编码），特征如下：

1.支持VP-9和HEVC压缩

2.可以通过HDMI使用

3.节省带宽资源

4.支持10bit色深

5.免费

只不过HLG并不是直面消费者的需求，而是对于HDR工作流程的创作者来说，有更好的空间。比起PG系统的复杂，HLG相当简单，目的在于简化HDR流程，在相机内完成HDR编码，甚至兼容远古的CRT黑白电视，非常用户群体庞大的电视台。

▌硬件标准UHD Premium

2016年初成立的UHD Alliance联盟也推出了相关标准，叫做Ultra HD Premium，要求物理分辨率必须达到3840x2160（4K）、10bit色深、兼容BT.2020、色域超过90% PCI-P3，支持SMPTE ST2084 EOTF，亮度方面有两种标准：一种是画面亮度超过1000nits、黑位低于0.05 nits（LED）；第二种是画面亮度超过540nits、黑位低于0.0005 nits（OLED）。

UHD Premium是历史上第一个针对消费级HDR显示设备的硬件标准，对于LCD+LED和OLED不同特性做出了不同指标，虽然比较人性化，但要求着实不低，也算是高端设备的门槛吧。

▌电脑玩家专属DisplayHDR

这标准相信大家早有耳闻，因为它很容易和HDR10标准混为一谈。2017年VESA推出DP 1.4规范，次年在DP 1.4a推出时制定了针对电脑显示器的DisplayHDR标准：HDR 400、HDR 600、HDR 1000。

名字一看就知道，要求的峰值亮度是多少。最低的HDR400标准中，要求达到峰值亮度400 nits，持续亮度320 nits，黑位要求通道亮度达到0.4 nits和角亮度0.1 nits，色域达到95% BT.709，色深达到8bit，还细分出了面板色彩精度和处理色彩精度要求，与其说是HDR标准倒不如说是非常变态的显示器品控要求。

而HDR600算是能和普通显示器拉开较大差距了，要求峰值亮度600 nits，黑位必须低于0.1 nits（也就是说必须动态分区背光），达到99% BT.709色域、大于90% PCI-P3色域，10bit色深，黑白亮度响应时间≤8帧，能符合HDR600的显示器显然是非常出色了。

至于HDR1000的要求就太高，有点类似前面的UHD Premium，显示器要能支持...老张我肯定买不起。比如PG27UQ、UP2718Q、PA32UC、CG3145，价格都是五位数起步，告辞。

▌我们得到了什么

通过HDR，我们得到了什么呢？当然是更好的画面：

宽广的色域能展示更多的色彩，让画面更加真实、接近人眼看到的效果，灰的够灰，艳的够艳，

而色深看似只是加了个“2”，实际上每1bit代表2的1次方，所以8bit的1670万色距离12bit的680亿色可相差太多了，它可以在有限的色域中细分出更多更精确的色彩，过渡更细腻，画面不容易断色阶。 

为了更好的画面表现，在标准推出之前不少厂商已经着手开发了很多画质增强技术，比如动态背光调节，当“识别到画面暗的时候就降低背光亮度，画面亮的时候提高背光亮度”，提高画面的明暗表现，

索尼的精锐光控和夏普的煌彩都是如此，但单一背光下对比度提升有限，做的不好的可能还会给你忽亮忽暗的感觉。为了达到HDR的高指标，后来就慢慢演变出了分区背光技术，可以实时分析这帧画面“哪里亮、哪里暗”，亮的地方背光更亮，暗的地方更暗，让每一帧的亮度对比度都大幅度提高。

以索尼65寸为例，Z9D有600多个分区，9000f只有64个，而9000e只有48个。而墙内开花墙外香的海信，在美国推出的U9D，有5376个背光分区，非常可怕。

当然，分区背光只是针对LCD而言（量子点背光是LED背光变种），比较新颖的OLED有着先天优势，因为每一个像素点都是自发光的，理论对比度几乎是无限，还有着出色的功耗和体积优势...二者却也都有各自的问题：LCD+LED对比度不够高，OLED最大亮度上不去。

等你用上了HDR，回过头来看SDR，一定会觉得“画面好灰啊”，正如同用上了144Hz就回不去60Hz一样。

▌总结

每一种标准都有各自针对的群体，比如由于HDR10元数据是静态的，和SDR TV内容不能兼容，所以我们熟悉的广播公司大多没有引用HDR10。电影和流媒体（类似YouTube）比较亲睐Dolby Vision和HDR10。电视台（比如BBC、NHK）则选择了HLG。

但目的是一样的，都是为了呈现更好的画质。受限的主要原因，相信还是成本问题。硬件成本不只是显示设备，更多的还是拍摄设备和创作设备，需要支持HDR流程的摄像机、录制/转播设备、服务器、专业监视器、调色软件和调色台等等，这些都是我们消费者看不到的隐形成本。

另一个限制的原因还是片源问题，没有HDR片源能看，我们买了也不能完美发挥HDR的效果啊。相信对于普通人来说，SDR已经满足了我们的基本需求，不太愿意花高成本去提升效果。

至于效果，一定要实际体验才能感受到HDR的震撼，虽然网上有各种对比图，但事实上，我们通过普通显示器或者手机，是完全不能感受到HDR带来的震撼的，这是硬件决定的。（你都不能显示HDR，拿什么对比？对比图依然是SDR的）

HDR毫无疑问是更棒的，是显示历史进步的新高度，老张觉得，HDR显示设备要普及至少做到两点：便宜的够便宜，让大多数人都能用上；贵的足够好，进一步提高极致体验。

但现在离人们最近的设备——手机，已经有不少支持了HDR功能，比如索尼Xperia 1，LG G6，iPhone X及以后OLED机型等等，手机或许是最有可能普及HDR的设备，成本低、用户广，或许等到手机大幅度支持HDR了以后，HDR才能真正开始普及吧。

参考出处：

（EOTF曲线）https://www./show.php?contentid=31927

（标准对比）https://www./2018/12/ready-hdr-delivery/

https://www./forum.php?mod=viewthread&tid=8292472

https://www./2018/12/ready-hdr-delivery/

https://www./av/25976.html

https://zhuanlan.zhihu.com/p/38837135