显示器中的HDR10、HDR400、HDR600有什么区别?

简介: HDR10是通用的HDR标准,无需支付版权费;HDR400、HDR600等是VESA的DisplayHDR等级,根据亮度、色域、色深等指标划分,数值越高代表性能越强,如HDR400要求400nit亮度,HDR600则需600nit以上。

1)显示器中的HDR10、HDR400、HDR600有什么区别?
2)为什么显示图像要做Gamma矫正?
3)HDR中的PQ和HLG曲线有何不同?

显示器中的HDR10、HDR400、HDR600有什么区别?

HDR10和HDR400、HDR500、HDR600、HDR1000等看似是类似的概念,都是HDR后面带了一个数字,但实际意义却相差甚远。

HDR10是一种使用最普遍、最广泛的HDR格式,是指显卡与显示器之间传输HDR内容的协议与标准,是一个开放标准,不需要支付任何版权、认证费用。

HDR400、HDR500、HDR600、HDR1000、HDR1400则是VESA对的DisplayHDR等级划分,DisplayHDR是衡量显示器HDR效果的标准,是在支持HDR10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。(市面上有部分供应商提供的HDRxxx并没有得到VESA认证,这里我们主要讲的HDRxxx实际是DisplayHDRxxx。)

HDR400,仅要求显示器峰值亮度不低于400nit、原生8bit色深、95%RGB色域、全局调光。

  • 全局调光(Global dimming):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(Local dimming):屏幕背光划分为多个区域,各区域能够独立调节亮度。

HDR500及以上,认证要求才有了质的提高:区域调光、10bit色深、90% DCI-P3色域等,其中最重要的就是区域调光,能够极大地提高对比度和动态范围,实现真正的HDR体验,10bit色深和P3广色域同时也能带来更好的色彩观感。
640.png

为什么显示图像要做Gamma矫正?

先简单说一下Gamma(伽玛)值是什么?

Gamma值的广义定义就是输入值和输出值的Gamma幂指数关系,用来补偿人眼对自然亮度的非线性感知。输入与输出关系如下图所示:
640 (1).png

输入和输出的关系可表达为:输出 = 输入^(Gamma)

Gamma=1,斜45°直线,不校正,输出=输入;
Gamma>1,曲线下压,输出值<输入值;
Gamma<1,曲线上拱,输出值>输入值。

为什么要将输出和输入做Gamma运算?

上面提到,Gamma为了解决人眼对自然亮度非线性感知的问题,其二是因为记录存储的有限性。举个例子:一间黑屋子中,点亮了一只灯泡A,人眼会感觉照亮整间屋子,持续点亮第2个、第3个……灯泡后,人眼会感觉屋子逐渐变得明亮,此时再点亮第N+1个灯泡,其实人眼没有什么感觉甚至微乎其微。这是因为亮度对人眼的刺激是非线性的,第1个和最后一个灯泡点亮对人眼的刺激感觉是不同的;人眼感觉黑到白的范围“有限”,灯泡可以无限,但感觉会趋于一个有限制值。

分析:此时输入是灯泡的强度,输出是人眼的感觉,大自然中,感觉的差别阈限随原来刺激量的变化而变化,这是著名的韦伯定律,下图显示了自然界线性增长的亮度和人心理感觉的灰阶关系图:
640 (2).png

当物理亮度达到白色的20%左右的时候,人已经感受到了中灰色(即0.5处)的概念。而剩下的一半高光区的灰阶,需要用白色80%的物理能量才能照亮成人感觉到的白色。根据输入和输出的关系,可确定此时的Gamma大约在1.8~2.5,而现在大多数用2.2。

所以,Gamma值的应用非常多,如图像拍摄中的相机的Gamma、图像显示中的显示器的Gamma、图像输出中的打印机、印刷机的Gamma等,不同设备的Gamma描述的都是此设备的信号值对应的亮暗关系,而且,这些关系都是非线性的。

显示器的Gamma值:

显示器的Gamma值表示了输入信号的颜色值以及发光的亮度之间的关系,也就是输出时从黑到白的亮度过渡。下面是使用不同的Gamma值显示同一幅图像:1.0(左,线性响应),1.8~2.2(中,较暗的图像),3.0(右,过暗的图像)。
640 (3).png

可见,较低的Gamma值有一个较亮较平稳的显示;而较高的Gamma值有更高对比度的较暗的显示。一般显示器用8bit色深的RGB来记录数字图像,所以最大的数据存储量就是2^8 2^8 2^8 = 16,777,216,如果使用线性的方式进行存储自然中的亮度,那可能根本不够用。所以拍摄的图像先用Gamma进行压缩,保留了大部分的中间和暗调细节,再通过Gamma释放(校正)并显示,展示给人眼看见,保证了人眼在显示器上感觉和自然中相同。

HDR中的PQ和HLG曲线有何不同?

简单来说,PQ 和 HLG 指的是由 SMPTE(电影和电视工程师协会)和 ITU(国际电信联盟)标准化的Gamma(伽马)曲线。

为了正确显示HDR图像,仅仅提高亮度是不够的,以与人类视力相匹配的方式显示色彩和色调至关重要,而色彩和色调受每个输入和输出设备的Gamma输入 - 输出特性的影响。BT.2100标准提供了两条伽玛曲线作为不同类型生产工作的标准:

  • PQ (Perceptual Quantization,感知量化)
  • HLG (Hybrid Log Gamma,混合对数伽玛)
    640 (4).png

绝对与相对:

【绝对】PQ伽玛曲线的最高亮度固定为1,000 cd/m² (或更高),无论显示设备的最高亮度如何,伽玛曲线始终相同,从而实现一致的图像再现。

【相对】HLG伽玛曲线的最高亮度与显示设备的最高亮度无关,因为伽玛曲线根据显示设备的最高亮度而变化,即使在现有的SDR显示器上,伽玛曲线也可允许接受观看HDR内容,并且图像劣化较小。
640 (5).png

总而言之,PQ在图像质量和可显示的亮度范围方面要好得多,但如果从摄像机到最终显示器的整个广播链没有得到适当的监控,那么要想保证图像的正确显示就会变得复杂又昂贵;PQ伽马曲线基于人类视觉感知的特性,更适合应用在电影制作和互联网视频流中。

HLG伽马曲线基于较旧的SDR(709)标准,并对其进行了扩展,以便能够显示更高的亮度范围,这对于人类视觉系统来说并不是最佳选择,但就制作而言HLG更易操作也更具有兼容性,允许在现有SDR电视上显示更高动态范围的内容,更适合应用于广播电视和直播视频中。

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