漫谈HDR高动态范围显示技术概要1.docxVIP

漫谈HDR高动态范围显示技术HDR格式放映的新片《绝命海拔》(Everest）提起HDR，玩单反的朋友一定不会陌生——通过拍摄多张不同曝光的RAW静帧，后期拼合并经过光影映射（tone mapping）之后得到一张亮部和暗部细节纤毫毕现的作品。通过这种方式记录的图像通常能完整覆盖现实场景的动态范围，可以达到十几甚至数十档。如今的高端数字电影摄影机使用各种RAW格式和log曲线也拥有14档以上的宽容度，但是下面要谈到的HDR是关于摄影界一直以来所缺失的重要一环——如何将如此宽广的动态范围呈现在眼前，做到真正的身临其境？普通电脑显示器、电视及专业监视器可以显示6-8档的动态范围，如果用来观看Arri Alexa拍摄的影片，那么意味着后期制作时要把14档动态范围压缩几乎一半，这样显然达不到HDR的标准，那么第一步是需要一台超高动态范围的显示设备。这里必须提到HDR显示技术的先驱——杜比（Dolby）以及“杜比实境”（Dolby Vision?）。杜比早年收购Bright Side公司之后就一直致力于HDR显示技术的研究，开发了一台42英寸，动态范围直逼18档的HDR监视器（名为Pulsar），峰值亮度4000尼特，对比度200000：1，相比起来，专业监视器则是80-120尼特，2000：1。Pulsar的背光模块分为1400个分区，每个分区都可以RGB无级调光，对于画面纯黑的部分，背光可以完全关闭。对于影院环境，杜比使用了科视（Christie）新开发的双机4K激光投影系统，峰值亮度107尼特（普通影院为48尼特），对比度可以达到不可思议的100万：1。杜比Pulsar HDR监视器，背光模块需要水冷保持稳定运行。第二个问题是如何将摄影机记录的动态范围在不经过任何压缩的前提下呈现在HDR监视器上，摄影机都会有一个OETF （Opto-Electrical Transfer Function 光信号转电信号曲线），比如Log C，S-log2/3，Canon Log等等都属于OETF，到了显示端则是EOTF（Electro-Optical Transfer Function 电信号转光信号曲线），普通显示设备的EOTF很大程度上是基于老式CRT显像管电视的光电特性设计的，也叫做伽玛曲线（2011年正式标准化，称为BT.1886）。很明显，从CRT时代走出来的伽玛曲线不能满足HDR显示的需求，杜比因此彻底摒弃了伽玛这一概念，全新研发了名为“感官量化曲线”（Perceptual Quantiser, PQ）的EOTF。为了研发这一EOTF，杜比开展了一系列主观试验，以确定到底什么样的HDR才能满足人类感官的需求。杜比感官偏好试验所使用的HDR显示设备，一台NEC 2K数字电影投影机以背投方式投射到一块特制的21英寸单色液晶面板上。峰值亮度可达20000尼特。试验结果表明，人类视觉偏爱超高对比度的画面（暗部更纯，亮部更亮），并且对于画面暗部细节更敏感。杜比结合自己的研究成果和物理学家巴顿（Barten）所建立的视觉反差敏感度模型（CSF Model），在既能避免出现画面断层又不浪费数据位深的前提下，将PQ EOTF定为12bit，可覆盖0至10000尼特亮度范围。目前杜比PQ EOTF已被SMPTE （电影电视工程师协会）正式纳入规范，称为ST.2084曲线。简单讲，PQ EOTF就是一条log曲线。HDR内容的制作流程始于前期拍摄，使用RAW格式，布光及曝光时会格外留意没有死黑或死白，后期进入调色阶段会经过色彩管理（Baselight或Nucoda）将素材映射到PQ EOTF 4000nit并配合Pulsar监视器完成调色，之后各种版本（107尼特/48尼特影院版本，低亮度1000/800尼特电视版本或BT.709版本）也有相应系统完成映射和分发，这一整套涵盖前期到放映的流程和系统就是之前提到过的杜比实境（Dolby Vision?），今年在北美和欧洲开张的几家杜比影院同时配备了杜比实境和杜比全景（Dolby Atmos）。屏摄图，左侧为HDR，右侧为普通BT.709消费电子方面，LG、三星、索尼、VIZIO等都推出了HDR平板电视（峰值亮度最高800尼特），亚马逊和Netflix也开始提供HDR内容的在线观看。新UHD蓝光标准也纳入了对HDR格式的支持。最近使用Dolby Vision HDR制作的新片《绝命海拔》（Everest）看过的基本上都表示，HDR比3D和4K要来的实在，更有意义。HDR显示技术当然也有等待解决的问题，比如功耗，几百上千尼特的峰值亮度，耗电量相当可观。东芝前几天展示了一款7000尼特峰值亮度的次世代REGZA原型机，耗电量2kW。另外就是眼疲劳，不仅仅是观众，很多调色师调过HDR影片之后都表示眼睛受不了。人类