提到近几年最热门的视频技术话题，相信绝大部分朋友都会认同是HDR高动态范围，而并不是8K超高清。因此，现在对画面有一定要求的影音爱好者在挑选电视或投影机的时候，往往都会高度关注这台设备实际的HDR处理性能。上一期我们分析了现阶段8K的发展状况以及对未来的展望，本期则将目光放在HDR技术之上。对于HDR技术这个话题，可以说自其推出以来就争论不断，不管是电影导演、制片人、后期制作人还是普通用户，都并非一面倒地支持这项新技术，甚至还有不少激烈的反对声音。不过，时至今日，HDR技术不断完善，并且逐渐走向成熟，从视频制作到信号传输，再到最终的画面显示已经形成了一条完整的产业链，可以说HDR虽然仍没有完全进入到全民普及化的阶段，但已经让绝大部分的影音爱好者与发烧友充分了解到HDR对于整个画质提升所起到的重要作用。关于HDR技术相关的专题探讨，这么多年来我们一直都没有停歇过，主要的原因在于HDR技术一直都在更新中，目前已经产生了包括HDR10、HDR10+、Dolby Vision、HLG、SL HDR1、SL HDR2、SL HDR3在内的多种技术格式，而每一种技术格式之间又有着千丝万缕的关系。今年我们决定再度探索HDR技术，并且将关注点放在越来越多人关心的动态HDR技术之上，包括静态元数据与动态元数据的差别，静态映射和动态映射之间的关系，以及元数据与色调映射的关联性等方面，挖掘HDR技术当中那些容易被人忽视的环节。
再谈HDR高动态范围技术主要内容
● 硬件性能渐趋成熟，我们再谈一下HDR技术诞生的来由
● 相对复杂的HDR技术格式分类，先从向下兼容性的角度出发
● 从静态走向动态HDR，HDR画质的进化之路
● 元数据与色调映射紧密相连，HDR也分为静态色调映射与动态色调映射
● 必须来谈谈Dolby Vision杜比视界，现阶段最强的HDR技术
● 不断变化的HDR生态系统，动态HDR节目源将成为主流
硬件性能渐趋成熟，我们再谈一下HDR技术诞生的来由
HDR的出现充分释放了现代高性能拍摄性能的动态范围，带来更加接近真实环境的色彩
从SDR到HDR的技术衍变，让我们可以在画面上许多以往会忽略的、隐藏在高光与黑位中的精彩细节
经过这几年市场的不断发酵，以及大家日常使用经验的积累，关于HDR高动态范围与SDR标准动态范围的技术差异性，相信绝大部分的影音爱好者和发烧友都已经有所了解，而不再停留在一知半解的状态。我们在这里就不再啰嗦两者之间的技术细节，主要是谈谈HDR出现的主要原因。从本质上来讲，HDR高动态范围实际上就是大幅度提升了画面所有色彩的亮度范围，从最暗到最亮的变化，以尽量接近人眼实际的观看亮度动态范围又或者说是宽容度。需要留意的一点，HDR增强的不只是只有画面亮度，更包括了画面中色彩，HDR往往还会跟WCG广色域同时出现。
在UHD超高清系统出现之前，我们有相当长的一段时间还在沿用显像管电视系统的标准，从拍摄、制作、传输到最终的显示，比如说0.1-100nit的亮度范围，也就是1000:1的对比度，BT.709色域，2.2-2.4 Gamma，8bit色深。这些陈旧的技术标准在面临整个电视系统硬件性能的大幅度提升的时代，已经显得不够用了。以往，业界关注的焦点基本上都只是放在最为基础的画面显示分辨率上，确实从480p标清到1080p全高清的分辨率提升就已经给画面的清晰度带来了巨大的提升，只是到了UHD的发展阶段，我们会发现在普通客厅3-5米左右的观看距离，50-65英寸的主流平板电视从1080p到UHD 4K在画面清晰度方面的提升并没有想象中大。这也使得不少用户对于第一代的4K电视的升级欲望并不太强烈。于是，我们就看到了HDR高动态范围技术的出现。当然后续的技术不止于此，更是对4K电视的综合性能进行不断优化，包括在WCG广色域与HFR高刷新率方面，4K电视到了现阶段就已经不只是一台分辨率达到4K的电视而已，整体性能得到了全方位的增强。
HDR是目前个人或家用显示设备中的一个极其重要的基本功能，不管是平板电视、家庭影院投影机还是电脑显示设备。HDR所要实现的目标是要让电影与电视系统的动态范围提升至人眼的视觉宽容度上限，而人眼视觉最大宽容度大概在1012:1，大致上相当于40档光圈，而SDR则是10档光圈左右。不过，即使是来到了如今HDR的技术阶段，受到拍摄、制作和显示技术的限制，从影视制作的角度来看，现阶段还是很难完全再现人眼视觉的最大动态范围的状态。这里需要说明的一点，人的瞳孔控制着进光量，瞳孔变大，进的光就多，瞳孔变小，进的光就少。当人在明亮和黑暗的环境里切换时，瞳孔也会跟着变大或缩小。而最舒服的观看状态是在无需调节瞳孔状态，因此现阶段HDR的目标是为了实现在人眼无瞳孔调节状态下的宽度度上限，大概为16档光圈左右，约为105:1。以目前好莱坞HDR拍摄常用的Arri's Alexa 65这款摄像机为例，它的镜头动态范围大概是16档光圈，那么也就意味着采用这款HDR摄像机拍摄与制作的HDR电影的原生动态范围也是16档光圈。而亮度峰值在1000nit左右的平板电视，大概动态范围在14档光圈左右。另外，对于那些可以把黑色压得足够黑的自发光显示技术，例如OLED、MicroLED来说，相同亮度的情况下，动态范围更是可以突破14档光圈。因此，我们可以看到HDR技术的出现是和整个电视电影硬件性能的提升有着密不可分的关系，沿用SDR动态范围的最高和最低亮度标准来制作节目已经不能够全面释放硬件性能设备，HDR技术的升级换代是势在必行的。
相对复杂的HDR技术格式分类，先从向下兼容性的角度出发
Perceptual quantization (PQ)曲线的性能图示，建议在色深在12bit或以上
Hybrid Log-Gamma(HLG)曲线可以兼容SDR
HDR电视节目拍摄、信号传输与最终显示流程，如何兼容SDR信号是最主要的问题
前面，我们曾经提到目前HDR技术格式不少，包括了HDR10、HDR10+、Dolby Vision、HLG、EclairColor、SL HDR1、SL HDR2、SL HDR3等，而事实上我们平常接触到的HDR类型并不多，主要是HDR10、HDR10+、Dolby Vision、HLG这四大类型。而这几种HDR技术格式其中一个重要区别点在于向下兼容性能的差异，也就是能否兼容SDR的显示设备。
在ITU国际电信联盟所颁布的关于HDR相关技术参数的BT.2100技术推荐规范中，我们除了可以找到关于环境和参考显示设备峰值亮度的要求之外，比如说如果屏幕后方与四周需要配置环境光，这种环境光需要是D65的中性灰色，屏幕后方的亮度仅为5cd/m2，四周环境光亮度小于5cd/m2，避免环境光直接照射在屏幕之上，1920×1080 HDR节目的观看距离为3.2倍屏幕高度，3840×2160 HDR节目的观看距离是1.6-3.2倍屏幕高度，7680×4320 HDR节目的观看距离是0.8-3.2倍屏幕高度，建议的参考级显示器的峰值亮度≥1000cd/m2，最小亮度≤0.005cd/m2。更重要的是BT.2100明确指出了Perceptual quantization (PQ)以及Hybrid Log-Gamma是目前HDR光电信号处理所采用的两种不同的方式。其中HDR10、HDR10+与Dolby Vision都是采用PQ曲线或者说是ST.2084曲线，而HLG则是采用Hybrid Log-Gamma混合对数曲线。
在技术的层面上，采用PQ曲线的HDR技术是无法向下兼容过往的SDR设备的，例如说HDR10和HDR10+的HDR画面就无法在1080p SDR的设备上正确显示，整体画面会出现色彩正常的灰暗的情况。(不过要留意的一点，部分蓝光碟机或播放设备会内置HDR转SDR的功能，并会让用户设定高光滚落或高切亮度的参数，使得SDR的显示设备上可以显示HDR10画面。)
但也有例外，Dolby Vision就特别采用了单码流双层数据来实现SDR与HDR的兼容，SDR的设备只能读取基本层的数据，从而显示正常的画面色彩与亮度表现，而HDR的设备在检测到元数据之后可利用HDR增强层的数据来实现HDR画面的显示。相对与有点过于“简单粗暴”的PQ曲线，HLG所使用的混合对数曲线则是采取“怀柔政策”，在同一条曲线上兼顾了SDR与HDR显示，其100%动态范围时，HLG的电平刚好是SDR的50%，虽然说动态范围比PQ曲线要小，HDR的效果并没有采用PQ曲线的其他HDR技术来得出色，但按照目前HDR显示设备的性能来看，还是相当够用的。而且HLG在结构上不需要进行双层数据，也不含元数据，非常适合用于没有时间进行HDR后期处理的电视直播节目，可以说实现了无痛升级，相当方便。
因此，目前国内外电视直播节目基本上都是采用HLG技术格式，而UHD HDR蓝光以及各类网络流媒体平台则都是采用PQ曲线的HDR技术格式。至于在显示设备端，目前新推出的平板电视、激光电视与家庭影院投影机基本上都能同时支持HLG与PQ这两大阵营的HDR技术格式，主要的区别是在是否支持动态HDR技术。
从静态走向动态HDR，HDR画质的进化之路
ST.2094是关于元数据的技术规范
ST.2094规定了不同HDR技术格式所采用的元数据类型
元数据当中包括了大量的画面信息，并非只有MaxCLL内容的最高亮度等级和MaxFALL平均帧最高亮度等级
不同HDR技术格式所采用的元数据技术规范类型
关于HDR技术格式的分类，除了从向下兼容的角度之外，我们还可以将HDR技术根据元数据与色调映射的不同，分为静态HDR和动态HDR两大阵营，其中HDR10属于静态HDR技术格式，而HDR10+和Dolby Vision则是属于动态HDR技术格式。
在HDR技术之中，元数据Metadata是让画面能实现HDR高动态范围效果的关键所在。元数据技术其实并不是什么新技术。在我们所熟知的Dolby Atmos与DTS:X这类以声音对象为核心的沉浸式三维音效，就使用了元数据来定位电影场景音效当中的位置与位移。对于HDR技术来说，元数据就记录了电影画面中非常重要的信息，其中主要包括了色彩和亮度两大方面的信息，具体来看包括了影像的分辨率、色域范围、色度取样、色彩深度、码率、编码格式、帧率、画面比例、制作端显示设备的亮度等，其中有两个元数据是非常关键的，分别是MaxCLL内容的最高亮度等级和MaxFALL平均帧最高亮度等级。通过这些信息，我们就能让HDR显示设备正确处理HDR画面中的色彩与亮度细节，不会让这些重要的细节层次信息丢失。
HDR10所采用的静态元数据是指整部电影通过单一的元数据来控制每一帧画面的亮度变化，并不会因为不同帧画面中的场景差异而有所调整。这种静态元数据的方式的优势当然是简单，不管是对制作方还是显示设备而言，只需要单一的元数据处理就可以了，因此在早期的HDR节目源，包括HDR蓝光和国内外的流媒体节目源基本上都是采用HDR10，至于显示设备方面则更是全面支持HDR10。而不足之处也同样明显，整部电影都采用同样的元数据来控制光影变化，可是电影之中的每一帧画面的动态范围并非一样，很容易会造成某些大动态场景的画面的暗部或高光细节出现丢失，比如说雪山、黑夜等场景。这也是早期HDR显示设备的HDR画面表现并不如意的主要原因，有些时候黑位很扎实，阳光感十足，有些时候画面容易出现过曝问题，高光层次丢失。
为了解决静态元数据的这个问题，最佳的解决方案就是通过动态元数据的方式来实现，也就是不再使用单一的元数据，而是根据电影中不同的场景设定不同的元数据，以最大程度地优化HDR画面的亮度表现，尽量保证每一个场景的画面动态可以充分释放，同时还能保留丰富的暗部与高光细节层次。HDR10+和Dolby Vision都采用了动态元数据，两者在HDR的整体画面表现上都要较HDR10要来得出色，而两者不同的是，Dolby Vision还带有专门的Trim Passes metadata微调元数据以及12bit色深增强处理等，针对支持Dolby Vision的显示设备再优化，但在一定程度上也加大了后期制作端的流程。另外，想要支持Dolby Vision，还需要格外购买Dolby Vision编解码芯片，并且支付授权费。
元数据与色调映射紧密相连，HDR也分为静态色调映射与动态色调映射
动态色调映射会根据画面中的不同场景的亮度标准设置不同的色调映射曲线
静态色调映射采用单一的亮度曲线来处理所有场景的高光裁切处理与亮度变化
有了元数据，要实现正确的HDR画面显示，还需要进行正确的色调映射才能实现。所谓色调映射，简单来说就是让我们所观看的显示设备尽量贴合影视后期制作监视器效果的处理方式。由于目前家用领域的显示设备性能，特别是亮度方面的性能，与后制监视器还是有着一定的距离，想要实现相近的画面亮度、细节层次以及色彩，必须要进行整个画面的色调映射转换。显示设备的色调映射，同样也分为静态映射与动态映射两种方式。静态映射会根据HDR节目源中的静态元数据，对整部电影进行单一的色调映射，或者说采用单一的亮度曲线来处理高光滚落或高切点，对于显示设备的HDR处理性能要求不高，较为容易实现，所有的HDR设备都支持静态映射。这种简单粗暴的色调映射方式面对那些动态范围并不算太大的HDR节目源，又或者是本身亮度动态范围比较大的显示设备其实也够用。但是当遇到某些HDR节目源在某些场景需要使用超高或超低的亮度时，又或者是亮度并不高的显示设备，如家庭影院投影机的时候，就很容易会出现问题，低光的场景丢失暗部细节，高光的场景没有阳光，画面变灰。
于是，这两年讨论热度最高的动态色调映射就出现了。需要注意的动态映射并不等于动态元数据，两者可以共同运行，而动态映射还可以单独运行。从运行效率和正确率的角度来说，结合动态元数据的动态映射是最为理想的。通过HDR10+和Dolby Vision中的动态元数据，显示设备并不需要配备高性能的处理器就能实现逐个场景甚至是逐帧的动态映射。这种方式属于预处理的动态映射技术。那么当遇到大量采用静态元数据的HDR10节目源的时候，想要进行动态映射处理，就只能依赖显示设备内置的处理系统了。今年越来越多的平板电视、激光电视、激光超短焦投影机以及家庭影院投影机开始加入动态映射相关的功能，一方面这需要依赖强大的运算能力，同时还需要有大容量的影像数据库，确保在不同场景下能够获得正确的色调映射。需要注意的是，这种方式属于后处理的动态映射处理，并不能保证画面一定是正确的。也是因为这个原因，显示设备中的后处理动态映射处理功能，往往还会留给用户一定可调的空间，比如说预留高中低三个不同处理强度的设置档位，用户可以根据片源是偏向高光还是偏向暗部来自行选择。而前面所提到的动态元数据和动态映射相结合的预处理动态映射模式，如HDR10+就基本上只有开启或关闭的选项。
必须来谈谈Dolby Vision杜比视界，现阶段最强的HDR技术
Dolby Vision在制作端、传输端与显示端的众多合作伙伴
目前已经有众多的电影和电视节目采用Dolby Vision来制作
Dolby Vision采用动态元数据与动态映射相结合的方式
Dolby Vision支持Automatic Brightness Control自动亮度控制功能
在目前为数不少的HDR技术当中，哪一种技术是最强的呢？那估计绝大部分都会认为是Dolby Vision杜比视界。Dolby Vision是由杜比实验室推出的一整套图像制作、编码、传输和回放的HDR技术。需要注意的一点，如果显示设备想要处理并显示Dolby Vision制作的片源，厂家必须要内置Dolby Vision编解码芯片并且支付授权费，同时产品还需要通过杜比官方的测试和认证，以便实现最准确的色调映射。
由于杜比在HDR技术的研究、测试、开发等方面均居领先地位，并主导制定了SMPTE 2084（PQ感知量化亮度曲线）和SMPTE 2094（动态元数据）标准化工作。因此，Dolby Vision可以充分展现HDR高动态范围的实力。Dolby Vision使用动态元数据技术来实现特定电视机或其它播放设备上的逐个镜头、逐个场景的图像映射。这些元数据是由调色师所创建，有助于在观众眼前最大程度保持影片的创作意图。身为创作者的调色师能够完全把控影片内容如何映射到SDR电视以及不同性能的HDR电视上。杜比与后期制作领域的机构紧密合作，不断优化和改良工作流程。目前杜比视界的映射算法已经迭代到4.0版本，拥有巨大的智能性和人工调整的空间。不过，因为制作流程相对复杂，在众多的HDR技术之中，制作完整版本Dolby Vision的时间可以说是最长的。
前面也提到，Dolby Vision采用了单码流双层数据传输实现了SDR与HDR兼容。HDR母版经Dolby Vision编码后分成两层传输，普通的SDR设备可以直接解码基本层的信息，显示SDR标准动态范围的正常图像，而不会出现HDR10那样画面显示不正确的问题。而通过了Dolby Vision认证的设备就能同时解码基本层和增强层的信息，显示出正确的HDR图像。这种解决方案主要的问题是传输码流仍然较大，而HDR的部分还是需要后期的处理，对制作端与传输端的压力较大。Dolby Vision还拥有12bit的色深扩展以及Trim Passes metadata微调元数据，可以说整体所呈现出来的HDR画面素质是母庸置疑的。另外Dolby Vision还支持Automatic Brightness Control自动亮度控制功能，可以通过显示设备上的感光元件，自动测量环境光的亮度，微调暗部色调的数值以达至更好的效果。
在节目源内容方面，目前好莱坞不少制片厂的影片都已经使用了Dolby Vision影院版规格制作、上映，并以Dolby Vision家庭版发行蓝光碟以及线上点播。在国外流媒体服务平台上，Netflix多年来原创自制剧一直采用杜比视界规范。以2019年为例，点击量最高的十部剧集全部都是杜比视界规格。其他线上点播平台如Disney+、Apple TV也提供了大量杜比视界内容。在国内流媒体平台方面，包括爱奇艺、腾讯视频、优酷、哔哩哔哩在内的各大平台，已经拥有超过1200部/集的国产影片、剧集、纪录片采用Dolby Vision技术。可以说，Dolby Vision拥有着相当强劲的发展势头。
不断变化的HDR生态系统，动态HDR节目源将成为主流
2022年UHD 4K蓝光各大HDR格式占比
2022年全球主要OTT网络流媒体设备HDR格式分布
2019年全球主要广播运营商HDR格式分布
2022年全球主要游戏主机HDR格式分布
在HDR技术面世的头几年，我们所接触到的HDR节目源并不多，而且在UHD 4K蓝光刚刚出现的阶段，采用HDR10制作的电影实际所呈现出来的画面效果也并没有人们期待中的出色，使得HDR技术受到了众多的质疑，甚至还带来了不少反对的声音。不过，经过了多年的技术标准建立与积累，再加上家用显示设备的性能提升，包括了亮度较低的家庭影院投影机普遍也强化了色调映射处理的性能，部分还加入了强大的动态色调映射功能，使得现阶段无论是用户还是制作者都对HDR技术都更有信心。从目前HDR的整个生态系统来看，众多知名的电影制作室普遍采用HDR技术来制作电影，以2019年的数据为例，采用HDR10、Dolby Vision技术包括Netflix、迪士尼、amazon、福斯、华纳、环球、Lionsgate、派拉蒙、索尼影业、BBC，而采用HDR10+则有amazon、福斯、华纳、环球。因此，来到2022年，我们看到UHD 4K蓝光中只采用SDR制作的片源只剩下1%，其余的99%都是采用HDR来制作。所有的HDR蓝光都支持接触的HDR10，而同时支持HDR10和Dolby Vision占30%，同时支持HDR10、Dolby Vision和HDR10+占2%。从这样的数据之中，我们不难察觉Dolby Vision蓝光数量在迅速上升，同时HDR10+也起来了。除了蓝光碟片，我们在国内外的流媒体平台上同样也看到了Dolby Vision、HDR10+节目源不断增多的情况，相信未来动态HDR技术必将成为主流。
总结
最后，不免会有朋友会提出疑问，究竟Dolby Vision和HDR10+这两种HDR技术哪一种效果会更好？对于这个问题，影音行业和用户的讨论相当激烈。有部分用户认为Dolby Vision的片源画面效果更好，即采用了动态元数据加上动态映射处理，又有12bit色深增强扩展，还有Dolby Vision一系列微调处理功能。但一部分的制片人却认为以目前显示设备的综合性能，普遍都是10bit色深的设备，同一部电影Dolby Vision和HDR10+的版本效果差异微乎其微，我们在观看的时候也不需要纠结一定要观看Dolby Vision的版本。我们认为根据目前HDR技术的制定标准而言，Dolby Vision无疑是最具前瞻性的，当我们所使用的显示设备性能足够强劲，能够达到Dolby Vision的高要求的情况下，Dolby Vision所呈现出来的HDR效果优于HDR10+。但是，确实现阶段平板电视、激光电视与家庭影院投影机，不论峰值亮度、黑位以及色彩方面还有不少提升的空间，目前来说Dolby Vision和HDR10+的效果可以说是在伯仲之间，甚至未来还会有HDR12+或HDR16+来与Dolby Vision相抗衡也说不定。
