前言：

4K HDR產品出現在市場上也有2年多了。眾多消費者花大價錢買了高端4K電視和投影機，努力獲得一個良好的畫面體驗。本文通過基本知識的普及，來幫助大家選擇更合適的產品，以及調整現有設備。

UHDTV - HDR and WCG（超高清電視 - 高動態範圍和廣色域）

UHDTV（超高清電視 ，一般為4K），與HDR（高動態範圍）- PQ（感知量化器）或HLG（混合對數伽馬）EOFT（Gamma），以及WCG（廣色域）。這一系列的名詞是不是讓人頭暈？是的，人們對於這個領域的基礎知識存在著非常多的誤解，甚至是無知。希望今天這篇文章能為您解惑。

名詞解釋：

PQ - Perceptual Quantizer 感知量化

HLG - Hybrid Log-Gamma 混合對數伽馬

EOTF: Electro-Optical Transfer Function 電光轉換函數

一些概念：

感知量化 – 一個模擬人類感知功能的量化函數。由杜比提出，是HDR10，杜比視界（Dolby Vision）和超高清（Ultra HD）聯盟標準的一個關鍵部分。

混合對數伽馬（HLG） - 由BBC和NHK提出，作為一種向後兼容的方式為家庭用戶提供HDR內容。

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UHDTV（超高清電視）

UHDTV（超高清電視）的誕生並不一帆風順，不同的顯示器製造商定義了他們自己的「超高清」規格。

作為回應，超高清聯盟發布了所謂的超高清規格稱為「Ultra HD Premium」，而 Eurofins 已經推出了「4K HDR Ultra HD Logo」的計劃。

然而，UHDTV規範的各個方面可以並且經常被單獨使用。 例如，沒有什麼可以阻止標準色域（Rec709）的顯示器，標準HD甚至SD解析度，去使用高亮度範圍的HDR EOTF。

HDR所面臨的最大問題是人們對這方面的技術缺乏理解，究竟在技術上什麼是HDR和WCG，它們對於最終顯示的圖像到底意味這什麼。該技術文章將突出許多此類問題，並嘗試解釋其帶來的潛在益處和問題。

HDR - PQ & HLG

在此篇章中，我們專註於PQ HDR和HLG HDR以及它們對顯示校準，圖像工作流程和最終所見圖像體驗的意義。 雖然飛利浦/ Technicolor和EclairColor HDR格式作為LightSpace CMS中的標準HDR格式選項，但它們尚未廣泛使用。因此本篇略過，以幫助簡化閱讀和理解。

解決的問題列表：

  • HDR - 不僅僅是更亮
  • 絕對與相對 - 觀看環境
  • 元數據 - 為什麼需要？
  • 基於PQ的HDR - 杜比視界，HDR10和HDR10 +
  • HLG HDR - BBC
  • HDR - 現實與相關問題
  • WCG - 廣色域
  • UHD - 解析度

注意：PQ HDR定義了HDR10，HDR10 +和Dolby Vision，因為它們都使用相同的目標色彩空間 - Rec2020色域，帶有PQ EOTF。 因此，以上格式的的校準是相同的。 而基於HLG的HDR是不同的。

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HDR & BRIGHTNESS （HDR和亮度）

人們對於HDR最大的誤解：它的作用不是讓整幅圖像更明亮（小燒註：多數人認為HDR圖像應該是比SDR圖像更加明亮）。不幸的是，這似乎是大多數人對HDR的看法。HDR旨在為光譜的高光細節提供額外的亮度餘量 - 例如鍍鉻表面反射， 太陽照亮的雲，火焰，爆炸，燈泡燈絲等。

顯然，在影片製作/調色過程中，調色師/攝影導演及任何其他圖像編輯人員，可以自由地使用他們認為合適的擴展亮度範圍（小燒註：HDR格式的影片中，都會有一個擴展亮度的參數，從上千尼特到上萬尼特不等）。 但是，如果與SDR的平均圖像水平預期距離太遠的話，將產生意想不到的結果，並且導致最終觀眾對於圖像質量的不滿。

必須記住，如果圖像中 「亮」的平均範圍很大，則大多數HDR顯示器不能保持對應輸入信號亮度變化的線性亮度輸出。 只有一小部分屏幕區域可以達到「HDR亮度」的標準。 Eizo CG3145 Prominence是為數不多的能夠保持輸出亮度線性響應輸入信號亮度的HDR顯示器之一，因為它實際上是「每個像素獨立背光」。

HDR – 對於圖像亮度的真正意義

下內容直接取自ST2084（PQ EOTF）規範。

該EOTF（ST2084）旨在創建具有增強亮度範圍的視頻圖像; 不是為了創建具有更高全屏亮度水平的視頻圖像（小燒註：很意外吧，白皮書裏直接說明瞭HDR並不代表一眼看上去亮的刺眼的畫面）。 為了在具有不同輸出亮度的設備上表現的一致性，內容中的平均圖像亮度可能保持與當前亮度水平相似 ; 即中等場景曝光將產生當前標準視頻或電影（SDR）的預期亮度水平。

無論顯示器可以產生的最大峯值亮度如何，漫反射白色總是大約100尼特。

BBC的HLG HDR標準使用75％的信號（輸入）範圍作為標稱漫反射白色，這顯然是一個「變數」，因為HLG標準是相對標準，而不是像PQ那樣絕對。 這與任何現有的SDR電視一致，並且在白天觀看時以較高的峯值亮度運行，如大多數家庭休息室中的情況。

漫反射白色的標稱尼特值將隨著顯示器的峯值亮度而變化，1000尼特顯示器具有大約200尼特的漫射白色，5000尼特顯示器大約550尼特，具體取決於系統伽瑪（有關HLG系統伽瑪的信息，請參閱後面的內容））。

所以現實情況是HDR應該只是作為SDR顯示器的現有亮度範圍的「添加」，這意味著可以在圖像的更亮區域中看到更多細節。對於這部分信息現有SDR圖像僅僅做簡單的剪切，或至少滾降圖像細節。

以下直方圖是SDR（標準動態範圍）圖像與其PQ HDR等效圖像之間差異的簡化視圖。

請注意，APL（平均圖像亮度）在SDR和ST2084 HDR圖像之間保持大致一致，只有對比度範圍和鏡面高光亮度增加。

這是基於PQ的圖表，並且是為重視色彩的調色環境指定的。 對於基於HLG的HDR，漫射白點不是固定的，並且在較高亮度顯示器上被標稱定義為更高，因為HLG針對電視廣播圖像，在更明亮的家庭環境中觀看。 有關PQ vs HLG，擴散白色的更多信息以及此帶來的潛在問題，請參見下文。

無論如何，如果理解了HDR的標稱漫射白色方法，並且是基於使用鏡面高光的額外亮度範圍而創建的圖像，就可能將HDR的真正潛力展現出來。

ABSOLUTE VS. RELATIVE - PQ VS. HLG（絕對 VS. 相對 – PQ VS. HLG）

在家看電視時接受的一件事：我們設置電視的最高亮度以適應放置電視機的觀看環境 - 最常見的是客廳。 這顯然忽略了視頻發燒友的具有環境光控制的真正家庭影院房（小燒註：往往是遮光良好，具有接近全黑環境的房間），但他們不是觀看家庭電視的通常人羣。

雖然我們知道並瞭解SDR的調色顯示器已經校準到100尼特，但我們也知道它將被安置在受控的調整環境中，幾乎沒有環境光。 SDR的「相對伽馬」實現方式的優點：電視可以簡單地調得更亮，以克服無法控制的光污染環境，包括使用不同的伽瑪值。

基於PQ的HDR被用於家庭觀看時，人們經常忽視的潛在問題之一：因為標準是「絕對的」，所以沒有辦法增加顯示器的光輸出以克服周圍的房間光亮水平 - 峯值亮度不能增加，也不能改變已固定的伽馬（EOTF）曲線。

如上所述，對於基於PQ的HDR，平均圖像亮度（APL）將與常規SDR（標準動態範圍）圖像匹配。 結果是，在不太理想的觀看環境中，光線亮度水平相對較高，PQ HDR圖像的大部分將顯得非常暗，陰影細節可能變得非常難以看到。

為了能夠觀察基於PQ的「絕對」HDR圖像，必須非常小心地控制環境光水平，遠遠超過SDR的觀看水平。這意味著需要真正的家庭影院環境。

或者，PQ EOTF（伽馬）必須被故意「打破」以允許更明亮的圖像 - 許多電視都這樣做！（小燒註：為了讓HDR圖像看上去更討人喜歡，許多廠家都沒有按照標準的「絕對」的PQ伽馬來調教顯示設備）

為了支持這一說法，指定為基於PQ的HDR觀看所需的平均環境照度水平是5尼特，而對於SDR，它總是被指定為顯示器的最大亮度的10％。 不幸的是，SDR的環境照明規範已經（錯誤地）改為5尼特......這不是一個明智的改變。

PQ - AN ABSOLUTE STANDARD （PQ – 一個絕對的標準）

將PQ稱為「絕對」標準意味著對於每個輸入數據存在必須遵守的絕對輸出亮度值。例如更改伽瑪曲線（EOTF）或增加顯示器的亮度輸出（因為這個參數已達到最大值），都是不允許的。

（以上說法忽略動態元數據，稍後將詳細介紹。）

下表顯示了亮度為1000nit電視的示例PQ EOTF。

使用基於HLG的「相對」HDR這可能不是問題，因為相對HDR標準可以縮放為與傳統SDR電視完全相同，並且還包括基於環境照度的系統伽瑪變數，專門用於克服環境光問題。

但是，如果顯示器的峯值亮度低於接近 1000尼特，HLG的HDR也會有其自身的問題，表現為HDR圖像的平均圖像亮度比等效的SDR圖像看起來更暗。這是由於其標稱漫射白點低於設置為200至250尼特的SDR電視機的實際峯值亮度，這個亮度的SDR電視在家庭觀看環境中很常見。

有關PQ和HLG標準的EOTF曲線的更多具體信息，請參見後面的內容。

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META-DATA （元數據）

基於PQ的HDR使用嵌入在信號內的元數據，向接收顯示器提供關於調色顯示的參數，以及圖像內容的信息。接收顯示器使用該信息來「猜測」其最佳配置以顯示圖像內容。

注意：術語「猜測」不是負面的，而是因為元數據的應用取決於精確校準的顯示設備，不幸的是，目前還沒有真正可行的方法來校準HDR電視 - 請參閱： UHD / HDR / WCG校準。

基於PQ的HDR元數據有兩種形式 - 靜態和動態。

靜態和動態元數據，都包含影片後期製作用顯示器的RGB原色，白點色度和最小/最大亮度的色度坐標。 它還包括最大幀平均亮度（MaxFALL），它是給定影片/場景中最高的幀平均亮度，以及最大內容光級（MaxCLL），它定義了最亮像素的亮度。

正如您所假設的那樣，靜態元數據在給定影片的整個持續時間內使用相同的值，而動態元數據則根據需要經常更改 - 可能在逐幀的基礎上更改。

HDR10使用靜態元數據，而Dolby Vision和HDR10 +使用動態元數據。

BUT, WHY DO WE NEED META-DATA? （但是，為何我們需要元數據？）

元數據的存在確實只是出於一個原因 - 當引入HDR這個標準時，普通電視無法匹配「後期製作/調色用顯示設備」的峯值亮度和色域覆蓋範圍 - 特別是峯值亮度。 由於基於PQ的HDR的「絕對」特性，普通設備與製作影片的顯示器不同峯值亮度是一個問題，因為圖像亮度將被削減（小燒註：一部分超過設備峯值亮度的數據將被丟棄）。 為了嘗試克服這個問題，引入了元數據以允許HDR電視重新映射圖像內容以嘗試克服其參數上的不足 - 將色調映射滾降應用於EOTF /伽瑪曲線。

瞭解動態元數據是如何生成的，有助於定義其回放時的作用方式，有助於理解整體方案。

但是，現實情況是元數據的使用只會扭曲看到的圖像 – 背離導演和調色師的本意，可能會失去色彩所產生的情感反應。

請參閱下面的HDR - 現實及相關問題。

META-DATA GENERATION & APPLICATION （元數據的產生&應用）

在調色/母帶製作期間生成元數據的基本方法：在專業HDR顯示器上對HDR內容進行首次調色，無需任何形式的滾降/色調映射，使用可能的最高亮度和色域（標稱P3色域，以及1000到4000尼特之間）。 然後，使用HDR調色的影片通過一個分析系統，該分析系統將HDR圖像重新映射到SDR，嘗試維持原始HDR意圖，添加動態元數據以定義HDR原始版本和SDR版本之間的變化。 通常，調色師將協助提供「微調」通道調色，以幫助保持原始的藝術意圖。

通過這種方式，元數據描述了從HDR母片到SDR版本的「調色」更改。

利用這種元數據，當HDR影片在具有比原始母版製作顯示器更低的峯值亮度和/或色域的HDR顯示器上回放時，顯示器使用動態元數據，並根據此播放設備的性能，將影片重新映射到SDR調色和完整HDR調色之間的點。

問題是家用電視很少能做到正確的映射，嚴重扭曲了影片的原始藝術意圖。

然而，許多家用電視現在已經接近母帶顯示器的峯值亮度和色域能力，特別是大多數HDR母帶在1000到2000尼特的顯示器上進行調色，這使得元數據的需求成為一個有趣的問題。 如果我們觀看的電視可以與調色顯示匹配，為什麼需要元數據？ 答案是，不需要......

基於非PQ的HDR（例如HLG）不需要元數據。 這是使用基於相對的HDR標準的主要差異之一。

HDR DISPLAY CALIBRATION COMPARISONS （HDR顯示器校準比較）

理解以上關於元數據的需要與否，帶來了一個關於如何比較不同HDR顯示設備的有趣想法。

假設現代HDR顯示器都可以達到給定的最小峯值亮度水平，例如1000尼特。一個1000尼特，使用在90％P3 UHD規範內的色域的HDR信號源，不應該在回放顯示設備上觸發任何基於「元數據」的處理（色調映射/滾降），因而允許直接比較不同顯示器的底層校準精度。

從第一次比較開始，使用相同的顯示設備播放不同信號源進行比較會是相對簡單的步驟，這些信號具有2000+尼特，完整的P3色域，可以觸發顯示器的色調映射/滾降，從而進行分別比較。

基於這個概念，我們為LightSpace添加了一個「Color Sub-Space」功能，例如，可以使用Rec2020容器對P3色域進行分析。

注意：使用元數據的另一個潛在原因是使接收電視能夠在雙流HDR光碟上理解它應該使用的圖像流的哪個部分。 具有這種形式的元數據的HDR使用雙層圖像流 - SDR基礎層和用於HDR和WCG的增強層。 無法還原HDR的SDR電視只使用基礎層，而兼容HDR的電視可以將基礎層與增強層結合使用。 但是這個元數據對顯示器的圖像色度和校準沒有影響。

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PQ HDR - DOLBY VISION, HRD10 AND HDR10+

ST2084定義了基於PQ的Dolby Vision，HDR10和HDR10 + HDR格式的EOTF（Gamma伽馬）。

PQ HDR基於具有10,000尼特最大亮度能力的理論上「參考」顯示器，所有「真實世界」的顯示設備參考該理論顯示器。它並具有如下的伽馬曲線（EOTF-電光學傳遞函數）。

值得注意的是，基於PQ的HDR規範旨在定義EOTF，旨在能夠創建具有增加的亮度範圍的視頻圖像，而不是用於創建具有整體更高亮度級別的視頻圖像。 這意味著參考白色（正常漫反射白色）保持在100尼特，這與校準到100尼特峯值的SDR顯示（標準動態範圍）完全相同。 使用PQ HDR，超過100尼特僅顯示光譜高光。 這表明基於PQ的HDR顯示器的平均圖像亮度（APL）與標準SDR顯示器沒有顯著差異（參見上面的直方圖）

（關於伽馬曲線的一些基本知識，可以參考這裡zhihu.com/question/2746）

如果你將它與標準的Rec709伽馬曲線進行比較，差異是顯而易見的，記住HDR 最大亮度是10,000尼特，SDR範圍是100尼特。

注意：由於基於PQ的HDR是絕對標準，基於10,000尼特的峯值亮度，而Rec709是相對標準。沒有設置峯值亮度值，實際上很難直接比較伽馬（EOTF）曲線。 最接近的是將選擇的Rec709峯值亮度值與1000尼特ST2084顯示器進行比較，如下所示。

有趣的是，上圖顯示了與基於Rec709的顯示器校準相比，尤其是當Rec709顯示器的峯值亮度被提升時，基於PQ的HDR的「暗部場景「是多麼的「黯淡」（小燒註：曲線的左半部分亮度明顯低於SDR曲線）。 這是基於PQ的HDR的主要問題之一 - 整體圖像亮度比大多數家庭用戶習慣的低很多，使得在正常明亮的「起居室」條件下觀看非常困難。 這將在下面的「觀看環境注意事項」部分中進一步討論。

對於PQ HDR，不同的顯示器具有不同的峯值亮度水平，因此需要修改的伽馬曲線。例如Dolby的4000 nit Pulsar監視器，其需要HDR伽瑪曲線，其峯值在PQ標準的約90％處。

注意：它只是剪切點不同。 曲線是絕對的，因此曲線形狀保持一致 - 請參閱下圖。

索尼的BVM-X300顯示器需要一條峯值為PQ標準75％的伽馬曲線，因為BVM-X300顯示器的峯值為1,000尼特，而PQ「參考」顯示器的最大值為10,000尼特。

以下PQ HDR EOTF曲線展示比較100 Nit亮度的顯示器將顯示的內容。

注意：上圖均標準化為0到1範圍。 為了更容易理解的比較，我們確實需要將所有曲線映射到它們的真實絕對值，如下所示。

（請記住，這些圖形是線性的，而不是對數圖形，因此實際的視覺效果差距並沒有那麼大！ （小燒註：人眼對於亮度的感知是非線性的，而是更接近於對數曲線））

如果我們更改圖形以對數坐標，那麼輸出對於人眼在感知上是一致的，我們得到以下結果。

在本文後面的「HDR白色亮度」圖中可以看到相同的情況。

注意：無論你在其他地方看到什麼關於HDR的說法，事實上沒有HDR標準可以產生「更暗的黑色」，因為它們是由顯示技術可以達到的最低黑電平決定的。現在的SDR（標準動態範圍）Rec709 標準已使用任何給定顯示器上可達到的最小黑色。 同樣，如果忽略目前的8bit SDR藍遊標準與HDR的10bit差異，HDR其實無法生成改進的陰影細節。其實10位SDR具有更好的實際陰影細節。

HDR - THE REALITY OF BLACK (HDR – 現實中的黑)

以下聲明取自杜比自己的「家庭杜比視覺」白皮書。

「目前的電視和藍遊標準將最大亮度限制在100尼特，最小亮度限制在0.117尼特......」

不幸的是，往好處看這是一個不準確的陳述，往壞處看這是營銷誇張。因為藍光格式對最小或最大亮度級別沒有這樣的限制，這些值是由顯示器的設置定義的 - 記住SDR是一個 相對標準，不是絕對的。 最低亮度（黑色亮度）通常只是顯示器可以達到的最小水平，範圍可以在從OLED顯示器上的非常暗（例如0.0001尼特），到更便宜的LCD顯示器上的更高黑色亮度（大約0.03尼特或甚至更高）。 家用電視的最大亮度通常設置得更高，以克服周圍的環境亮度，許多家用電視的亮度達到300尼特或更高。

注意：「最低級別（黑色級別）通常只是顯示器可以達到的最小值」的說法是指OLED黑色亮度通常太低，用戶經常選擇將其（黑色亮度）拉起以防止暗部陰影細節損失，這在家用HDR OLED中變得更加明顯。

當對原始SDR藍光影片進行製作時，在受控制的調色環境（黑暗環境）內，使用的顯示器將被校準為80-120尼特（100尼特是共同的平均值），黑色水平大約是 0.001-0.03尼特，取決於所使用的顯示器（但是，為了在更多的家用電視機（具有可變的黑色電平！）上觀看時保持「令人愉快」的圖像，通常會使用較高的亮度值）。 並且如上所述，當在家庭環境中觀看藍光時，通常需要將電視設置為更亮以克服周圍的環境亮度。

HDR - SHADOWS TOO （HDR – 依舊很暗）

正如我們所看到的，現實是基於PQ的HDR對黑色亮度沒有任何作用，陰影細節也是如此 - 無論那些知識淵博的人或營銷材料可能會說什麼。

在YouTube上的視頻中可以看到一些用於推銷HDR「好處」的不準確信息。其中「改進的暗部細節「被稱為HDR帶來的優於SDR的好處......這是不正確的。 現實情況是用於比較的SDR圖像可能只是製作的很差，甚至可能是故意的，以推銷HDR。 HDR相比SDR暗部細節並沒有提供這樣的好處。

實際上，與相同圖像的SDR版本相比，由於在基於PQ的HDR上使用的EOTF曲線，在正常家庭觀看條件下的黑色通常會被「壓碎」。 這是由環繞照明水平引起的，通常HDR指定優化為5尼特，而對於SDR，其被指定為顯示器的最大亮度的10％。 這是一個巨大的差異，而且事實表明當在無法控制環境光照水平的任何環境中觀看時，HDR黑色/陰影通常會發白/損失。

事實上，10比特SDR圖像將具有比基於PQ的HDR圖像更好的黑/陰影細節。

不同的觀看環境確實不同的顯示設備伽瑪，這是基於絕對PQ的HDR標準無法解決的問題。（小燒注: PQ HDR的伽馬曲線理論上是不允許修改的）

BLACK CLIPPING/CRUSHING （黑色剪切/壓縮）

黑電平還存在另一個潛在的問題，因為沒有顯示器可以達到全黑，因此由於PQ EOTF的「絕對」特性，很自然的將輸入信號對應於顯示器最小黑色亮度在比特級別進行剪切。 這意味著任何PQ顯示都需要某種形式的「暗部」滾降以防止剪切，但這反過來會加劇黑色亮度更高的顯示器上的暗部損失。

這個問題通常被忽視，而且可能是導致那些使用不良PQ EOTF曲線的HDR顯示器，出現糟糕的暗部黑色剪切/壓縮的罪魁禍首。

以下圖像模擬SDR圖像與其PQ HDR對應圖像的比較。（僅僅是模擬，因為你依然是使用SDR顯示器在看這篇文章）

（顯然，由於您的顯示器無法調整其峯值亮度，因此這個模擬相當的妥協！但是，比較中確實顯示圖像的主體在亮度上保持一致，擴展的動態範圍允許在高光中看到更多細節。）

不幸的是，大多數HDR演示都沒有正確映射對比度範圍，結果是整個圖像更加明亮，這不是HDR的主要目的，上文已有描述。。

顯然，在現實世界中HDR可用的額外動態範圍將用於創造性地重新進行圖像調色，以從額外的動態範圍中受益 - 擴展的高光細節是HDR的真實體現和潛在優勢。

DIFFERENT DISPLAYS & PQ BASED HDR （不同顯示器 & 基於PQ的HDR）

不同的HDR顯示器顯然具有不同的峯值亮度能力，因此所顯示的圖像將被剪切到可用的峯值尼特值，如上面的PQ EOTF圖所定義的。 該「峯值亮度切除」由信號內的元數據控制，此元數據定義影片製作用顯示器的峯值亮度，並用於實際顯示設備以設置正確的「切除」級別。

如何執行此切除 - 根據上述EOTF曲線的「硬剪切「，或帶有滾降的」軟剪切「 - 尚未在杜比視界（Dolby Vision）之外定義：這是一個具有完整定義的標準，從製作到流通的所有方面都儘力預先設定規格，對任何採用它的顯示器製造商收取許可費。

因此，現實往往是殘酷的，即使兩個顯示器具有完全相同的峯值亮度能力，也不太可能以相同的方式呈現相同的圖像。因為用於峯值亮度色調映射的處理方式不相同。

PEAK LUMINANCE & BIT LEVELS （峯值亮度 & 比特等級）

由於PQ標準是絕對標準而非相對標準，因此每個亮度級別具有相同的比特等級。 對於10 bit信號，電平如下。

這意味著任何給定的基於PQ的HDR顯示器將僅使用全信號範圍的子集，其中1,000尼特顯示器最大值為769比特等級，其餘254個級別（2的十次方 1024-770=254）被剪切。

注意：對於顯示的圖像使用子集範圍，是杜比為基於PQ的HDR指定12位而非10位的一個重要原因。

此外，並且如上所述，關於黑色的問題。「黑電平還存在另一個潛在的問題，因為沒有顯示器可以達到全黑，因此由於PQ EOTF的「絕對」特性，很自然的將輸入信號相對於其最小黑色亮度在比特級別進行剪切。 這意味著任何PQ顯示都需要某種形式的「暗部」滾降以防止剪切，但這反過來會加劇黑色亮度更高的顯示器上的暗部壓縮。「

另外的HLG標準是相對標準，因此無論任何給定顯示器的峯值亮度如何，始終使用完整比特級別，並顯示在顯示器最小黑色和最大白色之間映射的圖像，因此不會出現黑色剪切/壓縮。

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HLG HDR

與基於PQ的HDR不同，BBC HLG HDR標準不是絕對標準; 相反，它是相對的，EOTF伽瑪曲線始終是全範圍，無論任何給定顯示器的實際峯值亮度值如何。 此外，HLG標準還包括EOTF修改器，可根據顯示器的環繞照明改變EOTF（伽馬）。

注意：BBC HLG標準不會在尼特（亮度）中使用指定的參考白點，而是將其置於輸入信號範圍的75％，這意味著漫反射白色的標稱尼特值將隨顯示器的峯值亮度而變化。 例如，1000尼特顯示器將具有大約200尼特的漫射白色，5000尼特顯示器大約550尼特的漫反射白色，這取決於系統伽馬（關於HLG系統伽瑪的信息，參見稍後）。

BBC HLG標準設計用於高達5,000尼特的顯示器，因此低於ST2084標準的10,000尼特，但考慮到實際上HDR顯示器的峯值亮度水平這可能已經綽綽有餘。

然而，話雖如此，如果顯示器的峯值亮度低於約1000尼特，HLG也有其自身的問題。因為HDR圖像的平均圖像電平將比等效的SDR圖像看起來更暗。 這是由於標稱漫射白點低於SDR電視機的實際峯值亮度為200至250尼特，這個亮度對於家庭觀看環境來說是很常見的。

所有上述BBC HLG曲線都基於10尼特的低「環境」照度。

這種「環境」亮度值對於家庭電視使用尤其重要，因為除了使用顯示器的峯值亮度值來計算EOTF伽馬之外，BBC的HLG標準還使用顯示器所處的環境照明條件來改變系統伽瑪，如下所示 適用於1000 Nit顯示屏。

DIFFERENT DISPLAYS & HLG （不同的顯示器&HLG）

由於HLG格式不依賴於元數據，因此在不同顯示器上的圖像一致性水平不可能很好。

此外，使用顯示器的環境照明來改變系統伽瑪，嘗試校準顯示器以適應不同的觀看環境。 這是第一次嘗試在不同的觀看環境中提供「觀看一致性」。

上述正是基於PQ的HDR的弱勢領域，因為它需要一個良好控制的觀看環境......

（結論，PQ更適合於固定的獨立觀看環境）

HLG & RGB SEPARATION （HLG & RGB分離）

英國廣播公司的HLG標準已經內置了可變系統伽瑪的補償。

正常情況下，HLG標準首先使用RGB分量的加權和來計算信號源的亮度（在系統伽馬之前）。 目標亮度通過將純數學伽馬函數應用於信號源亮度計算而來，其中RGB通道按照信號源與目標亮度的比率縮放。

這將引入顏色交叉耦合，通過RGB分離圖所顯示，這都是預期中的，並且在校準HLG顯示器時無需擔心。

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HDR - THE REALITY & ASSOCIATED ISSUES（HDR – 現實&相關問題）

HDR存在許多問題，特別是基於PQ的HDR。另一個潛在問題就是實際觀感會很比較「痛苦」，通常被被叫做「過度眼疲勞」。

BRIGHTNESS & THE HUMAN EYE（亮度&人眼）

過度明亮問題的產生：人眼巨大的動態範圍 - 動態對比度大約為1,000,000：1或大約24檔，與眼睛的靜態動態範圍之間的差異。

因為眼睛的動態適應能力，使我們能夠在黑暗環境和明亮的陽光下看到細節。

然而，在任何一個給定時間，人類視覺系統僅能夠在這個巨大範圍的一小部分上操作。 這種靜態動態範圍，在當人類視覺系統處於完全的適應狀態時發生，比如在「正常」距離處觀看家庭電視時以及在一些影片時，靜態動態範圍是起作用的。 雖然人眼靜態動態範圍的確切數字很少，但許多人認為對於平均觀看環境，它的數值大約為10,000：1，大約是12 檔。

此外，需要考慮人類視覺系統的自適應響應 - 在暗場景與明亮場景之間進行調整所需的時間，反之亦然。從明亮到黑暗的過渡通常需要幾分鐘才能適應，而暗到亮的適應顯著更快，經常在幾十秒內，而不是幾分鐘。

通過在黑暗的房間內觀看窗戶，從窗戶向房間內平移，可以輕鬆體驗這一點。 當眼睛適應亮度變化時，房間細節會自動顯現。

而且，由於電視尺寸相對較小，結合標準觀看距離 - 3米左右- 整個電視屏幕都在人眼的高視覺敏感度中心視角（5°至15°）。這意味著人類視覺系統無法獨立響應不同的亮度區域 - 被限制在完全適應的狀態，因此觀眾只能使用人眼的靜態動態範圍。

為了實際從HDR的概念中獲益，顯示器需要佔據的實際視角將是45°的數量級。以平均大屏幕電視55寸的計算，將意味著距離屏幕僅65英寸（約1.65米）的位置。（另請參閱「解析度」部分。）

你真的坐在靠近電視的地方嗎？

所有這一切，真正意味著多數的HDR顯示設備可能在正常觀看距離處引起眼睛疲勞，並且很可能難以正常觀看。

（小燒註：計算一下Ultra HD Alliance的兩個HDR標準：

LCD顯示器 0.05尼特到≥1000尼特 對比度：20,000比1

OLED顯示器 0.0005尼特到≥540尼特 對比度：1,080,000比1

均遠遠超過人眼的靜態動態範圍。

符合這樣標準的HDR電視，在觀看大對比度內容時，可能引起眼睛的不適。）

HDR - INCORRECT ASSUMPTIONS（HDR – 不正確的臆斷）

通常描述HDR的方式的示例是使用類似於以下的圖片，顯示現實世界的寬動態範圍目前如何減少到SDR TV（標準動態範圍電視）的有限動態範圍，以及HDR將如何保持更多的原始場景範圍。

上面的圖像已經廣泛流傳在互聯網上，它看起來像是AMD演示的圖像，並用於HDR相對SDR的假設優點。但是，圖中包含許多錯誤和不正確的假設。

  • 如前所述，人眼不能同時「看到」大約10,000：1以上的動態範圍
  • 基於以上觀點，將左側圖像描述為「人眼動態範圍」是錯誤的（描述應為原始場景動態範圍）
  • 任何顯示器的黑電平與SDR與HDR無關 - 黑色始終只是顯示器可以達到的最黑的黑色。

（用於SDR或HDR的相同顯示技術，將產生完全相同的黑電平 - 假設忽略HDR投射中屏幕的高亮度區域（「提升」整體黑電平）的影響）

  • 由於上述觀點，右上角的圖像是錯誤的，錯誤地顯示了提升的黑色
  • 同樣由於上述原因，對於SDR，引用最低0.05 nits 和對於HDR引用最低0.0005 nits是不正確的
  • 沒有HDR顯示器可以達到10,000尼特
  • 大多數家用電視已經遠遠超過100尼特 - 通常在250-400尼特的範圍內

如果我們更正一下，得到以下內容。即使是使用0.0005尼特的黑色，加上1000尼特亮度作為HDR參數，如今的顯示技術依然很難表現。因為任何具有如此高的白色峯值亮度的顯示器，它的的黑色亮度一定會更高。

HDR - BLACK LEVELS（HDR – 黑色亮度）

值得再次重申的是，無論大家怎麼以訛傳訛，沒有HDR標準可以產生「更暗的黑色」，因為它們是由顯示技術可以達到的最大黑色亮度決定的。並且現在的SDR（標準動態範圍）Rec709標準，已經使用了任何給定顯示器上可達到的最暗黑色。

在現實世界中，不錯的HDR顯示器將具有超過650到1000尼特的峯值亮度。

（觀看環境越暗，眼睛疲勞發生前的亮度峯值越低，這會導致HDR的另一個問題 ）

Ultra HD Alliance似乎意識到這一點，實際上有兩種不同的規格可用於今天的HDR顯示器：

0.05尼特到≥1000尼特（LCD）

0.0005尼特到≥540尼特（OLED）

這種雙重規範存在，因為具有高峯值亮度的顯示器也將具有更高的黑色亮度，而具有更低黑色亮度的顯示器將具有遠小於的峯值亮度 - 例如LCD與OLED。

PQ HDR - WHITE LEVELS （PQ HDR – 白色亮度）

值得指出的是，由於人眼對光線亮度變化感知是對數響應，目前100尼特的SDR（標準動態範圍）Rec 709 標準實際上約為基於PQ的HDR的10,000尼特峯值水平的50％。

（注意：標準用引號，因為Rec 709是相對標準，因此縮放峯值亮度水平以克服環境光問題是一種可接受的方法，而PQ HDR是基於絕對尼特的標準，因此無法縮放）

下圖顯示了參考不同峯值白電平時的實際情況。

DISPLAY BRIGHTNESS VARIATIONS（顯示器亮度差異）

最大的問題之一，特別對於基於PQ的HDR（雖然HLG也會受到影響），在於屏幕的亮度是不同的，以及由此引起的HDR在大多數顯示器上的工作方式存在一系列相關問題。

基本問題是HDR能以某種方式「改變」屏幕/圖像亮度，導致看到的圖像產生基本偏差，因而可能會扭曲電影導演和調色師定義的影片原始藝術意圖。

這些問題可以定義為「預期的」HDR工作流程的一部分，例如動態元數據，所用顯示技術的技術限制，例如ABL（自動亮度限制）和局部控光。或由於顯示設備（特別是家用電視）內的錯誤執行而導致的意外亮度變化，從而使顯示設備偏離預期的HDR標準，這一切只因為廠商相信它們正在產生「更好」的最終圖像。

Dynamic Meta-data 動態元數據

使用元數據來動態定義所顯示圖像的亮度是許多HDR愛好者推崇的，作為基於PQ的HDR的真正用處，使黑暗場景「變亮」，明亮的場景變暗以保存細節。

但是，這真的很好嗎？

當電影進行調色時，「外觀」用於幫助定義情感，設定觀眾對導演試圖描繪的內容的期望。 動態的改變亮度有可能擾亂既定的外觀，從而破壞電影/節目的原始藝術意圖。

雖然動態元數據旨在由調色師/導演通過第二調色通道來定義，但是視覺感知過程的固有限制，意味著不可能保持相同的視覺意圖。

實際上，由於標稱漫反射白色被定義為大約100尼特，超出該亮度水平的信息只剩下光譜高光，圖像的固有視覺意圖是僅包含100尼特亮度以下。這意味著對於正確調色的HDR，理論上 在較低峯值亮度顯示器上顯示圖像的最佳方法，是簡單地在顯示器的最大亮度處進行剪切，可能配合使用滾降曲線來防止高光「擁塞」，而根本不使用動態元數據。

並且如前所述，許多顯示器和電視的可實現峯值亮度水平的增加，也抵消了對任何動態或靜態元數據的需求。

ABL自動亮度限制

HDR常常被忽視的另一個潛在問題與限制顯示器功率的（法律）需求相關，很明顯極端亮度會導致功耗過大。 基於電力成本和潛在的環境問題，這本身就令人擔憂。 希望這些都可以通過更高效的顯示器背光技術來克服。

然而，為了克服極端功率要求，幾乎所有HDR顯示器都使用ABL（自動亮度限制 - 在HDR術語中通常稱為功率限制）的一種或另一種形式。 ABL這個術語簡單來說，就是根據超過預設亮度級別的屏幕區域百分比，來降低屏幕的功率，由此降低了場景的整體亮度。 PQ HDR規範定義了所謂的MaxCLL（最大內容光級別）和MaxFALL（最大幀平均光級別），它們是HDR主控元數據的一部分，所用顯示器將從中計算如何顯示圖像，限制潛在的高功率需求。

顯然，這會導致在不同的顯示器上看到的同一圖像產生差異。同一場景的不同鏡頭，不同的幀數，在同一顯示器上看起來也會不同，因為平均圖像亮度等級將根據鏡頭幀數而不同。可能導致幾乎以隨機的方式在顯示器上施加不同的功率限制。

這種變動導致精確顯示校準和圖像回放遇到嚴重問題。

Local Dimming局部控光

局部控光用於基於LCD的HDR顯示器，由一系列背光陣列組成，可提供局部「明亮」圖像區域。而無需單個背光常「亮」，因為這會大大提升黑色亮度 ，從而嚴重損害顯示效果。

一個「部分」解決方案是將背光分成多個區域，可以根據圖像內容進行獨立控制。與具有明亮內容的區域相比，具有暗內容的背光區域進行「控光」。

這種方法的明顯問題是，背光區域具有一定的大小/位置，因此將導致需要明亮背光區域的對象周圍，產生光暈或「模糊」。

背光區域的數量越多，模糊問題就越少。

一些較新的LCD顯示器實際上是每個像素的獨立背光，例如新的Eizo Prominence CG3145和FSI XM310K，完全克服了局部控光問題。

OLED顯示器的每像素的背光是固有特性，因為每個像素是自發光的，但是不能達到LCD顯示器的高峯值亮度水平。

Deviation from the HDR Specification HDR規範的偏差

許多顯示器（特別是家用電視）的最後一個問題是廠商故意偏離HDR規範，試圖產生他們認為「更好」的圖像。

這顯然意味著相同的影片在不同的顯示器上得到各不相同的畫面，即使顯示被定義為「已校準」。

然而，這個問題實際上是我們是表示同情的，因為如前所述，PQ HDR規範存在缺陷，因為標準是「絕對的」，並且不包括增加顯示器的光輸出以克服房間環境光照水平的選項。 結果是，在不太理想的觀看環境中，周圍的房間亮度水平相對較高，大部分的HDR圖像將顯得非常暗，暗部細節可能變得非常難以看到。

因此，許多家庭電視製造商故意「扭曲」PQ HDR EOTF（伽馬曲線）以試圖克服這個問題。

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WCG - WIDE COLOUR GAMUT（廣色域）

作為不斷發展的UHDTV標準的一部分，WCG與HDR相結合，使用Rec 2020色域作為目標色彩空間，增加了與現有HDTV標準的差異。

問題在於沒有（現實中）商用顯示器可以實現Rec 2020，這意味著不同的UHDTV顯示器將必須基於顯示器的實際色域能力來「調整」所顯示的圖像色域。 這是通過在UHDTV信號（與上面提到的HDR元數據相關）中使用嵌入式元數據來定義源圖像色域，旨在允許顯示器「智能地」將源圖像色域重新映射到顯示器的可用色域。

問題再次出現，與HDR元數據和峯值亮度剪切一樣，沒有對設置色域重新映射的技術進行定義。 結果是，不同的顯示器將以不同的方式管理所需的色域重新映射，從而產生不同的最終圖像結果。

上圖顯示了嘗試在具有較小色域的顯示器上顯示寬色域的問題。在這種情況下，顯示器具有與DCI-P3類似但不相同的色域（較小的內部色域三角形），DCI-P3是UHDTV顯示器宣稱「建議」的最小色域，而較大的色域三角形顯示Rec2020。

在可用色域的約束下，顯示器已經校準到Rec2020，如色域掃描圖所示（測量的交叉點與目標圓圈匹配）。但是，顯示器可用色域之外的去飽和區域以及Rec2020範圍之間的顏色將無法正確顯示，此區域內的任何顏色都會被有效地拉回顯示器的色域邊緣。

顯然，顯示器的實際色域能力越寬，色彩剪切越少，就越難察覺色域能力的不同。尤其是在現實世界中，幾乎很少有顏色可以到達Rec2020色域的邊緣。

為了降低色域剪切的生硬度，可以使用色域重新映射來「柔化」從色域到色域外的臨界點。

在上圖中，新的較小的最內三角形與實際的顯示色域三角形之間的區域，這個區域展示了顯示器校準被「滾降」以更好地保留圖像顏色細節。代價是顏色失準，以及有效地將去飽和區域中的所有顏色，壓縮進顯示器的最大色域和縮小的色域內三角之間的較小區域。

實際上，考慮到人類色彩感知對不同顏色的反應不同這一事實，重映射需要考慮到這一點。因此色域重新映射需要更加複雜，

問題是UHDTV規範沒有指定要使用的色域重映射。

所以說,由此可以看出，現實情況是，當顯示相同的圖像時，沒有兩個UHD顯示器看起來相同......

此外，Ultra HD規格雖然使用Rec 2020作為目標（envelope）色彩空間，但實際上規定任何超高清顯示器只需達到DCI-P3的90％即可被接受為UHDTV顯示器 – 從色域容積上計算，90％ DCI-P3基本上是Rec 709！

上面的CIE uv圖（CIE uv已被使用，因為它在感知上比CIE xy更均勻）顯示了100％DCI-P3和Rec709之間的色域差異，以及Rec2020。

可以看出，90％的DCI-P3色彩空間並不比Rec709大很多......

ISSUES SPECIFYING PERCENTAGE GAMUT COVERAGE（關於色域覆蓋百分比的問題）

UHDTV規範的色域定義方式的一個真正問題是它使用了P3色域覆蓋率為90％的通用百分比值，但P3色域原點與Rec2020原點不對齊。這可能意味著色域覆蓋更小顯示器可能實際上比色域覆蓋數值更高的顯示器效果好，只要這個顯示器的色域原點與Rec2020有更好的對齊。

上圖揭示了這個問題，與Rec2020原點相比，（大約）90％的P3色域覆蓋範圍。 可以看出，90％ P3綠色和紅色的峯值原點與Rec2020原點方向明顯不同，這意味著必須遵循Rec 2020原色矢量的顏色會失真，使得顯示器的真實色域覆蓋率明顯低於所標稱的90％。

COLOUR PERCEPTION（色彩感知）

最後，關於色彩感知的問題，對於那些家庭影院愛好者來說......

您可以在電影院使用數字投影觀看新的電影，其中包含DCI-P3圖像、DCI-XYZ彩色空間集合進行投影。

然後您上購買相同的藍光電影，並在Rec709 / BT1886校準的家庭影院環境中觀看。

假設藍光電影製作過程完全正確，您是否認為圖像顏色保真度有任何損失？

事實上，在Rec709 / BT1886色域之外的自然界中幾乎沒有顏色。 Rec709 / BT1886色域外存在的顏色往往是人造色，如霓虹燈等......

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UHD – RESOLUTION（UHD解析度）

UHD的另一個組成部分是解析度提高到4K（3840x2160）。

雖然乍一看這樣的解析度增加似乎是UHDTV的真正好處，但它實際上帶來了一個問題，「真的可以欣賞到這些好處？」

RESOLUTION VS. VIEWING DISTANCE（解析度 VS. 觀看距離）

解析度越高，需要到屏幕觀看的距離越短。

相反，觀看距離越大，對於相同的圖像解析度/質量，實際顯示解析度越低。

簡單來說就是「大型」55寸4K UHD屏幕將要求觀眾坐在離屏幕不超過4英尺（大約1.2米）的地方，以體驗55英寸電視超高清解析度的魅力......

以是下屏幕尺寸和解析度與觀察距離圖表：

總結：

為了幫助大家更好的理解這篇超長的技術文章，小燒總結了幾個要點如下：

  1. HDR相比SDR，並不能讓圖像的整體更亮，也不能讓圖像暗部表現更好。它的出現是為了顯示以往在SDR中無法顯示的那部分高光細節。最典型的例子就是晴天時的天空與雲朵，能與其他場景共處一個畫面中，而不損失細節與層次。
  2. 畫面的暗部表現，是由顯示設備的所能達到的「黑色亮度」決定的。簡單來說，黑色亮度越低越好，即所說的「黑的下去」。在SDR顯示器與HDR顯示器黑色亮度相似的情況下，沒有什麼HDR標準能夠產生「更暗的黑色」。並且基於PQ的HDR的內容，對於觀看環境的要求較高，如果不能較好的控制環境光，暗部細節將難以察覺。
  3. 家用顯示產品（電視，投影機等），在自身素質不足或者觀看環境過於明亮的情況下，會選擇「討巧」的方法讓HDR畫面看上去比SDR畫面更「討人喜歡」。但是，這會扭曲影片的原始藝術意圖。
  4. 對於亮度，人眼的靜態視覺動態範圍大約是10,000:1，12檔左右。在正常距離觀看影片的時候，人眼使用的是靜態範圍。遠遠小於人眼的動態對比度 10,000,000:1。如果要更好的體驗HDR的高對比度範圍，觀看距離要進一步縮減，才能使用人眼的動態對比度。這一點與4K解析度的觀看距離要求一致。
  5. 不要輕信任何市場上對於HDR的推銷，大部分的話述和示意圖都是嚴重錯誤的。大部分做市場營銷的連自己都不懂HDR。
  6. 對於人眼而言，SDR的標準亮度100 尼特，相當於HDR的10,000尼特峯值的一半左右。並沒有人們想像的差距那麼大。不要天真的以為市場上可見的1000尼特的顯示設備會閃瞎眼睛，其實播放HDR內容的時候，除了高光場景，大部分場景的亮度基本會維持在SDR標準。
  7. 色彩範圍，目前還沒有民用顯示器能達到Rec 2020標準。目前的大部分HDR電影也是使用DCI P3標準製作的。HDR廣色域在目前的Rec 709色域設備上使用時，最大的問題並不是色彩不夠，而是廣色域映射產生的色彩壓縮失真。

lightillusion.com/uhdtv，本文英文原載於Light Illusion官網，逐字斟酌翻譯，加入注釋。未經授權，禁止轉載，違者必究。。


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