HDR和LED顯示屏技術深度解讀

HDR興起於廣電行業,後逐漸擴展到移動設備端。LED顯示領域引入這個概念和技術相對滯後。

什麼是HDR

我們處在一個多彩的世界中,為了將這個多彩的世界通過顯示屏真實呈現在眼前,人類發明了攝影機、攝像機、電視機等各種設備,也研發了很多先進的技術,HDR就是其中之一。

HDR全稱是High-Dynamic Range,即高動態範圍圖像技術。這項技術最早應用於攝影,在拍照過程中開啟HDR,可以讓原先的暗場景變得更明亮更通透。現在,HDR技術已經應用在了家電、智能終端等各個方面。LED顯示領域也開始真正體驗到HDR技術帶來的優勢。

HDR能帶來什麼

拿電視舉個例子。傳統電視所能展現的亮度範圍極為有限,與人眼所能感知的範圍相差甚遠。其原因是傳統電視在畫面明亮處的亮度提不上去,暗處暗不下來。這導致了人眼最終所感知到的畫面層次感較差,大量細節丟失。

HDR超畫質顯示技術能完美的解決此問題。HDR相對於目前市面上主流的SDR 1080P顯示技術,具有更高的像素帶載:3840×2160;更寬的色域範圍:BT2020。同一幅畫面能夠顯示更多的顏色信息,更多圖像的細節紋路。同時加上更加先進的電光轉換技術,全方位提升了圖畫的明暗對比度,讓一幅畫面全方位展現出最真實的樣子。

在LED顯示行業,率先做出了支持HDR片源解析的視頻處理設備,推動LED顯示進入HDR時代。

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HDR相對於SDR對於顯示效果的提升

從上圖可以看出,右邊的HDR圖像顯示了更多的亮部和暗部細節。人眼看起來,畫面更加飽滿,顏色過渡更加平滑。

畫質提升的5個維度

作為圖像處理行業的領導者,SONY公佈了超高清畫質的標準,包含了5個維度的提升:分辨率、色深、色域、對比度與幀率。

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超高清藍光標準要求分辨率為4K,色深為10bit,色域為BT.2020,對比度即是對HDR的要求,幀率為60fps。

下面專門講講最難理解的色深與色域:

HDR色深

超高清藍光標準中規定色深為10bit,即能夠顯示10.7億種顏色。

RGB中每一個顏色有2的10次方,也就是1024個等級。RGB三色則共有超10.7億(1024×1024×1024)種色彩搭配。

而普通藍光標準SDR支持的是8bit色深,只有1677萬種顏色,差距懸殊。也就是說,通過10bit輸出,顏色更加豐富飽滿,同時色階過渡也會比8bit的更加流暢。

HDR色域

色深相對應的另一個概念叫色域。前者表示所能顯示顏色的數量,後者表示所能顯示顏色的範圍。

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人眼、HDR、SDR的顏色範圍對比

目前民用LCD/OLED屏幕所覆蓋的顯示色域大概是BT.709,約等於手機廠商宣傳的95%NTSC色域(72%NTSC=100%sRGB)。近兩年有不少手機和筆記本電腦開始支DCI-P3色域,而HDR的色域標準是BT.2020。

BT.709和BT.2020的顏色還原範圍如下圖。HDR標準的BT.2020色域要遠超過現有的SDR色域,能夠顯示更加豐富的顏色範圍,對於整個影像在色彩層次與過渡方面的增強起到了關鍵作用。

在現在已經發布的HDR標準中,均對色彩深度和色彩空間作出了相應的規定。這些參數的全面提升,帶來了“更好的像素”顯示。

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HDR行業標準有哪些

HDR 10

HDR10是目前最普遍的HDR標準,是超高清藍光規格的強制格式。絕大多數HDR顯示設備所支持的HDR標準都是指HDR10。

HDR10於2015年8月27日由美國消費者科技協會公佈,迄今為止得到了戴爾、LG三星、夏普、索尼和Vizio等監控和電視製造商的支持和認可。索尼的PS4和X Box One S遊戲主機均已支持HDR10標準。

HDR10標準對圖像還原能力規定了一系列條件,其中就包括我們前面提到的10Bit色深和BT.2020色彩空間。另外顯示屏亮度至少在1000尼特以上,只有滿足這些條件,才能宣稱自己是HDR10。

HLG是由英國BBC廣播公司與日本放送協會NHK共同開發的“數位節目放送”HDR標準,全名為Hybrid Log-Gamma(混合對數伽碼),於2015年5月推出。

BBC和NHK在開發HLG時,把廣播最大的問題“傳輸頻寬”納入考量。HLG沒有metadata的部分,它是將HDR信號結合進電視廣播信號中,兼容當前的廣播器材,也沒有授權費問題。因此,它適用於有線/衛星電視的數位放送,甚至是直播,讓民眾在家收看節目也能享受HDR效果。

這是杜比實驗室開發的一項超高清藍光電視標準。和開源的HDR10不同,只有經過杜比實驗室認證的設備,才能宣稱支持Dolby Vision標準。而認證過程需要給杜比公司繳費,這些費用也間接計算到設備成本里面。所以,支持Dolby Vison標準的設備一般價格不菲。

Dolby Vision標準的色深進一步提升到12Bit,顯示器至少需要滿足4000尼特的亮度,目前已經支持Dolby Vision超高清顯示的電視有索尼、LG等。

HDR對顯示屏的要求是什麼

顯示屏的峰值亮度≥1000 nits

顯示屏的最低亮度≤0.05 nits

覆蓋90%以上的DCI-P3色域空間

高亮度所帶來的效果不僅僅只是“晃眼”,還能夠帶來更加豐富的色彩。

理解顯示效果,我們要把所有量化的概念立體化。亮度與色彩之間同樣能夠產生化學反應。舉個例子,真實世界的煙花、火光中心都是有顏色的,但是如果用亮度範圍較低的顯示設備來再現場景的話,煙花與火光中心處的顏色可能就無法表達出來,只會是一片慘白。這是因為每一個亮度層次裡都包含了不同的色彩。

高亮度只是亮度動態範圍的一個象限,另一個是極低的亮度,能夠呈現出更加深邃的黑色。這種極高和極低的亮度之間還要有很好的等級控制,這樣才是實現HDR技術的基礎條件。有了這種極限的亮暗和等級控制,就能將極限亮度下的色彩表達的更加精準。能包容的亮度範圍越大,亮度的層次也會越多,同樣的色彩、灰度這些信息也會更加豐富。

LED具有LCD所不能比擬的高亮度範圍優勢。在色域範圍上,LED也廣於LCD。過去制約LED行業HDR技術應用的最大瓶頸是沒有能夠處理HDR動態範圍的處理系統,現在諾瓦作為LED顯示行業領導者,率先研製出處理HDR源的控制系統,完美解決了HDR在LED領域應用問題。

HDR技術的未來

HDR並非一項孤立的技術,它規定了片源、硬件解碼、屏幕顯示對於圖像信號的處理要求。所以,HDR技術的實現需要片源、硬件解碼設備、顯示設備聯動,形成一個處理系統,共同達到最終的顯示畫質!

當前,HDR在LCD行業應用最多。但是,由於LCD顯示屏亮度上不去,這個先天的技術瓶頸,使得HDR在LCD行業總是達不到最好效果。

雖然LED行業具有LCD不能比擬的亮度優勢,但為什麼LED行業沒有應用HDR呢?正如上文所講,這是因為LED行業之前沒有能夠處理HDR源的處理系統,也因此一直制約著LED行業對HDR技術的應用!

現在,有了HDR視頻源處理方面的領先技術,加之LED行業顯示HDR的亮度優勢,真正實現了LED行業畫質提升質的飛躍!

未來,HDR技術將被引入到8K甚更高標準的顯示之中,將“更好的像素”與“更多的像素”結合,重新定義顯示畫面,引領整個行業的價值升級。

更真實的畫面帶來更真實的體驗,更真實的體驗帶來更完美的傳播效果,繼而拉昇傳媒價值。LED顯示的HDR時代,我們帶來了!


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