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HDR的时代已经到来 - 以下是其从电视到iPhone等事物的重要性

该新技术在成像领域引起广泛关注,因为4K的下一步是"HDR",即高动态范围。虽然可产生一种"难以置信的现实感",但它让人印象深刻的地方是什么?它与HDR在摄影方面有何不同?要欣赏HDR内容,您需要具备什么?

本文译自2017年8月22日在ITmedia上发表的一篇日语文章。版权所有2017 ITmedia公司。保留所有权利。

什么是新HDR(高动态范围)技术?

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ColorEdge PROMINENCE CG3145 HDR 参考级监视器

在过去几年里,HDR是成像相关领域的高频词汇。HDR表示高动态范围。您可能已在当地家用电器商店里看到HDR被标为电视的一个卖点 — 即电视可显示比传统电视更大的动态范围。

如果您听过HDR并酷爱摄影,您可能在想,"哦,这就像HDR照片一样。"的确,随着智能手机(如iPhone)增加轻松拍摄HDR照片的功能,"HDR"一词开始普遍使用,即使您不是真的喜欢摄影,也很有可能对它略知一二。但问题是,HDR摄影的工作方式与现代视频设备的工作方式完全不同。

 

 

 

 

 

 

 

HDR照片和HDR视频的区别

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 与iPhone上的HDR模式有什么不同?

动态范围是指一种设备在可辨别不同色调的前提下能够复制的zui黑暗和zui明亮部分之间的差异(或范围)。例如,如果您在室内拍照,您就能看到房间里的物品,而透过窗户看到的明亮室外风景会被过度曝光并褪色。另一方面,如果照片在室外光线下曝光,房间的内部就会变得太暗。您可能经历过这种情况。

之所以会出现这种情况,是因为zui亮的部分(从窗户射进来的阳光)和zui暗的部分(房间里的光线)之间的差异太大。在这种情况下,假设我们可以扩展动态范围,使zui亮的部分不会褪色并保持全白,zui暗的部分不会被碾碎并保持完全黑色。这个范围越宽,图像看起来就越真实,因为它开始接近我们的眼睛所能感知的范围。

事实上,现实世界的动态范围是非常广泛的。举个例子,如果您直接从地球表面看太阳,它的亮度约为每平方米16亿坎德拉(cd/m²),而室外的正常亮度水平大约是2000cd/m²。人类能分辨的动态范围为自然界中动态范围的30%左右(但可以通过调节瞳孔进一步扩大),但即便如此,这也是一个相当大的范围。

另一方面,相机等输入设备的设计和制造基于CRT时代的旧动态范围标准(现在称为标准动态范围或SDR),而这些SDR设备只能复制从0.05到100cd/m²的狭窄亮度范围。换句话说,到目前为止,SDR图像标准只能描绘人眼所能感知亮度范围的一小部分。

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现有SDR标准的动态范围为 0.05 to 100 cd/m²。结果,一些细节被褪色的白色和压碎的黑色所掩盖。这是因为该内容在制作时基于这样的假设 - 该内容将显示在CRT显示器上。

 

iPhone和其他智能手机中的HDR照片模式使用的数据来自多次照片曝光(一次拍摄获得暗区中的细节,另外一次拍摄获得明亮区域中的细节),将它们结合起来可以使用适度曝光的部分压缩亮度范围。这可以防止不同的色调完全消失,并提供一种更类似于用人眼直接观看图像的效果。不幸的是,这种对色调的压缩仍然在SDR范畴内。因此,尽管这会防止zui亮和zui暗的部分失去细节,但不会扩展图像的实际动态范围。

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智能手机中的HDR模式将不同曝光等级的多张照片组合在一起,创建一张保持在SDR动态范围内的HDR照片。

 

相反,现代视频设备中的HDR指的是在不需要压缩的前提下复制大幅扩大的范围亮度(从0.0005到10,000 cd/m²)的能力。或者,一个简单的计算表明其亮度是SDR的100倍。当然,目前市场上兼容HDR的电视不能显示如此大的动态范围,内容制作观看条件(ITU-R BT.2100)设计的范围是:zui大亮度1,000 cd/m²,zui小亮度0.005 cd/m²。无可否认,HDR内容能够以更忠实于原始场景的方式渲染图像。高对比度场景变得更加令人印象深刻,就像一缕阳光照进一间黑暗的房间;虽然日落这样的场景出现在您客厅的电视上,却有着非凡的写实感。

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借助HDR,可作为数据存储的亮度范围扩大到0.0005 到 10,000 cd/m²。这使得可在人眼感知的内容中创造出一种对比。  

 

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照片HDR(压缩亮度曲线)和视频HDR(扩展亮度范围)的区别。  

 

在成像领域加速采用HDR的一个重要步骤是硬件改进。照相机一类输入设备具有一定的灵敏度(显著超过SDR(0.05至 100 cd/m²)),而输出显示器的LCD背光已超出SDR图像所需亮度的好几倍。使用OLED显示器,可轻松进一步扩展这个范围。

由此,一股强劲的风潮突然兴起,这需要以zui高还原能力(而不是使用旧SDR)从输入设备复制图像数据的显示设备和传输系统。如您所知,兼容HDR的电视继续投入市场,几乎可以在任何家用电器商店买到。HDR视频究竟有何不同?

HDR视频:与发展到4K或8K视频相比,这是一个更令人印象深刻的区别!

关于这个主题存在很多文章,但与4K和8K这样通过数字就能轻松理解的技术不同的是,仅仅阅读关于HDR的文章很难完全理解它的影响。换句话说,当您亲眼看到HDR时,马上就能明白SDR和HDR之间的区别。对于那些没有机会接触HDR的人,请允许我以作者的身份分享我对艺卓的ColorEdge PROMINENCE CG3145 HDR参考级监视器的一些看法。

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ColorEdge PROMINENCE CG3145

 

我对ColorEdge PROMINENCE CG3145上显示的各种图像的第一印象是,它确实有一种难以置信的现实感。在我看到这台运行中的显示器之前,我脑海里的图像基本上都是基于HDR照片(通过结合不同亮度范围创建),所以我以为即将看到的是一些颜色过于饱和的图像和类似内容,但事实并非如此 — 相反,我的主要印象是,阴影和高亮部分是真实呈现的。因为这个范围很宽,即使是微小的细节也被正确复制,使屏幕上的图像能给人一种难以置信的深度感。它所表现的现实感是如此强烈,让人觉得所展示的内容实际上就在那里。

我曾听说人类的眼睛对黑暗区域中的色阶很敏感,但亲眼看到这一点是zui大的惊喜。在本例中,我看到夜晚的城市灯光倒映在水面上,水面的微妙运动只在阴影中可见。然而,倒映在这些阴影旁边的城市灯光明亮而生动,并没有褪色和发白。此类混合深影和高亮部分的场景通常很难复制,然而ColorEdge PROMINENCE CG3145显示得恰到好处。

没有必要将其与SDR显示器进行比较(尽管它旁边实际上有一台SDR显示器),因为两者之间的差异是显而易见的。当然,我有幸看到的ColorEdge PROMINENCE CG3145是一台原型机 – 为专业人员制作HDR内容而设计的参考级监视器 — 因此,它可能是比标准的兼容HDR电视更极端的例子。即便如此,如果您有兴趣体验以HDR标准呈现的世界,我认为绝对值得去本地家用电器商店了解兼容HDR的电视。

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一家大型零售店通过电视节目展示4K和HDR技术。

 

要欣赏HDR内容,您需要具备什么?

现在我们知道,HDR可以提供前所未有的图像体验。那么,要欣赏HDR内容,普通用户需要什么呢?

首先,您的电视机需要兼容HDR10信号。您应该能够基于它是否以兼容HDR为卖点轻松进行判断。然而,市场上仍有4K电视机不兼容HDR,所以务必检查以便确认。

也有些电视机可以接收这些信号,但亮度和对比度仍然很低。当然,这些规格越高,图像的真实感越强,但不管出于什么原因,很多电视机仍然没有公开列出这些信息。在这种情况下,您可以查看电视机上是否有Ultra HD Premium标志。为了消除消费者的困惑,UHD联盟推出面向设备、分发和内容的此项认证。它可以保证您将能够在获得认证的HDR设备上完全欣赏经认证的HDR内容。

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UHD联盟推出的Ultra HD Premium标志(左)和Sony 4K HDR标志(右)

 

我们不会详细讨论获得这些标志之一需要满足的各种要求,但其中一条要求是:LCD显示器的zui高亮度至少应达到1,000 cd/m²,黑度不得高于0.05 cd/m²;而OLED显示器的zui高亮度至少应达到540 cd/m²,黑度不得高于0.0005 cd/m²。一个问题是,由于这些以及其他要求实际上是相当难以克服的障碍,所以获得认证的产品仍然相当昂贵,几乎无一例外。

一旦您拥有兼容HDR的显示器,接下来获取兼容HDR的内容。虽然这取决于观看的内容类型,但这里的关键点是两种格式:HDR10和杜比视界(Dolby Vision)。HDR10是面向HDR内容的标准格式,任何宣称兼容HDR的事物都可视为兼容HDR10。另一方面,杜比视界(Dolby Vision),顾名思义,是由Dolby开发的一个独立HDR标准。通过将位深度增加到12位(与HDR10的10位相比),其目标是生成具有更强真实感和存在感的图像。

不过,杜比视界(Dolby Vision)独特的部分是元数据格式。HDR10的元数据格式是将给定内容块设置为一个整体,而杜比视界(Dolby Vision)的每个帧都拥有元数据设置,允许为单个场景动态设定亮度。这可使兼容杜比视界(Dolby Vision)的电视机根据每台电视机的亮度性能以zui优方式显示内容。

根据杜比视界(Dolby Vision)的采用现状,您可以看到日本国内采用Netflix、Hikari TV和其他流媒体服务并提供杜比视界(Dolby Vision)内容。当然,设备本身也需要兼容杜比视界(Dolby Vision),随着越来越多的电视机型号支持此标准和期待已久的产品上市,预计该标准将得到广泛采用。

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流媒体服务现在提供兼容4K/HDR的内容(图片来自Netflix)

 

除了电视机,PlayStation 4和Xbox One一类视频游戏机也支持HDR。HDR产生的现实感可用于计算机生成的图形,类似用于实景内容。如果您仔细想想,HDR渲染很明显存在于电脑游戏的世界里。尽管SDR的限制对动态范围的破坏不可避免,但2017年夏天推出的一些兼容HDR的电脑显示器结合电视的影响可能会促成HDR的快速普及。

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家庭视频游戏机也兼容HDR(图片来自Microsoft Xbox One X)

 

更精美、更真实 — 提高图像质量所需的五个要素

这里讲述这些技术(为实现更具真实感的图像)如何取得如此快速的进步。从广义上讲,提高图像质量涉及五个因素:分辨率、位深度、帧速率、色域和亮度。其中前三个因素都与像素密度有关,而且它们都随着时间的推移而逐渐进步。长久以来,色域技术发展一直处于停滞状态,直到几年前符合Rec.2020标准的宽色域出现。这意味着剩下的唯一因素是亮度,而HDR是对现有技术的一种演变。

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提高图像质量的五个要素其中,HDR代表亮度技术的进步。

 

如前所述,通过提高电视机和其他显示器硬件方面的显示能力,可以将相机收集的数据完整显示出来,为实现更具现实感、更精美的显示效果打下基础。

基于这些趋势,艺卓一直致力于开发上述ColorEdge PROMINENCE CG3145(将于2017年12月推出),这是一款面向制作HDR内容的专业人士的LCD显示器。

ColorEdge PROMINENCE CG3145:为HDR时代的内容制作而设计

ColorEdge PROMINENCE CG3145采用IPS LCD面板。通常情况下,液晶显示屏 — 尤其是IPS显示屏 — 无法复制非常深的黑色,这就使它们的对比度相对较低。但是有一种技术可以轻松为LCD显示屏提供高对比度:局部调光。该技术将直下式LED背光划分为不同的区域,根据所显示图像调整每个区域的背光亮度,导致亮度和色彩还原出现波动。

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局部调光可用于微调背光亮度,以再现高对比度场景(左图:局部调光;右图:无局部调光)。局部调光技术往往会使存在显著明暗差别的区域周围形成光晕(由漏光引起的模糊),如左图所示。


此外,存在显著明暗差别的区域往往会出现"光晕",这种情况发生于明亮区域的轮廓变得模糊时,因为光线渗入了本应是黑暗的区域。在以播放为设计目的的显示器中,这些缺点可能不是什么大问题,但在用于内容制作的基准显示器中,这些缺点不应存在。

另一方面,艺卓使用一种新型IPS LCD面板,即使没有局部调光功能,也可以减少其亮度,从而成功复制黑度不高于0.005 cd/m²的黑色。因此,它的原生对比度达到1,000,000:1。除此之外,ColorEdge PROMINENCE CG3145的另一个主要优势是能够为正在处理的任何类型图像保持一致的亮度和色彩还原 — 许多其他参考级监视器有一项功能,在显示明亮的场景时偶尔会暂时降低自身亮度,以延长显示器的使用寿命。

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ColorEdge PROMINENCE CG3145

ColorEdge PROMINENCE CG3145用作颜色分级工作的参考级监视器,其价格预计将相当昂贵。当然,内容制作工作流程的其他步骤(从拍摄到编辑和合成)都不需要很高的可还原性。对于这些步骤,艺卓提供一项升级服务,通过添加感知量化伽玛曲线(PQ1000和PQ300)和HLG(混合对数伽玛)到各自的色彩模式在现有ColorEdge CG系列显示器上提供(伪)HDR支持,从而提供一个面向流媒体内容和电影制作的HDR解决方案。对于希望以更低成本添加HDR预览环境以构建未来HDR工作流程的创作者,推荐使用此服务。

ColorEdge PROMINENCE CG3145 

 

 

 

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发布时间:2019-11-12
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