HDR,你真的懂吗?

2017-11-09 11:27:23
1]HDR,你真的懂吗?

如果你做的是平面摄影,就可能很熟悉HDR。你可能想说“这有什么大不了的,好几年前我们就用了。”,那你需要再好好想想。HDR视频跟HDR图片完全是两码事儿,除了它们都有“高动态范围”这个特点。
一般来说,任何高动态范围技术,都是为了能拍摄或呈现更高级别的亮度,即增加整体动态范围。这个说法没什么意思,但我们还是继续吧。
在平面摄影中,这通常意味着在不同曝光值(EV)下使用多次曝光,并将结果混合成单个最终图像。当然,无论你使用相机是否HDR技术拍摄,忽略它捕捉到多少档的光线,都仍然受到8位JPEG图片压缩和电脑/电视显示器提供的256级亮度的限制,或印刷品能实现略大的但仍然有限的色调。
因此,大多数HDR平面摄影依赖于在整个图像中创建局部对比区域,在不同的曝光级别进行混合,以保护暗部和亮部的细节:

HDR,你真的懂吗?
具有标准对比度的照片与局部对比度相同

虽然结果往往挺好看,但它们的核心问题是:画面看起来不自然或超现实。

2]HDR视频的不同

HDR视频不是试图将现实中广阔的动态范围,压缩到非常有限的动态范围进行显示,而是通过增加平均和峰值显示亮度(以“尼特nits”为单位)来扩展显示器本身的动态范围,并将整体图像位深从8位提升到至少10位/通道,即255个亮度级别、1600万种颜色提升到至少1024个亮度级别和10.2亿色。

HDR,你真的懂吗?
标准视频/摄影范围与HDR摄影与HDR视频范围

显示亮度级别的变化,得以呈现更多的亮部与暗部细节,使得最终显示的图像更自然地渲染现实场景本身,并能够匹配当今数字摄影机的动态范围。更重要的是,若能完全实现,HDR视频将几乎完全匹配人眼本身的动态范围。
我们的技术是怎样发展到现在的?
如果说HDR视频比如今我们使用的好用多了,为什么还没有被普及?

说到这,我们就需要给大家普及一下历史知识了:
阴极射线管(CRT)自19世纪80年代后期以来一直作为科学仪器和“显示”设备存在着,但是直到20世纪20年代末才发明了第一台CRT相机。早期相机大,并且分辨率低; 电视有噪点,低保真。
电视早期发展变化很快。随着越来越多的公司登上CRT电视频道,每个电视机都创造了略有不同,不兼容的电视系统,以避免专利侵权。这些具有不同信号类型的不同系统意味着家用电视机必须与广播机构使用的相机匹配,即它们必须是由同一家公司制造的。因此,一个地区的第一家广播机构为设备制造商创造了自己的第一台摄像机的地方垄断地位,消费者根本没有选择。
当越来越多的人开始购买电视机的时候,大量的问题就出现了,越来越多的广播公司都想进入这一体系分一杯羹。美国政府便开始介入这件事——所有的广播和电视都必须兼容,保持系统的多样性。为此,他们建立了一个新的管理机构——国家电视标准委员会,在1941年定义了第一个国家电视标准,即NTSC。
在这之后,我们就必须承担起视频标准化的结果,不论好坏。
好处很明显,我们不需要为我们想看不同的频道或者生活在本国不同的地方购买不一样的电视(跨国还是不行)。但坏处是自1941年以来,标准的每一个演变都需要向后兼容性:今天的数字广播标准和计算机显示标准也受到CRT在20世纪40年代和50年代的部分限制。
不相信? 就算忽略了NTSC1 / 1.001帧速率修正,仍然有很大的影响:我们来看看列表:
1、色彩空间:NTSC的YIQ色彩空间和PAL和SECAM中使用的YUV色彩空间都是基于短荧光体可以产生的颜色,这些颜色覆盖CRT屏幕的内部并形成光和彩色产生CRT的画面。转换到数字模式,YIQ和YUV形成了Rec.601色彩空间(标清数字),反过来又是Rec.709(高清数字)色彩空间的基础。(Rec.709使用与Rec 601相同的基色)
你的计算机在sRGB显示标准中也使用相同的颜色原色,因为所有这些颜色空间都是基于显示参考(display referenced),并且它们都构建在相同的CRT技术上。直到二十一世纪初,CRT都是电子显示图像的主流方式:液晶显示器对比度很低,等离子显示器太贵,LED和DLP都不能用的上。
2、转换函数:SD和HD中使用的转换函数(也称为伽玛曲线)也是基于CRT自然的光电对电和电对光响应。CRT摄像机以大约为伽马1 / 2.2的光 - 电响应曲线拍摄图像,而CRT显示器使用大约为gamma 2.4的电 - 光响应曲线重新创建图像。这些值形成了1.2的标准近似系统伽马,并形成了ITU-T建议书BT.1886规范中以2.4作为当前参考显示伽马标准的基础。
3、亮度限制:令人沮丧的是,色彩准确的CRT显示器需要在有限的亮度前提下,才能保持其色彩的准确性。根据用于原色的实际荧光粉,最大亮度值通常降至80-120尼特范围内。而消费者CRT显示器,虽然更大,更亮,颜色不那么准确,仍然只有200尼特最大的亮度水平。作为比较,阳光明媚的室外土地表面,亮度可达到5000-14,000(甚至更高)
近年来,现实和消费级显示器亮度水平的这种大的亮度差异,由于LCD,等离子和OLED显示器对CRT的逐步替代,已经被改善不少,因为它们轻易提高到300-500尼特的峰值亮度。亮度的提高影响了的对图像调色时的画面感觉,同时对环境光条件的变化非常不宽容。简而言之,这意味着根据目前的标准,消费者很少有机会能看到与电影制作人员相同的画面。
所以,由于传统CRT技术的缘故,我们仍然停留在了过往的标准里,限制了我们给消费者提供更好的影像。但正是因为CRT技术的过时,我们现在有机会选择要么困在20世纪50年代,要么用更好的技术。对于我们一些先进的设想,我们目前的技术甚至不能做到100%,就像HDR视频。

3]HDR视频技术

目前,HDR技术存在两个不同类别和多个标准,包括HDR 10标准,杜比的杜比视界(Dolby Vision)BBC开发的HLG标准。他们做的都稍有不同。现在我们先聚焦它们在HDR视频层面的共同点,与过去的视频技术有何区别。
HDR视频技术涉及四个主要技术内容:BT.2020或DCI-P3色彩空间,高动态范围的传输功能,每通道10bit位深信号传输与显示,以及元数据的传输。
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1.色彩空间:大多数情况下,HDR视频被视为现有BT.2020 UHD / FUHD和DCI规格的扩展,因此使用更广阔的BT.2020色域(4K / 8K电视用BT.2020,替换Rec.709高清广播标准),或相对有限,但仍然广阔的DCI-P3色域。
BT.2020使用纯波长原色,而不是基于CRT荧光体或任何材料发射的光。当然,我们还无法在桌面显示器中完全展示这些东西,而且只有最新的激光投影机可以覆盖整个颜色范围。但最终,颜色空间的广度将涵盖了三个主要色域,包括Rec.709 / sRGB、DCI-P3,以及100% AdobeRGB和大多数打印机使用的颜料和染料。
2.传输功能:HDR视频从标准BT.2020和DCI规格区别开,是因为它的OETF和EOTF,即亮度级别到数值和数值到亮度级别的关系。目前高清标准的亮度与数值的关系是CRT时代的遗留问题,即近似于gamma 2.4 。在这样的标准体系下,全白的数值是235,然后转换为80-120nits的光输出。
由于人眼对亮度的非线性响应特性,将相同的曲线扩展到更高的动态范围输出中,是被证明是有问题的:它会导致严重的暗部和亮部步进,或者每个通道需要14-16bit的位深,这将浪费大量的数据量化在我们人眼不可分辨的部分。而且仍然不会向后兼容,在这种情况下,有什么意义?
取而代之的,HDR视频使用两种新的曲线:BBC在ARIBSTD-B67标准的HLG曲线,允许输出亮度从0.01到5000尼特左右,Dolby基于SMPTE ST.2084标准的PQ曲线,允许输出亮度水平从0.0001 尼特到10,000尼特。
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PQ是杜比通过对人眼反应的测量研究得到的结果。创建的曲线没有数值被浪费在人眼不可见光的部分。因此PQ曲线的优势是非常明显的,在最大限度地提高未来的输出亮度方面(最好的实验显示器目前最大为亮度为4000尼特;杜比的测试仪器范围为0.004至20,000尼特),并增加了在暗部捕获的细节量。
另一方面,HLG提供一定程度的向后兼容性,匹配曲线前50%的gamma2.4的输出电平,并将最高的50%的值保留高光更亮部份的输出。通常,在系统伽马值为1.2的环境下看HLG内容,感觉与标准动态范围(SDR)内容相当接近,尽管它的白色有时会被压缩,并比SDR中制作的内容看起来灰。

HDR,你真的懂吗?
影片在Rec709和HLG级别相同

3. 位深:新的传输曲线突出了从模拟到数字值转换的视频问题:步进。随着显示器变得更亮,两个代码值(例如,数值25和26)之间的差异有时足以让我们看到两个灰度之间有明确的区别。当使用的最大亮度大于参考标准时尤其如此。这种情况在暗部比在亮白部份更常见。
BT.2020和DCI标准都已经通过将信号编码和传输从每个通道8bits提升到最少10bits(DCI是12bits)来减少步进的情况,实现至少4倍以上的平滑梯度。然而,BT2020仍然允许显示器在8bits进行渲染,当今市场上绝大多数的电视机和显示器上都是如此。
另一方面,HDR视频更进一步,要求显示器面板本身就是10bit渲染; 也就是说,在所有操作亮度和对比度模式下,每个颜色子像素必须能够在876和1024个可区分的光级之间。
HDR需要10位面板而BT.2020不需要的原因是,相比颜色的饱和或色相上的变化,人眼对亮度的变化会更为敏感。人眼可以很容易地适应低色彩保真度(比如BT.2020空间下用8bits),但使用HDR曲线,还使用8bits位深,那么两个相邻亮度值的差异,就会很容易被察觉。

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8位,10位和12位精度之间的梯度步长比较(对比度强调)

4.元数据:HDR视频要求有,但BT.2020标准并未要求的最后一项:元数据。所有形式的HDR视频都应包括有关内容和母版制作环境的信息。这包括调色时用哪个EOTF,最大和平均单亮度值,以及使用哪个RGB色域。Dolby Vision甚至要求包括每个镜头的元数据定义,以及如何将HDR值转换为SDR范围!
消费级显示器制造商,能使用这些metadata信息,让画面内容适应它们的屏幕。知道何时裁切或压缩高光和阴影。以及自动选择工作模式(比如从709切换到BT.2020,不需要终端用户去改变设置)。

总之,HDR视频有什么不同呢?更宽的色域,新的曲线去实现更大的亮度范围,最低每通道10位的规格要求,以及传输元数据实现将画面内容和制作环境标准的信息传达给播放的终端。

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