對于圖像顯示技術而言，追求貼近人眼所能見到的真實世界是必然趨勢。在4K電視技術的普及、廣色域的使用，以及視頻播放流暢度提高到60fps，都已逐步朝人眼所見前進。而下一關卡，“亮度動態范圍”是目前圖像顯示畫質欲突破的關卡。此時，“高動態范圍 （High Dynamic Range，HDR）”就應運而生，成為近年在國際消費性電子展（CES），圖像顯示技術最熱門的討論議題，各家音像制造廠商更以提高圖像的動態范圍為目標，相繼投入高動態范圍技術，并訂定出相關標準，期望對此高規格質量把關。

本文首先簡要介紹了HDR技術；然后深入介紹了目前知名的PQ－HDR——“杜比視界 （Dolby Vision）”提出的感知量化編碼，以及BBC／NHK連手研發的混合對數伽瑪分布（HLG－HDR），剖析如何將HDR技術運用至顯示器，使得傳輸不失真；最后則是以宜特科技（Integrated Service Technology；iST）信號測試實驗室的實際案例，介紹目前顯示器主要接口HDMI如何納入HDR，以及其對應的認證標準。

HDR技術

究竟，電視／電影和手機／相機講的“HDR”到底有什么不一樣？

HDR，多數人熟知是應用在相機的拍攝上，然而相機上所使用的HDR技術與電視視頻的HDR，是完全不一樣的事情。

手機／相機的HDR：多數人應該都有逆光拍照的經驗，大部份逆光拍照的結果，不是陰影部分黑漆漆一片，就是明亮部分全都過飽和。因此，手機／相機的HDR，就是利用加減曝光指數所拍攝的多張圖像，再通過芯片將這幾張圖像演算成為一張完整的相片；或是，由單張相片做區域性的加減光，演算達到高動態的成像，使各區域都呈現相對清楚的圖像。

電視／電影的HDR：指的更像是一種標準／格式，由于視頻屬于持續的動態圖像，如果要求顯示器每一格都像照相機一樣由3到5張組合，傳輸的帶寬勢必會增加3到5倍，這在現實的環境是達不到的。視頻所討論的HDR便定義在，如何把先進高動態廣色域的攝影圖像重新分布，并傳輸給顯示器，讓顯示器能正確的還原先進高動態的圖像——這也是作者在宜特實驗室協助TFT／IPS電視及投影機等多項產品廠商進行HDR調校時發現多數廠商關切的議題。

將HDR技術運用至顯示器

首先討論杜比實驗室（Dolby Laboratories Inc．）的Dolby Vision與BBC／NHK如何將HDR技術運用至顯示器，使得傳輸不失真。

（一） Dolby Vision PQ－HDR EOTF（感知量化－HDR電光轉換功能）

2014年就可以看到杜比實驗室公告的Dolby Vsion白皮書，內容是杜比實驗室投入HDR的成果，此后在電影電視工程師協會（The Society of Motion Picture and Television Engineers；SMPTE）收納為SMPTE 2084規范，使HDR不僅成為動態視頻錄制及播放的討論重點，SMPTE 2084所定義的版本也成為業界沿用HDR產品的第一代規范。

杜比HDR的核心技術叫做“感知量化 （Perceptual Quantizer，PQ）”的電－光轉換功能（EOTF，將電信號轉為可見光），這項技術將亮度標準定義在10，000Nits（普通的電視亮度僅100－200nits左右）。但是，目前還沒有實際顯示設備能達到這一亮度，因此目前Dolby Vision的亮度目標是4，000nits。

目前針對亮度處理的技術包括CMOS與CCD傳感器，均已能感應高動態范圍亮度的圖像，然而，如何將HDR圖像正確處理、儲存并傳輸至顯示器？Dolby通過重新安排亮度分布曲線、增加傳輸及處理深度（bit width）達12bit、制作環境參數（meta data）后送等方式，以避免重新分布后亮度不連續的問題，更能在圖像傳輸至顯示器時，精準還原HDR圖像。（此技術收錄在SMPTE 2084規范中。）

1．重新安排亮度分布曲線以及增加傳輸與處理深度達12bit

Dolby的主要核心技術EOTF建構在兩部分上：依照Barten Ramp重新安排亮度分布曲線；以及增加傳輸與處理深度12bit。

根據Barten Ramp，暗部（亮度極低時）人眼視覺靈敏度較低，亮度極高時，人眼對對比的感覺較飽和，而這個曲線是建構在人眼剛剛好可以分辨的亮度改變（JND）上。由圖像輸出端的光－電轉換功能（OETF，EOTF的反向）曲線，可以得知當暗部的分辨率低，跳階比較粗，亮部視覺比較靈敏，所以跳階比較密。而正確的亮度分配，正好可以把暗部多出來的階數貢獻給明亮部分，從而達到亮度重新分布的目的。

增加傳輸與處理深度達12bit，則可以確保此分布變化不至于使視覺觀察到不連續的狀況，而總體亮度也可獲得更多階數的處理單位。

圖2：PQ－HDR圖像輸出端的OETF曲線，xy坐標皆為0～10000亮度。

不過，任何圖像修正或重新分布的技術，必須同時提供還原的模式，否則在應用上會有一定的困難。圖像輸出前的技術即為OETF，而圖像輸出后制處理過的視頻技術，定義為EOTF，兩者都是一條“非線性的曲線”。然而，在處理亮度校正及色域轉換議題時，必須先將信號還原成“線性曲線”，以減少后續處理的復雜度。

圖3：PQ－HDR圖像輸出端的EOTF曲線，x坐標為0～1標準化亮度，y坐標為0～1，024的10位編碼。

在圖像分布曲線成功還原后，HDR 將“亮度”及“色域”兩路分開處理，Dolby的處理方式之一是將YCbCr色域先轉為IPT色域，再處理亮度及色彩飽和度。而色域映射（Gamut mapping）更提出由更復雜的3D查找表（3D LUT）來完成。

當然，使用這種HDR的技術在EOTF線性還原之后，并不一定要使用與上述一模一樣的處理方式，多數的芯片都具備有其他定制化處理方式，差別在最終的畫質好壞而已。

圖4：PQ－HDR IPT處理方式之一。

2． 制作環境參數后送

要能使顯示器正確的還原圖像，錄像及后制的環境因素必須傳輸給顯示器，才能得到更精確的圖像還原。制作HDR環境參數必須包含以下幾項重要信息（CEA－8614．3規范及HDMI2．0a規范皆可看到詳細信息定義）：

——信號源的RGBW色域范圍

——顯示器的最大／最小亮度值

——視頻內容的最大亮度值（MAX CLL）

——一個畫面中的最大亮度平均值（MAX Fall）

在實際應用案例上，例如宜特實驗室收到多數送來測試的HDR視頻，大多都以DCI P3色域及Mastering 4000 Cd／m2占多數，其他部分有些資料并不正確，因此顯示器在處理時可能要有一些機制判斷環境參數是否為合理值。

在HDR信號處理完畢之后，顯示器在處理系統時，還必須設法把亮度曲線校正為較適合人眼的Gamma 2．0～2．4，以及顏色還原到顯示器定義的色域范圍，才能完成HDR的顯示流程。

所以，正確的校正流程應該是由信號源產生HDR的亮度信號，并產生對應的環境參數，顯示器收到環境參數后計算出適當的還原曲線，并校正為符合顯示器規格的亮度分布。

（二） BBC／NHK的HLG－HDR對應方案

英國BBC及日本NHK電視臺，也提出了對應的HDR 方案，稱之為對數伽瑪分布（Hybrid Log－Gamma；HLG），相對于Dolby 的PQ－HDR，HLG在應用上的方便性，是不需要Meta data 的傳輸，并在大部分既有的顯示芯片上經過運算就可以執行，最后，再經過最終顯示器亮度及色域的校正，便能達到HLG所宣稱的效果（技術細節參考ITU－R BT．2100．0規范）。此版本也成為業界沿用HDR產品的第二代規范。

圖5：HLG－HDR處理方塊圖

與PQ－HDR類似的，HLG－HDR也同樣提出對應的OETF曲線，但是在HLG的作法上比較單純也相對精確，信號源部分將亮度依照HLG OETF分布編碼。而顯示器部分則根據反向的OETF （OETF－1），先將信號線性化再做定制化的亮度及色彩修正，最后再根據顯示屏幕的最大、最小亮度及環境亮度還原為HLG定義的亮度分布，稱之為光－光轉換功能（OOTF）。

OOTF部分HLG特別加入了環境的亮度，實驗的結果是以對數（Log）的方式呈現，關系式如下：

r＝1＋（1／5） ＊Log（Ypeak ／ Ysrround） 

完整的EOTF則包含OOTF部分：

Yd＝αYsr＋β

α＝Lw－Lb （for Y range 0～1），β＝Lb 

Lw： 標準亮度峰值

Lb： Display luminance for black．

目前，HLG的最大亮度只在1，000Cd／m2下討論，并不像PQ－HDR可以延伸到4000甚至10，000Cd／m2。有趣的是在ITU－R BT．2100附錄中提到了PQ－HLG相互轉換的方式，其實只要能夠還原成線性曲線，各規范之間互轉其實都做得到的。

為HDMI導入HDR及其對應認證標準

由于HDMI是顯示型消費性產品的主要接口，多數顯示產品會傾向先取得HDMI HDR的認證（HDMI2．0a），作為導入HDR產品的第一步。

HDMI協會在2015公告了HDR的標準后，便成為第一個導入HDR的有線傳輸界面，不再局限于圖像串流的應用。

HDMI目前對于HDR的認證僅限于協議（Protocol）的部分，認證項目包括：

——HF1－53：Source Dynamic Range and Mastering InfoFrame–High Dynamic Range 

——HF2－54：Sink EDID–HDR Static Metadata Data Block 

——HF3－21：Repeater Repeated Output Port HDR 

——HF3－22：Repeater Repeated Output Port Source Functionality HDR 

——HF3－23：Repeater Repeated Input Port HDR 

——HF3－24：Repeater Repeated Input Port Sink Functionality HDR 

從作者在宜特信號測試實驗室協助客戶取得HDMI2．0a認證與HDR定制化算法調校與量測的實際經驗中發現，大部分的客戶顯示器機種，除了“延伸顯示辨識編碼”（EDID，即有關廠商名稱分辨率與序號等屏幕數據）的編輯可能有些小問題之外，客戶通常都可以非常順利取得認證。