进入到4K超高清的阶段，家庭影院视频系统与以往最大的区别在于不只是停留在分辨率上面的提升，更重要的是加入了崭新的HDR高动态范围技术，在画面动态范围方面获得了大幅度的增强，从而让画面的色彩与细节量变得极其丰富。动态范围在视频显示领域指的是画面亮度方面的变化范围，也就是一个显示画面最亮与最暗之间的范围。换句话来说，这个亮度变化的范围越大，我们所能够看到亮度细节就越丰富。在高清显示年代，画面的动态范围是从0.1nit-100nit，我们将其称之为SDR标准动态范围。我们不难发现，在SDR的最高亮度仅为100nit/29fL，现在大部分液晶电视、激光电视甚至是家庭影院投影机都能超过这样的亮度上限。从历史的角度来说，SDR依然是属于模拟显像管电视的遗留产物，进入到数字显示年代早就应该摆脱这种陈旧的技术规范，只是这么多年来，视频显示领域一直将画面分辨率放在首位，从480、720、1080到4K、8K，却忽略了与分辨率同样重要的动态范围的发展。

在2016年，我们终于看到ITU国际电信联盟推出首个针对HDR高动态范围显示设备的国际性推荐规范BT.2100，特别指出HDR高动态范围视频系统制作与显示系统之间所采用的转换函数为PQ EOTF以及HLG OETF。需要留意的一点，对于SDR动态范围系统所采用的转换函数为BT.1886，具体Gamma曲线接近2.4，也就是说HDR系统与SDR系统在Gamma方面的特性是完全不同的。在HDR技术刚刚引入到平板电视与家庭影院投影机市场中，我们不难发现这个阶段的HDR显示设备所呈现出来的画面暗部与高光的细节与色彩总是十分奇怪，主要原因就在于没有处理好HDR节目源与HDR显示设备之间的衔接。如今，绝大部分的HDR家庭影院投影机都已经具备了良好的ToneMapping色调映射，投射出来的画面色彩与光影细节更加自然并且反映出HDR的画面上的特性。

由BT.2100可实现HDR显示并非只是4K

在BT.2100推荐规范中，我们可以清晰地看到并非只有4K才能够支持HDR，1080p与8K的内容同样也可以制作成HDR的内容，同时帧率方面也从24Hz覆盖到120Hz，这就意味着未来HDR相关的影视节目制作是多样化的，会根据当地的信号传输条件与要求进行相应的调整。但是需要留意的一点，BT.2100规范中对于系统制作所采用的色域标准是与BT.2020规范是一致的，这样就对HDR的显示设备有相当高的要求。当HDR的显示设备本身色域不能达到BT.2020要求的时候，就需要对色彩空间进行相应的映射转换，否则很容易会出现画面饱和度过高，色彩亮度过于鲜艳等问题。

BT.2100中特别指出的参考观看环境的推荐规范

怎样的环境才是最适合观看HDR节目源？又或者是在HDR编辑、色彩校正与审片的环境与设备要求应该是怎样的？BT.2100规范中有一个参考观看环境的明确要求。首先屏幕背面与四周的环境光的颜色是中性灰、色温为D65，屏幕背景光的亮度有明确的要求为5nit，而四周环境光则是要求小于或等于5nit，但需要注意的是避免环境光投射在屏幕上。

第二是观看距离的要求，这点主要是根据内容的分辨率来定。对于1920×1080的节目源，观看距离需要在3.2倍画面高度；对于3840×2160的节目源，观看距离要在1.6-3.2倍画面高度；对于7680×4320的节目源，观看距离要在0.8-3.2倍画面高度。

最后一个，也是大家最关心的HDR显示设备方面的要求，BT.2100要求在参看观看环境下所采用的显示设备峰值亮度需要至少1000nit，不过也指出这个峰值亮度并非是指全白屏下的测试亮度，也可以是屏幕上某个画面窗口的测试亮度。而在显示设备最低的亮度要求上，具体来说就是黑位的亮度需要等于或小于0.005nit。这样的数值要求，基本上是属于制作室监视器等级的，民用级别需要是顶级的平板电视才能实现。对于家庭影院投影系统而言，按照目前的技术还没有办法做到。不过，BT.2100这个参考观看环境的推荐规范主要还是用于制作与审片，家庭影院投影系统则可以参考杜比影院100nit以上画面峰值亮度的要求，而暗部则是应该尽可能贴合0.005nit的亮度要求，毕竟在HDR电影节目源中，画面平均亮度并不高，而且不少细节都是在暗部，只有达到更扎实的黑位才能够真实还原出丰富的暗部细节。

下面就要谈谈BT.2100中最为关键的转换函数PQ与HLG

正如前面所提到的，BT.2100规范的核心在于之处HDR系统与SDR系统在光电信号转换函数方面的不同，HDR高动态范围视频系统制作与显示系统之间所采用的转换函数为PQEOTF以及HLG OETF。这里就变得有点复杂了，我们首先需要简单解释三个不同的转换函数，分别是OETF、EOTF与OOTF。OETF(opto-electronic transfer function)，主要是指拍摄场景的真实光线信号转换到视频电信号的处理方式，通常是指在摄像机中光电转换处理函数。在显示设备之中，则主要包括了EOTF(electro-optical transfer function)电光转换函数与OOTF(opto-optical transfer function)光光转换函数，前者大家应该不陌生，主要是指在显示设备之中在接收到的影像电信号转换成显示画面的线性光输出，也就是以往我们通常所说的Gamma伽玛曲线，在高清的BT.1886 EOTF推荐规范中所要求的高清制作室显示设备采用的EOTF曲线大致上与Gamma2.4曲线相近，只是暗部有所不同。而OOTF恐怕不少人会觉得难以理解，为什么在OETF与EOTF之间还要加入一个OOTF。其实OOTF是指内容上的场景光与现实设备光输出之间的处理手段。

我们需要十分清楚地知道在视频显示系统之中，显示设备的光输出与摄像机拍摄的场景光信息并非是线性关系，为了弥补这个问题，所以就要引入这个OOTF光光转换函数。当想得到一个参考级的HDR画面的光输出，就需要在场景光信息与显示光输出之间加入一个“参考”OOTF函数。因为电影内容创作的关系，往往在后制过程中还会加入一些艺术性创造的元素，例如改变场景光信息的色温，让它看上去更加符合电影的主题，而处理的方式就是通过OOTF函数来渲染实现。我们可以把摄像机内的OETF、内容创作者的对影像的调整以及显示设备上的EOTF三个步骤合在一起成为“艺术创作”OOTF函数。

好了，回到正题。在BT.2100规范之中，PQ系统中的OOTF处理是在摄像机端或者是制作端，并非在显示设备上，所以对于采用PQ曲线的HDR设备，例如说HDR10、Dolby Vision都是在平板电视或家庭影院投影机中解码PQ EOTF曲线，最终形成HDR的影像显示输出。由于制作端显示设备与消费端显示设备的不同，这就要求消费端的显示设备需要支持HDR元数据的解码能力。而HLG系统则是将OOTF处理放在显示端，显示端直接进行OETF转换，不需要处理HDR元数据，直接解码即可，能够向下兼容以往的SDR显示设备。因此，从PQ与HLG两种系统结构上的差异，我们已经不难看出，前者有着更高的制作水准，属于绝对亮度处理系统，峰值亮度可达10000nit，但对显示设备的要求较高，而后者则是拥有更高的兼容能力，属于相对亮度处理系统，不需要更换支持HDR元数据解码的显示设备就能实现HDR高动态范围的效果。目前采用PQ EOTF转换函数的HDR10与Dolby Vision广泛应用于UHD 4K蓝光与4K流媒体制作中，拥有更好的HDR画面的表现力，而HLG OETF转换函数则应用在电视广播领域，可以让HDR技术得到更快地普及。

PQ系统

HLG系统

PQ信号输入，HLG系统显示转换流程

HLG信号输入，PQ系统显示转换流程

最后再来谈谈10bit与12bit信号范围

在BT.2020规范之中，我们已经提到超高清视频系统采用的是10bit与12bit的系统，这个与我们所熟悉的高清8bit系统有了进一步的提升。那么在BT.2100规范之中，就非常详细地指出10bit与12bit系统的黑位、白峰与视频数据范围。首先BT.2100以量化程度的不同分成Narrow range有限范围与Full range全范围。在有限范围、10bit系统中64阶为黑位、白峰区间在940-960阶，视频数据为4-1019阶；12bit系统中的256阶为黑位，白峰区间在3760-3840阶，视频数据为16-4079。在全范围，10bit系统中0阶为黑位、白峰区间在1023阶，视频数据为0-1023阶；12bit系统中的0阶为黑位，白峰区间在4092阶，视频数据为0-4092。那么有限范围与全范围的区别是什么呢？在信号之中，有限范围以外信号主要是用于放置时钟信号与一些传输界面相关的信号。一般来说，对于10bit与12bit的HDR视频显示系统，如果显示设备提供相关的菜单选择项目，我们基本上一般都是采用有限范围。

总结与展望

最后，我们可以看出HDR系统相比SDR系统来说，要复杂许多，一方面不仅我们需要处理视频电信号与显示光输出的线性关系，同时还需要解决内容制作端动态范围与消费显示端动态范围不一致的问题，引入了PQ EOTF与HLG OETF。而在BT.2100规范之中，其实讲的还并不是十分深入，如果想了解更多深入细致的内容，感兴趣的朋友可以仔细阅读ITU专门针对HDR视频制作与显示系统而推出的BT.2390报告书。在这里我们就不再深入讨论了。另外，关于屏幕亮度与画面大小的关系其实也很值得我们切入分析，例如究竟对于我们人眼感官，小屏幕与大屏幕在相同亮度的情况下给我们的视觉感知的亮度是否一样的呢？我们也会在后续的专题中继续为大家讲解。对于HDR显示设备的发展，尤其是家庭影院投影方面，我们认为除了应该不断提升高光方面的表现、增加光输出之外，更应该重视黑位下潜，能否真正做到BT.2100推荐的0.005nit或以下的黑位要求是我们在HDR家庭影院投影系统之中获得更好的画面动态与细节的关键所在。换言之，我们在挑选HDR家庭影院投影机的时候，除了要看这台投影机究竟多少流明之外，还要看看黑位下潜是否扎实，是否出现色偏问题。随着未来RGB三色激光光源的高端机型诞生，相信HDR 4K家庭影院投影机的发展将会越来越精彩。

回到专题首页