如何將 HDR 技術運用至顯示器，使高畫質影像傳輸不失真

發佈日期：2017/4/21
發佈單位：iST宜特

HDR (高動態範圍，High Dynamic Range) 近來成為各家影音製造廠商投入研究發展的技術，並訂定出相關標準。

對於影像顯示技術而言，追求貼近人眼所見的真實世界是必然趨勢。在 4K 電視技術普及、廣色域的使用與影片播放流暢度提高到 60fps，都已朝人眼所見前進。而「亮度動態範圍」是目前影像顯示畫質欲突破的關卡。「HDR」(高動態範圍，High Dynamic Range) 應運而生，成為近年 CES 展影像顯示技術最熱門的討論議題，各家影音製造商更以提高影像的動態範圍為目標，相繼投入高動態範圍 (High Dynamic Range: HDR) 技術，並訂定相關標準，已能對此高規格之品質把關。

本文第一部分，將簡介 HDR 技術；第二部分，將深入目前業界最知名的 PQ-HDR (杜比視界，Dolby vision)，以及 HLG-HDR (BBC/NHK)，剖析如何將 HDR 技術運用至顯示器、使得傳輸不失真；第三部分，則將從筆者所服務的宜特訊號測試實驗室所遇到的實際案例，介紹目前顯示器主要接口 HDMI，如何納入 HDR，以及其對應認證標準。

一、HDR 技術簡介

電視/電影和手機/相機講的「HDR」到底有什麼不一樣？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，與電視影片的 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，大部分逆光拍照的結果，不是陰影部分黑漆漆一片，就是明亮部分全數過飽和。因此，手機/相機的 HDR，就是利用加減曝光指數所拍攝的多張影像，再藉由晶片將這幾張影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影像。
電視/電影的 HDR：指的更像是一種標準/格式，由於影片屬於持續的動態影像，如果要求顯示器每一格都像照相機一樣由3到5張組合，傳輸的頻寬勢必會增加3到5倍，這在現實的環境是達不到的。影片所討論的 HDR 便定義在，如何把先進高動態廣色域的攝影影像重新分布，並傳輸給顯示器，讓顯示器能正確的還原先進高動態的影像，上述也是筆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 調校時多數廠商關切的議題，以下本文重點將從此切入。

二、杜比視界 (Dolby vision)，與 BBC/NHK 如何將 HDR 技術運用至顯示器，使得傳輸不失真

1. 杜比視界 PQ- HDR EOTF (感知轉換 HDR 電光轉換功能)
2014就可以看到杜比實驗室公告的杜比視界 (Dolby Vsion) 白皮書，其內容是杜比實驗室投入 HDR 的成果，此後在 SMPTE (The Society of Motion Picture and Television Engineers) 收納為 SMPTE 2084 規範，HDR 不僅成為動態影片錄製及播放的討論重點，SMPTE 2084 所定義的版本也成為業界沿用 HDR 產品的第一代規範。

杜比 HDR 的核心技術叫做「感知轉換」(Perceptual Quantizer，簡稱PQ) 的電—光轉換功能 (簡稱 EOTF，將電信訊號轉為可見光)，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，目前還沒有實用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。

以目前在亮度處理的技術包括 CMOS 及 CCD Sensor，已可感應高動態範圍亮度的影像，然而如何將 HDR 影像正確處理、儲存、並傳輸至顯示器，Dolby 藉由「重新安排亮度分布曲線」、「增加傳輸及處理深度 (bit width) 達 12bit」、「製作環境參數 (meta data) 後送」方式解決此事。此方式將可避免重新分布後亮度不連續的問題，更能在影像傳輸至顯示器時，精準還原 HDR 影像。(此技術收納在 SMPTE 2084 規範中。)

未經 PQ-HDR 影像處理的原始影像。

經過 PQ-HDR 影像處理的範例。
1-1. 細談「重新安排亮度分布曲線」、「增加傳輸及處理深度 (bit width) 達 12bit」
1-2. 細談「製作環境參數 (Meta data) 後送」
Dolby 的主要核心技術 EOTF 是建構在兩部分。

依照 Barten Ramp，重新安排亮度分布曲線；

增加傳輸及處理深度 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上 (JND- just noticeable difference)。由影像輸出端的 OETF (EOTF 的反向) 曲線，可以得知當暗部的分辨度低，所以跳階比較粗，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，藉以達到亮度重新分布的目的。

增加傳輸及處理深度達 12bit，則可以確保此分布變化視覺將不會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。

PQ-HDR 影像輸出端的 OETF (EOTF的反向) 曲線，xy 座標皆為 0~10000 亮度。

PQ-HDR 影像輸出端的 EOTF 曲線，x 座標為 0~1 normalized 亮度 y 座標為 0~1024 的 10 bit code。

不過，任何影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。影像輸出前的技術稱為 OETF，而影像輸出後製處理過的影片技術，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」，以減少後續處理的複雜度。

在影像分佈曲線成功還原後，HDR 將「亮度」及「色域」兩路分開處理，Dolby 的處理方式之一是將 YCbCr 的色域先轉為 IPT 色域，再處理亮度及色彩飽和度。而 Gamut mapping 更提出由更複雜的 3D LUT 來完成。

當然使用這種 HDR 的技術在 EOTF 線性還原之後並不一定要使用以上一模一樣的處理方式，多數的晶片都具備有其他客製化的處理方式，差別在最終畫質好壞而已。

PQ-HDR IPT 處理方式之一。

要能使顯示器正確的還原影像，錄影及後製的環境因素必須傳輸給顯示器，才能得到更精確的影像還原。製作 HDR 環境參數 (Meta data) 必須包含以下幾項重要資訊 (CEA-8614.3 規範及 HDMI2.0a 規範皆可看到詳細資訊定義)：

Source 的 RGBW color range

Display Mastering Max/Min luminance

Max content light level

4Max frame average light leve

在實際運用案例上，筆者在宜特實驗室收到送來多數送來測試的 HDR 影片，大都以 DCI P3 色域及 Mastering 4000 Cd/m2 占多數，其他部分有些資料並不正確，因此顯示器在處理時可能要有一些機制判斷環境參數 (Meta data) 是否為合理值。

在 HDR 訊號處理完畢之後，顯示器處理系統，必須還是要想辦法把亮度曲線校正為比較適合人眼的 Gamma 2.0~2.4，以及顏色還原到顯示器定義的色域範圍，這樣便完成了 HDR 的顯示流程。

所以正確的校正流程，應該是由訊號源產生 HDR 的亮度訊號，並產生對應的環境參數 (Meta data)，顯示器收到環境參數 (Meta data) 後能計算出適當的還原曲線，並校正為符合顯示器規格的亮度分布。
2. BBC/NHK 的 HLG-HDR 對應方案
英國 BBC 及日本 NHK 電視台，也提出了對應的 HDR 方案，稱之為 Hybrid Log-Gamma (HLG)，相對於 Dolby 的 PQ-HDR， HLG 在應用上的方便性，是不需要 Meta data 的傳輸，並在大部分既有的顯示晶片上經過運算就可以執行，最後，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 規範)。此版本也成為業界沿用 HDR 產品的第二代規範。

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，訊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客製化的亮度及色彩修正，最後再根據顯示螢幕的最大、最小亮度及環境亮度還原為 HLG 定義的亮度分布，稱之為 OOTF (opto-optical transfer function )。

OOTF 部分 HLG 特別加入了環境的亮度，實驗的結果是以 Log 的方式呈現，關係式如下：r=1+ (1/5) * Log(Ypeak/Ysrround)

完整的 EOTF 則包含 OOTF 部分：
Yd=αYsr +βα=Lw-Lb (for Y range 0~1)，β=Lb

Lw: Normal peak luminance.

Lb: Display luminance for black.

目前，HLG 的最大亮度只在 1000 Cd/m2 下討論，並不像 PQ-HDR 可以延伸到 4000 甚至10000 Cd/m2。有趣的是在 ITU-R BT.2100 附錄中有提到 PQ-HLG 相互轉換的方式，其實只要能夠還原成線性的曲線，各規範中間互轉其實都做得到的。
HLG-HDR OETF 曲線，x 軸為1~1024 code，y 軸為normalized 的亮度。

HLG-HDR OETF-1 曲線，x 軸為 1~1024 code，y 軸為 normalized 的亮度。
3. HDMI，如何納入HDR，以及其對應認證標準
由於 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年公告了 HDR 的標準後，便成為第一個導入 HDR 的有線傳輸介面，不再侷限於影像串流的應用。

HDMI 目前對於 HDR 的認證僅限於 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

而從筆者在宜特訊號測試實驗室，協助客戶取得 HDMI2.0a 認證與 HDR 客製化演算法調教及量測的實際經驗中，發現大部分客戶的顯示器機種，除了 EDID (Extended display identification data，延伸顯示能力識別，是指螢幕解析度的資料，包括廠商名稱與序號) 編輯可能有些小問題之外，客戶都可以非常順利取得認證。