對於影像顯示技術而言,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,以及影片播放流暢度提高到60fps後,接著開始逐步朝人眼所見前進。而下一關卡,「亮度動態範圍」,是目前影像顯示畫質欲突破的關卡。此時,「高動態範圍」(High Dynamic Range,HDR)就應運而生,成為近年在國際消費性電子展(CES),影像顯示技術最熱門的討論議題,各家影音製造廠商更以提高影像的動態範圍為目標,相繼投入高動態範圍技術,並訂定出相關標準,期望對此高規格品質把關。

本文第一部份將簡介HDR技術;第二部份則深入目前知名的PQ-HDR——「杜比視界」(Dolby Vision)提出的感知量化編碼,以及BBC/NHK聯手研發的混合對數伽瑪分佈(HLG-HDR),剖析如何將HDR技術運用至顯示器,使得傳輸不失真;第三部份則將以宜特科技(Integrated Service Technology;iST)訊號測試實驗室的實際案例,介紹目前顯示器主要介面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,大部份逆光拍照的結果,不是陰影部份黑漆漆一片,就是明亮部份全數過飽和。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佈,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——這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調校時發現多數廠商關切的議題,以下本文重點將從此切入。

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,此後在電影電視工程師協會(The Society of Motion Picture and Television Engineers;SMPTE)收納為SMPTE 2084規範,使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「感知量化」(Perceptual Quantizer,PQ)的電-光轉換功能(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互補金屬氧化半導體(CMOS)與感光耦合元件(CCD)感測器,均已能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佈曲線、增加傳輸及處理深度(bit width)達12bit、製作環境參數(meta data)後送等方式,以避免重新分佈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。)

20170418_iST_TA31P1 圖1a:未經PQ-HDR影像處理的原始影像;圖1b:經過PQ-HDR影像處理的範例影像

  1. 重新安排亮度分佈曲線以及增加傳輸與處理深度達12bit

Dolby的主要核心技術EOTF建構在兩部份上:依照Barten Ramp重新安排亮度分佈曲線;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。由影像輸出端的光-電轉換功能(OETF,EOTF的反向)曲線,可以得知當暗部的解析度低,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份,藉以達到亮度重新分佈的目的。

增加傳輸與處理深度達12bit,則可以確保此分佈變化不至於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。

20170418_iST_TA31P2 圖2:PQ-HDR影像輸出端的OETF曲線,xy座標皆為0~10000亮度

不過,任何影像修正或重新分佈的技術,必須同時提供還原的模式,否則在應用上會有一定的困難。影像輸出前的技術即為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,必須先將訊號還原成「線性曲線」,以減少後續處理的複雜度。

20170418_iST_TA31P3 圖3:PQ-HDR影像輸出端的EOTF曲線,x座標為0~1標準化亮度,y座標為0~1,024的10位元編碼

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)更提出由更複雜的3D查找表(3D LUT)來完成。

當然,使用這種HDR的技術在EOTF線性還原之後,並不一定要使用與上述一模一樣的處理方式,多數的晶片都具備有其他客製化處理方式,差別在最終的畫質好壞而已。

20170418_iST_TA31P4 圖4:PQ-HDR IPT處理方式之一

  1. 製作環境參數後送

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): ‧訊號源的RGBW色域範圍 ‧顯示器的最大/最小亮度值 ‧影片內容的最大亮度值(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影片,大多都以DCI P3色域及Mastering 4000 Cd/m2佔多數,其他部份有些資料並不正確,因此顯示器在處理時可能要有一些機制判斷環境參數是否為合理值。

在HDR訊號處理完畢之後,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範圍,才能完成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,顯示器收到環境參數後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佈。

(二) 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,稱之為對數伽瑪分佈(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,並在大部份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。

20170418_iST_TA31P5 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,訊號源部份將亮度依照HLG OETF分佈編碼。而顯示器部份則根據反向的OETF (OETF-1),先將訊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定義的亮度分佈,稱之為光-光轉換功能(OOTF)。

‧OOTF部份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,關係式如下: r=1+(1/5) *Log(Ypeak / Ysrround)

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

Lw: 標準亮度峰值 Lb: 黑底顯示亮度

目前,HLG的最大亮度只在1,000Cd/m2下討論,並不像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,各規範之間互轉其實都做得到的。

20170418_iST_TA31P6a 圖6a:HLG-HDR OETF曲線,x軸為1~1024編碼,y 軸為標準化亮度 20170418_iST_TA31P6b 圖6b:HLG-HDR OETF-1曲線,x軸為1~1024編碼,y 軸為標準化亮度

為HDMI導入HDR及其對應認證標準

由於HDMI是顯示型消費性產品的主要介面,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的認證僅限於協定(Protocol)的部份,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客製化演算法調校與量測的實際經驗中發現,大部份的客戶顯示器機種,除了「延伸顯示辨識編碼」(EDID,即有關廠商名稱解析度與序號等螢幕資料)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。