谈一下个人对于HDR的看法

2019-11-14 16:00发布

HDR这个技术可能没有大家说的那么复杂,但网络上确实也有很多关于它的误解。在这个帖子里我会尽量引用正儿八经的学术期刊以及权威机构的数据和观点,并用我自己的思考将这些内容串联起来。并且我会将这些文献的原文件链接附在帖子最后,能看懂的请尽量自行阅读,并多进行独立思考。

先说说HDR对亮度和对比度的需求:

首先,请不要将电视的亮度指标生搬硬套到投影上。一方面是因为这两者的观看环境的不同。电视和显示器在遮光良好的环境中的校准目标是100 nit,在有环境光的房间中则应该调整到200nit甚至300 nit以上,而投影在遮光且吸光房间中的校准目标是48nit。ITU-R(国际电信通信部门)在BT. 2022标准协议中将HDR电视的观影环境光标准制定为200Lux(文献截图如下),这个环境光亮度甚至已经超过了投影本身的校准白亮度。



另一方面则是尺寸的不同。杜比实验室去年在《应用感知学期刊》上发表一篇论文明确表明视角与感知亮度的正相关性,也就是视角越大(屏幕越大,坐的越近),感知亮度就更高。





所以各自的通常使用环境下(电视在日常环境光中,投影在遮光且吸光的房间中),电视和投影的校准亮度目标值差4-6倍(200-300nit/48nit),这样可以达到相近的感知亮度,这也是美国这边职业calibrator(国内没有这个职业,不知道怎么翻译)的共识。



另外,我见过网上经常有人误认为“HDR是为了还原真实场景的亮度,比如说真实日光有多亮,我们的显示设备还差得远”。这就更是大错特错了。不要以自然界或者真实场景的亮度作为标准,人的瞳孔不是摆设。BBC关于HDR的文章明确提出了这一点。事实上电影的后期渲染很重要的一环就是为了处理自然环境和观影环境的区别,利用OOTF(光-光转换函数)调整电影的亮度,在电影的观影环境中达到接近真实场景的感知亮度。






HDR本意是高动态范围,也就是高对比度,而不是高亮度。电影不同于傻亮的国产电视剧或者综艺节目,电影的平均ADL(帧平均亮度)很低,在5%以内,统计图如下,






事实上,电影里大多数画面的实际的亮度往往低于人们的预估,比如Lucy里面这一个夜晚灯光场景的帧平均亮度只有2.96%




Oblivion里面的这一帧白天场景的帧平均亮度只有4.6%




而下面这一帧x-men的白天的人物特写场景,帧平均亮度也只有5.7%。


下面这一帧画面主要是由明亮的天空组成,ADL也只有31%



我来HD199这个论坛才发现很多人喜欢把投影调的很亮,甚至高于标准的14ftl来追求所谓的阳光感,也有人强行用P3模式观看709的内容来追求鲜艳。当然,我尊重每个人的个人口味,但如果要体验电影制作的创作意图的话,请将亮度和颜色都校准到标准值。为防止引战,我再重申一遍,我尊重每个人的个人口味!



HDR电影的平均ADL甚至更低一点,HDR格式的电影的绝大部分场景仍然是SDR亮度范围内的(14ftl),因此我们的首要目标仍然是保证这绝大部分内容的观感。在对比度有限的前提下,一味提高亮度会带来更惨的黑位,从而破坏14ftl以内的内容的观感。目前只有OLED这类自发光技术能达到黑位不变的同时提高亮度。我自己有OLED也有液晶电视。其中sony 液晶电视的VA屏对比度大概在5000左右,加上区域控光也就7,8千左右的对比度,但它的亮度非常优秀,在白天或者开灯环境下看HDR还不错,但是在晚上看黑位惨不忍睹。我之前那台LK970则更是如此,这类单片DLP芯片1000左右的对比度加上5000流明的亮度,简直是灾难。


作为对比,OLED是无限对比度,IPS屏幕的显示器对比度在1000左右,这已经是很好的显示器了。投影方面,N11最高原生对比度在3万-10万之间(取决于光圈设置),动态对比度最高能到30万左右。sony的4k投影原生对比度在6000到1万2左右。


最重要的参考值:人眼可识别的帧内对比度是1万左右,动态对比度也就是帧间对比度是10亿左右。


因此,HDR对显示设备(投影及电视)的要求是保证黑位的同时获得更高的亮度,也就是比以前更高的对比度,这样才能实现HDR的本意:高动态范围。美国影像科学研究所(ISF)将对画质影响的四个要素排名如下:(1)动态范围,也就是对比度,(2)色深,也就是饱和度,(3)色准,不能强行提升饱和度牺牲准确性(4)分辨率,也就是细节。



当然,也不是光有对比对就够了,画面还是需要达到一定的亮度才能正常的观感。究竟多亮才够亮?

对于电视而言,OLED拥有无限对比度,亮度自然是越高越好。目前的OLED电视最大亮度实测能到600多nit以上。这个亮度下,加上OLED的无限黑,已经能达到非常优秀的HDR观感了。

对于投影而言,目前没有任何投影能实现OLED那样的无限对比度,如前文所说,在有限对比度前提下,不是越亮越好,因为这样会损害绝大部分14ftl以内的内容的观感。所以究竟多亮才能实现恰当的HDR效果?首先我们要想想HDR到底带来了什么好处,主要是两点:

1,偶尔出现的强光带来的刺眼感。2

,高动态范围带来的更多的亮部和暗部细节。

暗部细节主要取决于黑位,这个先不谈。实现

第一点和第二点的关键都在于亮度余量

,也就是峰值亮度能与绝大部分14ftl以内的内容拉开足够的亮度差距,才能实现突然的强光刺眼感以及高光细节。至于需要多少余量,大部分职业calibrator说至少两倍(28ftl)到3倍(42ftl)之间,当然,这样的调教的前提仍然是将绝大部分内容落在14ftl以内。另一个值得参考的权威是杜比影院,目前最好的商业HDR影院,杜比视界的HDR就差不多这样调教的,峰值亮度在30ftl左右,对比度在1百万左右,实际效果非常牛逼。



那么

多黑才够黑

呢?国际电信通信部门在BT2390报告中对这个问题作了很详细的阐述。

先说帧内黑位感知能力,人眼对帧内黑位的感知能力是受到黑位周围亮度影响,具体关系如下图,当周围亮度为0.1nit时,人眼能感知到0.004nit的黑位,当周围亮度为100nit时,人眼能感知到0.1nit的黑位:




再说帧间黑位感知能力,这个感知能力受到上一场景的亮度影响,并且也受到当前暗场景的持续时间的影响,这个很容易理解,也就是人眼的瞳孔需要时间进行调节。举个例子,当上一场景的亮度是25nit时,当前暗场景持续一分钟能看到0.0002nit的黑位,如果暗场景持续5分钟,则可以看到0.00006nit的黑位。




SMPTE,电影电视工程师协会,在2014年给出的数据是0.001到0.0001nit的黑位就算是优秀了,这个跟国际电信通信部给出的数据是差不多吻合的。

那么在保证优秀的黑位,也就是0.001到0.0001nit的前提下,同时能达到100nit的峰值亮度大概需要多少的对比度呢?10万到100万。当然,这个计算是基于帧间黑位感知能力,所以这个对比度要求说的是动态对比度。

对人眼感知能力和画质关系感兴趣的网友也可以阅读下面这篇学术文章《人眼对比度敏感度及其对画质的影响》,内容十分充实:






再说说tone mapping以及HDR和SDR的关系:



我看到有人说电视才是真HDR,投影都是SDR,不是真HDR,都是靠芯片换算的,妥协的。我就觉得很纳闷,什么叫真HDR?还有人说HDR专成SDR就没有HDR效果了,这个说法就更是扯了。

还是把这个问题分成两方面考虑吧:HDR效果,以及现行的HDR格式。

关于如何实现HDR效果,我已经在上面说过了,就不再赘述了。关键点是高对比度以及足够的亮度余量,好的投影系统完全可以实现,JVC甚至可以做到比区域控光的液晶电视更高的对比度。



现在重点说一下HDR的格式,也就是HDR的信息记录和处理方式。

目前家用HDR格式和SDR格式的最大不同是

亮度的记录和处理方式(

EOTF

,电光转换方程)的不同

。SDR的内容是记录的

相对亮度

,HDR10内容记录的是

绝对亮度

(dolby vision,HDR10+和HLG并不在此列,后文会细说)。SDR的图像处理EOTF曲线是BT1886 gamma,用相对亮度信息+gamma曲线换算+显示设备的最高亮度定义出每一个点的亮度。而HDR10的EOTF是ST2084 perceptual quantization(感知量化)曲线,绝对亮度信息+ST2084曲线换算(也就是tone mapping的过程)也可以定义出每一点的亮度。


这是

两套不同的坐标系,但是两者之间是可以换算的

,将绝对亮度坐标系换算成相对亮度坐标系,对应的亮度值仍然是不变的。举个极度简化的例子。同一幅画面,假设SDR版有0,50和100nit三个点。那么记录的信息是0,50%和100%的相对亮度。假设HDR版多出来一个200 nit的信息,那么记录的是0,50,100和200nit四个绝对亮度信息。那么HDR转SDR的过程,假设100%原封不动的转换,就要以最高的200nit为100%,把这四个绝对值转换成0,25%,50%和100%四个相对亮度,然后在显示设备里把最高亮度从100nit调到200nit,然后接收并显示这个转换过后的SDR相对亮度信息,就可以准确还原HDR里面的0-200nit的信息了。所以所谓的HDR转成SDR就没有HDR效果的说法是错误的。HDR转SDR的本质并不是动态范围的压缩,而是数据格式或者说亮度坐标系的转换。当然,这样做的前提同样是,显示设备存在亮度余量,可以分别以不同亮度显示SDR以及HDR转换成的SDR,不然的话就会整体偏暗。在播放器里将HDR转换成SDR主要是为了那些不能接收HDR信息的老电视和老投影,以及内置HDR曲线不太好的投影,这样就能避开投影自身的tone mapping。所以,所谓的“HDR投影不是真HDR,只是非HDR投影加个芯片,HDR电视才是HDR”的说法也是不对的,因为HDR电视和投影跟非HDR的区别都是它们能够在机内处理HDR信号以及做tong mapping,事实上非HDR的电视和投影通过外部的tone mapping,比如lumagen,松下的碟机,或者mad vr,将HDR转换成SDR格式,也是可以播放HDR的。




目前的家用HDR碟片都是针对电视开发的,那是不是意味着电视就是完美的在绝对亮度坐标系内点对点的显示亮度信息了呢?当然也不是,首先,电视本身需要根据环境调节亮度,理论是只可能存在一个亮度设置跟原始亮度数据一一对应。其次,电视本身也有亮度限制,在EOTF曲线上必然要有所取舍,也就是tongmapping风格的不同。举个例子,我同时有sony的和LG的OLED HDR电视,sony电视的tone mapping是保证整体亮度,牺牲亮度细节,LG的tone mapping是保证亮度细节,降低整体亮度。不能说哪个方式是错的,只是妥协的方面不同而已。

所以,即使HDR碟片式针对电视开发的,但电视也不是真的就跟碟片里的绝对亮度信息一一对应了,电视一样需要tone mapping,而且也是有妥协的。

再说投影,前面说过了,投影和电视的观看环境和尺寸差别很大,所以不能直接套用电视的亮度标准,也就是不能直接套用电视的EOTF曲线。就好像SDR内容采用相对亮度坐标系时,两者的校准亮度也不一样。白天或者开灯环境下,电视的SDR白亮度可以到200-300nit的亮度,而投影在全黑吸光环境下的白亮度标准是48nit,所以这两者之间的亮度差4-6倍是比较合适的。对应到之前说的OLED峰值亮度在600nit以上,除以4到6倍,那么投影能到100-150nit (29-43ftl)就能实现不错的HDR观感了,这正好跟杜比影院和很多calibrator的调教是吻合的。另一个事实,OLED的最大亮度是在把背光调到最亮的设置下实现的,这种设置对应的是很亮的房间。事实上如果把背光调低,EOTF曲线不变,峰值亮度和整体亮度也是会降低的。




读到这,大家有没有发现,

上文分别从三个角度考虑,(1)HDR效果需要至少2-3倍于SDR的亮度余量,(2)以杜比影院的杜比视界作为参考,(3)以OLED电视作为参考并考虑电视与投影的调教标准的差别,得到的结论都惊人的一致:在保证优秀黑位的前提下,投影需要100-150nit的峰值亮度来实现不错的HDR效果。在这个峰值亮度下,将画面的整体亮度调教的接近SDR的整体亮度(48nit以内),并让少数高光以100-150nit显示出来。我建议不要盲目的追求还原绝对亮度信息,因为这个绝对亮度信息是以电视的观看环境为参考的。




接下来说一说HDR10的缺陷,也就是为什么HDR10为什么是个坑,以及怎么解决这个问题。

前面说过,HDR10记录的是绝对亮度,也就是基于标准显示设备的亮度信息(

display referred signal

)。而SDR,HLG,HDR10+,dolby vision都用了基于具体场景的亮度信息(

scene referred signal

)。

只有当消费者的观看环境与设备跟碟片制作方完全相同时,绝对亮度信息才能还原创作意图。这个条件十分苛刻。

解决这个问题的关键在于将

display referred signal转换为scene referred signal,也就是所谓的dynamic tone mapping,动态映射。现在市面上能实现动态映射的有2017年以后的LG OLED电视,lumagen pro,以及电脑上的madVR

这里我引用Adobe的主任科学家Lars Borg在电影电视工程师协会的一次报告,见下图,scene referred signal的好处显而易见。









关于madVR,我在前两个帖子里大力推荐了madVR,但看到这里很多人有点过于吹捧madVR了,目前论坛上有一些看法让我不吐不快。

一种说法是:“动态映射需要很强的计算能力,因为madVR对显卡要求比较高。”

事实上动态映射本身并不需要很强的计算能力

,随便举一个反例就是LG 在2017年以后的电视都有这个功能,lumagen也有这个功能。另一个反例就是投影的动态光圈也是通过分析每一帧的亮度信息来实时调整亮度输出以及gamma曲线,涉及到的计算与动态映射是十分相似的。

而madVR真正需要高计算量的并不是动态映射,而是低分辨率转高分辨率的计算,比如将DVD,蓝光转换成4K输出,这个转换有很多选项可选,调成最高效果确实很耗显卡。我自己有尝试用我的2080ti来干这个事情,如果只是动态映射,2080ti基本跟待机的功耗没什么区别。如果把1080转4k的效果选项全选上,温度和风扇都会飙升。



另一种说法是:“视频播放涉及计算的过程,所以肯定是计算能力更强的电脑完爆碟机和投影”。

这个就更加可笑了,随便举一个反例:玩星际1也涉及计算,请问2080ti玩星际1的效果能完爆1050ti吗?事实上当计算能力不造成瓶颈时,富余的计算量并没有任何帮助。

就像我在上文所说,madVR真正强的或者说能利用上高端显卡计算量的就是低分辨转高分辨率输出的渲染。这个计算

类似于游戏里的超采样抗锯齿

SSAA

,效果选满之后对显卡的计算压力翻好几倍。madVR的另一个好处是跟3DLUT配合使用进行校准,这个就不细说了。

madVR的开发者,madshi,也在avs上说过会考虑两个madVR Envy(类似于lumagen那样的外接视频处理器)的方案,一个是相对便宜的专攻动态映射的版本,这个版本并不需要很强的计算能力,另一个是相对昂贵的完全版本,能进行很强的低分辨率转高分辨率的计算。可见动态映射本身确实并不需要很强的计算能力。



大家想想,正版影碟开发时针对的播放设备就是影碟机,国外绝大多数电视/投影评测机构用的播放源也是影碟机,99.9%的正版影碟购买者也是用影碟机。如果播放影碟所需要的计算能力远远超过影碟机的计算能力,那些开发影碟的就可以卷铺盖回家了。HTPC真正的好处是选片更方便,更灵活的播放软件的选择,以及,我猜,可能是盗版玩家的唯一选择。在这里我也大胆的做一个猜测(可能会得罪一些人),在这个论坛上鼓吹电脑播放效果完爆碟机的人,我猜十有八九是下载的盗版吧。



好了,上面

结合文献和我自己的思考,

针对HDR的本质,数据记录和处理,对显示设备的要求,调教方式等方面都谈了很多。我把

十几篇

参考文献的原文的链接都附在本文最后。回到开头所说,能看懂的请尽量自行阅读,并多进行独立思考。不要人云亦云,更不要争吵谩骂。



https://achapiro.github.io/Cha18a/Cha18a.pdf

https://pure.tue.nl/ws/files/1613279/9901043.pdf

https://www.dolby.com/us/en/technologies/dolby-vision/dolby-vision-white-paper.pdf

https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/rep/R-REP-BT.2390-6-2019-PDF-E.pdf

https://imagingscience.com/wp-content/uploads/2017/06/ISF-Level-II-2017-33.3.pdf

http://projectiondream.com/en/movie-brightness-adl-contrast-measurements/

https://www.avsforum.com/forum/24-digital-hi-end-projectors-3-000-usd-msrp/3007088-projector-ansi-adl-contrast-measurements-thread.html

https://www.avsforum.com/forum/37-video-processors/3053602-madvr-envy-anticipation-thread.html

http://downloads.bbc.co.uk/rd/pubs/whp/whp-pdf-files/WHP309.pdf

https://downloads.bbc.co.uk/rd/pubs/papers/HDR/BBC_HDRTV_FAQ.pdf

https://pdfs.semanticscholar.org/d15f/b077efc81947896fd3ebf4ff652b4c65123b.pdf

https://www.smpte.org/sites/default/files/20F%20TC%20On%20Screen%20Light%20Measurement%20SG%20Report%20Aug%202014%20FINAL%20v2%20.pdf

https://www.smpte.org/sites/default/files/2014-05-06-EOTF-Miller-1-2-handout.pdf

https://www.smpte.org/sites/default/files/2017-01-12-ST-2094-Borg-V2-Handout.pdf

https://www.smpte.org/sites/default/files/201710-18-ED-HDR-PQ_and%20HLG-Borer-Cotton-V3-Handout.pdf

https://www.smpte.org/sites/default/files/users/user27446/HDR%20SMPTE%20Presentation%20March%2021%2C%202017%20V2.compressed.pdfhttps://www.smpte.org/sites/default/files/section-files/BBTB2018-W10%20Hugo%20Gaggioni-HDR%20in%20Live%20Workflows_0.pdf

文章转自:199 leonliang


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