【科普向】HDR影像技术介绍（四）：如何播放和显示HDR ..._ZNDS问答

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本章目录

第一节显示HDR影像的设备端
一、电视机和显示器
二、在手机Pad等移动设备上进行HDR显示
三、 IMAX Enhanced认证
第一节显示HDR影像的设备端

一、电视机和显示器

随着新的屏幕技术的发展，需要创建一台行业机构来管理和创建一台从节目源制作到传输分配，再到播放显示的标准，所以UHD联盟诞生了。所有主流制片厂和屏幕制造商都是UHD联盟的一部分：Dolby实验室、The Walt Disney Studios(迪斯尼)、Twentieth Century Fox(二十一世纪福克斯)、Universal Pictures(环球影业)、Warner Bros. EntertAInment(华纳兄弟)、Technicolor、Netflix、DIRECTV Group Inc、Sony(索尼)、LG、Samsung(三星)与Panasonic(松下)。在2016年1月，UHD联盟制定了显示设备、发行渠道、母版内容三方面的规格，以UHD Premium认证支持下一代高级家庭娱乐。
（1）HDR显示设备的硬件规格

电视机市场通过ULTRA HD PREMIUM认证，可以为HDR电视机提供规格标准。在显示器市场，VESA在2017年底推出了自个的“DisplayHDR”认证系统。这是在二十多个厂商的参与下创建的，包括AMD、NVIDIA、三星、华硕、友达光电、LG.Display、戴尔、HP和LG，是显示器行业首个指定HDR质量的完全开放标准，包括亮度，色域，位深和响应时间。
目前大部分LCD HDR电视机都拥有1000nits峰值亮，少部分的LCD HDR电视机峰值亮度不到1000nits但也有800nits，大部分OLED HDR电视机也都有至少500nits峰值和0.005nits的黑位，以及大部分的LCD HDR显示器峰值亮度在600nits，也有峰值400nits的HDR显示器，但这样显示器对HDR的展现效果非常有限，目前DisplayHDR认证的显示器也已经逐步上市。

图20：ULTRA HD PREMIUM认证的标识

ULTRA HD PREMIUM认证中关于显示设备的硬件规格规定如下：
画面分辨率：3840×2160
色彩位深：10bits
色彩信号输入：BT.2020
显示再现能力：超出90% P3的色彩
动态范围：HDR高动态范围
电光转换函数(或伽玛)：SMPTE ST2084 EOTF
达到以下两种亮度峰值与黑位标准组合之一：
1. 超过1000nits的峰值亮度与小于0.05nits的黑位范围
2. 超过540nits的峰值亮度与小于0.0005nits的黑位范围
在DisplayHDR第一台1.0版本中，主要认证的是LCD显示器，在20191月更新后的版本中，推出了OLED显示器的认证，以及具有LCD显示器的HDR笔记本电脑的认证。

图21：VESA DisplayHDR认证标识

到目前为止，他们在LCD显示器的DisplayHDR认证拥有以下级别的认证，分别满足低，中，高端显示器的要求。

表5 DisplayHDR不同的认证级别内容

表6 OLED显示器的DisplayHDR认证级别

表7 DisplayHDR的亮度性能水平

表8 DisplayHDR的黑位性能水平

表9 DisplayHDR位深性能水平

ULTRA HD PREMIUM和DisplayHDR这样比较统一市场的认证出现后，能够有效的遏制HDR市场里的一些乱象。比如某些显示器只是支持HDR信号输入但并没有处理且显示好HDR影像的能力，列如BenQ 使用ProHDR10的产品和Dell使用的SmartHDR的产品；它们的面板本身素质均达不到笔者认为能显示好HDR内容的水平，峰值亮度都在300-350nits这样的水平，色域和位深倒是有达到DCI-P3和10bits的产品，但是这样还远远不够。
有了这些比较严谨的HDR认证出现，消费者就不用像笔者一样去寻找这些型号的具体参数资料和评估它们的HDR显示能力了。消费者目前只要看到印有ULTRA HD PREMIUM、DisplayHDR（除了DisplayHDR 400）、HDR10+和Dolby Vision认证标识的产品即可放心购买了，通过这些认证的产品都能带来良好的HDR体验。第一批通过HDR10+认证的产品名单也已经发布，相关产品很快就会上市与消费者见面了。通过HDR10+认证的OnePlus 7 Pro的屏幕就非常令人惊讶，三星定制的AMOLED，峰值亮度可以到达813nits。笔者相信HDR10+的生态系统发展起来后会对Dolby Vision目前的行业地位造成巨大的威胁。
那么如何选择一款符合HDR硬件参数的显示器呢，笔者总结了下表：

表10 选择HDR显示器的重要参考

（2）传输HDR影像的相关标准和技术

a）HDMI 2.1

目前最新的超清多媒体接口已经发展到了2.1版本。2017年初，新的HDMI2.1标准发布。为了生产支持HDMI 2.1标准的芯片，大约需要一年半的时间，在2018底，新生产的电视机型号中大部分安装了HDMI 2.1端口。最新的 HDMI 规格支持一系列更高的视频分辨率、包括 8K60fps 和 4Kp120fps 在内的刷新频率，以及高达 10K 的分辨率。[1]同时支持动态 HDR 格式，带宽能力从HDMI2.0的18Gbps增加到 48Gbps。还增加了自动低延迟模式（Auto Low Latency Mode，ALLM)、增强型音频回传通道（Enhanced Audio Return Channel，eARC)、快速帧传输（Quick Frame Transport，QFT)、针对影片和视频的快速媒体切换（Quick Media Switching，QMS)、可变刷新频率（Variable Refresh Rate，VRR)、显示流压缩（Display Stream Compression，DSC)这些功能。
由于新的信号传输协议将产生数据吞吐量的增加，便需要具有更好屏蔽性能的新电缆，目前HDMI 2.1电缆的最大长度约为3米。
对于有HDR需求的消费者来说最重要的一点升级便是从HDMI 2.0的静态HDR元数据升级到动态元数据，未来HDR10+和Dolby Vision相关内容将会大放异彩。
b）DisplayPort 1.4

VESA在2016年3月发布了最新的DisplayPort（DP） 1.4显示接口的功能和规格，将最大链路带宽增加到32.4 Gbps。这允许在60Hz下具有8K或更高的分辨率、10bits HDR、120Hz的4K分辨率。这是自2014年9月推出1.3以来首次对DisplayPort进行的重大更新。
DisplayPort 1.4也是第一台利用VESA显示流压缩（DSC）技术的DP标准。该技术可实现高达3：1的压缩比，通过VESA成员的测试后被视为视觉无损。DisplayPort 1.3中加入了对静态HDR元数据的支持，在DisplayPort 1.4中则升级了对动态HDR元数据的支持。
和HDMI不同的是DisplayPort支持多流传输技术，每个端口允许多个独立显示。通过菊花链或使用多流传输集线器（Multi-Stream Transport Hub）链接兼容的显示器，您可以通过单个显示器输出1个、2个或4个显示信号（DP在USB Type-C的链接下只有两路信号可以用来传输显示信号，剩下的两路信号会被USB 3.1的数据流量留用）。此技术使DP成为多显示器用户的绝佳选择。
适应性同步技术（AdaptiveSync）可以降低游戏延迟。游戏画面的渲染时间随场景复杂度而变化，在使用传统的固定刷新率显示时，在新帧渲染出现延迟时会导致额外的延迟和画面撕裂。使用AdaptiveSync后帧周期可以无缝扩展以适应更长的渲染时间，带来更低延迟的帧刷新和更流畅的游戏体验。使用NVIDIA的G-Sync和AMD的FreeSync同步技术通过将计算机系统GPU的渲染帧速率与显示器的刷新率相匹配来防止屏幕画面撕裂。
c）NVIDIA G-Sync Ultimate

NVIDIA G-Sync Ultimate也叫G-Sync HDR，G-Sync HDR显示器拥有4K分辨率、1000nits峰值亮度、384个背光区域、DCI-P3色域。20192月发布的65寸HP OMEN X Emperium 65拥有144Hz刷新率以及上述参数。Acer Predator X27和ASUS ROG Swift PG27UQ则是拥有以上参数的27寸显示器。在2019第二季度后还将华硕还将发布一款35寸G-SYNC ULTIMATE曲面屏显示器，它和27寸的机型一样有1000nits的峰值亮度，并且拥有512个背光区域。目前已经发布的支持HDR的NVIDIA G-Sync Ultimate显示器就只有上述三款。
d）AMD FreeSync 2

FreeSync 2显示器将利用低延迟，高亮度像素，出色的黑电平和宽色域来显示HDR内容。FreeSync 2显示器都支持低帧率补偿（Low Framerate Compensation，LFC）技术。借助Radeon FreeSync 2技术，游戏玩家可以享受完整的即插即用HDR游戏体验，无需在软件或显示器上调整设置。Radeon FreeSync 2技术是第一款将HDR与动态刷新率技术相结合的技术，它以无缝、即插即用的方式实现，可在正确的内容出现时自动提高游戏质量。
当前的HDR传输格式主要设计用于在电视机上显示的影片内容，其中由显示设备处理色调映射，通常导致PC游戏出现高于可接受的延迟。AMD FreeSync 2的新API提供了一种低延迟的替代方案，可将工作负载转移到Radeon GPU上，使游戏能够直接映射到显示器的目标亮度上。Radeon FreeSync 2技术的亮度和色彩体积是sRGB的2倍以上。
二、在手机Pad等移动设备上进行HDR显示

（1）HDR显示技术在手机端上的相关标准

2017年2月，UHD联盟宣布了一项名为Mobile HDR Premium的移动设备新标准。

表11 Mobile HDR Premium标准

而Dolby Vision在手机上主要是软件解决方案，而不是使用专属硬件来解码，这样就只能在支持Dolby Vision的特定内容平台上观看Dolby Vision的内容。
（2）支持HDR显示的手机

根据杜比实验室官网和支持Dolby Vision在移动设备上播放的平台NETFLIX和iTunes所列出的机型来看，只有LG G6和iPad Pro第二代或更新机型以及iPhone 8或更新机型。
支持HDR10的机型就多了很多，以下为笔者所查找到的机型，也许会有所遗漏（时间截止至2019.6，iPhone的后续机型应该都会继续支持HDR）：Apple iPhone 8、Apple iPhone 8 Plus、Apple iPhone X、Apple iPhone XR、Apple iPhone XS、Apple iPhone XS、MaxApple iPad Pro（第二代）、Apple iPad Pro（第三代）、Google Pixel 3、3 XL、荣耀10、华为P20、P20 Pro、华为P30、P30 Pro、华为Mate 10 Pro、华为Mate 20 Pro、LG G6、LG G7、G7 One、LG Q9 One、LG X5、LG V30、LG V35 ThinQ、LG V40 ThinQ、Razer Phone、Razer Phone 2、三星Galaxy Note 8、三星Galaxy Note 9、三星Galaxy S8、S8 +、三星Galaxy S9、S9 +、三星Galaxy S10、S10+ 、S10 5G、S10e、三星Galaxy Tab S3、三星Galaxy Tab S4、三星Galaxy Tab S5e、三星Galaxy Book、索尼Xperia XZ Premium、索尼Xperia XZ1、索尼Xperia XZ2、索尼Xperia XZ2 Premium、索尼Xperia XZ2 Compact、索尼Xperia XZ3。
而支持HDR10+的机型就更少了，可能和第一批HDR认证名单刚发布有关，只有一加OnePlus 7 Pro和三星Galaxy S10系列。
三、IMAX Enhanced认证

IMAX Enhanced是一台全新家庭娱乐授权及认证计划，暂时针对的认证产品种类将包括高阶电视机机、家用投影机、Sound Bar及影音功放，而认证标准则由IMAX、DTS的工程师及顶级调色师及技术专家共同订立，目标是创建一致而顶级的影像及声音表现规范。

图22：IMAX Enhanced认证的标识

IMAX Enhanced内容将对影像和声音进行特定的改进。就影像而言，所有标记为IMAX Enhanced的内容都是在IMAX摄影机上拍摄的，或是经过IMAX专有的图像增强处理（IMAX DMR）。
IMAX Enhanced内容的影像将会采用通过IMAX最新的后期制作工序制作的数字母版生成4K HDR规格，使用复杂的算法，更准确地降低画面噪音及颗粒，可以提供更鲜艳的颜色、更高的对比度及更清晰的细节，带来最高质量、最锐利的4K HDR画面。
宽高比和IMAX 影院一样，如果影片以IMAX 摄影机拍摄，IMAX Enhanced版本也将会以IMAX 独有的宽高比收录，这样在家庭影院中也可以欣赏到更大画幅的画面内容。
与影像一样，增强功能也适用于音频，由于与DTS 合作，因此IMAX Enhanced则与影院不同，并非使用LPCM无压缩音轨，而是改用与Dolby Atmos同为物件对象导向式环绕声的DTS:X编码技术，不过公开的资料上表示该编码将会成为一台独特版本，用以提供IMAX 标志性的声音体验。
目前通过IMAX Enhanced的显示设备有：
索尼MASTER系列A9F OLED
索尼MASTER系列Z9F LED
索尼A8F OLED（2017款）
索尼A1E OLED（2017款）
索尼X900F LED（2017款）
索尼VPL-VW995ES家用投影机
索尼VPL-VW695ES家用投影机
索尼VPL-VW295ES家用投影机
索尼VPL-VW285ES家用投影机（2017款）
索尼VPL-VW385ES家用投影机（2017款）
索尼VPL-VW675ES家用投影机（2017款）
索尼VPL-VW885ES家用投影机（2017款）
索尼VPL-VZ1000ES家用投影机（2017款）
索尼VPL-VW5000ES家用投影机（2017款）
显示设备的IMAX Enhanced认证要求包括至少65英寸显示器，支持HDR10和HDR10+或其他HDR标准，以及特殊的校准，分辨率，颜色，亮度，对比度，宽高比和声音功能。
<hr/>[1] HDMI 2.1概述 https://www.hdmi.org/manufacturer/hdmi_2_1/index_cn.aspx

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