【编者按】高动态范围（HDR）技术已经成为电视领域继4K之后的又一关注焦点，2016年或将成为HDR标准化与产业化的一年。今天推出的文章由2016年国际消费电子展HDR电视新品切入，介绍了HDR产业发展概况及技术特点，认为标准化已成为HDR发展亟需解决的问题。在此基础上，对HDR的标准化现状进行了梳理和总结，并探讨了HDR技术的发展前景。敬请阅读！
HDR技术及标准发展情况
惠慧，朱颖瑛，，何大治
（上海交通大学未来媒体网络协同创新中心，数字电视国家工程研究中心）
在今年的国际消费电子展（CES 2016）上，HDR成为电视领域继4K之后的又一关注焦点。各大整机厂商希望继4K之后迅速找到新的销售点，因此LG、三星、索尼三家知名电视厂商均展示了支持HDR显示的电视新品，包括LG的SIGNATURE 4K OLED系列、索尼的X9300D系列以及三星的无边框量子点SUHD电视等。国内厂商TCL也推出了一款型号为X1的QUHD新品电视，采用了杜比公司最新的HDR技术，同样支持HDR显示。毫无疑问，在未来这一年中，HDR将成为电视行业的热门关键词和发展趋势，开始走入大众的视野。
1 CES 2016主要HDR电视概览
今年的CES上，除了VR引起了很大的关注，在视频领域，新型HDR电视成为各大厂商重点推荐的新产品。HDR相较普通的高清、超高清电视呈现了更加明亮、更加清晰、更加真实的画面，吸引了大批参观者驻足体验。下文将介绍目前较具代表性的几款HDR电视产品。
1.1 索 尼：X9300D系列和X8500D系列
X9300D系列电视搭载基于“动态背光系统-精英版”的全新网阵式背光照射结构，最高亮度可达4 000 nit（1 nit =1 cd/m2），可呈现更细腻的色彩和更为生动的明暗对比效果。此外，在机身外形上，X9300D具备纤薄挂壁效果，挂壁后距离墙面仅36.7 mm。该款电视已于2016年初首先在中国预售，其中55 in（1 in=2.54 cm）售价14 999元，65 in售价21 999元。
X8500D系列电视定位中高端，采用了4K处理芯片X1、4K迅锐图像处理引擎PRO以及特丽魅彩显示技术，从而能更好地呈现HDR画面细节。该系列同样拥有55 in和65 in两个尺寸，售价分别为8 999元与15 999元。
1.2 LG：Signature系列、G6系列和E6系列
LG于CES 2016发布了数款HDR 4K OLED电视。这些电视机型采用Dolby Vision技术，支持下一代广播传输标准BT.2020，搭载LG最新的Web OS3.0智能电视系统。在外观上，采用“Picture-on-Glass”设计，厚度仅为2.57 mm。目前这批新款电视的定价和开售日期尚未公布。
1.3 三星：量子点SUHD系列
三星2016年发布的新一代SUHD系列电视在保留曲面4K屏的基础上新增了HDR功能。其屏幕采用了10 bit量子点技术，亮度可达1 000 nit。该系列电视搭载Tizen操作系统，内置IoT HUB技术，拥有49~88 in的5款机型，尚未公布售价和上市日期。
2 HDR概况
HDR，全称High Dynamic Range，即高动态范围。通俗来说，HDR可以拓展显示的亮度范围，展现更多的亮部和暗部细节，为画面带来更丰富的色彩和更生动自然的细节表现，从而使得电视画面更接近人眼所见。如果说4K分辨率是对像素数量的一次提升，那么HDR显示技术则是对像素质量的一次升级。相较于4K分辨率，HDR技术所带来的视觉震撼更为明显。无论屏幕尺寸如何、观影距离多少，其对画质的提升效果都是显而易见的。
目前，4K分辨率已然成为各大电视机厂商旗舰产品的标配，而HDR作为超高清下一步的发展方向也成为了终端制造领域的新宠。近几个月来，业内多次超高清广播测试使用了4K HDR标准的内容。CES 2016上，LG与三星均采用ATSC 3.0标准进行了4K HDR的广播演示。除此之外，HDR的内容制作也开始涌现。在线视频领域，流媒体巨头亚马逊已经率先于2015年6月推出了首部4K HDR剧集《丛林中的莫扎特》，而Netflix也已经将其自制剧《马可波罗》转制成了支持HDR显示的格式。可以预见，2016年，或将成为HDR标准化与产业化的一年。
3 HDR技术介绍
HDR概念中的“动态范围”，是指一个图像中最亮处和最暗处之间的比值。
人眼所能感受的亮度范围约为10-3~106 nit，所能感受的瞬时对比度范围可达10 000∶1，而目前消费级液晶显示器的亮度一般在300~400 nit左右，其亮度范围一般为2 000∶1。可见，人眼的亮度分辨能力远高于当前主流的显示设备。而HDR显示技术就是要提升显示的亮度范围，在使得显示亮度更亮的同时，又让呈现的黑色更黑。
目前显示器对比度的限制是由1990年发布的ITU BT.709标准决定的。为了达到最佳的观看效果，该标准中的电光转换函数（EOTF）是以过去CRT显示器的特性为基础设定的。但CRT显示器的亮度一般不超过100 nit，对于现在亮度可达400 nit甚至1 000 nit的显示器而言，BT.709标准已经束缚了最佳显示效果的呈现。因此，当前不少广播电视界的机构组织均提出了新的HDR显示技术，以实现更高动态范围的显示。
HDR显示技术的关键是电信号与光信号之间的转换规则，即对于电光转换函数（EOTF）和光电转换函数（OETF）的定义。要对CRT时代的伽马曲线进行替代，目前有两种新的转换方案：1）Dobly Vision的HDR方案，该方案由杜比实验室提出，采用感知量化编码（Perceptual Quantizer，PQ），可采用12 bit色彩深度实现107高动态范围，其亮度范围达到10-3~104 nit。2）对数伽马分布（Hybrid Log Gamma，HLG），该方案由BBC和NHK联合研发，HLG方案通过两种不同的方式来分别对HDR信号当中所包含的高光和低光部分进行解码。
然而，不同的HDR技术需要相对应的显示设备进行解码调整。一个能够显示Dobly Vision HDR格式内容的电视机，未必就能显示BBC制作的HDR内容。这就给HDR技术的大规模推广带来一些阻碍。因此，在技术条件已经具备的情况下，标准化已经成为HDR发展亟需解决的问题。
4 HDR标准化情况
当前，世界各地的行业标准组织都已经投入到HDR标准的制定工作中来。美国电影电视工程师协会（SMPTE）于2015年3月率先公布了电光转换函数标准SMPTE ST 2084，采纳了Dolby vision的PQ曲线。而这一标准又被其他行业组织采纳为自身标准体系的电光转换标准。
4.1 蓝光光碟协会（BDA）
BDA致力于制定超高清蓝光系列标准。2015年5月12日，BDA宣布完成Ultra-HD Blu-ray标准和商标。该标准将包括4K 3 840×2 160像素的分辨率、广色域（提升到BT.2020标准）、高帧速率（60 f/s）等，将从2015年8月24日开始授权。
此外，该标准将支持开放HDR，使用10 bit HEVC编码和 SMPTE ST 2084标准，同时准备采用Dolby Vision和Philip建议作为选项。BDA也会将10 bit编码和宽色域用于目前的SDR内容。
4.2 美国消费电子协会（CEA）
2015年8月，CEA初步起草了关于电视和显示器行业产品支持HDR技术的内容，对“兼容HDR显示器”进行了定义。其中包括：在电视、显示器或者投影机中，至少有一个接口，可以支持HDR技术，而且要符合数字电视规范文件CEA-861-F以及未经压缩视频规范CEA-861.3文件中的规定。另外，还要支持HDR10媒体传输标准，比如可以通过IPTV的方式播放HDR视频，或者通过HDMI接口传输HDR视频。
HDR10媒体档次需支持如下内容：符合SMPET ST 2084电光转换标准；色采样4∶2∶0；比特深度10 bit；彩色空间符合BT.2020；支持元数据SMPTE ST 2086）。
4.3 超高清联盟（UHD Alliance）
在今年初的CES 2016上，超高清联盟发布了4K/HDR认证标识“Ultra HD Premium”。其要求设备分辨率达到3 820×2 160，色深达到10 bit，支持BT.2020色域信号输入，显示覆盖90%以上DCI-P3色域空间。在HDR显示方面，该标准要求符合SMPTE ST2084电光转换标准；峰值亮度与黑位达到其中一项：1）亮度1 000 nit以上/黑位低于0.05 nit（主要针对LCD显示器）；2）亮度540 nit以上/黑位低于0.000 5 nit（主要针对OLED显示器）。
此外，根据SMPTE研究小组2015年9月发布的《HDR影像生态系统》（High-Dynamic-Range Imaging Ecosystem）报告，其他组织有关HDR标准制定的计划如下：
1）ATSC正在考虑将传输HDR内容加入ATSC3.0地面广播标准；
2）SCTE（有线与通信工程协会）开始研究未来HDR有线传输；
3）MPEG正在评估HDR的影响，考虑是否需要调整HEVC压缩标准中的各种工具，HDR内容的流媒体传输也有待定义；
4）日本ARIB发布了一个光电转换函数（OETF）的标准（ARIB STD-B67）；
5）NHK已宣布传输HDR WCG图像的时间表；
6）欧洲DVB正积极寻求家庭传输HDR的可能选项；
7）ITU-R SG-6形成了有关HDR电视系统的Rapporteur Group (RG24) Recommendations。
5 HDR发展前景
HDR并非一个孤立的技术，而是超高清电视整体规划中的一部分。与HDR的高亮度范围显示同步到来的，还将是更高的色彩深度以及更大的色彩空间范围。色彩深度越高，可支持的颜色也越多。色彩深度的增加不仅仅增加了图像的灰度值，也使得同一色系的视觉过渡更为平滑，避免了在表现渐变色彩时出现明显的分层。而新一代的超高清规范ITU BT.2020所规定的色彩范围，也将比BT.709多70%，尤其在绿、黄、青3个高亮度区域有显著的扩大（如图1所示）。在现在已经发布的HDR标准中，均对色彩深度和色彩空间作出了相应的规定。这些参数提升共同带来了“更好的像素”显示。
图1 BT.2020与BT.709色域比较
HDR技术将被加入到4K甚至8K电视之中，将“更好的像素”与“更多的像素”结合，重新定义电视画面。
据IHS预测，2019年，符合超高清联盟验收标准的HDR电视的出货量有望从2016年的290万台激增至3 260万台（如图2所示）。在其最新的欧洲超高清市场预测中，IHS表示，预计今年二季度，HDR电视会进入市场销售，到2017年销量将有明显提升，而到2019年，HDR机型将占据超高清电视销售总量的38%。此外，ABI Research也预测，到2020年，将有70%的4K超高清电视机将支持高动态范围（HDR）、更广色域、高帧频和沉浸式音频等新技术。
图2 IHS：HDR电视出货量预测（截图）
相较于VR等新兴业务对普通消费使用习惯带来的冲击，HDR与超高清一样，具有更加“平易近人”的特性，在经过由标清、高清、超高清的清晰度升级之后，技术研发和厂家开始关注更高的收视质量，以达到真正的沉浸式、临场感收视体验。因此基于技术的突破性优势、迅速的标准化进度以及HDR电视终端的市场发展趋势，未来HDR电视将在市场上迎来快速发展的时期。
本文献信息：惠慧，朱颖瑛，，等. HDR技术及标准发展情况［J］.电视技术，2016，40（3）:75-78.
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