什么是HDR和SDR？

什么是HDR和SDR？

在视觉艺术领域，包括绘画、摄影、电影和游戏等，我们一直在努力还原真实世界的原始场景。然而，即使是现在，我们仍然受到动态范围的限制。动态范围，简单来说，就是最亮的和最暗的部分之间的差异。自然界的动态范围和色域远超过我们当前设备所能呈现的范围。例如，通过一幅简单的花朵图案，我们可以理解这种差异。

传统的电视和蓝光标准，其最大亮度仅为100 nits，而最低亮度为0.177 nits。这显然远低于现实环境的亮度，但我们的观看体验似乎并未因此变得难以接受。那么，我们到底需要多大的动态范围呢？事实上，人眼从最亮到最暗可以感知的亮度范围大约在10^14量级，这是一个庞大的数字。但在特定场景下，人眼无法捕捉到如此大的范围。例如，当我们从明亮的环境进入到黑暗的环境时，需要几分钟来适应，然后才能看清暗处。一般来说，在给定场景下，人眼能捕捉到的动态范围大约是13到16档。为了计算这个档位，我们可以使用一个公式：Dynamic Range(stops) = log2(最亮的白/最黑的黑)。

标准动态范围（SDR），作为最初的电视图像系统标准，只能捕捉、记录、传输和播放有限的动态范围，这限制了许多内容创作者。为了呈现更完整的从暗到亮的灰阶，同时不损失亮区和暗区的细节，使暗区更暗，亮区更亮，更接近人眼的观感，高动态范围（HDR）的概念被提出。自2014年以来，多种HDR格式如杜比视界、HLG、HDR10、HDR10+等相继诞生，满足了对灰度亮度、阴影的调整控制和动态范围扩展的需求。

要理解不同HDR格式的区别，我们需要先了解一些概念，如光电转换函数（OETF）和电光转换函数（EOTF）。在传统电视领域（SDR），这两个函数都采用“gamma曲线”。由于人类视觉对亮度的感知是非线性的，对暗处的敏感程度大于亮处，因此，为了更有效地利用图像的比特数，我们避免用不必要的比特数记录人眼不敏感的亮部区域，而是用来记录更敏感的暗部区域信息。同时，由于显示设备的亮度区间和真实环境存在较大差异，从真实环境亮度到设备显示亮度的调整过程是非线性的，这个过程也称为“tone mapping”。

对于各类格式来说，一个好的光电转换函数应能在有限比特数内尽可能高效地、以更接近人眼特性的方式再现真实世界的光影。此外，任何量化系统在有限的量化精度下都存在分层现象。我们可以通过计算Weber分数来评价分层现象的影响程度，并与Schreiber极限进行比较。实验表明，HDR格式常用的PQ、HLG都位于或接近Schreiber极限，而SDR的gamma curve在低于20 cd/m^2时会出现可见的banding。

上表列出了HDR格式使用的传递函数，其中杜比视界的不同配置版本对应不同的传递函数。HLG代表Hybrid Log-Gamma，即混合对数伽马；PQ代表Perceptual Quantizer，即感知量化。这些传递函数在HDR内容生态中扮演着重要角色，有助于更高效地呈现真实世界的光影效果。

需要说明的是，本文仅对HDR和SDR的基本概念和技术特点进行了介绍，关于色域、元数据以及HDR内容生态等相关内容，将在后续部分进行系统补充。这些内容对于全面理解HDR技术及其在视觉艺术领域的应用至关重要。