HDR技术详解：原理、关键技术及标准比较

HDR技术详解：原理、关键技术及标准比较

引用

CSDN

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https://blog.csdn.net/helimin12345/article/details/81710600

HDR（高动态范围）技术是现代显示设备的重要技术之一，它能够提供更真实的画面效果，使得亮处更亮，暗处更暗，同时保留丰富的亮暗区域细节。本文将详细介绍HDR技术的原理、关键技术以及不同HDR标准的比较。

我们常说的HDR（High dynamic range）指的是HDRI（HDR image），如下图所示，是前处理的HDR技术。由于常用的显示器（手机、平板、电视）亮度不够而无法显示高动态范围信号，ISP合成的HDR数据需进行tone mapping后才能在8bit或10bit显示设备上显示。

因此从显示的角度来讲，由于亮处不够亮（1000nits以上），暗处不够暗（0.01nits以下），已经不属于HDR了。

真正意义上是HDR，HDR system指能将相机捕捉的动态范围从源端传到终端显示，并且没有动态范围衰减包括sensor输出，前处理，编码传输，解码显示，如下图所示，关键技术是transfer functions(OETF/EOTF)的设计和优化。

高动态、宽色域、高分辨率、高帧率、高位宽电视能呈现更真实的画面，使得高亮处更亮，暗处更暗，亮暗极限对比度更高，同时，能提供丰富的亮暗区域细节。

人眼可以感知很宽的动态范围，而一般的sensor很难做到，自然场景的的亮度范围如下图所示，典型范围在0-10000nits，人眼可以毫不费劲的同时观察亮暗场景，而sensor在一次曝光中很难做到，当然，现在也有些相机可以做到，比如SONY F65，单次曝光，输出16bit线性RAW数据。

对于一般的Camera，可通过调整曝光参数，光圈大小，来捕捉不同亮度范围的图像，如下图所示。

更高的亮度，可以呈现更多的色彩，因此对于高动态数据，需要使用更宽的色域（颜色体积），比如2020色域，如下图所示，目前支持HDR功能的电视，大多使用2020色域，许多影院的设备能支持DCI P3色域，也有些手机、笔记本可支持到DCI P3，比如Galaxy S8，iMac pro。

BT.709 35.9% of CIE 1931 可显示CIE 1931色度图中的35.9%

DCI P3 53.6%

BT.2020 75.8%

支持HDR功能的显示设备，往往能够显示高位宽、广色域的数据，目前主要有两种HDR标准：HDR10、HLG，由于tone mapping技术的多样性，诞生了多种HDR标准，常见的显示HDR技术：

1. HDR10

2015年8月开始正式采用，该标准使用2020色域、10bit位宽、ST2084(PQ曲线)作为传递函数。

2. HLG

Hybrid Log-Gamma标准由英国BBC和日本NHK共同提出，该标准采用HLG曲线作为传递函数，曲线低端与Gamma曲线相同，因此，在显示要求不是很高的场合，可以兼容现有的SDR电视，这也是该标准提出来的初衷。

3. Dolby vision

该标准由Dolby实验室提供，使用ST2084曲线作为传递函数，10bit/12bit位宽，2020色域，相比于HDR10的static metadata，Dovi使用的是Dynamic metadata，会根据场景信息对显示效果进行优化，现已被众多电视和机顶盒产品商用，需要说明的是，使用Dovi技术的产品需要Dolby授权，每台电视收取不超过3$的授权费。

4. HDR10+

该标准由SAMSUNG和AMAZON共同提取，使用PQ曲线编码，HDR10+完全兼容HDR10，只不过使用Dynamic metadata，tone mapping曲线为Bezier曲线。

该标准是一个免版税的开放标准。

5. SL-HDR1

由STM、Philips和Technicolor共同提出，使用Dynamic metadata，兼容SDR电视

参考资料：

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/High-dynamic-range_video

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Gamut

[3] Recommendation ITUt R BT.2100t 0 (07/2016), “Image parameter values for high dynamic range television for use in production and international programme exchange”

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/DCI-P3