一次讲清楚HDR的价值 | HDR自习室⑤

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1 为什么越来越多的后期制作抛弃了IO硬件和监视器？




HDR高动态节目诞生的背景是越来越多的更高亮度的显示终端设备。在更多的HDR节目推出之前，目前这些高亮度显示设备大多在播放SDR（标准动态范围）的节目。

高清SDR节目，包括使用之前上市的UHD（4K）设备拍摄制作的大部分4K SDR节目，均采用BT.709色域、BT.1886 Gamma。制作这种节目时，制作者都是以屏幕亮度最高的100nits SDR监视器（BT.709色域/BT.1886 Gamma）作为标准进行调色。

我也注意到不使用视频IO设备和监视器、直接参考非编显示器呈现的色彩效果进行调色的用户也越来越多，此时制作者也会参考非编软件自带的示波器。

普通显示器屏幕亮度一般为100-200nits，即使显示器默认为sRGB色彩空间（接近BT.709），在色彩再现和明暗影调分布上，与视频IO卡（接口箱）连接SDR监视器（BT.709色域/BT.1886 Gamma）监看效果的差别不会有太大悬殊。当非编时间线设定为BT.709、BT.1886时，亮度示波器也对应0-100nits。以上这些原因，加上目前为互联网视频平台提供的视频节目份额迅速扩大，解释了为什么越来越多的后期制作者选择基于非编显示界面进行调色。










2 如何在100nits屏幕上再现超过10000nits的真实世界？

人眼看到真实世界中的物体，很多时候亮度会超过10000nits，其中太阳的亮度远远超过1亿nits。

上图模拟了在100nits监视器上的显示效果，下方为对应的BT.709/BT.1886亮度示波器。我们可以把100nits监视器看成是相对人眼观看到的真实世界在亮度维度的一种大幅度的“折叠”。

事实上，人类早已熟悉这种“亮度折叠”的方式。比如这幅法国韦尔内的油画名作：真实世界中超过10000nits的白云、礁石激起的白色浪花只能用白色颜料来表现，与人物的肤色、阴影中的石头相比，白色颜料的亮度并不会高出太多。但是我们依然可以在观赏这幅对比度不高的油画时，基于人类视觉的经验，“脑补”出一个真实的光影丰富的场景。如果说用油画布和颜料创作风景画的过程是画家对大光比的真实世界的“亮度折叠”，那么观众脑补的过程实际上就是基于视觉经验的亮度的还原。

我们观看上面这三类显示终端再现的晚霞中的天空、水面、篝火，即使只看左侧SDR这种大大折叠的画面，依然可以脑补出右侧DolbyVision杜比视界屏幕上的效果。

这个示意图可以帮助大家更好地理解“亮度折叠”。上方在最高亮度100nits的传统SDR显示终端上，真实世界被大幅度折叠；下方在最高亮度10000nits的HDR高动态范围显示终端上，真实世界中极亮的物体与极暗的物体依然也会被折叠，但是大多数情况下，屏幕上的亮度与人眼直接观看真实视界是非常接近的。










3 HLG、PQ、DolbyVision

这两张图片引自美国调色师Alexis Van Hurkman在BIRTV2018尊正展位的讲座。我常说，HDR就是让观众看到更多亮中的亮、暗中的暗，相对而言HDR将“亮中的亮”即画面亮部影调扩展得更丰富。




上图所示，在理想中最高亮度10000nits的DolbyVision显示终端上，暗部、中间调、正常亮部（如白色服装）一般用0-200nits亮度再现，200-10000nits如此广阔的亮度的范围，来再现“亮中的亮”，包括柔光亮部、HDR亮部和高光亮部等，比如画面中的金属反光、镜头眩光、灯具反光板、灯管等。

目前DolbyVision显示终端（Dolby制造的监视器）的最高亮度为4000nits，未来支持10000nits。HLG和PQ显示终端的最高亮度为1000nits。最高亮度100nits的BT.709，理论上可实现10挡左右动态范围，HLG和PQ可达14挡，DolbyVison更高。










4 HDR的价值

上图是索尼关于现代高动态范围摄像机（摄影机）记录BT.709信号的示意图。由于目前最新的视频拍摄设备在CMOS、DSP部分已经可以达到较高的动态范围（上图左侧的“输出电平”0-600%），为了能够在动态范围只有10挡的BT.709容器（0-100%）记录更大的动态范围，索尼的做法如下：





“在实际的摄像机产品中，电视伽玛处理0-100%这部分信号大约占传输电平（上图右侧的“输出电平”）的90%，100% - 600%的高亮度电平（上图右侧的“输入电平”）则用拐点/斜率压缩到剩余的10%电平资源内，系统能够再现的动态范围为600%，即动态范围是正常曝光量的6倍。由于代表100% - 600%高亮度的电平信号只能使用传输电平资源的10%，图像中高亮度部分的层次被压缩，无法完美再现。”

为了解决BT.709容器无法完美记录现代摄像机、摄影机高动态范围的问题，索尼等厂商在10年前就引入了Log这种特殊Gamma曲线，但Log素材必须调色后才能在BT.709显示终端上获得符合人眼视觉的画面，所以只能作为一种“中间格式”高动态范围视频存在，无法直接提供给普通观众。

DolbyVision杜比视界影院以4000nits高亮度屏幕，以接近线性方式再现真实世界。

HLG和PQ目前支持最高亮度1000nits的显示终端。PQ源自DolbyVision，从上图看，绿色的PQ曲线在亮部更加平直（接近线性），而蓝色HLG（混合对数曲线）曲线在暗部和中灰与红色的BT.709曲线一致。

因此，PQ节目在SDR电视机上播放时，类似Log素材的效果，画面对比度很小，也很难“脑补”出正确的色彩。

相反，HLG节目在SDR电视机上播放时，暗部、中灰部影调和色彩基本上与HDR电视机相似，只是无法再现丰富的亮部信息（被折叠）。目前CCTV超高清频道和广东综艺超高清频道都选择了HLG，最重要的因素就是可以在一定程度上兼顾SDR电视机。

当然，最好是基于RAW、Log、HLG、PQ等高动态范围素材，专门针对杜比视界、HLG、PQ、BT.709等显示终端单独调色完成相应版本。上图是使用松下CX200拍摄的HLG素材调色制作HLG版本的视频截图。

同一条素材调色输出为BT.709即SDR标准动态范围版本，区别最大的是亮部层次被严重压缩，色彩层次也相应减少了。我们可以通过两个亮度波形对比画面亮部的分布情况。

放大对比，左边是BT.709，右侧是HLG，HDR的价值一目了然。