【中译】什么是HDR?理解PQ和HLG（二）

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Translated by ChatGPT / NOOOOOB_GUY

PQ HDR - Dolby Vision, HRD10 and HDR10+

ST2084 定义了基于 PQ 的杜比视界、HDR10 和 HDR10+ HDR 格式的 EOTF（Gamma）。

PQ HDR 基于一款理论上的“参考”显示设备，该设备的最大亮度能力为 10,000 尼特，所有“现实世界”的显示设备都参照这款理论显示设备，并具有如下的伽马曲线（EOTF - 电光转换函数）。

如果将其与标准的 Rec709 伽马曲线进行比较，差异是显而易见的，要记住 HDR 的范围是 10,000 尼特，而 SDR 的范围是 100 尼特。

有趣的是，这展示了与基于 Rec709 的显示校准相比，基于 PQ 的 HDR 在阴影部分是多么“暗”，尤其是当提高 Rec709 显示设备的峰值亮度时。这是基于 PQ 的 HDR 面临的主要问题之一——整体画面亮度比大多数家庭用户习惯的要低，使得在正常明亮的客厅条件下观看非常困难。这部分是为什么 PQ HDR 的名义上的漫反射白色已经调整到大约 200 尼特，并将在下面的观看环境考虑部分进一步讨论。

对于 PQ HDR，不同的显示设备将具有不同的峰值亮度水平，因此需要为 EOTF 曲线修改剪裁点，例如对于杜比的 4000 尼特Pulsar 监视器，它需要一个 HDR 伽马曲线，在 PQ 标准的大约 90% 处达到峰值。

注意：只有裁切点不同。曲线是绝对的，因此保持一致 —— 见本节的第四张图片。

索尼的 BVM-X300 监视器需要一个在 PQ 标准的 75% 处达到峰值的 EOTF，因为 BVM-X300 监视器的峰值亮度为 1,000 尼特，相比之下 PQ 标准的最大亮度为 10,000 尼特。

下面的 PQ HDR EOTF 曲线通过比较显示了一台 100 尼特显示器会展示出什么样的效果。

如果我们将图表改为显示对数缩放，以便输出对人眼来说在感知上是正确的，我们得到以下结果。

在本页下方的“HDR 白色水平”图表中也可以看到同样的情况。

真实的黑色

不幸的是，这种说法往好里说是不准确的，往坏里说是夸大宣传，因为蓝光格式并没有对最小或最大亮度水平的限制，这些值是由显示器的设置决定的——记住，SDR是一个相对标准，而不是绝对标准。最小亮度（黑电平）通常只是显示器能达到的最低值，对于OLED显示器来说，可以非常暗（例如0.0001尼特），而对于较便宜的LCD显示器来说，可能更高（大约0.03尼特甚至更高）。为了克服周围环境光线的影响，家用电视的最大亮度通常设置得更高，很多家用电视设置为300尼特或更高。

在对原始SDR蓝光素材进行调色时，所使用的显示器会被校准至80-120尼特（100尼特是常见的平均值），并在受控的调色环境（一个黑暗环境）中进行，黑电平约为0.001-0.03尼特，具体取决于所使用的监视器（虽然为了在范围更广的家用电视上观看时保持“令人愉悦”的图像，通常使用较高的值，并具有可变的黑电平）。如上所述，在家用环境中观看蓝光时，通常需要将电视设置为更高的亮度，以克服周围环境光线的影响。

HDR – 阴影细节也一样

实际上，基于PQ的HDR对黑电平没有任何改进，这同样适用于阴影细节——无论那些不太了解情况的人或营销材料怎么说。

一个使用不准确信息来宣传HDR“优势”的正面例子可以在YouTube上的这个演示中看到，其中声称更佳的阴影细节是HDR相对于SDR带来的一个优势……这是不正确的。事实上，SDR图像可能只是被调得不好，甚至可能是故意这样做，以这样的手段来宣传HDR。HDR在阴影细节上并没有相比SDR带来这样的优势。

实际上，由于PQ基于HDR的EOTF（电光转换函数）曲线的使用，在正常的家庭观看条件下，相比同一图像的SDR版本，黑色往往会被“压碎”。这可以从HDR偏好的环境照明水平为5尼特，而SDR起初指定的环境照明水平为显示器最大亮度的10%这一点看出。这个巨大的差异表明，在无法控制环境光线的任何环境中观看时，HDR的黑色/阴影部分往往会被冲亮或裁切。

实际上，一个10位的SDR图像可能比基于PQ的HDR图像有更好的黑色/阴影细节。

黑位裁切

黑电平还存在一个潜在问题，因为没有显示器能达到真正的纯黑，因此，由于PQ EPTF（电光转换函数）的“绝对”性质，显示器会在其最低黑电平相关的位值上裁切掉输入信号。这意味着任何PQ显示器都需要某种形式的“阴影”roll-off来防止裁切，但这反过来会加剧黑电平较高的显示器上的阴影裁切的问题。

这个问题一直被广泛忽视，确实可能导致那些表现不佳的PQ EOTF的HDR显示器出现非常严重的阴影剪裁现象。

下图模拟了SDR图像与其PQ HDR等效图像的比较。（显然，由于你的显示器无法调整其峰值亮度，这种模拟效果会受到一定限制！但是，它确实显示了图像的主要部分在亮度上保持相对一致，扩展的动态范围使高光部分能看到更多细节。）

显然，在现实世界中，可用的HDR额外的动态范围将被用于创意地重新调色，以利用额外的动态范围——但扩展的高光细节才是HDR的真正现实和潜在优势。

不同显示器与基于PQ的HDR

不同的HDR显示器显然具有不同的峰值亮度能力，因此如上面的PQ EOTF（电光转换函数）曲线所定义，显示的图像将需要裁切到可用的峰值尼特值。这种“峰值亮度裁切”由信号内的元数据控制，元数据定义了用于调色的显示器的峰值亮度，由显示器用来设置正确的“裁切”水平。

这种裁切的执行方式——是按照上述EOTF曲线进行硬切，还是采用滚降（roll-off）的柔切——在Dolby Vision之外尚未定义。Dolby Vision是一个完全定义的HDR标准，涵盖从图像生成到交付的所有方面，并按照预设规格进行管理，但任何显示器制造商采用它都需要支付许可证费用。

因此，现实情况是，即使两个显示器具有相同的峰值亮度能力，它们呈现图像的方式也不太可能相同，因为用于峰值亮度色调映射的过程不会完全一致。

峰值亮度与比特数

PQ (Perceptual Quantizer，感知量化器)标准是一个绝对标准（非相对标准），每个亮度等级都对应一个具体的比特等级。对于10比特信号，等级如下：

• 10,000 nits = 1023

• 5,000 nits = 948

• 4,000 nits = 924

• 2,000 nits = 847

• 1,000 nits = 769

• 400 nits = 668

• 100 nits = 519

• 0 nits = 0

这意味着任何基于PQ的HDR显示器只会使用全信号范围的一个子集。例如，最高亮度为1,000 nits的显示器只能达到769比特，其余的254级信号将被裁切。

此外，如上所述，黑色方面存在问题，因为没有显示器可以实现真正的纯黑，这将导致原始信号在与其最低黑色位置相对应的比特等级处自然剪切，这是由PQ EOTF（电光转换函数）的绝对特性所导致的。因此，任何PQ显示器都需要某种形式的“阴影”roll-off以防止裁切，但这反过来会在具有较高黑位的显示器上加剧阴影压缩。

HLG HDR

与基于PQ的HDR不同，BBC的HLG HDR标准不是绝对的标准；相反，它是相对的，其EOTF伽马曲线始终是全范围的，不论任何给定显示设备的实际峰值亮度值如何。此外，HLG标准还包括一个EOTF修改器，根据显示的环境照明来改变EOTF。

BBC的HLG标准设计用于最高5000尼特的显示设备，低于ST2084标准的10000尼特，但对于实际HDR显示设备的峰值亮度水平来说可能已经绰绰有余。

然而，如果显示设备的峰值亮度低于大约1000尼特，HLG就会存在自身的一些问题，因为HDR图像的平均画面亮度会比相应的SDR图像显得更暗。这是因为HDR的标称漫反射白点低于家用观看环境中常见的SDR电视的实际峰值亮度（200到250尼特）。

所有上述BBC HLG曲线都基于一个低的“环境”照度——10尼特。

这个“环境”照度值对于家用电视特别重要，因为除了使用显示设备的峰值亮度值来计算EOTF外，BBC的HLG标准还利用显示设备的环境照度来改变系统伽玛，如下图所示，适用于1000尼特显示设备。

不同显示设备与HLG HDR

由于HLG格式不依赖元数据，不同显示设备间的图像一致性有了显著提升。

此外，利用显示设备周围的环境照度来调整系统伽玛，尝试调整显示校准以适应不同的观看环境。这是首次真正尝试在不同观看环境中提供“观看一致性”。

这是基于PQ的HDR需要应对的挑战，因为它需要一个严格控制的观看环境...

HLG与RGB分离

BBC的HLG标准内置了一个用于可变系统伽玛的补偿机制。

该标准首先使用RGB分量的加权计算源头的亮度（系统伽玛之前），如常规方式一样。目标亮度通过对源亮度应用纯数学伽玛函数来计算，RGB通道按源与目标亮度的比例进行缩放。

这引入了颜色交叉耦合，如RGB分离图所示，这是预期的结果，在校准HLG显示器时无需担心。

（未完待续）