HDR影像技术：业界标准解读

在往期的推送中，小彩同大家分享了一系列有关高动态范围（HDR）技术的内容，例如场景捕获、图像数据集、非线性转换函数等。相比于传统的标准动态范围（SDR）技术，HDR影像拥有更加丰富的图像亮暗细节，能够带给终端用户更加真实沉浸的视觉体验。HDR影像的发展得益于学术研究领域不断推陈出新的模型理论与图像处理算法，同时也离不开工业生产领域中相关技术标准的制定。自首个技术标准问世以来，HDR影像已经走过了约十年的发展，并形成了一系列包含采集、后期、传输、显示等环节的端到端生态系统。本期，小彩将带大家了解目前主流的HDR技术标准。

▲SDR与HDR影像的处理流程对比 

杜比实验室于2014年的国际消费类电子产品展览会（CES）上发布了Dolby Vision技术标准，由此开启了HDR影像的新纪元。作为一种专有解决方案，Dolby Vision提供了基础层+增强层的双层配置（dual-layer profile）和节省码率的单层配置（single-layer profile），可根据终端显示设备的兼容性选择合适的路径。动态元数据是Dolby Vision的另一大特点，即Dolby Vision可基于HDR信号源中的元数据逐场景或逐帧地调整图像内容以保留创作意图。在CES 2020上，杜比实验室又推出了Dolby Vision IQ标准，其在原有技术标准的基础上新增了对光环境照度的显示补偿。

▲Dolby Vision的制作环境 

动态图像专家组（MPEG）通过研究HDR影像的传输需求，得出了HEVC Main-10配置可以基本保障HDR内容压缩效率和信号质量的结论。基于此，消费技术协会（CTA）在2015年提出了HDR10技术标准。HDR10以PQ曲线作为非线性转换函数，并采用固定参数的静态元数据来处理整个HDR视频的动态范围映射、对比度调整等。该策略简单直接，易于显示终端的实现和应用。相比于Dolby Vision的专有性和对硬件的高要求，HDR10开源且没有专利限制，使其成为绝大多数消费终端和媒体平台的基本HDR影像格式。

▲HDR10的静态元数据及其定义

尽管HDR10受到了大量组织机构以及终端厂商的认可，但是基于静态元数据的“一刀切”动态范围映射方法极大地限制了其灵活性。为此，三星和亚马逊视频于2017 年4月共同推出了HDR10+技术标准，其在HDR10的基础上增加了动态元数据以更加准确精细地调整视频内容。同年8月，三星、松下、亚马逊与20世纪福克斯成立了HDR10+联盟，终端厂商通过该联盟的测试认证即可获得HDR10+授权。值得一提的是，HDR10+的动态元数据与Dolby Vision并不相同，而同样作为HDR影像技术龙头企业之一的三星也在Dolby Vision IQ推出的次年发布了HDR10+ Adaptive标准，旨在提高HDR影像在不同光环境照度下的显示质量。

▲HDR10+ Adaptive在不同观看环境下的效果

电视广播是HDR影像的一大重要应用领域。为满足其对实时性和兼容性的需求，英国广播公司（BBC）和日本放送协会（NHK）于2017年共同提出了HLG技术标准。HLG标准与前三者最大的不同在于其所采用的非线性转换函数是HLG曲线而非PQ曲线（有关两种转换曲线的详细内容可参考往期推送），它使用与伽玛函数类似的相对亮度编码来表征HDR场景亮度。因此，HLG标准不需要元数据对画面内容进行映射，与传统SDR影像具有较高的兼容性。

▲HLG与PQ曲线的对比 

HDR Vivid是世界超高清视频产业联盟（前身为中国超高清视频产业联盟）于2020年组织制定的技术标准及解决方案，旨在基于开放、先进、友好的原则解决业界仍面临的问题与挑战，并突破国外对HDR影像技术的垄断。HDR Vivid以动态元数据为基础，根据不同场景特征和终端设备显示能力生成合适的阶调映射曲线，以此保证不同显示设备上的效果一致性。具体而言，HDR Vivid的阶调映射曲线包括基础曲线和样条优化曲线两部分。其中，基础曲线是根据人眼视觉感知模型所设计，决定了阶调映射的整体风格，而样条优化曲线则旨在进一步优化映射效果。

▲静态元数据（上）vs 动态元数据（下） 

综上，现有主要的HDR影像技术标准及其特点归纳总结如下。

▲主流HDR 影像技术标准及其特点