宽色域高动态范围HDR的超高清显示

4 ATSC3.0视频表达
地面数字电视最重要的业务内容是视频，以前的地面标准仅支持到HDTV业务，ATSC3.0则增加对超高清视频的支持，支持4kUHD，提供更高质量的图像。

高质量视频可通过提高图像像素的空间特性，增加刷新率的时间特性，扩展色度空间以及像素的比特深度等方面实现。

ATSC3.0的UHD业务视频特性遵从ITU-R BT.2020，图像刷新率到120Hz，像素比特深度到10比特，4kUHD像素空间为3840x2160。

此外颜色空间的扩充和支持HDR显示成为最主要的图像质量提高措施。

4.1 BT.2020色空间
ITU-R BT.2020将色度系统的红（R）、绿（G）和蓝（B）三基色色度坐标选到了可见光谱色轨迹上，从而色域覆盖率可更宽，整个三角形的面积比BT.709增加了70%，也就意味着UHD能够显示更多的色彩，见图16。

同时，色域在绿、黄、青色区有显著扩大，由于绿、黄、青色区是高亮度区，这对提高光效率也极为有利，不过谱色光目前只有激光才能提供。

受电视机发光光源的色纯度技术的制约，目前的技术无论是 OLED 还是 LCD 都很难以实现真实的 BT.2020色域的覆盖范围。

目前唯一能达标的是新一代采用 RGB 激光光源的数字放映机。

图16 BT.2020和BT.709色域空间比较
4.2 高动态范围（HDR）视频
人眼从真实景物世界所能感觉到的亮度范围可达到100,000:1，瞬时对比度范围可达到10000：1（即同一瞳孔开度下可辨别的亮度范围）。

而现今的电视显示器对比度范围大致能做到2000:1，远达不到人眼的感知范围。

所以，人们从电视上所看到的仅仅是一个屏幕表现，而非窗外景色的真实再现。

图17表示真实世界中，人眼瞬时可感知的亮度范围，从暗处的2尼特到明亮处的10000尼特（cd/cm2），其亮度分辨率能力远高于目前的任何显示设备。

图17 真实世界的亮度值
CRT曾长期占据显示屏统治地位，因此多项光电转换标准以CRT特性为基础制定，至今仍在广播和显示业界发挥作用。

通常CRT电信号到屏幕光亮度之间保持固定的电-光转换特性，如图18蓝色曲线表示的乘幂规律，幂指数为2.4。

为此，演播室视频信号需实现预校正，使人眼对景物亮度呈近似线性的观感。

ITU BT.601，BT.709和BT.2020均规定演播室信号的预校正Gamma值为0.5，与CRT固有的Gamma值2.4相乘，则系统传递景物光强的Gamma值为1.2，这是人眼在室内较暗环境观看图像较为适宜的变换值，它较好地反映了人眼视觉系统对真实世界景物的客观响应。

图18 伽玛校正
BT.709及以前的电视系统为兼顾显示器光电转换特性，对摄像机信号进行非线性光电特性的预校正特性参数，还有一个作用是将模拟的视频噪声在显示亮度范围内均匀分配，使整个电视系统达到获得最佳的观看效果。

但幂指数为0.5的预校正压缩了景物图像的亮度范围，使高亮度区域信号表现力不足。

以CRT 为主的显示器亮度不超过100尼特，BT.709及其以前的广播标准中，包括量化为8bit甚至10bit的数字电视信号，均建立在屏幕亮度不超过100尼特的基础上。

而现今消费级别液晶显示器亮度可达到400尼特，高质量产品可达到1000尼特，某些专门用途的商用产品则可实现4000~5000尼特的高亮度。

这类新型显示器光电特性基本为线性，若沿用BT.709的预校正特性，则完全不能发挥其效能，即便采用BT.709的10bit信号，也只是提高暗光区分辨率，对高亮度区域没有贡献，难以实现高动态范围显示。

图19 不同的光电转换特性中亮度和信号码量化级的对应关系为摆脱以CRT为基础的光电转换特性束缚，实现HDR显示，现已有多个创新的标准化建议，其中杜比vision提出的感知量化（PQ，perceptual quantizer）成为SMPTE ST2084标准，可实现高达10,000尼特屏幕亮度，BBC提出的10bit HDR 建议，支持1000尼特HDR显示。

图19给出几种光电转换特性的比较，其中BT.709只有100尼特亮度范围，DICOM是医学数字成像和通信领域的标准，规定医学图像质量，10bit可实现5000尼特以上的高亮度，杜比Vision则有107高动态范围，支持10,000尼特亮度，BBC的HDR方案亮度则可支持到1000尼特。

图像数字化处理以后，视频噪声主要来自于量化，如何用尽量少的bit数来实现更大的动态范围是人们研究追求目标。

人眼对亮度变化的分辨能力与亮度的大小有关，研究人眼心理物理学特性的Weber定律指出，可察觉的物理亮度差与亮度成正比。

也就是说，人眼在可察觉亮度差的边界上，Weber分数（ΔL/L）是常数。

人眼锥细胞的Weber分数在2%~3%之间，表示受试者能可靠地检测出物理亮度在2％到3％的变化。

Barten根据人眼心理物理学规律，并经过大量试验得出复杂的Barten模型，是图像研究领域公认的基础，成为图像显示中人眼最小亮度差分辨率阈值理论依据。

ITU BT.2246中给出Weber（蓝色虚线）和Barten 模型曲线（紫色虚线），见图20。

图20 人眼可察觉亮度差阈值曲线
BT.1886根据CRT的Gamma特性，规定幂指数为2.4的电-光转换特性。

图20中给出三种12bit量化的BT.1886随亮度范围变化的最小对比度特性，在高亮度区，BT.1886量化误差小于人眼对比度阈值，但低亮度区则高于人眼对比度
阈值，表明对高动态范围显示的高亮度区，BT.1886量化浪费了过多的bit ，而低亮度区则bit 量化太粗，bit 数不足。

杜比实验室根据Barten 模型，按照不同的亮度表现范围，画了三条逼近Barten 模型的不同对比度阈值曲线，分别对应0.9JND （可觉视差），0.68JND 和0.46JND ，取12bit 量化，三条线都位于Barten 阈值曲线下方。

其中，显示亮度到10,000尼特时，12bit 量化只能达到0.9JND ，接近可察觉阈值的边界，1000尼特亮度则阈值达到0.68JND ，而100尼特亮度时，12bit 量化则可做到0.46JND 。

图21 杜比感知量化曲线PQ （12bit ）
杜比PQ 用了不同的函数规律来逼近Barten 模型，低亮度区为平方根关系（斜率-1/2），高亮度区是斜率接近0的对数关系，低亮度和高亮度之间的中间区域，则为变化的斜率，中间区斜率平均值表现为BT.1886的变换斜率。

其中，Y 是屏幕亮度，V 是视频信号值，0≤V ≤1；L=10000，m=78.8438，n=0.1593，c1=0.8359，c2=18.8516，c3=18.6875。

杜比实验室提出的感知量化PQ 是个比较复杂的公式，用于对视频信号质量进行评判的主监视器，商业名称叫杜比Vision 。

杜比PQ 是电-光转换特性，与BT.1886作用相同，规定显示器端的变换关系，从显示端人眼的亮度分辨阈值来确定量化bit 的要求。

杜比PQ 并非针对广播，一来它采用绝对亮度而非广播界习惯的相对亮度，二来需要12
位以上的比特量化深度，这对视频信号演播室处
理和存储难度不大，但内容发布和传输时将占用较大传输带宽。

BBC提出10bit量化的HDR方案，支持亮度到1000尼特。

BBC方案从演播室信号入手，用人眼对摄像机摄取景物的亮度差敏感阈值来定义光-电变换特性的量化分辨率要求，属于视频显示的预校正，作用于BT.709相同，这与杜比方案从显示屏亮度着手的出发点不同。

在低亮度区，与BT.709基本上相同，而在超过100尼特的高亮度区，则采用对数规律，使高亮信号不产生饱和，如图22所示。

图22 BBC HDR方案
图22中，实线是BT.709的预校正曲线，在100尼特达到信号饱和，虚线是摄像机企业的专有转换特性，尚无统一标准。

专有特性为扩展高亮度范围，在接近100nit处增加了一个形如“膝盖”的拐点，使信号不至于出现饱和，BBC方案为右下方的点划线，低亮度区与BT.709相同，高亮度区线段呈现对数规律。

两者相比，杜比PQ是一种更精确的模型，其人眼阈值曲线十分接近Barten模型，即在可表现的亮度范围内，对量化bit的使用更经济。

BBC方案则与现有的ITU 标准有一定的兼容性，阈值曲线与BT.2246的Schreiber曲线相似，呈现两条折线的合成，量化误差略大，但更适合广播界需求和目前的显示技术现状，也有相当强的竞争力。

美国消费电子协会CEA在2015年8月宣布HDR兼容的显示器需达到HDR10媒体档次的视频表现力。

HDR10媒体档次需支持如下内容：
光电转换特性ETOF符合SMPET ST 2084
色采样：4:2:0
比特深度：10比特
彩色空间符合BT.2020
支持元数据SMPTE ST 2086
BT.2020尽管在像素空间分辨率，色域范围，像素比特深度，帧刷新率方面有很大提高，但光电转换特性仍沿用BT.709（仅有微小的变化），图像动态对比度并没有改观。

为此，SMPTE ST 2084整合了Dolby vision的光电转换特性，使显示器最高显示亮度达到1000~10000，彩色动态对比度达到4000：1。

新的光电转换方法，提供更深的色彩饱和度和色谱范围，以实现HDR显示。

ATSC3.0将综合考虑杜比Vision和BBC等提出的建议，采用适当的方案，为4kUHD提供更为绚丽多姿的图像再现方式。

图23 普通HDTV视频（左）和HDR视频（右）图像表现的比较
5 结束语
ATSC3.0在制定过程中，根据如下市场需求实施：
（1）实现无线广播和互联网融合：把地面数字电视广播发送端“升级” 为新添无线宽带互联网网站功能(增加回传信道；把单向广播改造为双向交互的)；
（2）除大屏幕电视机传统用户群体外，优先面向智能手机和平板电脑的新用户群体；
（3）采用各种新技术：数字传输、音频/视频编码和传送等，以更有效利用地面电视频谱，其中明确要求OFDM调制；
（4）可发送4K- UHDTV和3D多声道音频；
（5）融合各种新技术和其他有关标准等。