宽色域高动态范围HDR的超高清显示

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
1/ n
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
பைடு நூலகம்
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。
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。
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。
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。
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。
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。
V 1 / m c1 Y L c c V 1/ m 2 3
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 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；
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。
（5）融合各种新技术和其他有关标准等。
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 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。