HDR电视显示技术概况及标准发展前景汇总

2016-03-27 12:37:24     作者:      来源:电视之家

标签: HDR电视

毫无疑问,在未来这一年中,HDR将成为电视行业的热门关键词和发展趋势,开始走入大众的视野。

在今年的国际消费电子展(CES 2016)上,HDR成为电视领域继4K之后的又一关注焦点。LG、三星、索尼三家知名电视厂商均展示了支持HDR显示的电视新品,例如LG的SIGNATURE 4K OLED系列、索尼的X9300D系列以及三星的无边框量子点SUHD电视等。国内厂商TCL也推出了一款型号为X1的QUHD新品电视,采用了杜比公司最新的HDR技术,同样支持HDR显示。毫无疑问,在未来这一年中,HDR将成为电视行业的热门关键词和发展趋势,开始走入大众的视野。

一、CES 2016主要HDR电视概览

今年的CES 上,除了VR 引起了很大的关注,在视频领域,新型HDR 电视成为各大厂商重点推荐的新产品。HDR 相较普通的高清、超高清电视呈现了更加明亮、更加清晰、更加真实的画面,吸引了大批参观者驻足体验。下文将介绍目前较具代表性的几款HDR 电视产品。

1.1   索尼:X9300D系列和X8500D系列

X9300D 系列电视搭载基于“动态背光系统- 精英版”的全新网阵式背光照射结构,最高亮度可达4 000 nit (1 nit =1 cd/m2 ),可呈现更细腻的色彩和更为生动的明暗对比效果。此外,在机身外形上,X9300D 具备纤薄挂壁效果,挂壁后距离墙面仅36.7 mm 。该款电视已于2016 年初首先在中国预售,其中55 in (1 in=2.54 cm )售价14 999 元,65 in 售价21 999 元。

X8500D 系列电视定位中高端,采用了4K 处理芯片X1 、4K 迅锐图像处理引擎PRO 以及特丽魅彩显示技术,从而能更好地呈现HDR 画面细节。该系列同样拥有55 in 和65 in 两个尺寸,售价分别为8 999 元与15 999 元。

1.2 LG :Signature系列、G6系列和E6系列

LG 于CES 2016 发布了数款HDR 4K OLED 电视。这些电视机型采用Dolby Vision 技术,支持下一代广播传输标准BT.2020 ,搭载LG 最新的Web OS3.0 智能电视系统。在外观上,采用“ Picture-on-Glass ”设计,厚度仅为2.57 mm 。目前这批新款电视的定价和开售日期尚未公布。

1.3   三星:量子点SUHD系列

三星2016 年发布的新一代SUHD 系列电视在保留曲面4K 屏的基础上新增了HDR 功能。其屏幕采用了10 bit 量子点技术,亮度可达1 000 nit 。该系列电视搭载Tizen 操作系统,内置IoT HUB 技术,拥有49~88 in 的5 款机型,尚未公布售价和上市日期。

二、HDR概况

HDR,全称High Dynamic Range,即高动态范围。通俗来说,HDR可以拓展显示的亮度范围,展现更多的亮部和暗部细节,为画面带来更丰富的色彩和更生动自然的细节表现,从而使得电视画面更接近人眼所见。如果说4K分辨率是对像素数量的一次提升,那么HDR显示技术则是对像素质量的一次升级。相较于4K分辨率,HDR技术所带来的视觉震撼更为明显。无论屏幕尺寸如何、观影距离多少,其对画质的提升效果都是显而易见的。

目前,4K分辨率已然成为各大电视机厂商旗舰产品的标配,而HDR作为超高清下一步的发展方向也成为了终端制造领域的新宠。近几个月来,业内多次超高清广播测试使用了4K HDR标准的内容。CES 2016上,LG与三星均采用ATSC 3.0标准进行了4K HDR的广播演示。除此之外,HDR的内容制作也开始涌现。在在线视频领域,流媒体巨头亚马逊已经率先于去年6月推出了首部4K HDR剧集《丛林中的莫扎特》,而Netflix也已经将其自制剧《马可波罗》转制成了支持HDR显示的格式。可以想见,2016年,或将成为HDR标准化与产业化的一年。

三、HDR技术介绍

HDR概念中的“动态范围”,是指一个图像中最亮处和最暗处之间的比值。

人眼所能感受的亮度范围约为10-3~106nit,所能感受的瞬时对比度范围可达10000:1,而目前消费级液晶显示器的亮度一般在300~400nit左右,其亮度范围一般为2000:1。可见,人眼的亮度分辨能力远高于当前主流的显示设备。而HDR显示技术就是要提升显示的亮度范围,在使得显示亮度更亮的同时,又让呈现的黑色更黑。

目前显示器对比度的限制是由1990年发布的ITU BT.709标准决定的。为了达到最佳的观看效果,该标准中的电光转换函数(EOTF)是以过去CRT显示器的特性为基础设定的。但CRT显示器的亮度一般不超过100nit,对于现在亮度可达400nit甚至1000nit的显示器而言,BT.709标准已经束缚了最佳显示效果的呈现。因此,当前不少广播电视界的机构组织均提出了新的HDR显示技术,以实现更高动态范围的显示。

HDR显示技术的关键是对于电光转换函数(EOTF)和光电转换函数(OETF)的定义,即电信号与光信号之间的转换规则。目前主要存在两种新的电光转换方案来替代CRT时代所使用的伽马曲线。一是杜比实验室的Dobly Vision HDR方案提出的感知量化编码(PQ,perceptual quantizer),二是由BBC和NHK联合研发的对数伽马分布(HLG, Hybrid Log Gamma)。杜比PQ可采用12bit色彩深度实现107高动态范围,其亮度范围达到10-3~104nit。该方案根据显示器端人眼对亮度分辨的阈值来确定量化比特的要求,符合人的视觉生理和视觉心理,对量化比特的使用更为经济。而BBC与NHK提出的HLG方案通过两种不同的方式来分别对HDR信号当中所包含的高光和低光部分进行解码,其中低光部分使用了标准伽马曲线(这与BT.709的标准基本相同),而高光部分(超过100nit)则使用了对数曲线,在支持HDR的同时可以兼容SDR超高清电视。

然而,不同的HDR技术需要相对应的显示设备进行解码调整。一个能够显示Dobly Vision HDR格式内容的电视机,未必就能显示BBC制作的HDR内容。这就给HDR技术的大规模推广带来的一些阻碍。因此,在技术条件已经具备的情况下,标准化已经成为HDR发展亟需解决的问题。

四、HDR标准化情况

当前,世界各地的行业标准组织都已经投入到HDR标准的制定工作中来。美国电影电视工程师协会(SMPTE)于2015年3月率先公布了电光转换函数标准SMPTE ST 2084,采纳了Dolby vision的PQ曲线。而这一标准又被其他行业组织采纳为自身标准体系的电光转换标准。

1、蓝光光碟协会(BDA)

BDA致力于制定超高清蓝光系列标准。2015 年 5 月 12 日,BDA 宣布完成 Ultra-HD Blu-ray 标准和商标。该标准将包括 4K 3840×2160 像素的分辨率、广色域(提升到 BT.2020 标准)、高帧速率(60fps)等,将从2015年8月24日开始授权。

此外,该标准将支持开放 HDR,使用 10-bit HEVC 编码和 SMPTE ST 2084 标准,同时准备采用 Dolby Vision 和 Philip 建议作为选项。BDA也会将10-bit 编码和宽色域用于目前的SDR内容。

2、美国消费电子协会(CEA)

2015年8月,CEA 初步起草了关于电视和显示器行业产品支持 HDR 技术的内容,对“兼容HDR显示器”进行了定义。其中包括:在电视、显示器或者投影机中,至少有一个接口,可以支持 HDR 技术,而且要符合数字电视规范文件 CEA-861-F 以及未经压缩视频规范 CEA-861.3 文件中的规定。另外,还要支持 HDR10 媒体传输标准,比如可以通过 IPTV 的方式播放 HDR视频、或者通过 HDMI 接口传输 HDR视频。

HDR10媒体档次需支持如下内容:符合SMPET ST 2084电光转换标准;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)。

3、超高清联盟(UHD Alliance)

在今年初的CES 2016上,超高清联盟发布了4K/HDR认证标识“Ultra HD Premium”。其要求设备分辨率达到3820*2160,色深达到10bit,支持BT.2020色域信号输入,显示覆盖90%以上DCI-P3色域空间。在HDR显示方面,该标准要求:符合SMPTE ST2084 电光转换标准;峰值亮度与黑位达到其中一项:

(1)亮度1000尼特以上/黑位低于0.05尼特(主要针对LCD显示器)

(2)亮度540尼特以上/黑位低于0.0005尼特(主要针对OLED显示器)

此外,根据SMPTE研究小组2015年9月发布的《HDR影像生态系统》报告,其他组织有关HDR标准制定的计划如下:

ATSC: 正在考虑将传输HDR内容加入ATSC3.0地面广播标准

SCTE(有线与通信工程协会):开始研究未来HDR有线传输

MPEG:评估HDR的影响,考虑是否需要调整HEVC压缩标准中的各种工具。HDR内容的流媒体传输也有待定义。

日本ARIB发布了一个光电转换函数(OETF)的标准(ARIB STD-B67)

NHK已宣布传输HDR WCG图像的时间表

欧洲DVB正积极寻求家庭传输HDR的可能选项

ITU-R SG-6形成了有关HDR电视系统的Rapporteur Group (RG24) Recommendations

五、HDR发展前景

HDR并非一个孤立的技术,而是超高清电视整体规划中的一部分。与HDR的高亮度范围显示同步到来的,还将是更高的色彩深度以及更大的色彩空间范围。色彩深度越高,可支持的颜色也越多。色彩深度的增加不仅仅增加了图像的灰度值,也使得同一色系的视觉过渡更为平滑,避免了在表现渐变色彩时出现明显的分层。而新一代的超高清规范ITU BT.2020所规定的色彩范围,也将比BT.709多70%,尤其在绿、黄、青三个高亮度区域有显著的扩大。在现在已经发布的HDR标准中,均对色彩深度和色彩空间作出了相应的规定。这些参数提升共同带来了“更好的像素”显示。

HDR技术将被加入到4K甚至8K电视之中,将“更好的像素”与“更多的像素”结合,重新定义电视画面。

据IHS预测,2019年,符合超高清联盟验收标准的HDR电视的出货量有望从2016年的290万台激增至3260万台。在其最新的欧洲超高清市场预测中,IHS表示,预计今年二季度,HDR电视会进入市场销售,到2017年销量将有明显提升,而到2019年,HDR机型将占据超高清电视销售总量的38%。此外,ABI Research也预测,到2020年,将有70%的4K超高清电视机将支持高动态范围(HDR)、更广色域、高帧频和沉浸式音频等新技术。同时,相较于VR等新兴业务对普通消费使用习惯带来的冲击,HDR与超高清一样,具有更加“平易近人”的特性,因此基于技术的突破性优势、迅速的标准化进度以及HDR电视终端的市场发展趋势,未来HDR电视将在市场上迎来快速发展的时期。


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