HDR是什么？

高动态范围（HDR） 技术是当今图像和视频处理领域的重要发展之一，旨在通过扩展图像和视频的亮度、对比度和色彩范围，提供更加逼真的视觉体验。然而，我们在各种地方都能看到HDR这个术语（例如：相机拍摄界面，视频平台的画质选项），在不同的上下文中有不同的含义。主要分为两种：HDR合成（与图像处理和摄影有关）和显示器HDR（与视频和图像显示有关）。这两种HDR尽管名字相同，但概念和应用却有着显著的差异。

一、 概述

什么是HDR？

HDR，全称为高动态范围（High Dynamic Range），是一种用于提升图像或视频质量的技术。它通过扩展图像或视频的亮度、对比度和色彩范围，使得最终的显示效果更加接近人眼的实际感知。HDR技术可以应用于图像拍摄、视频制作、后期处理，以及显示设备的呈现等多个环节。

动态范围是什么？

动态范围（Dynamic Range） 指的是图像或视频中最亮和最暗部分之间的亮度差异。传统的图像或视频在处理高对比度场景时，往往会出现亮部过曝或暗部细节丢失的现象。动态范围越高，意味着图像或视频能够同时呈现的亮部和暗部细节越丰富。

二、两种HDR的工作原理

1. HDR合成

在图像处理中，HDR合成是一种常见的技术。它的原理是通过拍摄同一场景的多张不同曝光的照片（如一张曝光较长，捕捉暗部细节；一张曝光较短，捕捉亮部细节），然后将这些照片合成为一张包含更大动态范围的图像。这种合成方法能够在最终图像中展现出丰富的亮度层次和细节。这项技术用于克服摄像头传感器的局限性，确保在高对比度场景下捕捉到所有细节。

通俗解释：想象一下你在一个黑暗的房间里拍摄窗外的风景，如果直接拍摄，窗外的亮光可能会让房间内的细节变得模糊不清。通过HDR合成，你可以同时拍摄房间内和窗外的细节，然后合成一张完美的照片。

HDR合成的基础是多重曝光，将多张在不同曝光设置下拍摄的图像合成一张包含广泛动态范围的图像。这些图像分别捕捉了场景的暗部、中间调和高光细节。

手机相机中的HDR就是HDR合成，当你开启HDR后点击拍摄按钮，手机会自动拍摄多张不同曝光的照片。为确保所有图像能够正确叠加，相机通常会使用去鬼影技术则用于消除由于运动导致的重影现象，确保最终图像的清晰度。

如果使用单反相机，也可以使用 包围曝光（Exposure Bracketing） 技术（即相机自动拍摄多张不同曝光的照片，但不进行合成），然后使用Photoshop一类软件后期进行合成。

HDR合成也有缺点，除了拍摄需要更长时间之外，由于多帧图像可能会存在位移或物体运动，即使使用后期技术，合成的照片仍然可能出现重影。

不同于下面的 HDR显示 ，HDR合成只是一种图片合成算法，属于软件层面。

2. HDR显示

在显示技术中，HDR显示器利用更高的亮度峰值、更深的黑色表现和更广的色域来提升图像或视频的视觉效果。不同于上面的HDR合成，HDR显示是一种物理层面的概念。 与传统显示器相比，HDR显示器可以展示出更丰富的色彩和更高的对比度，使画面更加逼真。

简单来说，HDR显示能够让亮的部分更亮，暗的部分更暗，同时保留更多的细节和更加丰富的色彩，使得图像和视频看起来更加逼真和生动。

HDR显示需要有HDR内容（后面会讲）才能体现出差异性。通过播放不同的HDR标准（如HDR10、HDR10+、杜比视界等）的视频，HDR显示器能够针对不同的内容和设备进行优化，提供最佳的显示效果。

与此相对的是 SDR（Standard Dynamic Range，标准动态范围） 显示器，它们的亮度和色彩范围有限，因此在显示复杂光照和色彩丰富的场景时，表现不如HDR显示器。

HDR与SDR的对比

1. SDR和HDR显示效果的对比

• 亮度：HDR显示器可以达到1000尼特甚至更高的亮度峰值，而SDR显示器通常不超过300尼特。
• 对比度：HDR显示器的对比度范围更大，可以呈现更深的黑色和更亮的白色。SDR显示器的对比度较低，暗部细节容易丢失，图像显得平淡。
• 色域：HDR显示器支持更广的色域，如DCI-P3或Rec. 2020，而SDR显示器通常使用sRGB色域，色彩表现较为有限。HDR显示器能够显示更多的颜色，使得图像更加生动逼真。

2. HDR显示器播放SDR内容

当HDR显示器播放SDR内容时，通常会采用一种称为“色调映射”的技术，将SDR图像的色彩和亮度范围适配到HDR显示器的更广动态范围中。这种适配可能会增强图像的对比度和亮度，使得SDR内容在HDR显示器上看起来更加出色。

即使你在HDR显示器上看普通的SDR内容，图像也可能看起来更好一些，因为显示器会调整亮度和颜色，使它们更接近HDR的效果。

3. HDR显示器播放HDR内容

HDR显示器在播放真正的HDR内容时，能够充分发挥其技术优势。由于HDR内容本身已经包含了丰富的亮度和色彩信息，HDR显示器可以忠实地还原这些细节，使画面更加震撼和逼真。

HDR显示器能够根据图像内容，对每个像素的亮度进行独立调节。 通过这种技术，显示器可以在同一画面中同时显示非常亮的高光区域和非常暗的阴影区域，而不会让亮部过曝或暗部失去细节。这是HDR技术相对于传统显示技术的一个关键优势。

当你在HDR显示器上播放HDR视频时，才能真正看到HDR技术的强大效果，亮部细节、暗部细节和色彩都能被完美呈现。

利用这一优势，HDR显示器在播放包含亮度信息的HDR内容，如高光（阳光反射、火焰）等场景内容，会单独把高光部分物理调亮，实现非常逼真的模拟显示光影效果

三、 HDR标准

前面我们讲到了“HDR内容”。在HDR技术的实现过程中，不同的标准为HDR内容的创作、传输和显示提供了技术规范。图片和视频，都各自有不同的HDR标准。

图片

图片的HDR标准通常体现在色彩空间。色彩空间是指在数字图像处理中用于定义颜色的数学模型。它指定了颜色的范围（即色域）和如何在设备上显示这些颜色。HDR图像处理通常使用广色域色彩空间，以确保能够显示更丰富的色彩和更高的亮度细节。下面列举了一些常见的HDR色彩空间。

1. HDR Rec. 2020

• Rec. 2020，也称为BT.2020，是一种非常广泛的色彩空间标准，主要用于4K和8K超高清电视广播和视频内容。它覆盖了接近人眼可感知的颜色范围，并支持高动态范围（HDR）。
• HDR Rec. 2020色彩空间能够捕捉和显示更多的色彩和亮度细节，非常适合高质量的HDR图像输出。

应用场景：Rec. 2020通常用于专业视频制作和高质量的HDR图像处理，比如电影制作、电视节目、广告摄影等。

2. HDR sRGB (Rec. 709)

• sRGB是一种较为普遍的色彩空间标准，主要用于互联网、计算机显示器和大多数消费级设备。Rec. 709是其对应的标准，用于高清电视（HDTV）的视频显示。
• HDR sRGB (Rec. 709) 色彩空间适用于需要兼容广泛设备和平台的HDR内容，但其色域和亮度范围较Rec. 2020小。

应用场景：HDR sRGB用于在广泛兼容性和HDR效果之间寻求平衡的场景，如网页图像、标准显示设备上的图像显示等。

3. HDR P3

• P3色域，特别是DCI-P3，最初是为数字影院系统设计的，现在被广泛应用于苹果设备（如iPhone、iPad和Mac）的显示屏中。
• HDR P3色彩空间覆盖的色域比sRGB大，比Rec. 2020稍小，但它在高端消费设备中非常流行，特别是在摄影和视频内容创作中。

应用场景：HDR P3适用于创作在苹果设备或电影投影设备上显示的图像和视频内容，能够提供更好的色彩表现。

视频

1. Rec. ITU-R BT.2100 PQ标准

Rec. ITU-R BT.2100是国际电信联盟（ITU）制定的视频HDR标准，包含两种光学转换函数（Opto-Electronic Transfer Function, OETF）：PQ（Perceptual Quantization）和HLG（Hybrid Log-Gamma）。

• PQ（Perceptual Quantization）：PQ基于人眼对亮度的感知特性设计，能够支持从0到10,000尼特的亮度范围。这种曲线优化了亮度的分配，使得图像的明暗过渡更符合人眼的感知。

• HLG（Hybrid Log-Gamma）：HLG是一种兼容SDR和HDR显示设备的标准，主要用于广播电视领域。它不依赖静态元数据，因此更适合实时内容的传输。

通俗解释：PQ是一种聪明的亮度调整方式，使得图像中的明暗过渡更自然，而HLG则是适合直播和广播的HDR标准，能兼容老式和新式显示设备。

2. HDR10

HDR10是最广泛使用的HDR标准，应用于电视、显示器和流媒体内容中。它定义了HDR内容的10位色深（即每种颜色可以有1024种不同的值）和静态元数据（Static Metadata）。静态元数据意味着在整个视频中，亮度和对比度的设定是固定的。

• 特点：
  • 10位色深：能够显示10.7亿种颜色。
  • 静态元数据：视频的亮度和色彩设置在播放过程中不会变化。

通俗解释：HDR10就像是一次性设置了图像的亮度和颜色，整个视频播放过程中都按照这个设置来，不管场景如何变化。

3. HDR10+

HDR10+是HDR10的增强版，支持动态元数据（Dynamic Metadata）。动态元数据允许每一帧或每个场景独立调整亮度和对比度，从而在不同的场景下提供更好的视觉表现。

• 特点：
  • 动态元数据：根据场景实时调整亮度和色彩。
  • 提高了亮度和对比度的表现，尤其是在明暗变化较大的场景中。

通俗解释：HDR10+就像是在视频播放过程中，智能地根据每个场景调整图像的亮度和颜色，让每一帧都能达到最佳效果。

4. 杜比视界（Dolby Vision）

杜比视界（Dolby Vision）是一个高级的HDR标准，它支持高达12位的色深和动态元数据。杜比视界能够为每一帧图像单独设置亮度和色彩信息，以确保在各种显示设备上都能呈现出一致且高质量的视觉效果。常见于一些网络视频平台（如哔哩哔哩）的画质选项中。

• 特点：
  • 12位色深：能够显示超过680亿种颜色，色彩过渡更平滑。
  • 动态元数据：为每一帧图像提供最佳的亮度和色彩设置。
  • 高动态范围：支持更高的亮度（理论上最高可达10,000尼特），使画面更加生动逼真。

通俗解释：杜比视界就像是一个极其聪明的调光师，它会为你观看的每一帧画面单独调节亮度和色彩，让你无论在什么设备上观看，都能体验到电影制作人想要传达的最佳视觉效果。

以下是一个关于Rec. ITU-R BT.2100 PQ、HDR10、HDR10+和杜比视界（Dolby Vision）的对比表格，详细区分了它们之间的不同之处：

四、 HDR的优势和挑战

1. 优势

• 更高的视觉冲击力：HDR技术通过更丰富的亮度层次和色彩细节，使图像和视频的视觉效果更加生动逼真。
• 逼真的色彩表现：HDR标准支持更广的色域，能够呈现出更接近自然的色彩。
• 改进的暗部和亮部细节：HDR技术能够在同一画面中保留亮部和暗部的细节，使得图像更加真实。

2. 挑战

• 设备要求：体验HDR的优势需要支持HDR标准的显示设备和内容源。目前在SDR设备上播放HDR视频，可能会出现偏色等问题。

• 标准不统一：不同HDR标准之间的兼容性问题可能会导致在不同设备上观看效果不一致。

• 资源少：虽然目前iPhone以及一些安卓手机已经全流程打通了杜比视界，哔哩哔哩等视频平台也已经支持了杜比视界的投稿，但市面上HDR视频资源仍然非常少。

• 制作难度高：要想制作HDR视频，首先就需要一个支持HDR显示的显示器，否则可能会出现偏色问题。其次，许多大众剪辑软件对HDR视频的兼容性并不是很好，HDR视频在专业软件的制作流程也并不简单。

所以说，HDR标准的普及和兼容任重而道远啊😭

五、总结

尽管HDR技术在提高视觉效果方面有明显优势，但其推广仍面临设备要求高、标准不统一和制作难度高等挑战。HDR的未来发展需要在标准化和设备普及方面进一步努力。