HDR – 帶給您明暗對比、層次分明的視覺饗宴

「2010年,秋,日落,我們一行人來到伊斯坦堡的藍色清真寺;當時天色微暗,投影燈點綴著湛藍夜空甚是美麗。就在看到一群飛鳥盤旋建築物中央穹頂之際,我和友人紛紛拿出相機欲捕捉當下美景,然而,無論我們怎麼去調整相機功能、亦或是採用不同角度取景,拍攝畫面總是不夠自然,無法真實模擬人眼所接收的畫面。」(請見圖示一)

圖示一 圖示一:飛鳥掠過伊斯坦堡的藍色清真寺上空,攝於2010年

以上描述出自於百佳泰資深技術經理Rick Li之旅遊心得,相信讀者們都曾經歷過類似的情境,而除了攝影器材之外,人們同時也發現電視所呈現的畫面和親臨現場也有一大段差距。其中像是播放光線昏暗的場景時,畫面上看起來往往是黑漆漆的一片;反之在耀眼的陽光下,畫面上呈現的是白茫茫的一片。究竟是什麼原因,會造成這樣視覺效果上的落差?

高動態範圍(High Dynamic Range :HDR)

 

 

攝影器材的感光元件及顯示器雖隨著時間不斷演進、推層出新,然而目前仍受到技術開發上的限制,所能表現出來的動態對比有限;相較之下,在同一個場景,人眼可以感受到的明暗變化範圍較大,人們能夠看到更明亮的光位、更深黯的暗位,以及最亮與最暗的明顯對比(即所謂動態範圍:Dynamic Range)。為了呈現更貼近人眼所觀察到的真實世界,忠實表現出從太陽光射到無光射陰影處這樣大的範圍,各家影音製造廠商無一不以提高影像的動態範圍為目標,相繼投入高動態範圍(High Dynamic Range: HDR)技術,並訂定出相關標準對高規格之品質把關。

圖示二 圖示二:人眼及顯示器動態範圍比較圖,來源:http://www.trusight.com

 

以下就利用兩張圖片來說明採用HDR技術前後的差別,第一張圖為一般標準動態範圍(圖示三:SDR: Standard Dynamic Range)流程示意,左邊的小圖為人眼觀察到的夜晚街景,深黑色的背景和明亮耀眼的巴士車燈形成極為強烈的對比。

而從按下快門(Capture)開始,其捕捉的動態範圍相較人眼感受到的動態範圍縮小了許多,緊接著經過後製(Post Production)、壓片(Mastering)等技術處理,動態範圍又再度縮減,最後呈現(Display)在消費者面前的為右邊小圖,畫面就像是漂白過一樣,霧濛濛一片,背景灰暗,車燈光線減弱。

圖示三 圖示三:SDR(Standard Dynamic Range),來源:CES 2016,LG Press Conference

第二張圖為採用HDR技術的流程示意(圖示四:HDR: High Dynamic Range),左邊的小圖影像同圖示三,同為人眼觀察到的夜晚街景,從按下快門(Capture)開始,經過後製(Post Production)、壓片(Mastering)至畫面呈現(Display),動態範圍幾乎可以等寬保留,而該範圍相較圖示三明顯大了許多,最終呈現如右邊小圖,夜色背景夠黑黯,車燈也夠明亮,明與暗的對比程度更加明顯,十分接近原始景象。

圖示四 圖示四:HDR(High Dynamic Range),來源:CES 2016,LG Press Conference

 

HDR與相關技術認證

 

 

看到這裡,許多讀者不禁產生疑問,我最近剛買了市場上最火紅的4K(UHD)電視,是否也能在4K電視上觀賞如上述明暗分明的畫面呢?答案是,未必。想要擁有高動態範圍的影像表現,影片來源需搭載HDR技術,另需透過符合新一代超高解析度規格的藍光影碟機播放,最終搭配支援HDR技術的顯示器,方能完美呈現HDR的視覺效果。言下之意,從影片的錄製、後製、壓片、發行、解碼,最後到播放、顯示,整個影音產業的每一環節都須採用HDR技術,缺一不可。

目前致力HDR技術的生態系統已逐漸成形,產業一路從上游、中游到下游供應商各自開發出相關技術並註冊商標,上游製片廠商力推以涵蓋HDR技術的杜比Vision (Dolby Vision™)為主;播放器廠商主推新一代超高解析度規格的ULTRA HD Blue-ray;顯示器廠商則訂出新一代超高畫質顯示器標準ULTRA HD PREMIUM,整個供應鏈齊頭並進、聯手朝HDR技術大步躍進,以下我們就先由杜比Vision談起。

 

杜比Vision (Dolby Vision™)

目前被許多製片商採用的Dolby Vision技術,其輝度理想規格值設定在0.0001 nits到10,000 nits之間(參考圖示五:Dolby Vision Technology列);而現階段HDR影片可行技術範圍為0.005~5,000 nits(Dolby Vision Mastering Display列);實際應用HDR錄製的影片也已接近可行技術,能夠保留的動態範圍從0.005 nits至4,000 nits(2016 Dolby Vision Enabled TV列),比起原本未使用HDR的錄製足足提高了約400倍的明暗對比度(參考Standard TV Signal列,動態範圍僅0.05~100nits)。400倍的倍數對於片商保護智財權十分有利,一般消者若想要觀賞到畫質清晰又明亮分明的影片,就得要自掏腰包購買正版的影片了。

圖示五 圖示五:Dolby Vision技術的輝度範圍,來源:Dolby Vision White Paper

 

 

 

ULTRA HD Blu-ray

其次,由藍光協會Blu-ray Disc Association(BDA)主導的最新一代超高畫質藍光影碟與播放機規格(ULTRA HD Blu-ray),也加入了HDR技術,而其HDR技術偏重亮度的表現,輝度從1,000~10,000 nits,相較Dolby Vision動態範圍有些不同。

 

 

 

圖示六 圖示六:ULTRA HD Blu-ray規格,來源:http://panasonic.jp/diga/blu-ray/ubz1/

 

 

 

ULTRA HD PREMIUM

基於訊號來源的進化驅使,顯示器技術在HDR上的發展也不遑多讓,成立於2015年的 UHDA (UHD Alliance),訂定出了新一代超高畫質顯示器的新標準,並且給予其所認證過的顯示器一個識別標示「ULTRA HD PREMIUM」。

圖示七 圖示七:ULTRA HD PREMIUM規格,來源:http://www.uhdalliance.org

同時,我們從圖示八中不難發現,該聯盟除了顯示器製造商之外,另包含多媒體內容服務商Netflix, The Walt Disney Studios, Twentieth Century Fox, Universal Pictures, Warner Bros. Entertainment等,以及晶片巨擎Intel。

        圖示八     圖示八-1

 

 

 

 

 

圖示八:ULTRA HD PREMIUM會員廠商,來源:http://www.uhdalliance.org

眾星雲集的UHD Alliance,凝聚產業力量儼然成為全球家用娛樂平台的領導指標,該組織對超高畫質顯示器的解析度、色域、位元率、亮度和暗度等方面訂定了相當標準,確保消費者在體驗4K電視時能夠獲得最佳的體驗。在這邊我們也條列出 ULTRA HD PREMIUM顯示器的基本認證規格:

  • 解析度Resolution – 3840 x 2160
  • 色深Color depth – 10 bit
  • 廣色域Wide Color Gamut (WCG) – 90% up of DCI-P3
  • 高動態範圍High Dynamic Range (HDR):

技術選項1: 範圍可大於亮階 1,000 nits/低於0.05 nits暗階,適用於先天亮階延伸較佳的LCD面板

技術選項2: 範圍可大於亮階540 nits/低於0.0005暗階,適用於先天暗階延伸較佳的OLED面板

 

 

 

在顯示器領域,百佳泰能夠為您做什麼

 

 

百佳泰自2015年始通過UHD Alliance認可,正式成為其授權實驗室(UHDA Authorized Test Center),能夠提供製造廠商ULTRA HD PREMIUM認證、相關諮詢以及衍伸出來的相容性測試服務,而在此,我們也必須得要特別強調相容性測試的重要性。

近期ULTRA HD Blu-ray標準影碟已問世,各大品牌的新規格播放機亦將逐一出籠,甚至部分線上影音內容服務業者也推出 ULTRA HD+HDR的影片,提供用戶訂閱。顯示器階種一路從FULL HD、ULTRA HD發展到最新的ULTRA PREMIUM,不同時期所生產的影片、播放機、顯示器,相互搭配運作有可能會產生不如預期的效果,甚至引發千奇百怪的相容性問題。

百佳泰資深技術經理Rick Li將眾多相容性問題大致歸納為兩類,其一為新機種與其他產品的互用性,例如備有HDMI 2.0(a)、HDCP 2.2、HDR的UHD電視,是否能和較低規格、僅具HDMI1.4、HDCP1.4介面的藍光播放器無縫接軌運作?其二為新規格的相容性:Dolby Vision、ULTRA HD Blu-ray、Ultra HD Premium三種規格是否能夠相互運作(圖示九)。百佳泰相容互用性測試,能夠協助客戶產品在最貼近實際消費者使用環境下,測試是否能與他牌硬體與軟體間順利運作,進而發展出符合使用者需求的產品。

透過提高動態範圍與他項影音技術不斷演進,我們誠摯地希望,未來的某一日,我們能夠改寫首段的敘述,「OOXX年,秋,日落,我們一行人來到伊斯坦堡的藍色清真寺;當時天色微暗,投影燈點綴著湛藍夜空甚是美麗。就在看到一群飛鳥盤旋建築物中央穹頂之際,我和友人紛紛拿出相機捕捉當下美景,拍攝出來的畫面逼近人眼所接收的畫面,是如此清澈、明暗對比分明。」

圖示九HDR相容性測試 圖示九:相容性測試矩陣示意圖