高動態范圍影像顯示技術研究

朱宏宣

(北京電影學院中國電影高新技術研究院，北京 100088)

1高動態范圍影像簡介

高動態范圍影像(High Dynamic Range video，HDRv)是近年來逐漸興起的一種影像類型，它通過采用更多的位深、更先進的傳遞函數(Transfer Functions)來提升影像記錄景物亮度范圍的能力。

借助高動態范圍影像顯示設備，高動態范圍影像可以展現出比標準動態范圍影像更高的對比度、更豐富的層次，其亮度上的表現更接近人眼的感知范圍，配合其他的影像技術，可以使人們獲得更加逼真的視覺體驗。

高動態范圍影像與更早出現的高動態范圍圖像(High Dynamic Range Image,HDRI)不同。從獲取的角度來說，高動態范圍圖像最常見的獲取方法是通過一組曝光量不同的標準動態范圍圖像經融合而成，而高動態范圍影像則主要通過具有高動態范圍影像獲取能力的數字攝影機直接拍攝得到。從顯示的角度來說，高動態范圍圖像一般是在普通顯示設備上顯示，需要經過色調映射(Tone Mapping)將其轉換成為標準動態范圍圖像，以適應普通顯示設備較低的動態范圍。盡管經過色調映射后的圖像仍具有豐富的影調層次，但采用壓縮動態范圍產生的影調層次關系卻并不同于原始的場景，也不符合人們的視覺習慣。相比之下，高動態范圍影像則是在高動態范圍影像顯示設備上顯示,通過將其轉換成為符合某種高動態范圍電光傳遞函數(EOTF)的影像，再經過色調映射，即可在不同亮度范圍的高動態范圍影像顯示設備上顯示，呈現出高對比度、層次豐富的影像。

可以說，高動態范圍影像的最終顯示是高動態范圍影像得以展現的關鍵。為了讓影像記錄的動態范圍充分發揮出來，人們設計開發了不同類型的高動態范圍影像顯示技術以滿足不同使用環境中的放映顯示需求。

2影像顯示技術基本原理

顯示技術根據影像產生的原理不同大體可分為兩類：一類是通過發光單元自發光產生影像，即影像是由發光單元直接發出的不同亮度色度的光構成，如CRT、PDP、LED、OLED等，這類顯示技術被稱為自發光顯示技術或主動發光顯示技術；另一類是通過光源調制發光產生影像，即影像是由光調制單元對光源發出的光調制而產生的不同亮度和色度的光構成，如LCD、DLP、LCoS等，這類顯示技術被稱為調制發光顯示技術或非主動發光顯示技術。

從動態范圍的角度來說，自發光顯示技術一般可以產生較低的最小有效黑電平，隨著發光材料技術的進步，峰值亮度也在逐漸提高，采用不同自發光顯示技術的顯示設備能達到的動態范圍跨度可以從2～3個數量級到5～6個數量級。調制發光顯示技術所能產生的亮度范圍由被調制的光源亮度決定，光源亮度低，黑電平與峰值亮度也相對較低，光源亮度高，黑電平與峰值亮度也相對較高，因此采用這類顯示技術的顯示設備，其動態范圍一般只有2～3個數量級。

3高動態范圍影像顯示技術分析

人眼對于亮度刺激的反應與適應過程是極為復雜的，盡管人眼的感光細胞能夠接收的亮度范圍可以達到10～ 10cd/m，但綜合了視網膜靈敏度變化、瞳孔變化、光敏色素消耗等因素，人眼的近瞬時(Near-instantaneous)靈敏度僅為5～6個數量級，這個數量級就是高動態范圍影像所要達到的基本要求。根據目前不同組織制定的高動態范圍影像標準(表1)，高動態范圍影像顯示的亮度范圍基本都在5個數量級以上。

表1 不同高動態范圍影像的標準

LED、OLED等自發光顯示技術在產生較低的最小有效黑電平同時還能產生較高的峰值亮度，動態范圍可以達到5～6個數量級，滿足高動態范圍影像顯示所需，而CRT、PDP等自發光顯示技術動態范圍僅為2～3個數量級，受顯示特性的限制難以將動態范圍提升至高動態范圍影像顯示所需。調制發光顯示技術受顯示原理的限制，僅采用均勻光源和單調制的顯示方式無法產生足夠大的動態范圍，盡管采用更高亮度的光源可以提升峰值亮度，但黑電平也隨之提升。因此，基于調制發光的高動態范圍顯示技術最常用的方法是：采用高亮度的光源來提升峰值亮度同時采用雙調制技術來降低黑電平，以此提升其動態范圍。

到目前為止，基于上述兩類顯示技術設計的高動態范圍影像顯示技術已經廣泛應用于顯示領域，這些顯示技術包括：基于自發光顯示技術的發光二極管顯示技術、有機發光二極管顯示技術，基于調制發光顯示技術的全陣列局部調光顯示技術、復合雙層液晶顯示技術以及高動態范圍投影分區光照技術，接下來我們就這幾種顯示技術進行分析介紹。

4幾種高動態范圍影像顯示技術原理

4.1發光二極管顯示技術

發光二極管(Light-Emitting Diode，LED)顯示技術是一種廣泛使用的自發光顯示技術，它通過LED發光單元組成的矩陣來顯示影像，每一個發光單元對應顯示一個像素。LED的自發光特性可以通過完全不發光而產生絕對的黑以及極低的最小有效黑電平，也可以產生極高的峰值亮度。

在數字電影領域，采用發光二極管顯示技術的高動態范圍影像顯示設備主要用于直射式電影屏幕，目前符合DCI認證的直射式電影屏幕包括：三星Onyx Cinema LED、索尼Crystal LED以及LG D-Cinema Direct View Display。以三星Onyx Cinema LED 的4K電影屏幕為例，它采用8,847,360顆LED燈珠以2.5mm或3.33mm間距組成分辨率為4096×2160的LED顯示屏幕。其峰值亮度可達500cd/m，最小有效黑電平低至0.00173cd/m，動態范圍超過105∶1。

圖1 三星Onyx Cinema LED直射式電影屏幕示意

4.2有機發光二極管顯示技術

有機發光二極管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)顯示技術是近些年逐漸開始廣泛使用的自發光顯示技術，它的原理是在兩電極之間夾上有機發光層，當正負極電子在此有機材料中相遇時就會發出光線。與LED一樣，OLED的自發光特性可以通過完全不發光而產生絕對的黑以及極低的最小有效黑電平，在保證其具有較長的使用壽命情況下，峰值亮度可以達到或超過1000cd/m。

有機發光二極管顯示技術在顯示領域的應用逐年增加，應用范圍包括視頻監視器、顯示器、電視機、手機、電子手表、數字儀表盤等。在數字電影領域，采用有機發光二極管顯示技術的高動態范圍影像顯示設備多用于主控監視器，目前已經問世的4K分辨率的監視器產品型號有：索尼BVM-X300/PVM-X550、尊正XM551U/XM651U等。以索尼BVM-X300為例，它是世界首個采用OLED顯示技術的高動態范圍視頻監視器，屏幕尺寸為30″，分辨率為4096×2160。其峰值亮度可達1000cd/m，最小有效黑電平低至0.00097cd/m，動態范圍超過106∶1。

4.3全陣列局部調光顯示技術

全陣列局部調光(Full Array Local Dimming，FALD)顯示技術，簡稱局部調光、區域背光或動態背光，是基于LCD顯示的高動態范圍影像顯示技術，它采用全陣列LED作為背光光源，LCD作為顯示單元，通過對全陣列LED背光進行分區亮度調節和對LCD顯示進行控制來實現雙調制，既可以產生較高的峰值亮度，也可以產生較低的黑電平。

在傳統LCD顯示技術中，背光一般采用的是亮度較低的均勻光源，如：冷光熒光管(Cold Cathode Fluorescent Lamps)背光、邊緣LED(Edge LED)背光或直射LED(Direct LED)背光，相比之下，全陣列LED(Full Array LED)背光則采用高密度的LED陣列作為背光。全陣列LED除了可以產生高亮度的背光，同時還可以根據影像的內容來調節不同區域(Zone)LED陣列的亮度(Local Dimming)，實現局部背光的亮度控制，與LCD配合顯示能夠有效提升顯示設備的動態范圍。

圖2 不同類型的背光示意圖

圖3 全陣列局部調光技術顯示原理示意圖

全陣列局部調光顯示技術是較為復雜的高動態范圍影像顯示技術，它需要將影像信號分為兩部分：一部分用于驅動背光LED，另外一部分用于驅動LCD。全陣列局部調光顯示技術主要用于顯示器、電視機。在數字電影領域，采用全陣列局部調光顯示技術的高動態范圍影像顯示設備產品型號有：索尼FWD-85Z9G/T、尊正XM310K/DM240、Atomos Shogun 7/NEON系列、佳能DP-V2420等。以尊正XM310K為例，它的屏幕尺寸為31″，分辨率為4096×2160。LED背光矩陣劃分為2048個區域，亮度分級可達4096級。其峰值亮度可達3000cd/m，黑電平低至0.001cd/m，動態范圍超過106∶1。

4.4復合雙層液晶顯示技術

復合雙層液晶顯示技術(Dual-layer LCD，Dual-cell LCD，Dual LCD)也是基于LCD顯示的高動態范圍影像顯示技術，它采用高密度排列的直射LED作為背光光源，雙層LCD作為顯示單元，通過雙層LCD對LED高亮度背光進行調制，來產生較高的峰值亮度與較低的黑電平。

圖4 復合雙層液晶結構示意圖

圖5 復合雙層液晶技術顯示原理示意

復合雙層液晶中的內層液晶一般為分辨率較低的黑白LCD，外層液晶為分辨率較高的彩色LCD，雙層LCD分別對亮度進行調制。相比傳統單層LCD顯示技術，雙層LCD動態范圍的數量級大約是單層LCD的二倍。另外，復合雙層液晶技術可以通過對背光光源的進一步調制來提升其動態范圍。

復合雙層液晶顯示技術是可以與OLED媲美的高動態范圍影像顯示技術，它同樣需要將影像信號分為兩部分，分別驅動兩層LCD。近些年，此技術廣泛用于視頻監視器、顯示器、電視機。在數字電影領域，采用復合雙層液晶顯示技術的高動態范圍影像顯示設備產品型號有：松下Magacon、索尼BVM-HX310、尊正XM311K、蘋果 Pro Display XDR、藝卓CG3145/CG3146等。以索尼BVM-X310為例，它的屏幕尺寸為31″，分辨率為4096×2160。其峰值亮度可達1000cd/m，黑電平低至0.008 cd/m，動態范圍超過105∶1。

4.5高動態范圍投影分區光照技術

高動態范圍投影分區光照技術(Zonal Illumination For High Dynamic Range Projection)是應用于投射放映的高動態范圍影像顯示技術，采用兩級DLP芯片對光源發出的光進行雙調制來實現高動態范圍影像的顯示，技術原理類似于復合雙層液晶顯示技術。

圖6 高動態范圍投影分區光照技術原理圖解

高動態范圍投影分區光照技術將傳統DLP數字放映機光路中的單級DLP芯片升級為兩級，采用兩級DLP芯片對光源發出的光進行調制(如圖6中所標注的15和13)，一級DLP芯片調制產生的動態范圍大約為3個數量級，兩級DLP芯片調制產生的動態范圍大約為6個數量級。配合激光光源使用，高動態范圍投影分區光照技術在獲得較高的峰值亮度的同時，還能夠獲得足夠大的動態范圍。

圖7 科視Eclipse E3LH激光放映機

高動態范圍投影分區光照技術是科視公司的專利，僅用于科視公司生產的電影放映機。科視最新推出的Eclipse E3LH激光放映機，采用6DLP技術，動態范圍可達20,000,000∶1。

5影像顯示技術展望

不同顯示技術具有不同的優勢，同時也存在各自的問題。例如：OLED容易出現殘影(Image retention)以及老化(Burn in)現象；FALD背光區域劃分不夠精細，在顯示高反差畫面時容易出現光暈(Blooming)，造成清晰度下降；Dual-layer LCD由于結構特性容易產生視差效應(Parallax Effect)而導致視覺失調(Parallax error)，影響圖像質量等。不過，這些問題都在隨著技術的改進而不斷改善。

與此同時，新的技術也正在悄然興起并開始普及，如：微型發光二極管顯示技術。微型發光二極管(Micro LED)是指發光單元尺寸在 100μm以下的LED。Micro LED技術屬于自發光顯示技術，具有高亮度、高對比度、高飽和度、低延時以及低能耗等特點，是高動態范圍影像顯示技術的又一選擇。近兩年，三星、LG、TCL都相繼展示了基于Micro LED技術的顯示設備，其中TCL展示的“電影墻”(Cinema Wall)峰值亮度可達1500cd/m，動態范圍可達2,500,000∶1。目前，Micro LED電視機已經在市場發售，相信不久將會進入專業領域。

此外量子點(Quantum dots)技術也逐步進入顯示領域，與OLED中使用的有機發光材料相比，量子點基材料具有更純凈的顏色、更長的使用壽命、更低的制造成本和更低的功耗，因此將有可能成為下一代顯示技術研究的核心。

6總結

從黑白到彩色再到寬色域，從標清到高清再到超高清，從標準動態范圍再到高動態范圍，顯示技術發展的目標就是為了讓人們從顯示設備上獲得的視覺感受盡可能接近人眼直接觀看自然界中相同場景時的感受。

注釋

①最小有效黑電平(Minimum Active Black Level)是指顯示設備所能產生的非零的最低亮度。