邁向4K，HDR先行

胡澄宇

（湖北廣播電視臺，湖北 武漢 430000）

1.行業現狀

進入新時代，娛樂爆發、信息膨脹、經濟飛速增長，人們對影視娛樂的追求表現出層級分明的特點。既有追求輕松便攜移動享受的手機族、平板族大量增加，還有大量追求大屏電視、高端投影等更高層次影音體驗的人群。隨著人民生活水平提高，精神文化追求的提升，越來越多的人愿意為高層次的體驗買單。[1]

工業和信息化部、國家廣播電視總局共同組織制定4K的技術規范和標準，伴隨而來的就是電視設備發展飛速進入4K時代，縱觀整個消費市場，電視接收機行業已經全面進入4K超高清階段。但4K超高清內容生產并未跟上，而且難以在短期內突破。

2.廣電面臨的問題

廣播電視正處在高清向4K超高清發展的過渡階段，很多廣播電視臺剛完成全臺技術系統的全高清化建設。如果廣電行業馬上全面開展4K超高清技術體系建設，實現難度大，易造成過度投資，而且并不能迅速形成內容生產能力。這主要是相較高清而言，一方面是4K技術系統的投資巨大，建設難度成倍增加；另一方面，4K節目的生產工藝更加復雜。

廣電行業面臨終端顯示技術突飛猛進，需要在保護投資的前提下，確定向4K超高清過渡的技術路線，明確技術體系向4K發展中優先解決的重點環節，然后再逐步實現“采、編、播、管、存、發”技術體系的4K全面過渡。廣電行業作為最大的內容生產商，在面臨海量高畫質內容需求且4K系統短期內無法跟上的同時，必須考慮首先解決如何提升畫面品質的問題。[2]

因此，廣電行業需要首先從制播技術環節入手，大幅提升畫面品質，滿足高畫質內容收視的實際需求，最終實現平穩過渡。

3.4K標準和規范的分析

工業和信息化部、國家廣播電視總局共同組織制定的《超高清視頻標準體系建設指南（2020版）》中制作和參數規范部分，明確表明高動態范圍（HDR，High-Dynamic Range）電視制作和交換圖像參數值依據國際標準ITU-RBT.2100-1（后簡稱BT.2100）；根據BT.2100的規范，分辨率（容器像素數）包含：7680×4320、3840×2160、1920×1080。

按照標準，HDR節目制作是支持以上三種分辨率的。而且在BT.2100中明確定義了，4K分辨率和HDR不是綁定關系。因此除了提升分辨率，還可以從HDR入手，也是改善畫質的有效方法。[3]

4.使用HDR技術提升收視體驗

4.1 超高分辨率的有限影響

4.1.1 人眼的分辨率是有限的

電視技術的發展經歷了黑白到彩色、標清到高清的發展歷程。黑白到彩色，將畫面從單調呆板變得生動活潑。標清到高清，讓畫幅從4：3變為16：9，分辨率也提升4倍多，讓畫面中能展示的元素更多更細致，視野也更貼近人眼的真實視覺感受。4K超高清則將分辨率更進一步提升4倍，讓畫面細節前所未有的細膩真實。

雖然視頻技術一直在進步，設備的分辨率不斷提高，但人眼的視覺能力是一定的。根據成熟的研究成果，由于光成像會受到衍射影響，人眼作為一個光學器件，也會受此影響。[4]因此，實際成像與人眼所看到的成像會有差別，不會形成理想幾何成像，那么顯示設備的顯示像素在人眼視覺中就會變成光斑，類似艾里斑，導致人眼在現實中較難分辨顯示屏上的像素點間隙。

當兩個像素過于靠近的時候，其表現出來的像素光斑會重疊，難以分辨是一個像素還是兩個像素，在光學體系中是存在分辨極限的，而這個分辨能力可以用瑞利判據進行測算。人眼分辨率同樣必須滿足瑞利判據：

△Q＝1.22λD

人眼的瞳孔直徑D為2mm～9mm，取中間值D為5mm，可見光中心波長也就是人眼最敏感的波長為5500埃，因此人眼的分辨極限角為1（一分）。當物體對人眼的視角小于1（一分）時，人對物體的細節就不能分辨，看起來就是一點，這時物體在視網膜上的像剛好是一個感光細胞的大小。

通過以上分析，人眼的分辨能力是有限且可以量化的。

4.1.2 超高清的分辨率對普通觀眾的影響有限

視頻圖像分辨率是指在整幅圖像的寬度和高度上構成圖像像素點數的集合。例如，標準的HD（高清）分辨率圖像是指在水平方向上具有1920個像素點、縱向上有1080個像素點；目前廣電標準的4K分辨率圖像在水平方向上具有3840個像素點、縱向上有2160個像素點。

目前廣泛使用的圖像像素均為正方形像素。則只需要針對單一方向上的像素進行測算，即人眼較為敏感的水平方向。根據顯示終端設備的物理屬性進行計算：

屏幕上HD分辨率圖像上兩個相鄰像素間距：

DHD＝W/1920；

屏幕上4K分辨率圖像上兩個相鄰像素間距：

D4K＝W/3840；

人眼可以分辨的圖像上兩個相鄰像素間距：

Dres＝X*W*tan1。

其中X＝D/W，X為觀眾與屏幕距離的關系（比值），W為屏幕寬度，D為觀眾到屏幕的距離。

若DHD/DRES≥1時，DHD≥DRES；同樣，若D4K/DRES≥1時，D4K≥DRES，則可以根據瑞利判據斷定此時人眼能分辨像素間距，此時可以看出畫面是由點狀像素組成，畫面效果粗糙。

若DHD/DRES＜1時，DHD＜DRES；同樣，若D4K/DRES＜1時，D4K＜DRES，則表示人眼已經無法分辨畫面像素間距，此時屏幕畫面平滑細膩。

由此可以推算出針對HD（高清）、4K（超高清圖像）的分辨臨界值：

HD（高清）圖像：

4K（超高清圖像）：

其中X是觀眾距離屏幕的距離與屏幕寬度的比值，因此只需要測算X即可確定觀眾是否能分辨HD（高清）與4K（超高清）的實際觀看區別。

目前市場上電視機銷售量最大的為55寸和65寸兩種規格，取較大尺寸電視進行測算。

65寸電視的屏幕寬度W= 80.94cm，一般觀眾在客廳或臥室的觀看電視的距離D為3m-4m，實際上極少能達到4m，取均值3.5m，則可以推算出X=D/W=3.5/0.8094=4.32；此時分辨系數計算如下，

高清圖像的分辨系數：

4K超高清圖像的分辨系數：

根據瑞利判據，在此觀看條件下，HD高清視頻和4K超高清視頻都能達到平滑細膩的顯示效果，而且均超出了人眼的實際辨別能力，都能滿足日常觀賞的需求。

因此在現階段，絕大部分觀眾，是較難區分4K和高清在分辨率上的差別。

4.2 HDR對收視體驗的積極影響

4.2.1 亮度影響分析

人眼除針對分辨力指標外，還有一套人類視覺系統（the Human Visual System，HVS）來描述人眼特性對光的反應，不同色相的色光作用于人眼會產生不同亮度的感受。而亮度同時在很大程度上受光強度影響，光強度越強，亮度越高，反之亮度則越弱。[5]人眼對亮度的反應主要依靠視網膜上的兩種感光細胞（photoreceptor cell）。在正對瞳孔的中央部位分布著密集的錐狀細胞（cone cell），在中央部位的四周則主要是桿狀細胞（rod cell）。

人眼對亮度適應性非常強，真實世界中的亮度范圍大約在10-6～109cd/m2之間。人眼能夠感知到的最大亮度范圍大約有10-3～106cd/m2，瞬間的視覺動態范圍對比度可以達到1：105。瞳孔的大小可以控制射入視網膜上光線的強度，成年人瞳孔直徑的變化范圍為2～8mm，相當于四級光圈，射入光線的強度相差16倍。兩種視神經細胞所能感受到的亮度范圍如圖所示。

但是人眼對亮度的反應并非是線性的，比如在昏暗的房間內，人們看到的燭光是明亮的，而同樣的燭光放在正午的陽光下，人們甚至連火苗都看不見，說明人眼對亮度變化的反應隨著亮度的增加而減弱。人眼的這種特性近似于對數函數。如下圖所示。

在廣電行業，為了配合人眼視覺特性，能讓觀眾正確的看到畫面所傳遞的內容，從1993年沿用至今的ITU-R BT.709標準針對人眼特點定義了一套OETF（光—電轉換總特性），即目前所使用的SDR（標準動態范圍）標準。其具體內容這里不討論，但值得注意的是這套標準的制定完全受限于當時的技術條件，將峰值亮度定義到100 cd/m2，對比度在1000：1到2000：1，這個標準早已無法滿足實際需求。

為了更好地對真實世界進行還原，提升觀看感受，HDR技術在近幾年開始大力發展。雖然HDR標準有多種，但無論哪種標準，目前都能提供1000 cd/m2以上的峰值亮度，而色彩空間可支持到P3或者Rec.2020。[6]如下圖是BT.709與ST 2084（也就是HDR標準中較為流行的PQ標準）的OEFT/EOTF曲線對比圖，明顯可見HDR模式下，畫面的亮度信號描述能力要遠遠強于原有的BT.709。

4.2.2 色域影響分析

對比傳統的SDR視頻圖像，HDR視頻圖像在色彩上更豐富，目前主流的HDR標準，均支持REC.2020色域，遠大于原REC.709的色域范圍，更接近人眼視覺范圍。具體如下圖所示。

HDR視頻具備更好的高光細節和暗部細節，加強了對比度上的提升，對觀眾而言，能帶來更好的觀看體驗。擺脫SDR影像該亮的“上不去”，該暗的一片“死黑”的問題。讓電視畫面更接近真實世界。

在內容制播環節充分利用HDR技術，能帶來立竿見影的收視效果提升，不需要觀眾貼近屏幕就能分辨出畫面效果優劣。

結語

按照廣電行業目前的狀況，必須制定逐步由高清向4K過渡的技術路線。應該充分利用HDR技術挖掘現有的高清制播系統的潛力，迅速形成大規模的高畫質內容生產能力，滿足市場對高畫質內容的需求，提升廣電行業的影響力，推動廣電行業向4K全面升級，助力媒體深度融合。

通過充分利用HDR技術，逐步完善高畫質內容的生產工藝，以較低的投入換取較高的觀看體驗升級。目前在國際市場上，此模式早已推廣，如NETFLEX、YouTube等以品質和技術著稱的媒體平臺都支持以1080P HDR模式進行觀看，既降低門檻的同時大大提升觀眾的欣賞體驗，還能兼顧移動終端設備收看，2019年后市面上主流的中高端移動設備如手機、平板電腦等均已實現軟硬件支持1080P HDR顯示模式。