對於圖像顯示技術而言， 追求貼近人眼所能見到的真實世界是必然趨勢。 在4K電視技術的普及、廣色域的使用， 以及視頻播放流暢度提高到60fps， 都已逐步朝人眼所見前進。 而下一關卡， “亮度動態範圍”是目前圖像顯示畫質欲突破的關卡。 此時， “高動態範圍 (High Dynamic Range， HDR)”就應運而生， 成為近年在國際消費性電子展(CES)， 圖像顯示技術最熱門的討論議題， 各家音像製造廠商更以提高圖像的動態範圍為目標， 相繼投入高動態範圍技術， 並訂定出相關標準， 期望對此高規格品質把關。
本文首先簡要介紹了HDR技術；然後深入介紹了目前知名的PQ-HDR——“杜比視界 (Dolby Vision)”提出的感知量化編碼，
HDR技術
究竟， 電視/電影和手機/相機講的“HDR”到底有什麼不一樣？
HDR， 多數人熟知是應用在相機的拍攝上， 然而相機上所使用的HDR技術與電視視頻的HDR， 是完全不一樣的事情。
手機/相機的HDR：多數人應該都有逆光拍照的經驗， 大部份逆光拍照的結果， 不是陰影部分黑漆漆一片， 就是明亮部分全都過飽和。 因此， 手機/相機的HDR， 就是利用加減曝光指數所拍攝的多張圖像， 再通過晶片將這幾張圖像演算成為一張完整的相片；或是，
電視/電影的HDR：指的更像是一種標準/格式， 由於視頻屬於持續的動態圖像， 如果要求顯示器每一格都像照相機一樣由3到5張組合， 傳輸的頻寬勢必會增加3到5倍， 這在現實的環境是達不到的。 視頻所討論的HDR便定義在， 如何把先進高動態廣色域的攝影圖像重新分佈， 並傳輸給顯示器， 讓顯示器能正確的還原先進高動態的圖像——這也是作者在宜特實驗室協助TFT/IPS電視及投影機等多項產品廠商進行HDR調校時發現多數廠商關切的議題。
將HDR技術運用至顯示器
首先討論杜比實驗室(Dolby Laboratories Inc.)的Dolby Vision與BBC/NHK如何將HDR技術運用至顯示器，
(一) Dolby Vision PQ-HDR EOTF(感知量化-HDR電光轉換功能)
2014年就可以看到杜比實驗室公告的Dolby Vsion白皮書， 內容是杜比實驗室投入HDR的成果， 此後在電影電視工程師協會(The Society of Motion Picture and Television Engineers；SMPTE)收納為SMPTE 2084規範， 使HDR不僅成為動態視頻錄製及播放的討論重點， SMPTE 2084所定義的版本也成為業界沿用HDR產品的第一代規範。
杜比HDR的核心技術叫做“感知量化 (Perceptual Quantizer， PQ)”的電-光轉換功能(EOTF， 將電信號轉為可見光)， 這項技術將亮度標準定義在10,000Nits(普通的電視亮度僅100-200nits左右)。 但是， 目前還沒有實際顯示裝置能達到這一亮度， 因此目前Dolby Vision的亮度目標是4,000nits。
目前針對亮度處理的技術包括CMOS與CCD感測器， 均已能感應高動態範圍亮度的圖像， 然而， 如何將HDR圖像正確處理、儲存並傳輸至顯示器？Dolby通過重新安排亮度分佈曲線、增加傳輸及處理深度(bit width)達12bit、製作環境參數(meta data)後送等方式，
1. 重新安排亮度分佈曲線以及增加傳輸與處理深度達12bit
Dolby的主要核心技術EOTF建構在兩部分上：依照Barten Ramp重新安排亮度分佈曲線；以及增加傳輸與處理深度12bit。
根據Barten Ramp， 暗部(亮度極低時)人眼視覺靈敏度較低， 亮度極高時， 人眼對對比的感覺較飽和， 而這個曲線是建構在人眼剛剛好可以分辨的亮度改變(JND)上。 由圖像輸出端的光-電轉換功能(OETF， EOTF的反向)曲線， 可以得知當暗部的解析度低， 跳階比較粗， 亮部視覺比較靈敏， 所以跳階比較密。 而正確的亮度分配， 正好可以把暗部多出來的階數貢獻給明亮部分，
增加傳輸與處理深度達12bit， 則可以確保此分佈變化不至於使視覺觀察到不連續的狀況， 而總體亮度也可獲得更多階數的處理單位。
圖2：PQ-HDR圖像輸出端的OETF曲線， xy座標皆為0~10000亮度
不過， 任何圖像修正或重新分佈的技術， 必須同時提供還原的模式，否則在應用上會有一定的困難。圖像輸出前的技術即為OETF，而圖像輸出後制處理過的視頻技術，定義為EOTF，兩者都是一條“非線性的曲線”。然而，在處理亮度校正及色域轉換議題時，必須先將信號還原成“線性曲線”，以減少後續處理的複雜度。
圖3：PQ-HDR圖像輸出端的EOTF曲線，x座標為0~1標準化亮度，y座標為0~1,024的10位元編碼
在圖像分佈曲線成功還原後，HDR 將“亮度”及“色域”兩路分開處理，Dolby的處理方式之一是將YCbCr色域先轉為IPT色域，再處理亮度及色彩飽和度。而色域映射(Gamut mapping)更提出由更複雜的3D查閱資料表(3D LUT)來完成。
當然，使用這種HDR的技術在EOTF線性還原之後，並不一定要使用與上述一模一樣的處理方式，多數的晶片都具備有其他定制化處理方式，差別在最終的畫質好壞而已。
圖4：PQ-HDR IPT處理方式之一
2. 製作環境參數後送
要能使顯示器正確的還原圖像，錄影及後制的環境因素必須傳輸給顯示器，才能得到更精確的圖像還原。製作HDR環境參數必須包含以下幾項重要資訊(CEA-8614.3規範及HDMI2.0a規範皆可看到詳細資訊定義)：
‧信號源的RGBW色域範圍
‧顯示器的最大/最小亮度值
‧視頻內容的最大亮度值(MAX CLL)
‧一個畫面中的最大亮度平均值(MAX Fall)
在實際應用案例上，例如宜特實驗室收到多數送來測試的HDR視頻，大多都以DCI P3色域及Mastering 4000 Cd/m2占多數，其他部分有些資料並不正確，因此顯示器在處理時可能要有一些機制判斷環境參數是否為合理值。
在HDR信號處理完畢之後，顯示器在處理系統時，還必須設法把亮度曲線校正為較適合人眼的Gamma 2.0~2.4，以及顏色還原到顯示器定義的色域範圍，才能完成HDR的顯示流程。
所以，正確的校正流程應該是由信號源產生HDR的亮度信號，並產生對應的環境參數，顯示器收到環境參數後計算出適當的還原曲線，並校正為符合顯示器規格的亮度分佈。
(二) BBC/NHK的HLG-HDR對應方案
英國BBC及日本NHK電視臺，也提出了對應的HDR 方案，稱之為對數伽瑪分佈(Hybrid Log-Gamma；HLG)，相對於Dolby 的PQ-HDR，HLG在應用上的方便性，是不需要Meta data 的傳輸，並在大部分既有的顯示晶片上經過運算就可以執行，最後，再經過最終顯示器亮度及色域的校正，便能達到HLG所宣稱的效果(技術細節參考ITU-R BT.2100.0規範)。此版本也成為業界沿用HDR產品的第二代規範。
圖5：HLG-HDR處理方塊圖
與PQ-HDR類似的，HLG-HDR也同樣提出對應的OETF曲線，但是在HLG的作法上比較單純也相對精確，信號源部分將亮度依照HLG OETF分佈編碼。而顯示器部分則根據反向的OETF (OETF-1)，先將信號線性化再做定制化的亮度及色彩修正，最後再根據顯示幕幕的最大、最小亮度及環境亮度還原為HLG定義的亮度分佈，稱之為光-光轉換功能(OOTF)。
‧OOTF部分HLG特別加入了環境的亮度，實驗的結果是以對數(Log)的方式呈現，關係式如下：
r=1+(1/5) *Log(Ypeak / Ysrround)
‧完整的EOTF則包含OOTF部分：
Yd=αYsr+β
α=Lw-Lb (for Y range 0~1)，β=Lb
Lw: 標準亮度峰值
Lb: Display luminance for black.
目前，HLG的最大亮度只在1,000Cd/m2下討論，並不像PQ-HDR可以延伸到4000甚至10,000Cd/m2。有趣的是在ITU-R BT.2100附錄中提到了PQ-HLG相互轉換的方式，其實只要能夠還原成線性曲線，各規範之間互轉其實都做得到的。
為HDMI導入HDR及其對應認證標準
由於HDMI是顯示型消費性產品的主要介面，多數顯示產品會傾向先取得HDMI HDR的認證(HDMI2.0a)，作為導入HDR產品的第一步。
HDMI協會在2015公告了HDR的標準後，便成為第一個導入HDR的有線傳輸介面，不再局限於圖像串流的應用。
HDMI目前對於HDR的認證僅限於協定(Protocol)的部分，認證專案包括：
‧HF1-53:Source Dynamic Range and Mastering InfoFrame–High Dynamic Range
‧HF2-54:Sink EDID–HDR Static Metadata Data Block
‧HF3-21:Repeater Repeated Output Port HDR
‧HF3-22:Repeater Repeated Output Port Source Functionality HDR
‧HF3-23:Repeater Repeated Input Port HDR
‧HF3-24:Repeater Repeated Input Port Sink Functionality HDR
從作者在宜特信號測試實驗室協助客戶取得HDMI2.0a認證與HDR定制化演算法調校與量測的實際經驗中發現，大部分的客戶顯示器機種，除了“延伸顯示辨識編碼”(EDID，即有關廠商名稱解析度與序號等螢幕資料)的編輯可能有些小問題之外，客戶通常都可以非常順利取得認證。
本文來自《電子工程專輯》2017年4月刊，版權所有，謝絕轉載
必須同時提供還原的模式，否則在應用上會有一定的困難。圖像輸出前的技術即為OETF，而圖像輸出後制處理過的視頻技術，定義為EOTF，兩者都是一條“非線性的曲線”。然而，在處理亮度校正及色域轉換議題時，必須先將信號還原成“線性曲線”，以減少後續處理的複雜度。圖3：PQ-HDR圖像輸出端的EOTF曲線，x座標為0~1標準化亮度，y座標為0~1,024的10位元編碼
在圖像分佈曲線成功還原後，HDR 將“亮度”及“色域”兩路分開處理，Dolby的處理方式之一是將YCbCr色域先轉為IPT色域，再處理亮度及色彩飽和度。而色域映射(Gamut mapping)更提出由更複雜的3D查閱資料表(3D LUT)來完成。
當然，使用這種HDR的技術在EOTF線性還原之後，並不一定要使用與上述一模一樣的處理方式，多數的晶片都具備有其他定制化處理方式，差別在最終的畫質好壞而已。
圖4：PQ-HDR IPT處理方式之一
2. 製作環境參數後送
要能使顯示器正確的還原圖像，錄影及後制的環境因素必須傳輸給顯示器，才能得到更精確的圖像還原。製作HDR環境參數必須包含以下幾項重要資訊(CEA-8614.3規範及HDMI2.0a規範皆可看到詳細資訊定義)：
‧信號源的RGBW色域範圍
‧顯示器的最大/最小亮度值
‧視頻內容的最大亮度值(MAX CLL)
‧一個畫面中的最大亮度平均值(MAX Fall)
在實際應用案例上，例如宜特實驗室收到多數送來測試的HDR視頻，大多都以DCI P3色域及Mastering 4000 Cd/m2占多數，其他部分有些資料並不正確，因此顯示器在處理時可能要有一些機制判斷環境參數是否為合理值。
在HDR信號處理完畢之後，顯示器在處理系統時，還必須設法把亮度曲線校正為較適合人眼的Gamma 2.0~2.4，以及顏色還原到顯示器定義的色域範圍，才能完成HDR的顯示流程。
所以，正確的校正流程應該是由信號源產生HDR的亮度信號，並產生對應的環境參數，顯示器收到環境參數後計算出適當的還原曲線，並校正為符合顯示器規格的亮度分佈。
(二) BBC/NHK的HLG-HDR對應方案
英國BBC及日本NHK電視臺，也提出了對應的HDR 方案，稱之為對數伽瑪分佈(Hybrid Log-Gamma；HLG)，相對於Dolby 的PQ-HDR，HLG在應用上的方便性，是不需要Meta data 的傳輸，並在大部分既有的顯示晶片上經過運算就可以執行，最後，再經過最終顯示器亮度及色域的校正，便能達到HLG所宣稱的效果(技術細節參考ITU-R BT.2100.0規範)。此版本也成為業界沿用HDR產品的第二代規範。
圖5：HLG-HDR處理方塊圖
與PQ-HDR類似的，HLG-HDR也同樣提出對應的OETF曲線，但是在HLG的作法上比較單純也相對精確，信號源部分將亮度依照HLG OETF分佈編碼。而顯示器部分則根據反向的OETF (OETF-1)，先將信號線性化再做定制化的亮度及色彩修正，最後再根據顯示幕幕的最大、最小亮度及環境亮度還原為HLG定義的亮度分佈，稱之為光-光轉換功能(OOTF)。
‧OOTF部分HLG特別加入了環境的亮度，實驗的結果是以對數(Log)的方式呈現，關係式如下：
r=1+(1/5) *Log(Ypeak / Ysrround)
‧完整的EOTF則包含OOTF部分：
Yd=αYsr+β
α=Lw-Lb (for Y range 0~1)，β=Lb
Lw: 標準亮度峰值
Lb: Display luminance for black.
目前，HLG的最大亮度只在1,000Cd/m2下討論，並不像PQ-HDR可以延伸到4000甚至10,000Cd/m2。有趣的是在ITU-R BT.2100附錄中提到了PQ-HLG相互轉換的方式，其實只要能夠還原成線性曲線，各規範之間互轉其實都做得到的。
為HDMI導入HDR及其對應認證標準
由於HDMI是顯示型消費性產品的主要介面，多數顯示產品會傾向先取得HDMI HDR的認證(HDMI2.0a)，作為導入HDR產品的第一步。
HDMI協會在2015公告了HDR的標準後，便成為第一個導入HDR的有線傳輸介面，不再局限於圖像串流的應用。
HDMI目前對於HDR的認證僅限於協定(Protocol)的部分，認證專案包括：
‧HF1-53:Source Dynamic Range and Mastering InfoFrame–High Dynamic Range
‧HF2-54:Sink EDID–HDR Static Metadata Data Block
‧HF3-21:Repeater Repeated Output Port HDR
‧HF3-22:Repeater Repeated Output Port Source Functionality HDR
‧HF3-23:Repeater Repeated Input Port HDR
‧HF3-24:Repeater Repeated Input Port Sink Functionality HDR
從作者在宜特信號測試實驗室協助客戶取得HDMI2.0a認證與HDR定制化演算法調校與量測的實際經驗中發現，大部分的客戶顯示器機種，除了“延伸顯示辨識編碼”(EDID，即有關廠商名稱解析度與序號等螢幕資料)的編輯可能有些小問題之外，客戶通常都可以非常順利取得認證。
本文來自《電子工程專輯》2017年4月刊，版權所有，謝絕轉載