合力创造更优表现:将 HDR(高动态范围)与量子点结合

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我最近有幸出席了电影电视工程师协会 (SMPTE) 年会,而举办地点就在市中心的好莱坞,旁边就是史上著名的 TCL 中国剧院(此前名为格劳曼中国剧院)。

我密切关注这一活动多年,因为其中总会产生有价值的内容和伟大的思想,而今年尤其具有重大意义。像往常一样,来自电影和广播电视行业的数百名专业人士在这里齐聚一堂,讨论研究成果,展示最新的技术创新,最终推动行业内更广泛的标准化。

其中,三个重要主题受到了最多的关注:

  1. 超高清 (UHD) 影院和电视即将迎来历史性变革,向更加令人身临其境、更逼真的内容呈现,远远超过我们目前所知的 4K 分辨率。
  1. 这一过渡很大程度上是受两种技术的驱动,人们通常会把这两种技术分开讨论,但它们的相互联系和互补正在日益加深,它们就是:高动态范围 (HDR) 和宽色域 (WCG)。
  1. 显示器制造商们并没有被动等待标准的成形,这意味着市场上将出现多种 HDR,包括与 WCG 结合(例如量子点)的不同版本,展示视觉质量整体效果的最大提升。

超越 4K

自从电视在 20 世纪 40 年代初创至今,主要创新周期的成果大同小异。新技术的引入推动了新的更先进内容的产生,由此推动了对更先进的电视和显示器的需求,等等。这些周期当中大多数聚焦于提高屏幕分辨率和尺寸,而非色彩和视觉效果的显著改进,正如以下时间线所示:

Blog色彩似乎屈居于分辨率和尺寸增加之后。例如,21 世纪初期,当整个行业从模拟信号向数字信号广播转变,从 NTSC Rec. 709 标准转变时,色彩表现实际上显著变少。

现在,我们正处在这样的主要创新周期中,从 HD 向 UHD 转变,但随着不断发展成形,这一周期与以往任何周期都大不相同。我们不仅仅是在推动分辨率从 1080p 到 4K 的显著提升,我们也在依靠 WCG 和 HDR 推动色彩表现和视觉效果取得前所未有的跨越式发展(更不用说其他正在涌现的技术,例如高帧率)。

诸位可能注意到了,最近大家都在谈论有关这两项技术的新闻,这是有充分的理由的。

我在 SMPTE 看到的许多 HDR 展示品比迄今为止我看到的任何其他市售产品都要好。这里甚至还有 94% BT。使用量子点的 2020 显示器显示出即便在最好的 OLED 显示器上也无法显示的色彩。

演示内容有明显更深的黑色和更丰富的色彩,与 4K 分辨率结合后能够带来沉浸式显示体验,是真正值得人欣赏的体验——有时我感觉我实际是在透过一扇窗户观看真实发生的场景。

但是,SMPTE 上最热烈的讨论中并没有涉及 HDR 的画质潜力。这一点已经得到广泛认可。每个人心中真正的问题是找到实现这一目标的最佳途径。

亮度问题

讨论的焦点是,最大亮度的必要等级及其对电镀光学传递函数 (EOTF) 的影响。这里有一篇写的很好的介绍 EOTF 背景知识的文章。

亮度是根据每平方米的发光强度计算的 (cd/m2),通常称为尼特,而且事实上也反映出亮度在一个人的视野内的不同区域会显著变化的特点。一些在阴影或黑暗中的区域可能亮度非常低,甚至低于 1 尼特,而其他区域在全光照射下可能达到 15,000 或更高的尼特数。

目前所用的参照显示器校准为最大亮度值 100 尼特,最小亮度值 0.117 尼特,大大限制了显示器准确再现我们在真实世界实际所见景象的能力。HDR 旨在通过引入更接近自然世界的亮度范围来解决再现自然景象的问题。但是,要增加尼特值,需要更亮的 LED 背光灯,这将增加系统的整体电力需求。

所以,真正的问题就是,显示器制造商如何才能达到显著提升 HDR 所需的尼特数值,而同时仍然满足严格的能耗标准,如美国的“能源之星”标准和中国的 E.E.I. 标准? 回答这一问题不仅取决于显示器制造商能够从背光灯中挤出多少亮度,还取决于未来采用什么 HDR 标准。

竞争激烈的 HDR 标准

两个最重要的 HDR 标准都聚焦于 EOTF。

其中一个标准已经被杜比公司发展为“杜比 Vision”平台的一部分。这一标准也已经在 SMPTE 标准 2084 中正式确立。SMPTE 2084 可以实现 10,000 尼特的最大亮度,并在所有广播节目中使用负载式元数据流。元数据提供关于相应的内容最初如何被掌控的信息,以及哪些内容可以使兼容显示屏能够自动调节设置来达到显示效果的最优化。由于这一元数据流,2084 内容不可向下兼容,所以无法在老款电视上播放。

另一竞争标准是 Hybrid Log Gamma (HLG),由 BBC 和 NHK 开发和支持。HLG 可以在最高尼特值为 2000 的显示器上实现 17.6 光圈的动态范围,黑色亮度可达到 0.01 尼特,这是在传统相机 EOTF 曲线的上半部分添加对数函数的当前标准的进化。因此 HLG 可以向下兼容,而且 HLG 内容也可以在标准动态范围电视或 HDR 电视中播放。

在这一点上,HLG 似乎对广播电台有优势,因为它整体复杂度低,而且可以向下兼容。但是,很可能两种 HDR 标准都会在商业化显示器中使用。例如,LG 宣布他们的 2015 年版 4K 电视将支持 HLG 和 SMPTE 2084 两种标准。

关于量子点

无论最终哪种 HDR 标准占据主流,有一点是确定的:制造商需要通过节约成本的 HDR 途径达到既能提供令人惊叹的画质,又能节约能源的目标,而这正是量子点发挥优势的领域。

除了更高的亮度等级外,HDR 电视还将要求 WCG 标准实现最优画质,而在这一点上,最有潜力的候选者是 2012 年引入的 BT.2020(通常被称为 Rec.2020)。

使用量子点的商业显示器——而且特别是边缘光量子点解决方案——是实现最大 BT.2020 覆盖最节约能源的方式。

这很大程度上是因为量子点本身就具有光子效率,使得几乎每个入射光的光子都能被下转换为较窄光谱范围内的光子。结果就是光子点电视对于同一色域展示需要的能源显著减少。例如,对于同一等级的色彩,我们的 Color IQ 解决方案需要的能源比传统的 LED 电视减少约 50-100%。

这不仅为制造商提供了一条明确的节能 HDR 之路,使未来的显示器拥有广泛的色域,而且还帮助实现了我们公司的主要目标之一:将最好的色彩呈献给最多的人。毫无疑问,这一话题在 SMPTE 圈子中将变得更加热门, 而且随着国际消费电子展 (CES) 即将来临,HDR 和量子点的结合很可能造就下一个重大创新。

 

作者:QD Vision 产品营销经理 John Ho

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