寬色域高動態(tài)范圍HDR的超高清顯示

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1、4ATSC3.0視頻表達(dá)地面數(shù)字電視最重要的業(yè)務(wù)內(nèi)容是視頻，以前的地面標(biāo)準(zhǔn)僅支持到HDTV業(yè)務(wù)，ATSC3.0則增加對超高清視頻的支持，支持4kUHD，提供更高質(zhì)量的圖像。高質(zhì)量視頻可通過提高圖像像素的空間特性，增加刷新率的時間特性，擴(kuò)展色度空間以及像素的比特深度等方面實現(xiàn)。ATSC3.0的UHD業(yè)務(wù)視頻特性遵從ITU-RBT.2020，圖像刷新率到120Hz，像素比特深度到10比特，4kUHD像素空間為3840x2160。此外顏色空間的擴(kuò)充和支持HDR顯示成為最主要的圖像質(zhì)量提高措施。4.1BT.2020色空間ITU-RBT.2020將色度系統(tǒng)的紅（R）、綠（G）和藍(lán)（B）三基色色度坐標(biāo)選到

2、了可見光譜色軌跡上，從而色域覆蓋率可更寬，整個三角形的面積比BT.709增加了70%，也就意味著UHD能夠顯示更多的色彩，見圖16。同時，色域在綠、黃、青色區(qū)有顯著擴(kuò)大，由于綠、黃、青色區(qū)是高亮度區(qū)，這對提高光效率也極為有利，不過譜色光目前只有激光才能提供。受電視機(jī)發(fā)光光源的色純度技術(shù)的制約，目前的技術(shù)無論是OLED還是LCD都很難以實現(xiàn)真實的BT.2020色域的覆蓋范圍。目前唯一能達(dá)標(biāo)的是新一代采用RGB激光光源的數(shù)字放映機(jī)。圖16BT.2020和BT.709色域空間比較4.2高動態(tài)范圍（HDR）視頻人眼從真實景物世界所能感覺到的亮度范圍可達(dá)到100,000:1，瞬時對比度范圍可達(dá)到1000

3、0：1（即同一瞳孔開度下可辨別的亮度范圍）。而現(xiàn)今的電視顯示器對比度范圍大致能做到2000:1，遠(yuǎn)達(dá)不到人眼的感知范圍。所以，人們從電視上所看到的僅僅是一個屏幕表現(xiàn)，而非窗外景色的真實再現(xiàn)。圖17表示真實世界中，人眼瞬時可感知的亮度范圍，從暗處的2尼特到明亮處的10000尼2特（cd/cm），其亮度分辨率能力遠(yuǎn)高于目前的任何顯示設(shè)備。圖17真實世界的亮度值CRT曾長期占據(jù)顯示屏統(tǒng)治地位，因此多項光電轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)以CRT特性為基礎(chǔ)制定，至今仍在廣播和顯示業(yè)界發(fā)揮作用。通常CRT電信號到屏幕光亮度之間保持固定的電-光轉(zhuǎn)換特性，如圖18藍(lán)色曲線表示的乘冪規(guī)律，冪指數(shù)為2.4。為此，演播室視頻信號需實現(xiàn)預(yù)

4、校正，使人眼對景物亮度呈近似線性的觀感。ITUBT.601，BT.709和BT.2020均規(guī)定演播室信號的預(yù)校正Gamma值為0.5，與CRT固有的Gamma值2.4相乘，則系統(tǒng)傳遞景物光強(qiáng)的Gamma值為1.2，這是人眼在室內(nèi)較暗環(huán)境觀看圖像較為適宜的變換值，它較好地反映了人眼視覺系統(tǒng)對真實世界景物的客觀響應(yīng)。圖18伽瑪校正BT.709及以前的電視系統(tǒng)為兼顧顯示器光電轉(zhuǎn)換特性，對攝像機(jī)信號進(jìn)行非線性光電特性的預(yù)校正特性參數(shù)，還有一個作用是將模擬的視頻噪聲在顯示亮度范圍內(nèi)均勻分配，使整個電視系統(tǒng)達(dá)到獲得最佳的觀看效果。但冪指數(shù)為0.5的預(yù)校正壓縮了景物圖像的亮度范圍，使高亮度區(qū)域信號表現(xiàn)力不足

5、。以CRT為主的顯示器亮度不超過100尼特，BT.709及其以前的廣播標(biāo)準(zhǔn)中，包括量化為8bit甚至10bit的數(shù)字電視信號，均建立在屏幕亮度不超過100尼特的基礎(chǔ)上。而現(xiàn)今消費級別液晶顯示器亮度可達(dá)到400尼特，高質(zhì)量產(chǎn)品可達(dá)到1000尼特，某些專門用途的商用產(chǎn)品則可實現(xiàn)4000~5000尼特的高亮度。這類新型顯示器光電特性基本為線性，若沿用BT.709的預(yù)校正特性，則完全不能發(fā)揮其效能，即便采用BT.709的10bit信號，也只是提高暗光區(qū)分辨率，對高亮度區(qū)域沒有貢獻(xiàn)，難以實現(xiàn)高動態(tài)范圍顯示。圖19不同的光電轉(zhuǎn)換特性中亮度和信號碼量化級的對應(yīng)關(guān)系為擺脫以CRT為基礎(chǔ)的光電轉(zhuǎn)換特性束縛，實現(xiàn)

6、HDR顯示，現(xiàn)已有多個創(chuàng)新的標(biāo)準(zhǔn)化建議，其中杜比vision提出的感知量化（PQ，perceptualquantizer）成為SMPTEST2084標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)高達(dá)10,000尼特屏幕亮度，BBC提出的10bitHDR建議，支持1000尼特HDR顯示。圖19給出幾種光電轉(zhuǎn)換特性的比較，其中BT.709只有100尼特亮度范圍，DICOM是醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定醫(yī)學(xué)圖7像質(zhì)量，10bit可實現(xiàn)5000尼特以上的高亮度，杜比Vision則有10高動態(tài)范圍，支持10,000尼特亮度，BBC的HDR方案亮度則可支持到1000尼特。圖像數(shù)字化處理以后，視頻噪聲主要來自于量化，如何用盡量少的bi

7、t數(shù)來實現(xiàn)更大的動態(tài)范圍是人們研究追求目標(biāo)。人眼對亮度變化的分辨能力與亮度的大小有關(guān)，研究人眼心理物理學(xué)特性的Weber定律指出，可察覺的物理亮度差與亮度成正比。也就是說，人眼在可察覺亮度差的邊界上，Weber分?jǐn)?shù)（ΔL/L）是常數(shù)。人眼錐細(xì)胞的Weber分?jǐn)?shù)在2%~3%之間，表示受試者能可靠地檢測出物理亮度在2％到3％的變化。Barten根據(jù)人眼心理物理學(xué)規(guī)律，并經(jīng)過大量試驗得出復(fù)雜的Barte