朱宏宣

(北京電影學(xué)院中國(guó)電影高新技術(shù)研究院，北京 100088)

1高動(dòng)態(tài)范圍影像簡(jiǎn)介

高動(dòng)態(tài)范圍影像(High Dynamic Range video，HDRv)是近年來(lái)逐漸興起的一種影像類型，它通過(guò)采用更多的位深、更先進(jìn)的傳遞函數(shù)(Transfer Functions)來(lái)提升影像記錄景物亮度范圍的能力。

借助高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示設(shè)備，高動(dòng)態(tài)范圍影像可以展現(xiàn)出比標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍影像更高的對(duì)比度、更豐富的層次，其亮度上的表現(xiàn)更接近人眼的感知范圍，配合其他的影像技術(shù)，可以使人們獲得更加逼真的視覺體驗(yàn)。

高動(dòng)態(tài)范圍影像與更早出現(xiàn)的高動(dòng)態(tài)范圍圖像(High Dynamic Range Image,HDRI)不同。從獲取的角度來(lái)說(shuō)，高動(dòng)態(tài)范圍圖像最常見的獲取方法是通過(guò)一組曝光量不同的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍圖像經(jīng)融合而成，而高動(dòng)態(tài)范圍影像則主要通過(guò)具有高動(dòng)態(tài)范圍影像獲取能力的數(shù)字?jǐn)z影機(jī)直接拍攝得到。從顯示的角度來(lái)說(shuō)，高動(dòng)態(tài)范圍圖像一般是在普通顯示設(shè)備上顯示，需要經(jīng)過(guò)色調(diào)映射(Tone Mapping)將其轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍圖像，以適應(yīng)普通顯示設(shè)備較低的動(dòng)態(tài)范圍。盡管經(jīng)過(guò)色調(diào)映射后的圖像仍具有豐富的影調(diào)層次，但采用壓縮動(dòng)態(tài)范圍產(chǎn)生的影調(diào)層次關(guān)系卻并不同于原始的場(chǎng)景，也不符合人們的視覺習(xí)慣。相比之下，高動(dòng)態(tài)范圍影像則是在高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示設(shè)備上顯示,通過(guò)將其轉(zhuǎn)換成為符合某種高動(dòng)態(tài)范圍電光傳遞函數(shù)(EOTF)的影像，再經(jīng)過(guò)色調(diào)映射，即可在不同亮度范圍的高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示設(shè)備上顯示，呈現(xiàn)出高對(duì)比度、層次豐富的影像。

可以說(shuō)，高動(dòng)態(tài)范圍影像的最終顯示是高動(dòng)態(tài)范圍影像得以展現(xiàn)的關(guān)鍵。為了讓影像記錄的動(dòng)態(tài)范圍充分發(fā)揮出來(lái)，人們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)了不同類型的高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示技術(shù)以滿足不同使用環(huán)境中的放映顯示需求。

2影像顯示技術(shù)基本原理

顯示技術(shù)根據(jù)影像產(chǎn)生的原理不同大體可分為兩類：一類是通過(guò)發(fā)光單元自發(fā)光產(chǎn)生影像，即影像是由發(fā)光單元直接發(fā)出的不同亮度色度的光構(gòu)成，如CRT、PDP、LED、OLED等，這類顯示技術(shù)被稱為自發(fā)光顯示技術(shù)或主動(dòng)發(fā)光顯示技術(shù)；另一類是通過(guò)光源調(diào)制發(fā)光產(chǎn)生影像，即影像是由光調(diào)制單元對(duì)光源發(fā)出的光調(diào)制而產(chǎn)生的不同亮度和色度的光構(gòu)成，如LCD、DLP、LCoS等，這類顯示技術(shù)被稱為調(diào)制發(fā)光顯示技術(shù)或非主動(dòng)發(fā)光顯示技術(shù)。

從動(dòng)態(tài)范圍的角度來(lái)說(shuō)，自發(fā)光顯示技術(shù)一般可以產(chǎn)生較低的最小有效黑電平，隨著發(fā)光材料技術(shù)的進(jìn)步，峰值亮度也在逐漸提高，采用不同自發(fā)光顯示技術(shù)的顯示設(shè)備能達(dá)到的動(dòng)態(tài)范圍跨度可以從2～3個(gè)數(shù)量級(jí)到5～6個(gè)數(shù)量級(jí)。調(diào)制發(fā)光顯示技術(shù)所能產(chǎn)生的亮度范圍由被調(diào)制的光源亮度決定，光源亮度低，黑電平與峰值亮度也相對(duì)較低，光源亮度高，黑電平與峰值亮度也相對(duì)較高，因此采用這類顯示技術(shù)的顯示設(shè)備，其動(dòng)態(tài)范圍一般只有2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。

3高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示技術(shù)分析

人眼對(duì)于亮度刺激的反應(yīng)與適應(yīng)過(guò)程是極為復(fù)雜的，盡管人眼的感光細(xì)胞能夠接收的亮度范圍可以達(dá)到10～ 10cd/m，但綜合了視網(wǎng)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(shí)(Near-instantaneous)靈敏度僅為5～6個(gè)數(shù)量級(jí)，這個(gè)數(shù)量級(jí)就是高動(dòng)態(tài)范圍影像所要達(dá)到的基本要求。根據(jù)目前不同組織制定的高動(dòng)態(tài)范圍影像標(biāo)準(zhǔn)(表1)，高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示的亮度范圍基本都在5個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

表1 不同高動(dòng)態(tài)范圍影像的標(biāo)準(zhǔn)

LED、OLED等自發(fā)光顯示技術(shù)在產(chǎn)生較低的最小有效黑電平同時(shí)還能產(chǎn)生較高的峰值亮度，動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到5～6個(gè)數(shù)量級(jí)，滿足高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示所需，而CRT、PDP等自發(fā)光顯示技術(shù)動(dòng)態(tài)范圍僅為2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，受顯示特性的限制難以將動(dòng)態(tài)范圍提升至高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示所需。調(diào)制發(fā)光顯示技術(shù)受顯示原理的限制，僅采用均勻光源和單調(diào)制的顯示方式無(wú)法產(chǎn)生足夠大的動(dòng)態(tài)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(diào)制發(fā)光的高動(dòng)態(tài)范圍顯示技術(shù)最常用的方法是：采用高亮度的光源來(lái)提升峰值亮度同時(shí)采用雙調(diào)制技術(shù)來(lái)降低黑電平，以此提升其動(dòng)態(tài)范圍。

到目前為止，基于上述兩類顯示技術(shù)設(shè)計(jì)的高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于顯示領(lǐng)域，這些顯示技術(shù)包括：基于自發(fā)光顯示技術(shù)的發(fā)光二極管顯示技術(shù)、有機(jī)發(fā)光二極管顯示技術(shù)，基于調(diào)制發(fā)光顯示技術(shù)的全陣列局部調(diào)光顯示技術(shù)、復(fù)合雙層液晶顯示技術(shù)以及高動(dòng)態(tài)范圍投影分區(qū)光照技術(shù)，接下來(lái)我們就這幾種顯示技術(shù)進(jìn)行分析介紹。

4幾種高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示技術(shù)原理

4.1發(fā)光二極管顯示技術(shù)

發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode，LED)顯示技術(shù)是一種廣泛使用的自發(fā)光顯示技術(shù)，它通過(guò)LED發(fā)光單元組成的矩陣來(lái)顯示影像，每一個(gè)發(fā)光單元對(duì)應(yīng)顯示一個(gè)像素。LED的自發(fā)光特性可以通過(guò)完全不發(fā)光而產(chǎn)生絕對(duì)的黑以及極低的最小有效黑電平，也可以產(chǎn)生極高的峰值亮度。

在數(shù)字電影領(lǐng)域，采用發(fā)光二極管顯示技術(shù)的高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示設(shè)備主要用于直射式電影屏幕，目前符合DCI認(rèn)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(dá)500cd/m，最小有效黑電平低至0.00173cd/m，動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)105∶1。

圖1 三星Onyx Cinema LED直射式電影屏幕示意

4.2有機(jī)發(fā)光二極管顯示技術(shù)

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

有機(jī)發(fā)光二極管顯示技術(shù)在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用逐年增加，應(yīng)用范圍包括視頻監(jiān)視器、顯示器、電視機(jī)、手機(jī)、電子手表、數(shù)字儀表盤等。在數(shù)字電影領(lǐng)域，采用有機(jī)發(fā)光二極管顯示技術(shù)的高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示設(shè)備多用于主控監(jiān)視器，目前已經(jīng)問(wèn)世的4K分辨率的監(jiān)視器產(chǎn)品型號(hào)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(gè)采用OLED顯示技術(shù)的高動(dòng)態(tài)范圍視頻監(jiān)視器，屏幕尺寸為30″，分辨率為4096×2160。其峰值亮度可達(dá)1000cd/m，最小有效黑電平低至0.00097cd/m，動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)106∶1。

4.3全陣列局部調(diào)光顯示技術(shù)

全陣列局部調(diào)光(Full Array Local Dimming，F(xiàn)ALD)顯示技術(shù)，簡(jiǎn)稱局部調(diào)光、區(qū)域背光或動(dòng)態(tài)背光，是基于LCD顯示的高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示技術(shù)，它采用全陣列LED作為背光光源，LCD作為顯示單元，通過(guò)對(duì)全陣列LED背光進(jìn)行分區(qū)亮度調(diào)節(jié)和對(duì)LCD顯示進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)雙調(diào)制，既可以產(chǎn)生較高的峰值亮度，也可以產(chǎn)生較低的黑電平。

在傳統(tǒng)LCD顯示技術(shù)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(chǎn)生高亮度的背光，同時(shí)還可以根據(jù)影像的內(nèi)容來(lái)調(diào)節(jié)不同區(qū)域(Zone)LED陣列的亮度(Local Dimming)，實(shí)現(xiàn)局部背光的亮度控制，與LCD配合顯示能夠有效提升顯示設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍。

圖2 不同類型的背光示意圖

圖3 全陣列局部調(diào)光技術(shù)顯示原理示意圖

全陣列局部調(diào)光顯示技術(shù)是較為復(fù)雜的高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示技術(shù)，它需要將影像信號(hào)分為兩部分：一部分用于驅(qū)動(dòng)背光LED，另外一部分用于驅(qū)動(dòng)LCD。全陣列局部調(diào)光顯示技術(shù)主要用于顯示器、電視機(jī)。在數(shù)字電影領(lǐng)域，采用全陣列局部調(diào)光顯示技術(shù)的高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示設(shè)備產(chǎn)品型號(hào)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(gè)區(qū)域，亮度分級(jí)可達(dá)4096級(jí)。其峰值亮度可達(dá)3000cd/m，黑電平低至0.001cd/m，動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)106∶1。

4.4復(fù)合雙層液晶顯示技術(shù)

復(fù)合雙層液晶顯示技術(shù)(Dual-layer LCD，Dual-cell LCD，Dual LCD)也是基于LCD顯示的高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示技術(shù)，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(guò)雙層LCD對(duì)LED高亮度背光進(jìn)行調(diào)制，來(lái)產(chǎn)生較高的峰值亮度與較低的黑電平。

圖4 復(fù)合雙層液晶結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 復(fù)合雙層液晶技術(shù)顯示原理示意

復(fù)合雙層液晶中的內(nèi)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(duì)亮度進(jìn)行調(diào)制。相比傳統(tǒng)單層LCD顯示技術(shù)，雙層LCD動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)量級(jí)大約是單層LCD的二倍。另外，復(fù)合雙層液晶技術(shù)可以通過(guò)對(duì)背光光源的進(jìn)一步調(diào)制來(lái)提升其動(dòng)態(tài)范圍。

復(fù)合雙層液晶顯示技術(shù)是可以與OLED媲美的高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示技術(shù)，它同樣需要將影像信號(hào)分為兩部分，分別驅(qū)動(dòng)兩層LCD。近些年，此技術(shù)廣泛用于視頻監(jiān)視器、顯示器、電視機(jī)。在數(shù)字電影領(lǐng)域，采用復(fù)合雙層液晶顯示技術(shù)的高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示設(shè)備產(chǎn)品型號(hào)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(dá)1000cd/m，黑電平低至0.008 cd/m，動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)105∶1。

4.5高動(dòng)態(tài)范圍投影分區(qū)光照技術(shù)

高動(dòng)態(tài)范圍投影分區(qū)光照技術(shù)(Zonal Illumination For High Dynamic Range Projection)是應(yīng)用于投射放映的高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示技術(shù)，采用兩級(jí)DLP芯片對(duì)光源發(fā)出的光進(jìn)行雙調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍影像的顯示，技術(shù)原理類似于復(fù)合雙層液晶顯示技術(shù)。

圖6 高動(dòng)態(tài)范圍投影分區(qū)光照技術(shù)原理圖解

高動(dòng)態(tài)范圍投影分區(qū)光照技術(shù)將傳統(tǒng)DLP數(shù)字放映機(jī)光路中的單級(jí)DLP芯片升級(jí)為兩級(jí)，采用兩級(jí)DLP芯片對(duì)光源發(fā)出的光進(jìn)行調(diào)制(如圖6中所標(biāo)注的15和13)，一級(jí)DLP芯片調(diào)制產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)范圍大約為3個(gè)數(shù)量級(jí)，兩級(jí)DLP芯片調(diào)制產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)范圍大約為6個(gè)數(shù)量級(jí)。配合激光光源使用，高動(dòng)態(tài)范圍投影分區(qū)光照技術(shù)在獲得較高的峰值亮度的同時(shí)，還能夠獲得足夠大的動(dòng)態(tài)范圍。

圖7 科視Eclipse E3LH激光放映機(jī)

高動(dòng)態(tài)范圍投影分區(qū)光照技術(shù)是科視公司的專利，僅用于科視公司生產(chǎn)的電影放映機(jī)?？埔曌钚峦瞥龅腅clipse E3LH激光放映機(jī)，采用6DLP技術(shù)，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)20,000,000∶1。

5影像顯示技術(shù)展望

不同顯示技術(shù)具有不同的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在各自的問(wèn)題。例如：OLED容易出現(xiàn)殘影(Image retention)以及老化(Burn in)現(xiàn)象；FALD背光區(qū)域劃分不夠精細(xì)，在顯示高反差畫面時(shí)容易出現(xiàn)光暈(Blooming)，造成清晰度下降；Dual-layer LCD由于結(jié)構(gòu)特性容易產(chǎn)生視差效應(yīng)(Parallax Effect)而導(dǎo)致視覺失調(diào)(Parallax error)，影響圖像質(zhì)量等。不過(guò)，這些問(wèn)題都在隨著技術(shù)的改進(jìn)而不斷改善。

與此同時(shí)，新的技術(shù)也正在悄然興起并開始普及，如：微型發(fā)光二極管顯示技術(shù)。微型發(fā)光二極管(Micro LED)是指發(fā)光單元尺寸在 100μm以下的LED。Micro LED技術(shù)屬于自發(fā)光顯示技術(shù)，具有高亮度、高對(duì)比度、高飽和度、低延時(shí)以及低能耗等特點(diǎn)，是高動(dòng)態(tài)范圍影像顯示技術(shù)的又一選擇。近兩年，三星、LG、TCL都相繼展示了基于Micro LED技術(shù)的顯示設(shè)備，其中TCL展示的“電影墻”(Cinema Wall)峰值亮度可達(dá)1500cd/m，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)2,500,000∶1。目前，Micro LED電視機(jī)已經(jīng)在市場(chǎng)發(fā)售，相信不久將會(huì)進(jìn)入專業(yè)領(lǐng)域。

此外量子點(diǎn)(Quantum dots)技術(shù)也逐步進(jìn)入顯示領(lǐng)域，與OLED中使用的有機(jī)發(fā)光材料相比，量子點(diǎn)基材料具有更純凈的顏色、更長(zhǎng)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(shù)研究的核心。

6總結(jié)

從黑白到彩色再到寬色域，從標(biāo)清到高清再到超高清，從標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍再到高動(dòng)態(tài)范圍，顯示技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)就是為了讓人們從顯示設(shè)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(chǎng)景時(shí)的感受。

注釋

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