HDR介绍——针对调色师和电影后期制作
第1章 HDR介绍——针对调色师和电影后期制作 | 第1课 HDR介绍——针对调色师和电影后期制作教学主讲 · Final Color / Kevin Shaw
HDR-简介
什么是HDR？为什么说HDR影响重大？HDR会有未来吗？我们该如何看待它？凯文·肖（Kevin Shaw）对这项技术做了些解读。
自2014年以来，“HDR”这个词频频出现，显然，它是电影行业中一次重要且备受争议的发展。令人困惑的是，HDR现在指代三种不一样的事物：
1、HDR在摄影中使用时的含义：通过多次曝光合并以捕捉比通常情况下可得的更大的动态范围。
2、HDR在视觉效果中使用时的含义：在场景线性环境中运行时，可对真实光线进行精准建模。
3、使用亮部明显更亮和暗部通常更暗的显示设备来显示比当前标准（rec 709和DCI P3）更高的动态范围。
显然，需要事先声明一下。本文将不会讨论前两种应用场景——HDR捕捉——也称为HDR照片合成或HDR成像（HDRi）。相反，我们将聚焦于 HDR显示设备——尤其聚焦于以下几个问题：HDR显示设备为什么会出现？它们有何不同？还有，为什么使用HDR显示设备（的效果）更好？什么是HDR？
HDR之类的术语，其含义是相对而言的，且经常随着技术的进步而变化。例如，“HD”经常被用来描述新标准。当黑白405线电视被625线彩色电视取代时，当时的新技术被称为“高清”，不过，这个叫法确实也被用于形容许多更新近的技术变化。
但是，在对HDR一探究竟之前，我们需要摒弃其他一些根深蒂固的迷思。
HDR并不是一时的狂热。它是一种技术转变，且会持续存在。
HDR观看起来并不会让人难受或疲惫。这是一个主观的说法，就像说有人说5.1音频太大声了一样。可能个别情况确实会如此，但凡事都有好例子和坏例子。
HDR没有单一的标准，而且可能永远不会有。高清也没有单一的标准，所以这并不新鲜。
经过提升的亮度本身并不等同于HDR。例如，以1000尼特显示的BT.709图像并不会是HDR，且看起来会很糟糕。HDR是种完全不同的格式，而不仅仅是一种显示技术。
HDR不依赖于4K分辨率、更宽的色域或任何其他与之捆绑的改进。HDR要求图像至少要有10位，并且要求显示设备有足够的动态范围可以处理HDR格式。HDR会持续存在
HDR并不是应影视业需求而生。更为广泛的市场推动了它的应用，现在供应商不太可能会继续同时生产SDR和HDR显示设备了。总会有一种技术在同类中胜出，类似的例子不在其数。
上世纪90年代——CRT被LED、等离子和对电视不那么够格的技术所取代。为什么？因为CRT体积大，无法适配笔记本电脑。我们执着于维持标准，确实也做出了如今出色的屏幕，但情况并非始终如此。
2012年——4K屏幕问世，尽管电影行业中少有人宣扬它们的优越。4K捕捉的出现是有理由的——但交付端却不尽然。甚至消费端媒体也承认4K对家庭使用没有什么好处。然而，计算机和游戏行业需要这种技术，以便在屏幕上显示更大的GUI和更多的窗口。因此，4K会被广泛使用，我们也已经适应了它。
2016年——屏幕越来越亮，以至于标准的BT709内容——继承CRT特性以100尼特制作母版——看起来都不太对劲了。但手机和平板电脑行业需要更亮的屏幕，以使其显示设备在日光和环境光强的区域都清晰可读。此外，研究表明，观众更喜欢HDR显示设备——对立体显示设备和4K设备则没有这种偏好。制造商最终会坚持生产更亮的屏幕，而不供应低至100尼特的任何屏幕（无论如何，现在大多数电视的屏幕都比100尼特亮）。那么，这个最新的变化意味着什么呢？HDR的重要性通常会拿来和HD的引入作比较，但实际上，拿从黑白到彩色的转变作类比会更为贴切。
应用HD需要整个后期制作相应升级，但工作流的许多方面与SD（标清）相同。HD规格主要基于SD。在两者过渡时期，我们有机会采用单一标准，但现实是我们获得了更多的标准。我们如何讲解HDR？
杜比为GTC举办的“HDR拍摄”研讨会
另一方面，（黑白）向彩色的转变与其说是关于技术，不如说是关于审美。黑白内容可以保持黑白并因此为人欣赏，但全球观众更喜欢彩色，并且一旦技术允许，彩色就成了常态。这种转变导致了戏服、化妆及调色等方面的巨大变化。从黑白到彩色的变化更多关乎创意而不是技术，HDR也是如此。两者都是通过技术实现的，但专注于硬件往往是不得要领的做法。
实际上，最大的问题在于试图明确讲解HDR的概念。文字做不到，非HDR显示设备上的图表或图像也做不到。这就像试图解释为什么彩色图像比黑白图像更好看一样。有时，黑白图像可能会更好看，但通常人们会说，彩色图像更逼真细腻。哪怕在同一台或并排的显示设备上显示HDR和SDR，也可能会令人困惑，因为人眼无法同时调整以适应这两种模式。
了解HDR的最佳方法是在SDR显示设备上观看极好的SDR图像，然后在相同的观看环境中在HDR显示设备上观看正确制作的HDR图像。如果你是一位有条件进行恰当监看的调色师，你还可以再做进一步的实验。像往常一样对SDR图像进行调色，然后重新开始，在HDR显示设备上以至少1000尼特进行调色。
这种比较的关键在于，SDR显示设备本身的色彩表现本来可能还不错……但如果在它旁边放一台HDR显示设备就不尽其然了。（对比之下）它的色彩会变得暗淡且平（flat），因为人眼会适应（HDR）增加的动态范围。我以前用监视器和电影院的投影仪向观众展示过这个实验。结果每次都是HDR色彩表现更好——如果不是的话，那一般是调色的问题，而不是格式的原因。
观看体验的改进HDR的重要性
自 2012年四倍HD（又名4K或UHD）问世以来，人们已经对观看体验的改善进行了大量的研究。此前，人们普遍认为像素越高越好。然而，我们所在行业——以及不久之后的消费端评论家——很快意识到，4K分辨率对家庭观看设备来说没有什么改进。随之而来的幻灭感使EBU和其他机构开始重新考虑观看的未来。
他们确定了六个需要改进的领域：分辨率、更高的帧率（HFR）、更宽的色域（WCG）、更高的动态范围（HDR）、更深的色深和更有身临其境感的音频。在这些方面，测试表明HDR是最受欢迎的解决方案，是制作成本最低，也是最容易实现的方案之一。然而，还有第七个需要考虑的因素：压缩。4K像素需要4倍的数据，也会导致更好或更严重的压缩。更好的压缩技术确实会有所帮助，但人们也着实担心技术上更优的图像在经过更高压缩率的压缩后，会导致其在家庭观看设备上的观感更差。4K分辨率意味着数据增加了400%，但收益甚微，而HDR仅仅增加了大概20%的数据，但却带来了巨大的改进。
从下图可以看到，建议改进的领域以六条轴显示，并以标准分辨率为起始端、最高期望值为末端的评估方法按比例显示。以色域为例，图中标明的就是我们实际可见的范围。在图表中，左图为我们当前HD电视的情况，右图为UHD Premium（超高清高阶）的情况（UHD Premium已经可通过亚马逊Prime、奈飞和其他公司的流媒体供家庭设备使用）。
显然，这代表了一次很大的进步，也可以说是挑战了影院放映的优势。类似的改进也正在引入电影院，例如杜比视界电影院就是4K、HDR和WCG。全球有70多家杜比影院在运营，且有大约50部电影已经在其中放映。预计到2017年杜比影院上映的电影数量将再翻一番。（原文最初写于2012-2017期间）*
*2020年更新：现在全球有超过200家杜比影院，并计划再增加200家。杜比视界影院已上映300多部电影。 
HDR的好处
为什么HDR可以提供更好的观看体验？在探讨原因之前，有一点值得我多说几次，那就是，说再多还不如亲身体验一遍。本文不会有HDR前后对比式的展示，因为如果不是在HDR显示设备上看，这些对比都是毫无意义的。
动态范围就是最亮的白色亮度值与最暗的黑色亮度值的比值。因此，提高白色值和降低黑色值都会增加动态范围。OLED显示设备可以关闭光线，实现非常暗的黑色。这看起来不错，但可能有误导性：任何亮度除以0，动态范围都是无限的，这意味着引用的对比度值可能具有欺骗性。
因此，虽然黑色色深的微小变化很重要，但实际上明显更亮的白色更有视觉效果。更亮的白色并非均匀地分布于整个节目内容中，而是散落在各处将反射性白色（如纸张、衬衫和涂料）与光谱高光和光源（如灯、窗户、火和天空）区分开。无论如何，出于实用和经济原因，许多HDR显示设备无法在整个显示区域内实现最大亮度。但额外的高光细节为图像增添了真实感和深度感。
HDR增加的动态范围也带来了对比度的增加，让图像看起来也更清晰了——意味着HDR对清晰度的影响比4K更大。也不是说所有内容都必须使用全部动态范围，但HDR确实创造了更多选择。有了HDR，暗部也不会显得很平。
纪录片《纳米比亚：荒野的精神》（2016）里的蓝天
HDR增加的亮度也改善了调色盘。标准动态范围（SDR）的有限亮度限制了色彩的鲜艳度。所有RGB系统都通过将红绿蓝亮度值设置为最大值来实现最亮的白色，这意味着可能就没有饱和度了。例如，在100尼特（正常BT.709）下，蓝天会随着亮度的增加而变为青色或去饱和，因为当蓝色达到最大亮度值时，红色和绿色通道就会继续增加。在HDR中，蓝色亮度值可以更高，同时可以保持纯粹和饱和。这也是为什么HDR需要至少10位来避免色带（banding）问题的原因。
HDR标准
多年来，电视一直在变亮，我们不需要新的标准，那么为什么现在要改变呢？其实，我们目前的电视和电影的标准都基于伽玛。我们通常制作10位母版（1024级灰阶），其中黑色代码值为0，白色代码值为1023。有合法范围和全范围的规格，但这个概念仍然有效。多年来，我们采用100尼特作为电视标准，48尼特（14英尺朗伯）作为电影的标准。
电影院的低亮度被屏幕尺寸和低环境光所抵消。电视的BT.709母版则基于CRT显示器的响应（技术上称为电光转换函数或EOTF），因为在很长一段时间内，这是唯一的显示器。随着LED、等离子和OLED屏幕的出现，更精确地定义CRT风格就有了必要，且2011年，ITU-R BT. 1886将伽玛添加到了Rec.709标准中。连我们的DCI影院母版也基于伽玛。
BT.709在一系列不同亮度的设备上显示
伽玛曲线方法在一定范围的显示亮度和观看条件下效果很好，但超过约500尼特，观看效果就下跌了——尤其是在较亮的区域——图像显示的对比度也开始变得过高。有趣的是，我们在数字摄影机中使用log曲线来捕捉更宽的动态范围。Log曲线是基于胶片底片的曝光，而不是CRT显示器的。Log材料在新的较亮的显示设备上看起来几乎正常，但随着显示器越来越亮，Log图像的阴影就会看起来很平或被提升。
通过研究在高达10,000尼特的亮度范围内，人眼对光线的感知“差别阈限”（just noticeable difference，缩写JND），杜比开创了一种新方法。其结果即为感知量化（Perceptual Quantization，缩写PQ）EOTF，并于2014年被列入ITU-R BT. 2084。PQ曲线与伽玛有个非常基础的不同面。伽玛忽略了显示亮度，或者更准确地说，它假定的最高亮度较低，约为100尼特。另一方面，PQ曲线是绝对的，因此不同最高亮度的显示设备需要达到正确（显示）level的信号不同——要么需要新的修剪调色，要么需要自动色调映射。另外，4000尼特以上的内容在1000尼特的显示设备上也会被裁切。
BT. 2084（PQ）在不同显示设备上图像亮度保持一致
信号裁切的问题有三种解决方法。
HLG（混合对数伽玛）
早期的杜比演示让BBC印象深刻，于是BBC着手研究了如何在广播电视应用HDR。但他们很快确定，任何元数据的使用都会非常复杂，尤其是对直播来说。因此，他们开发了另一种方法，称为混合对数伽玛（Hybrid Log Gamma，缩写HLG）。顾名思义，简单地说，HLG使用伽玛到伽玛无法用于HDR屏幕的程度，再切换到Log曲线。其结果就是在Log曲线最弱的阴影部分不使用Log曲线，而在伽玛曲线表现不佳的高光部分不用伽玛曲线。
杜比视界
信号裁切问题的理想解决方案是，在可用的最亮显示设备上进行调色——即目前4000尼特的杜比参考级监视器，然后至少进行一次逐个场景的修剪，以将level降至 100尼特。杜比工作流中使用“内容映射单元”（Content Mapping Unit，缩写CMU）来显示BT.709输出，使用的是这些修剪的元数据。杜比视界显示设备使用经许可的技术来读取和显示杜比视界内容。这也受到索尼、LG和Vizio等制造商的支持。杜比视界许可的一个显著优势是，所有屏幕都使用相同的技术，因此这是有史以来第一次不同类型的显示设备之间可以没什么区别，更重要的是，观众看到的内容很可能会前所未有地接近调色后的母版。HDR10
在PQ曲线的应用上，对于不选用杜比视界的其他公司，他们最常用的是HDR10。HDR10使用与杜比视界相同的PQ曲线，但使用的是静态元数据，并对整个项目进行单一调整。这听起来似乎牺牲了图像质量，但大多数HDR10母版是以1000尼特进行调色的，这是UHD Premium的标准，而如果消费级显示设备也能达到1000尼特，则不需要静态元数据。
对于本系列提及的HDR的三种标准，有很多关于某种标准优于其他标准，以及未来选择某种标准的必要性的说法。然而，每种标准都有其用处，并且ITU-RBT.2100支持上述所有标准。对此，音频的发展就提供了一个很好的类比：广播电视通常使用立体声传播节目，而电影院和家庭娱乐市场如今对音频的期望是不低于5.1声道。这些声道中，有些是杜比编码的，有些不是。
好在HDR格式之间的转换相对简单。对于后期制作来说，最实用的方法是从杜比视界母版开始做——最好以4000尼特调色，这需要逐个场景进行修剪并保存为元数据。由此就可以导出HDR10静态元数据，也可以进行HLG转换。从HDR10的1000尼特开始调色，可能没法在更高的亮度电平下显示出重大变化。有时在修剪通道中，有必要对母版的调色进行修改，以便将色调映射到较低亮度时能有更好的成效。如果从HLG母版开始调色，这些变化可能会丢失。
学院ACES性能指标
美国电影艺术与科学学院（Academy of Motion Picture Arts and Sciences，缩写AMPAS）在很早之前就认识到，在标准变化越来越快的世界中，存档和工作流管理是个问题。例如，有许多电影是用胶片拍摄的，它们是先用胶转磁技术针对电视制作的母版，然后再重制成HD，也可再重制成UHD Premium。每个新版本都很昂贵，且即便如此，也无法确定胶片的画质体验是否得到了保留。为了解决这个问题，AMPAS开发了ACES——一种文件格式、色彩空间和一套完整的工作流，以保留捕捉设备的完整信息，哪怕在后期制作中也是如此。显示格式由一系列输出转换完成，使得从ACES母版导出不同标准变得更容易些。ACES是开源的，受到存档者的青睐，也符合开放档案信息系统（Open Archival Information System，缩写OAIS）的推荐做法。从上面的六轴图表就可以看出，ACES项目未来可期！作为一种封装格式，ACES有足够位深和动态范围来适配10,000尼特的亮度峰值。作为色彩空间，它覆盖了整个可见光谱并且独立于帧率、像素和分辨率。
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