瞭解 PQ HDR 及 HLG
HDR（High Dynamic Range 高動態範圍）已成為我們觀看體驗中最受關注的發展之一，它將高解析度（公稱為4K+8K）與高動態範圍（透過PQ - Perceptual Quantize感知量化，或HLG - Hybrid Log-Gamma混合對數Gamma）和廣色域（Wide Colour Gamut Rec2020）相結合。
然而，整個HDR概念的定義仍然很不完善，即使是基礎知識也很難掌握。
HDR
HDR的誕生有些困難，不同的顯示器製造商在HDR10、HDR10+、Dolby Vision和HLG的基礎上，有效的定義了他們自己的HDR規範。
相應的，UHD聯盟已經發佈了所謂明確的（目前）Ultra HD規範，稱為Ultra HD Premium，而Eurofins（歐陸集團）則推出了他們的4K HDR Ultra HD標誌計畫，然而更多的認證標準比比皆是，還有更多的承諾。
除此之外，HDR規格的個別方面可以、且通常是獨立使用。例如，沒有任何東西可阻止具有標準HD、甚至SD解析度的標準色域顯示器（Rec709）與具有高對比的HDR EOTF一起工作。
HDR的問題在於普遍的缺乏對於HDR技術方面的瞭解，及它們對於最終觀看的影像的實際意義。本文著重在一些這樣的問題，並試圖解釋其相關的潛在好處和問題。
PQ & HLG
本文特別著重於PQ和HLG HDR及它們對顯示器校正（Calibration）、影像工作流程、及最終影像觀看體驗的意義。雖然Philips/Technicolor及EclairColor HDR格式，包含在ColourSpace的標準HDR格式選項中，但它們還沒有被廣泛使用，因此在此技術文中將省略，以簡化有助瞭解。
本文涉及的一些問題是：
HDR - 不僅僅只是更亮
絕對與相對 – 觀看環境
中繼資料（Metadata） - 為什麼需要它？
基於PQ的HDR - Dolby Vision、HDR10、及HDR10+
HLG HDR - BBC
HDR - 現實及相關問題
WCG - 廣色域
UHD - 解析度
注意：PQ HDR定義了HDR10、HDR10+、及Dolby Vision，因為它們都使用相同的目標色彩空間 - Rec2020 Gamut，具有相同的PQ EOTF。因此，所有的校正基本上是相同的。基於HLG的HDR則不同。
HDR – 不僅僅只是更亮
關於HDR的最大困惑是，它並不是試圖讓整個影像更亮，不幸的是，這似乎是一個常見的誤解，但其目的是為光譜高光的細節，提供額外的亮度空間 – 例如：金屬鉻的反射、太陽照射的雲、火、爆炸、燈泡燈絲等。
顯然，在調光過程中，調光師/攝影指導(DoP)，及任何其他對於最終影像的樣貌有所參與的人，都可因他們認為適當而自由的使用擴展的亮度範圍。但是，偏離了保持與SDR一致的平均畫面位準的預期應用，將產生意想不到的結果，並被最終的觀看者評估為影像品質差。
必須記住，如果畫面的平均亮度區域很高，許多HDR顯示器無法對輸入訊號的亮度變化，保持線性的輸出亮度回應，只有一小部分螢幕可以有HDR亮度。Eizo CG3145 Prominence是少數能對輸入訊號亮度，保持線性輸出亮度回應的HDR顯示器之一，因為它有效的使用每個像素的背光（Backlight）。
HDR - 它對畫面位準的真正含義
以下內容，直接取自ST2084（PQ EOTF）規範。
“此EOTF（ST2084）的目的，是使創建的視訊影像具有更高的亮度範圍；而不是創建整體具有更高亮度位準的視訊影像。為了在具有不同輸出亮度的設備上呈現出一致性，內容中的平均畫面位準（Picture Level）可能會保持與當前的亮度位準相似；亦即中段範圍的場景曝光（Mid-Range Scene Exposure），會產生當前預期的適合視訊或電影的亮度位準。”
基於PQ的ST2084 HDR規範，最初將預期參考白光（公稱為漫射白光Diffuse White）定義為100尼特（Nit）左右，這與SDR（Standard Dynamic Range標準動態範圍）顯示器基本相同，是為母片製作（調光）Grade -1的應用而規定。對於PQ HDR，100尼特以上的亮度預計只用於光譜高光細節。這意味著對於大多數影像來說，PQ HDR顯示器的平均影像位準（APL - Average Picture Level）與SDR顯示器並沒有明顯的區別。
然而，隨後對基於PQ的HDR影像的評估，顯示出在200尼特左右的漫射白光下，可獲得更好的相對影像。此後，它被ITU的BT.2408規範採用（實際上是203尼特），這是全PQ訊號（輸入）位準的58%。
BBC的HLG HDR標準使用75%的訊號（Input Code Value輸入編碼值）範圍作為公稱漫射白光（Nominal Diffuse White），這顯然是一個“輸出尼特變數”值，因為HLG標準是一個“相對”標準，而不是像PQ那樣的“絕對”。這與現有的SDR標準是一致的，在日間觀看時，在較高的亮度峰值位準（Peak Luma Level）上執行峰值白光（Peak White），就像大多數家庭起居室的情況一樣，這是常見做法。
雖然HLG漫射白光的公稱尼特值，會隨著顯示器的峰值亮度而變化，但1000尼特的顯示器，會將漫射白光放在200尼特左右，類似於基於PQ的HDR；而5000尼特的HLG顯示器，則會將漫射白光放在550尼特左右，這取決於系統Gamma（見後面關於HLG系統Gamma的說明）。
因此，現實情況是HDR主要是增加SDR顯示器的現有亮度範圍，因此在影像的明亮區域可看到更多細節，而現有的SDR影像只是直接的剪切（Clip），或衰減（Roll-Off）影像的細節。
下面的長條圖是SDR（標準動態範圍）影像與PQ HDR等效影像之間差異的簡化圖表。
請注意，APL（平均影像位準）在SDR與ST2084 HDR影像之間保持大致一致，只是對比度範圍和鏡面高光位準（Specular Highlight Level）有所增加。
請記住，100尼特和200尼特之間的差異是對數差異，而不是兩倍的亮度，所以實際上是相當小的。
如果瞭解了HDR的這種公稱漫射白光的方法，並在使用額外亮度範圍的基礎上，創造出鏡面高光的影像，HDR的真正潛力就將不難瞭解。
絕對與相對 - PQ 與 HLG
在家裡看電視時，我們已簡單的接受了一件事，那就是我們所設定的電視峰值亮度，以適應放電視的房間內現有觀看環境為主 - 最常見的就是起居室。這顯然忽略了那些擁有真正環境受控制的家庭劇院設置的視訊愛好者，但他們並不是家庭電視觀看的標準。
雖然我們知道並瞭解SDR調光顯示器將被校正為100尼特，但我們也知道它將被安放在一個受控的調光環境中，環境光線很少。SDR對Gamma的相對方法的好處是，電視可簡單的變得更亮，以克服光源不可控制的環境，包括使用不同的Gamma值。
基於PQ的HDR在家庭觀看中經常被忽視的一個潛在問題是，由於該標準是絕對的，沒有辦法增加顯示器的光源輸出，以克服周圍房間的光源位準 - 峰值亮度不能增加，固定的Gamma（EOTF）曲線也不能增加。
因此我們第一個就指出PQ HDR是絕對標準的這個問題點，Dolby公司推出了IQ，作為試圖克服這個問題的方法。
IQ故意打破PQ標準，試圖為更明亮的觀賞環境將影像“增亮”。
如上面所述，在基於PQ的HDR中，平均影像位準（APL）將與普通SDR影像大致相同。其結果是，在不太理想的觀賞環境中，周圍房間的亮度位準相對較高，PQ HDR影像的大部分將顯得非常黑暗，暗部細節可能變得非常難以看到。在漫射白光目標為200尼特、而不是原來的100尼特漫射白光的情況下，這種情況仍然存在。
為了能夠觀看基於PQ的“絕對”HDR影像，環境光源位準必須得到非常仔細的控制。遠遠超過SDR觀賞的要求，這確實意味著需使用一個真正的家庭劇院環境。
或者，PQ EOTF（Gamma）必須被刻意“打破”，以允許更明亮的影像 - 正如Dolby IQ的方式。
為了支持這一說法，基於PQ的HDR觀看所需的平均環境照明位準被指定為5尼特，而對於SDR，它一直被指定為顯示器最大亮度的10%。不幸的是，SDR的環境光照明規格後來也被（錯誤的）改為5尼特。
PQ - 一個絕對標準
將PQ稱為“絕對”標準，意味著對於每個輸入資料位準，都有一個絕對必須遵守的輸出亮度值，沒有改變的空間，例如：改變Gamma曲線（EOTF），或增加顯示器的光源輸出，因為那已經是最大的輸出了。
（此聲明忽略了動態中繼資料，後面會詳細說明）。
下表顯示了一台 1000 nit (cd/m2) 顯示器的PQ EOTF範例：
有了基於HLG的相對HDR，這個問題就不那麼嚴重了，因為HDR標準可以與傳統SDR電視完全相同的方式進行縮放，且還包括一個基於環境照度（Surround Illuminance）的系統Gamma變數，專門用於克服環境光源的問題。
但是，儘管如此，如果顯示器的峰值亮度（Peak Luma）低於約1000尼特，基於HLG的HDR也有其自己的問題。因為HDR影像的平均影像位準，會比同等的SDR影像顯得更暗。這是由於公稱漫射白光點，低於設置為200至250尼特的SDR電視的實際峰值亮度，這在家庭觀賞環境中是正常的。
關於PQ和HLG標準的EOTF曲線的更多具體資訊，請見後面。
中繼資料（Metadata）
基於PQ的HDR使用嵌入在訊號中的中繼資料，為接收的顯示器提供關於調光顯示的參數及影像內容的資訊，接收顯示器使用這些資訊來“猜測”其最佳組態以顯示影像內容。
注意：使用“猜測”一詞並不是為了否定，而是因為中繼資料的應用，取決於顯示器的準確校正。不幸的是，目前還沒有真正可行的方法來校正HDR電視。
基於PQ的HDR中繼資料有兩種形式 - 靜態（Static）和動態（Dynamic）。
靜態和動態中繼資料都包括母片製作顯示器的RGB原色的色度座標（Chromaticity Coordinate）、白點色度（White Point Chromaticity）、及最小/最大亮度（MinDML & MaxDML）。它還包括最大影格平均亮度（Max Frame-Average Light Level - MaxFALL），及最大內容亮度（Max Content Light Level - MaxCLL），前者是給定程式/序列中最高的影格平均亮度，後者定義了最亮像素的亮度。
靜態中繼資料，正如你所想的那樣，在節目的整個持續時間內使用相同的值，而動態中繼資料則根據需要經常變化 - 可能以逐著影格為基礎。
HDR10使用靜態中繼資料，而Dolby Vision和HDR10+則使用動態中繼資料。
中繼資料 - 是否真的需要？
真正需要中繼資料的原因只有一個 - 當HDR被導入時，沒有電視可匹配母片製作/調光顯示器的亮度峰值及色域覆蓋，尤其是是亮度峰值。由於基於PQ的HDR的“絕對”性質，沒有與母片製作示器相同的亮度峰值是一個問題，因為影像會被裁切（Clip）。為了克服這個問題，導入了中繼資料，允許HDR電視重新映射影像內容，以試圖克服其較差的能力 - 對EOTF/Gamma曲線套用Tone Map衰減（Roll-Off）。
這種動態中繼資料是如何產生，也有助於定義它的播放方式，有助於瞭解整體的方法。
但現實情況的是，使用中繼資料只是扭曲了導演和調光師的意圖，可能會失去色彩調光所產生的預期情緒反應。
請參閱後面的HDR - 現實及相關問題。
中繼資料的生成和應用
在調光/母片製作過程中產生中繼資料的基本方法是，首先在專業的HDR顯示器上對HDR內容進行調光，沒有任何形式的衰減（Roll-Off）/色調（Tone）映射（Mapping），使用最高的亮度和色域（公稱是P3色域，在1000到4000尼特之間）。然後，HDR調光過的鏡頭，會透過一個分析系統，將HDR影像重新映射（Re-Map）為SDR，試圖保持原來的HDR原意，添加動態中繼資料來定義HDR原始版本和SDR版本之間的變化。通常，調光師會協助進行“修剪（Trim）”過程的調光，以幫助保持原來的藝術原意。
透過這種方式，中繼資料描述了從HDR母片到SDR版本的“調光”變化。
有了這個中繼資料，當HDR素材在峰值亮度和/或色域小於原始母片顯示器的HDR顯示器上播放時，顯示器會使用動態中繼資料，根據電視的播放能力，將素材重新映射至SDR調光及全HDR調光之間。
而問題是，很少有家用電視能準確的套用正確的映射，這嚴重扭曲了鏡頭的原始藝術意圖。
然而，許多家用電視現在已接近於匹配調光顯示器的峰值亮度和色域能力，尤其是大多數HDR母片是在1000至2000尼特的顯示器上調光，這使得對中繼資料的要求，成為未來一個有趣的問題。如果觀看的電視能夠與調光顯示器相匹配，為什麼還需要中繼資料？答案是，不需要...
而非基於PQ的HDR，如：HLG，並不需要中繼資料，這是使用基於相對HDR標準，而不是絕對HDR標準的主要區別之一。
HDR 顯示器校正的比較
瞭解上述關於需要或不需要中繼資料之後，為如何比較不同的HDR顯示，帶來了一個有趣的想法。
假設現代的HDR顯示器，都能達到一個給定的最小峰值亮度，例如：1000尼特，一個HDR訊號源母片製作為1000尼特，使用的色域在90% P3的UHD規格範圍內，應該不會在播放顯示器中觸發任何基於“中繼資料”的處理（色調映射/退減），就可直接比較不同顯示器的基本校正精度。
從此第一次的比較中，再將相同的顯示器比較不同的來源素材，這將是一個相對簡單的額外步驟，這些來源素材的母片製作為2000+尼特，具完整的P3色域，使顯示器的色調映射/衰減可各自單獨比較。
基於這一概念，ColourSpace有一個子空間（Sub-Space）的能力，例如：讓P3在Rec2020容器中進行剖析（Profiled）。
注意：使用中繼資料的另一個潛在原因是，讓接收電視瞭解它應該使用雙串流HDR影像串流的哪一部分。有這種形式的中繼資料的HDR，使用雙層影像串流，一個是SDR的基礎層、一個是HDR和WCG的增強層。不瞭解HDR的SDR電視只使用基礎層，而相容HDR的電視則可將基礎層與增強層結合起來。但這種中繼資料對顯示器的影像色度測量（Colourimetry）及校正沒有影響。
PQ HDR - Dolby Vision、HRD10 和 HDR10+
ST2084為基於PQ的Dolby Vision、HDR10和HDR10+等HDR格式，定義了EOTF（Gamma）。
PQ HDR是基於具有10,000尼特最大亮度能力的理論“參考”顯示器，所有“現實世界”的顯示器都參照這個理論顯示器，並具有如下的Gamma曲線（Electro Optical Transfer Function – EOTF 電子光學傳輸函數）。
如果你將它與標準的Rec709 Gamma曲線相比較，差異是顯而易見的，要記住HDR的範圍是10,000尼特，而SDR的範圍則是100尼特。
注意：由於基於PQ的HDR是一個“絕對”標準，基於10,000尼特的峰值亮度，而Rec709是一個相對標準，沒有設定峰值亮度值，實際上很難直接比較Gamma（EOTF）曲線。最接近的方法是將Rec709的峰值亮度值與1000尼特的ST2084顯示器進行比較，如下所示。
有趣的是，這顯示了與基於Rec709的顯示器校正相比，基於PQ的HDR在暗部中是多麼的“暗”，特別是當Rec709顯示器的亮度峰值被提高時。這是基於PQ的HDR的主要問題之一 - 整體畫面亮度比大多數家庭使用者所習慣的要低很多，使得在正常明亮的客廳環境中觀看非常困難。這就是為什麼PQ HDR的公稱漫射白光被調整為約200尼特的部分原因，在後面的觀看環境考慮的部分做進一步的討論。
對於PQ HDR，不同的顯示器會有不同的峰值亮度位準，因此需要修改EOTF曲線的裁切點（Clipping Point），例如：Dolby的4000 nit Pulsar顯示器，它需要的HDR Gamma曲線的峰值是在PQ標準的90%左右。
注意：只有裁切點不同，曲線是絕對的，所以保持一致 - 見本節的第四張圖。
SONY的BVM-X300顯示器需要一個峰值為PQ標準75%的EOTF，因為BVM-X300顯示器的峰值為1,000尼特，而PQ標準的最高值為10,000尼特。
而下面的PQ HDR EOTF曲線，透過比較顯示了100 Nit顯示器的顯示效果。
注意：上面這些圖表，都是標準化的0到1的範圍。為了進行更容易瞭解的比較，我們確實需要將所有的曲線映射到它們的真實絕對值，如下圖所示。（請記住，這些圖表是線性、不是對數，所以人眼看到的視覺效果是誇張的）。
如果我們將圖形改為以對數比例（Log Scaling）顯示，使輸出對人眼來說是正確的，我們會得到如下的結果。
同樣的情況，可以在本文稍後的“HDR White Levels”圖中看到。
值得注意的是，無論其他地方是怎麼說，但沒有HDR標準可產生“更深的黑”，因為它們是由顯示技術可達到的最小黑色位準所設定，而現在的SDR（標準動態範圍）Rec709標準，已使用了任何特定顯示器上可達到的最小黑色。相同的，HDR不能產生更好的暗部細節，忽略目前的8 Bit SDR藍光標準與10 Bit HDR的區別，10 Bit的SDR會有更好的實際暗部細節。
HDR - 現實的黑
“目前電視和藍光標準將最大亮度限制在100尼特，最小亮度限制在0.117尼特…”
不幸的是，充其量這只是個不準確的說法，更糟糕的是，它是一種行銷上的誇張，因為藍光格式對最低、或最高亮度位準，沒有這樣的限制，因為這些值是由顯示器的設定來定義的 - 記住SDR是一個相對標準，而不是絕對的。最低位準（黑色位準）通常只是顯示器可達到的最低位準，範圍從OLED顯示器的非常暗（例如：0.0001尼特）、到便宜的LCD顯示器的更高位準（大約0.03尼特、甚至更高）。家用電視的最大亮度，通常被設定得更高，以便克服房間環境的光源位準，許多家用電視被設定為300尼特、甚至更高。
注意：“最低位準（黑色位準）通常只是顯示器能夠達到的最低位準”的說法，是指通常OLED黑色可能太低，使用者通常選擇將它提高，以防止暗部細節被裁切/擠壓，而這在家用HDR OLED中變得更加明顯。
當原始SDR藍光素材在調光時，所使用的顯示器將校正為80-120尼特（100尼特是常見的平均值），在一個受控的調光環境（黑暗環境）中，黑色位準約為0.001-0.03尼特，這取決於所使用的顯示器（儘管較高的值通常用於保持在更廣泛的家庭電視上觀看時的“愉快”影像，其黑色位準為可變！）。如前面所述，當在家庭環境中觀看藍光時，通常有必要將電視設定為更亮的位準，以克服房間內環境的光源位準。
HDR - 暗部也是
實際情況是，基於PQ的HDR對黑色位準沒有任何作用，對暗部細節亦是如此 - 不管那些不太瞭解的人、或廣告行銷可能會說的是什麼。
用不準確的資訊來宣傳HDR的“好處”的一個很好的案例是，可在YouTube上看到，改善暗部細節被說成是HDR比SDR所帶來的好處之一…這是不正確的。實際情況是，SDR影像可能只是調光較差，甚至可能是故意的，以便提倡HDR。HDR並沒有提供比SDR更多暗部細節的好處。
而實際上，由於基於PQ的HDR所使用的EOTF曲線，在正常的家庭觀看條件下，與相同影像的SDR版本相比，黑色往往會被“壓掉（Crushed）”。這一點可從環境照明位準（Illumination Level）得到證實，該位準被指定為HDR的首選，亦即5尼特，而對於SDR，它最初被指定為顯示器最大亮度的10%。這種巨大的差異表明在環境光位準（Ambient Light Level）無法控制的環境中觀看，HDR暗部/陰影往往會被沖洗掉/裁切。
在現實中，一個10比特的SDR影像，有可能比基於PQ的HDR影像有更好的暗部/陰影細節。
不同的觀看環境確實需要不同的顯示Gamma，而基於“絕對”PQ的HDR標準無法解決這個問題。
暗部裁切（Clipping）/壓掉（Crushing）
在黑色位準（Black Level）方面還有一個潛在的問題，因為沒有顯示器可達到零黑度（Zero Black），因此會在相對於顯示器的最小黑度位值上自然的裁切輸入訊號，這是由於PQ EPTF的“絕對”性質。這意味著任何PQ顯示器都需要某種形式的“暗部”衰減來防止裁切，但這反過來又會加劇黑色位準較高的顯示器上壓掉陰影。
這個問題被廣泛忽視，是的，這可能是造成HDR顯示器的陰影剪切/壓掉的原因，其PQ EOTF表現得很差。
下面的影像模擬了SDR影像與PQ HDR影像的對比。（顯然，由於你的顯示器不能調整其峰值亮度，這種模擬相當折衷，但它確實顯示了影像的主體，在亮度上保持相對一致，而擴展的動態範圍允許在高光部分看到額外的細節）。
顯然的，在現實世界中，HDR的額外動態範圍將用於影像重新調光的創意上，以受益於額外的動態範圍 - 但擴展的高光細節，是HDR的真正的事實及潛在的好處。
不同的顯示器和基於 PQ 的 HDR
不同的HDR顯示器顯然有不同的峰值亮度能力，因此顯示的影像將需要裁切至可用的峰值尼特值，如上述PQ EOTF圖表所所定義。這個“峰值亮度裁切（Peak Luma Clip）”是由訊號中的中繼資料控制，定義了用於執行調光的顯示器的峰值亮度，播放用顯示器用它來設定正確的“裁切”位準。
如何進行這種裁切 - 硬裁切（Hard Clip），如上述EOTF曲線 - 或以衰減軟裁切（Soft Clip），在Dolby Vision之外尚未定義，Dolby Vision是一個完全定義的HDR標準，從拍攝到交付各方面，都按照預先設定的規格進行管理，但任何顯示器製造商都需要支付授權許可費用。
因此，現實情況是，即使兩台顯示器具有完全相同的峰值尼特能力，也不可能以相同的方式呈現相同的影像，因為用於亮度峰值色調映射（Peak Luma Tone-Mapping）的過程不會完全相同。
峰值亮度和 Bit Level
由於PQ標準是一個絕對的標準、不是相對的，每一個亮度位準都有一個等效的Bit Level。對於一個10 Bit的訊號，其位準如下：
10,000 nits = 1023
5,000 nits = 948
4,000 nits = 924
2,000 nits = 847
1,000 nits = 769
400 nits = 668
100 nits = 519
0 nits = 0
這意味著，任何給定的基於PQ的HDR顯示器，將只使用全部訊號範圍的一個子集（Sub-Set），一個1000尼特的顯示器最大為769 Bit Level，其餘254個位準則被裁切。
注意：這種對於顯示影像的子集範圍的使用，是Dolby為基於PQ的HDR指定12 Bit、而不是10 Bit的重要原因。
除此之外，如上所述，還有一個關於黑的問題，因為沒有顯示器可達到零黑度，因此會在相對於最小黑的Bit Level上自然的裁切輸入訊號，這是由於PQ EPTF的絕對性質。這意味著任何PQ顯示器都需要某種形式的“陰影”衰減以防止裁切，但這反過來又會在黑度較高的顯示器上，加劇壓掉陰影。
另一種HLG標準是一種相對標準，因此總是使用完整的Bit Level，而不考慮任何給定顯示器的亮度峰值，並在顯示器的最小黑和最大白之間顯示映射的影像，因此不會出現黑色裁切/壓掉的現象。
HLG HDR
與基於PQ的HDR不同，BBC HLG HDR標準不是一個絕對的標準，相反的，它是相對的，不管任何給定的顯示器的實際亮度峰值為何，EOTF Gamma曲線始終是全範圍。除此之外，HLG標準還包括一個EOTF修正器（Modifier），該修正器根據顯示器的周圍亮度來改變EOTF。
BBC的HLG標準是為高達5000尼特的顯示器而設計，因此低於ST2084標準的10000尼特，但隨著現實中HDR顯示器實際能夠達到的峰值亮度位準，可能已經綽綽有餘。
然而，儘管如此，如果顯示器的峰值亮度低於約1000尼特，HLG也有它自己的問題，因為HDR影像的平均影像位準，會比同等的SDR影像顯得更暗。這是由於公稱的漫射白光點（Diffuse White Point）低於設定為200至250尼特的SDR電視的實際峰值亮度，這在家庭觀看環境中是正常的。
上述所有BBC HLG曲線，都是基於10尼特的低“環境”照度（Surround Illumination）。
正是這個“環境”值對家庭電視的使用特別重要，因為除了使用顯示器的峰值亮度（Peak Luma）來計算EOTF外，BBC的HLG標準還使用顯示器的環境照明來改變系統Gamma，如下圖所示，一個1000 Nit的顯示器。
不同顯示器和 HLG
由於HLG格式不依賴中繼資料，因此在不同的顯示器上，可能有更好的影像一致性。
除此之外，使用顯示器的環境照明來改變系統Gamma，試圖調整顯示器的校正，以應對不同的觀看環境。這是第一次真正嘗試在不同的觀看環境中提供“觀看一致性（Viewing Consistency）”。
這是基於PQ的HDR所掙扎的一個區域，因為它需要一個控制良好的觀看環境…
HLG 和 RGB 分離
BBC的HLG標準已內建了對可變系統Gamma的補償。
該標準與正常情況一樣，首先使用RGB分量的加權和計算來源的亮度（在系統Gamma之前）。目標亮度是透過對來源亮度應用純數學Gamma函數來計算，RGB通道按來源亮度和目標亮度的比例進行縮放。
這引入了色彩交叉耦合（Colour Cross Coupling），透過RGB分離圖（RGB Separation）可看到，這既合乎預期、也是校正HLG顯示器時無需擔心的。
HDR - 現實與相關問題
HD有一些問題，特別是基於PQ的問題，其中一個最大的潛在問題是，由於通常被稱為眼睛過度疲勞，實際上它們觀看起來可能是痛苦的。
亮度與人類眼睛
亮度過高的問題在於人眼巨大的動態範圍，它的動態對比度約為1,000,000:1，即約24檔（Stop），與眼睛的靜態動態範圍（Static Dynamic）之間存在差異。
正是眼睛的動態適應能力，讓我們能在黑暗環境中及在明亮的陽光下看到細節。
然而，在任何一個特定的時間，人類的視覺系統只能在這個巨大範圍的一小部分運作。正是這種靜態動態範圍，當人類視覺系統處於完全適應的狀態時，在“一般”觀看距離下觀看家庭電視和一些電影院的電影時，它是啟動的。雖然對於人眼的靜態動態範圍沒有什麼準確的數字，但許多人都認為，對於一般的觀看環境來說，它大約是10,000:1，也就是大約12檔。
除此之外，還需要考慮人類視覺系統的適應性反應 - 在黑暗場景和明亮場景之間適應所需的時間，反之亦然。明亮到黑暗的過渡，通常需要幾分鐘的適應時間，而黑暗到明亮的適應則明顯較快，但仍然經常需幾10秒，甚至幾分鐘的時間。
這很容易能體驗，只要從黑暗的房間裡望向窗外、眼睛從窗外移至房間裡。當眼睛適應了亮度的變化後，房間的細節就會慢慢顯現出來。
除此之外，由於電視的尺寸相對較小，再加上標準的觀看距離 - 3米左右 - 整個電視螢幕都在人眼的高清晰度中央視角內（5°至15°），這意味著人類的視覺系統無法對不同區域的亮度做出獨立的反應 - 被卡在完全適應的狀態中，因此觀看者只能使用人眼的靜態動態範圍。
為了獲得HDR概念中的真正的好處，顯示器需佔據的實際觀看角度為45°，對於55吋的普通大電視來說，這意味著坐在距離螢幕1.65公尺（65吋）的地方。
（請參閱“解析度”一節）
所有這一切的真正含義是，一個具有過度HDR的顯示器，將可能在正常觀看距離內造成真正的眼睛疲勞，且很可能難以觀看。
HDR - 不正確的假設
通常描繪HDR的方式的一個案例，是使用類似於下面的圖表，顯示現實世界的廣動態範圍（Wide Dynamic Range）目前是如何被減少至SDR電視（標準動態範圍電視）的有限動態範圍，及HDR將如何保持更多的原始場景範圍。
上述圖片在網路上廣為散佈，儘管該圖片似乎源於AMD的一個演講，並被用來展示HDR與SDR的假定優勢。但是，該圖片包含一些錯誤和不正確的假設。
正如前面所定義的，人眼不能同時看到超過約10,000:1的動態範圍。
基於上述觀點，將左側影像描述為“人類動態範圍”是錯誤的。（正確的描述應該是原始場景動態範圍 - Original Scene Dynamic Range）
任何顯示器的黑度都與SDR與HDR無關 - 黑永遠只是顯示器能達到的最黑的黑。（用於SDR或HDR的相同顯示技術，將產生完全相同的黑色位準，忽略了HDR投影中螢幕高亮度區域的影響，這將提升整體黑色位準）。
由於上述原因，右上角的影像是錯誤的，錯誤的顯示了提升的黑色。
同樣由於上述原因，對SDR引用0.05尼特最小值和對HDR引用0.0005尼特最小值是不正確的。
沒有HDR顯示器可以達到10,000尼特。
大多數家用電視已遠遠超過100尼特 - 通常在250-400尼特之間。
如果我們修正圖表的顯示，我們會得到以下結果，甚至好心的引用0.0005尼特的黑色，結合1000尼特的HDR，正如我們在下面看到的，以今天的顯示技術，這是不可行的，因為任何具有如此高的白色峰值的顯示器，將具有更高的黑色位準。
HDR - 黑色位準
值得再次重申的是，無論其他地方怎麼說，沒有任何HDR標準可以產生“更深的黑色”，因為它們是由顯示技術可達到的最大黑色位準設定的，而現在的SDR（標準動態範圍）Rec709標準，已使用了任何特定顯示器上可達到的最小黑色。
在現實世界中，一個超標的HDR顯示器，將是一個峰值亮度超過650至1000尼特的顯示器。
（觀看環境越暗，眼睛疲勞發生前的峰值就越低，這將導致HDR的另一個問題 - 見下面的“觀看環境考慮因素”）。
Ultra HD聯盟似乎意識到了這一點，實際上對於今日的HDR顯示器，有兩種不同的規格：
0.05 nits to ≥1000 nits
0.0005 nits to ≥540 nits
這種雙重規格的存在，是由於任何具有較高亮度峰值的顯示器，也將具有較高的黑點，而具有較低黑點的顯示器，將具有低很多的峰值白色值 - 例如，LCD與OLED。
PQ HDR – 白色位準
值得指出的是，由於人眼對光照度變化的對數反應，今天的SDR（標準動態範圍）Rec709的100尼特“標準”，實際上是基於PQ的HDR的10,000尼特峰值位準的50%左右。
（注意：“標準”加上引號表示，是因為Rec709是一個相對的標準，因此按比例調整峰值亮度以克服環境光線問題，是一個可以接受的方法，而PQ HDR是一個基於絕對尼特的標準，因此不能按比例調整。）
下圖顯示了參考不同峰值白色位準時的實際情況。
顯示幕亮度的變化
最大的問題之一，尤其是基於PQ的HDR，其實HLG也會受到影響，是螢幕亮度（Brightness）/照度（Luminance）的變化，因為HDR在大多數顯示器上的作業方式，存在一系列相關問題。
基本的問題是，HDR可改變螢幕/影像的亮度/照度，導致觀看的影像發生根本上的改變，可能會扭曲了導演和調光師所定義的鏡頭調光的原始藝術意圖。
這些問題可被定義為預期的HDR工作流程的一部分，例如：動態中繼資料、所使用的顯示技術，如：ABL（自動亮度限制）和局部調光，或由於顯示器內的不正確實施而導致的意外亮度/照度變化等技術的限制，尤其是家用電視，顯示器偏離了預期的HDR標準，因為製造商認為他們正在生成一個更好的最終影像。
動態中繼資料（Dynamic Metadata）
使用中繼資料來動態定義顯示影像的亮度，被許多HDR愛好者認為是基於PQ的HD的真正好處，使黑暗的場景“變亮”，明亮的場景變暗，以保留高度的細節。
但是，這真的好嗎？
當一部電影在調光時，樣貌（Look）被用來幫助定義情感，設定了觀眾對導演試圖描繪的期望。如果動態的改變了亮度，就有可能打亂計畫中的樣貌，進而破壞了電影/節目的原始藝術意圖。
儘管動態中繼資料的目的，是由調光師/導演透過二次調光來定義，但視覺感知過程中的固有限制，意味著不太可能保持相同的視覺意圖。
在現實中，由於公稱的漫射白光被定義為大約100尼特，超過這個位準的只是光譜高光的資訊，影像的內在視覺意圖，將被包含在100尼特位準以下，這意味著對於正確調光的HDR來說，理論上在較低的峰值亮度顯示器上顯示影像的最佳方法是，簡單的在顯示器的最大亮度上進行裁切，可能使用衰減（Roll-Off）來防止高光“阻塞（Blocking）”，根本不使用動態中繼資料。
如前所述，許多顯示器和電視可實現的峰值亮度位準的提高，也否定了對任何中繼資料的需求，無論是動態還是靜態的中繼資料。
ABL
另一個經常被忽視的HDR潛在問題，與限制顯示器功率要求的（法律）需要有關，因為極端的亮度顯然會導致過度的功率消耗。基於電力成本和潛在的環境問題，這本身就是一個值得關注的原因。但願這兩點能透過更有效的顯示器背光技術來克服。
然而，為了克服極端的電力需求，幾乎所有的HDR顯示器都使用一種、或另一種形式的ABL（Auto Brightness Limiting 自動亮度限制 - 在HDR術語中通常稱為Power Limiting 功率限制）。簡單的說，ABL根據超過預設亮度位準的螢幕區域的百分比，來減少螢幕的功率，進而降低場景的整體亮度。PQ HDR規範定義了所謂的MaxCLL（Maximum Content Light Level 最大內容光線位準）和MaxFALL（Maximum Frame-Average Light Level 最大影格平均光線位準），它們是HDR母片的中繼資料的一部分，觀看顯示器將根據這些中繼資料計算如何顯示影像，限制潛在的高功率需求。
很明顯，這將導致同一影像在不同顯示器上的觀看效果不同，同一場景的不同鏡位、不同取景，在同一顯示器上也會有不同的觀看效果，因為畫面的平均亮度位準會因鏡位、取景而不同，可能導致顯示器以一種幾乎是感知上的隨機方式應用不同的功率限制。這種變化對準確的顯示器校正和影像播放造成嚴重的問題。
局部調暗
局部調暗（Local Dimming）用於基於LCD的HDR顯示器，包括一個背光燈陣列（Array of Back-Light），以提供局部明亮的影像區域，而不需要有一個始終明亮的單一背光燈，因此將大大提升黑色位準，所以大大影響了顯示器。
一個部分的解決方案是將背光分為多個區域，這些區域可根據影像內容獨立控制，因此，與內容明亮的區域相比，將背光區域/區塊中的黑暗內容調暗。
這種方法的明顯問題是，背光區域/區域將有一個確定的大小/位置，所以會導致需要明亮的背光區域/區塊的物體周圍出現滲光（Light Bleed），或混濁（Clouding）。
背光區域/區塊的數量越多，混濁問題就越不明顯。
一些較新的液晶顯示器的每個像素，都有一個有效的背光，如新的Eizo Prominence CG3145和FSI的XM310K，完全克服了局部調暗的問題。
OLED顯示器本身具有每個像素的背光，因為每個像素都是自我發光，但無法達到LCD顯示器的高峰值亮度位準。
偏離 HDR 規範
很多顯示器的最後一個問題、尤其是家用電視，是製造商故意偏離HDR規範，試圖產生他們認為更好的影像。
這顯然意味著同一來源的影片，在不同的顯示器上會有很大的不同，即使這些顯示器被定義為已校正過。
然而，這個問題實際上是我們所同情的，因為如上所述，PQ HDR規範是有缺陷的，因為該標準是“絕對”的，且無法增加顯示器的光輸出，以克服房間環境的光線位準。其結果是，在不太理想的觀看環境中，若房間環境的亮度位準相對較高，HDR影像的大部分將顯得非常黑暗，暗部細節可能變得非常難得看到。
因此，許多家用電視製造商故意扭曲PQ HDR EOTF（Gamma曲線），試圖克服這個問題。
WCG - 廣色域（Wide Colour Gamut）
作為不斷發展的UHDTV標準的一部分，WCG正在與HDR結合，以增加與現有HDTV標準的區別，使用Rec2020色域作為目標色彩空間（Color Space）。
問題是，沒有一個（現實中）商業化的顯示器可達到 Rec2020，這意味著不同的UHDTV顯示器，將不得不根據顯示器的實際色域能力來“調整”顯示的影像色域。這就需要在UHDTV訊號中使用嵌入式中繼資料（與上文提到的HDR中繼資料相關）來定義來源影像的色域，目的是讓顯示器智慧的重新映射（Re-Map）到顯示器的可用色域。
問題是，就像HDR中繼資料和亮度峰值裁切一樣，也沒有提出固定的色域重新映射技術。其結果是，不同的顯示器將以不同的方式管理所需的色域重新映射，因而產生不同的最終影像結果。
上圖顯示了試圖在較小色域的顯示器上顯示廣色域的問題。在這個例子中，顯示器的原生色域與 DCI-P3-D65 相似、但不完全相同，DCI-P3-D65是UHDTV顯示器的最小可接受色域的首選（較小的內部色域三角形），而較大的色域三角形則顯示Rec2020。
正如色域掃描圖所顯示的那樣，顯示器已在其可用色域的限制範圍內被校正為Rec2020（測量的交叉點與目標圓圈相匹配）。然而，在顯示器的可用色域之外，在Rec2020範圍內的去飽和區域，顯示的顏色將無法正確顯示，在這個區域內的任何顏色，都會被有效的拉回到顯示器的色域邊緣。
顯然，顯示器的實際色域能力越寬，裁切就越少，不同的色域能力就越不明顯，尤其是在現實世界中，很少有顏色能接近Rec2020色域的邊緣。
為了減少色域裁切的惡劣程度，可使用色域重新映射來“軟化（Soften）”從色域內到色域外的過渡。
在上圖中，新的、較小的內三角和實際的顯示器色域三角之間的區域，顯示了顯示器校正被“衰減（Roo-Off）”以更好的保存影像色彩細節的區域，其代價是色彩不準確，有效的將去飽和區域的所有色彩，壓縮至顯示器最大色域和縮小色域內三角之間的較小區域。
在現實中，色域重新映射需複雜得多，考慮到人類的色彩感知對不同顏色的反應不同，因此重新映射確實需考慮到這一點。
問題是，UHDTV規格並沒有指定要使用的色域重新映射。
然而，從這一點可以看出，在現實世界中，沒有兩個Ultra HD顯示器在顯示相同影像時看起來是一樣的…
除此之外，Ultra HD規範雖然使用Rec2020作為目標（涵蓋）色彩空間，但實際上規定任何Ultra HD顯示器只需達到DCI-P3的90%，即可被接受為UHDTV顯示器 - 而從體積上看，DCI-P3的90%基本上就是Rec709！
上面的CIEuv圖（使用CIEuv是因為它在感觀上比CIExy更均勻）顯示了100% DCI-P3和Rec709之間的色域差異，同時也顯示了Rec2020。
你可以看出，90%的DCI-P3色彩空間，並不比Rec709大多少。
指定色域覆蓋百分比的問題
UHDTV規範對色域定義的一個真正問題是，它使用了一個通用的百分比值，即P3色域的90%覆蓋率，但P3色域的基色（Primary）與Rec2020基色不一致，這意味著，如果色域覆蓋率較低的顯示器的基色與Rec2020基色更一致，那麼色域覆蓋率較低的顯示器，實際上可能比值較高的顯示器要更好。
上圖顯示了這個問題，與Rec2020基色相比，P3的色域覆蓋率（大約）為90%。可以看出，90%的P3綠色和紅色的峰值基色，與Rec2020基色有很大的不同，這意味著，本應沿著Rec2020基色向量的顏色將被扭曲，使顯示器的真正色域覆蓋率，大大低於所稱的90%覆蓋率。
色彩感知
最後，關於色彩感知（Color Perception）的問題，供那些家庭影院愛好者參考。
你在電影院觀看一部新發行的電影，採用數位放映，使用涵蓋DCI-XYZ色彩空間進行放映，包含DCI-P3影像。
然後，你購買同樣的電影藍光碟，並在你的Rec709/BT1886校正的家庭劇院環境中觀看它。
假設Bluray母片已正確生成，你是否感覺到影像色彩保真度（Fidelity）有任何損失呢？
現實情況是，在自然界中，很少有顏色存在於 Rec709/BT1886 色域 之外。存在於 Rec709/BT1886 色域之外的顏色，往往是人造的顏色，如霓虹燈之類。
UHD – 解析度
UHD的另一個組成部分是，將解析度提高到4K（3840x2160）。
雖然乍一看，解析度的提高似乎是UHDTV電視的真正好處，但它實際上它帶來了一個問題，即是否真的該感激這些好處呢？
解析度與觀看距離
解析度越高，觀看距離就越短，需要離螢幕越近。
相反，觀看距離越大，在表面上相同的影像解析度/品質下，其實際顯示解析度可能越低。
這意味著在非常簡單的條件下，一個“大的”4K UHD螢幕，將要求觀眾坐在離螢幕不超過1.22公尺（4呎）的地方，以獲得比55吋HD解析度螢幕更多的好處…
上面的圖表，表示尺寸和解析度 vs. 觀看距離的關係。
Comentários