HDRI和HDR视频

我们常常在各个地方看到HDR，在手机的拍摄界面，在流媒体的播放界面。HDR到底是什么，手机拍摄界面的HDR与视频播放中的HDR到底有什么区别呢？

HDR与HDRI

HDR的全称为高动态范围。要搞清楚高动态范围，我们得先了解，什么是动态范围。场景的动态范围被定义为场景中最亮部分的亮度值与最暗部分的亮度值之比。传统的显示设备，如CRT显示器所能显示的动态范围非常有限，大约在0.01～100nit之间，无法真实再现高动态范围的场景。

动态范围除了显示器，感光元件同样也有。低动态范围的图像是指具有较窄的亮度范围的图像，由于无法涵盖一个场景中的所有亮度，因此会出现曝光不足或曝光过度的地方。而在传统的低动态范围上也能再现现实场景的技术，就称之为HDRI（高动态范围成像）。

下图将火柴人作为亮度低和亮度高的场景，蓝色方框显示为荧幕显示或者图像记录的限度，蓝色方框以上就是过曝，即是一片白色，而蓝色方框以下就是欠曝，即是一片死黑。HDRI技术就是将整体压缩或映射进图像可以记录的限度，从而同时保留高光和暗部的细节。

在这里，我们就呼应了之前的那篇文章，从拜耳阵列到HDR，但实际上是HDRI。HDRI的大致处理路径就是：HDR图像获取、全亮度图合成、色调映射最后再是图像显示。这里我们还是以小人作为例子，以AEB环曝光作为HDR图像获取的例子，说明一下HDRI的流程。

视频中的HDRI

提到HDRI和环曝光，我们总会想到图片。在图片中确实容易利用多张图像来对单张图像进行增强。但是拍摄多帧照片始终是需要时间的。有没有什么办法使得视频也能利用上HDRI从而增强视频的动态范围呢？

如果复用环曝光获取HDR图像的思路，我们很容易产生一个想法。视频是一连串的图片，只要我们同时采用这种方法。1秒获取90张图片，然后每3张进行合成，合成为一个帧速率为30的视频不就行了？但是实际在查看的时候，好像并没有厂商采用这种思路，到底是怎么回事呢？

与图片的环曝光不同，视频由于每秒的最低帧率有限制，因而快门速度也是有所限制的。这对过曝的帧提出了要求，若是太长了，岂不是整个帧率都没法保障。当然更加直接的，更是给cmos提出了较大的挑战，要长时间的高帧率记录并实时计算，比起带来的性能，功耗可能是更加需要考量的。但是这并不是完全不可能的，目前OPPO的马里亚纳X就能实现对视频的每一帧都进行优化，说不定在不久的未来，我们也能实现对视频的每一帧都进行环曝光再合成。

事实上业界目前已经使用的视频HDRI技术，也是将视频的每一帧都环曝光获取HDR图像，但是思路并不是这么简单的利用CMOS拍更多的照片。之前索尼半导体解决方案公司开发了即使缩小像素尺寸、也能将感光度的下降控制在最低限度的Quad Bayer Coding像素排列方式。这项技术尤其适合用于传感器尺寸较小的智能手机用图像传感器，也就是我们熟知的四合一。

透过四合一，QBC传感器可以增大单个像素的像素大小，从而改善噪点。而在需要清晰度的情况下，也可以进行全像素进行图像捕捉，输出高分辨率的图片。那和HDRI又有什么关系呢？答案还是在Quad Bayer阵列中。

透过QuadBayer，用户可以将四个像素和为一个更大的像素，但是换言之一个大像素里也有四个小像素。这句话听起来有点废话文学的意思，但是密码就在其中。

透过对一个大像素中的四个小像素进行控制，就可以一次性获取到四张照片才能获取到的信息。通过四合一，这一个大像素自己本身就有了四个信息，就相当于四张照片，ISP芯片直接根据四张照片进行合成，延迟远低于之前我们提到的全像素拍三张。

效果更好的HDR

HDRI是利用多帧合成将高动态范围的图像在SDR的设备中存储与显示出来。而真正的HDR，则是把框做大，容纳更高的亮度和彩度。现在大家的手机都是动辄上千亮度的广色域屏幕，甚至是一个人所拥有的素质最高的屏幕。但是我们却丝毫不觉得在手机上看视频感到惊艳，这是为什么呢？那是因为大部分我们使用的封装格式或者流媒体支持的格式都是SDR的。我们依然使用我们最爱的火柴人进行示意。

要想要在HDR荧幕上享受到HDR的内容，我们就需要封装HDR信息的文件。而在文件之上，现在各有各的标准，不同的标准要求也不同。

在图像方面，通常用浮点型表示的HDR图像的亮度值范围超过了100000:1，这使得用8位表示的每个通道上只有256个离散值的图像相形见绌。常见的HDR图像存储格式有OpenEXR、RadianceRGBE、FloatTIFF三个格式。而我们更加熟悉，同时被各家厂商轮流提起的，自然是HDR视频标准。

HLG

如果是索尼相机或者手机的用户，一定对这个HLG非常熟悉。HLG不需要元数据，能后向兼容SDR，相比HDR10，它的画面即使在现有的SDR显示设备上，也能呈现得更加艳丽动人。

HDR10和Dolby Vision

HDR10与杜比视界的主要区别有三个。

其一是色深方面杜比视界支持12bit，HDR10支持10bit。色深越高，所支持的色彩就更多。

其二是亮度方面，HDR10支持最高为1000nits，而杜比视界支持1000nits至10000nits，亮度的巨大差异，使得对比度也会进一步拉大，也就是说，观看杜比视界视频时能看清的微小细节，观看HDR10视频时未必能看到。

其三是杜比视界支持“场景动态元数据”，这点可以说是杜比视界的显著优势。HDR10采用静态数据处理方式，也就是在处理和转换整部视频或段落视频视频时，采用统一的全局数据，统一输出优化后的效果；而杜比视界采用动态元数据方式，将颜色和亮度信息“实时”整合在动态视频流当中，可以根据实时场景随时调整相关颜色和亮度信息，更准确地还原视频的本来面目，实现更好的显示效果，但是HDR10支持的平台更多。