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Eotf 曲线

HDR 的本质就是在更高的亮度里映射 Eotf


什么是EOTF曲线？


Eotf 曲线 

EOTF，Electro-Optical Transfer Function


EOTF曲线描述的是从数字信号到屏幕亮度输出之间的映射关系，是显示技术中的核心概念之一。具体来说，EOTF定义了输入信号电平与显示设备发射的光强之间的转换规则，使得设备能够正确地呈现出与内容创作者意图一致的亮度和对比度。EOTF曲线在现代HDR显示设备中尤其重要，因为它可以确保屏幕在不同亮度范围内保持合理的细节表现。

常见的EOTF标准包括PQ（Perceptual Quantizer）和HLG（Hybrid Log-Gamma）。这两种标准都是为了优化人眼感知的视觉效果，但它们在处理环境光的适应性上有不同的设计思路。

环境光的影响

环境光是显示设备外部的光源，包括室内照明、阳光和其他光源。环境光对视觉感知有重要影响，因为它直接影响到人眼的对比敏感性以及观看者对显示内容的亮度和颜色的感知。例如，亮度较高的环境光会使屏幕看起来相对较暗，而低亮度的环境光则可能让屏幕显得更加明亮、甚至刺眼。

EOTF曲线的应用通常是基于特定的观察环境假设，例如在标准情况下，PQ曲线通常假设观看环境为暗室。然而，现实中观看环境往往远非标准化，这导致EOTF曲线可能无法适应变化的环境光。例如，在较明亮的环境中，显示设备需要增加亮度或调整对比度，以补偿因环境光造成的视觉变化，而在暗室环境下则需要减弱亮度以避免过度的亮度导致视觉疲劳。

PQ、HLG与杜比视界IQ的环境光适应性

目前，HDR显示标准主要使用三种EOTF曲线：PQ、HLG以及杜比视界IQ（Dolby Vision IQ）。PQ标准的优势在于能够在较暗的环境下提供非常精准的细节表现，但它对环境光的适应性较差。因此，PQ通常在特定的、受控的观看环境中才能达到理想效果。

PQ曲线的另一个特点是其峰值裁切（clipping）特性。在传统的HDR显示中，由于显示设备的亮度范围有限，PQ曲线采用了精确的感知量化方法，将较大的动态范围压缩至显示设备的亮度范围内。因此，对于超过显示器峰值亮度的信号，PQ曲线会进行裁切。这意味着在某些情况下，亮度较高的细节可能会被截断，从而导致在非常明亮的场景中细节损失。这种峰值裁切设计是为了在受控环境下提供尽可能多的可感知细节，但在非标准环境光条件下可能会受到一定限制。

在传统HDR内容中，峰值裁切的问题尤其明显，因为很多HDR内容旨在最大化地表现高动态范围的细节，但显示设备的峰值亮度能力有限。常见的HDR标准包括HDR400、HDR600和HDR1000，它们分别表示显示设备的峰值亮度能力为400尼特、600尼特和1000尼特。

  • HDR400：适用于中低端显示设备，其峰值亮度为400尼特。虽然能提供比SDR（标准动态范围）更好的亮度和对比度，但在非常高亮度的场景中，HDR400的亮度表现往往不足，容易出现亮度裁切，导致用户无法看到完整的高光细节。这使得在观看某些HDR视频内容时，画面可能显得不够生动且细节丢失。
  • HDR600：相比HDR400，HDR600具有更高的亮度峰值，能够更好地表现HDR内容中的高光部分。然而，600尼特的峰值亮度在某些极高亮度的场景下仍然可能出现细节丢失，特别是在非常明亮的环境下观看时，设备可能无法完全呈现HDR内容中所包含的全部高光细节。
  • HDR1000：HDR1000是目前更高级别的HDR标准，具备1000尼特的峰值亮度，能够很好地呈现HDR内容中的亮部细节。然而，即便是HDR1000，在一些极限亮度的场景下也可能会遇到峰值裁切的问题，特别是当显示设备的硬件限制无法跟上内容的需求时。

理论上，如果想要完整地呈现HDR内容中的所有细节信息，显示设备的亮度标准应当达到甚至超过创作者所设定的内容亮度上限。通常来说，完整的HDR内容创作者在制作时会设定到4000尼特甚至更高的亮度标准，因此对于普通用户设备，达到这样的亮度几乎是不现实的。因此，需要合理的裁切线以确保尽可能多的细节能够保留下来。例如，在1000尼特的设备上，裁切线应当进行优化，以便通过精细映射将亮度超出范围的部分合理压缩，确保在不过度丢失细节的前提下尽可能接近创作者的意图。

为了在亮度峰值为1000尼特的设备上实现PQ优化映射，有以下几种方法可以采取：

  1. 动态范围压缩与局部映射：针对高于1000尼特的亮度部分进行动态范围压缩，将这些超出设备硬件能力的部分重新映射到设备可显示的范围内。这种方式通过局部映射减少裁切损失，能够在高光和低光部分都保留尽量多的细节。这种映射策略使得亮度高峰区域过渡更加自然，确保了创作者的意图得以传递。
  2. 基于内容的自适应亮度调整：结合内容特征和场景亮度，显示设备可以基于每个场景的实际需求进行亮度调整。例如，如果场景中亮度变化非常剧烈，可以在信号处理上通过智能算法自动降低场景亮度峰值，这样既能避免整体画面因峰值裁切而导致的亮度不均，也能让亮度过高部分的细节得到更好地展现。这种优化有助于在仅有1000尼特亮度的设备上，尽可能避免画面中亮度极端区域的过度丢失。
  3. 动态亮度管理与基于场景的调整： 通过引入动态亮度管理系统，显示设备可以根据内容的亮度分布情况动态调整EOTF曲线，从而避免因为亮度过高而引发的裁切问题。例如，显示设备可以通过检测当前场景中亮度信号的分布，对EOTF曲线的非线性部分进行适当调整，从而在不牺牲整体对比度的情况下保持高亮度细节。这种方法有助于在HDR视频的高动态范围内平衡亮度和细节表现，使得用户可以更清晰地看到画面的所有部分。
  4. SDR到HDR映射与亮度补偿技术： Apple在SDR内容显示中使用的PQ映射技术也为解决HDR峰值裁切问题提供了思路。通过对SDR内容进行HDR映射，可以根据环境光亮度进行动态的信号补偿，从而在保持整体画面亮度的同时防止峰值裁切的发生。通过类似的映射方法，HDR内容也可以根据显示设备的实际亮度范围进行重新映射，这样可以确保即使在高亮度环境中，画面也不会因为亮度过高而丢失细节。这种亮度补偿技术可以让HDR内容在任何环境下都保留创作者意图的视觉效果，从而提升用户的观看体验。

对于HDR视频内容来说，峰值裁切的问题尤其重要，因为HDR内容的优势就在于它能够表现非常高的亮度和非常深的暗部细节。峰值裁切可能导致用户在观看HDR视频时无法看到创作者意图表达的全部细节，特别是在那些包含复杂亮度变化的场景中。为了确保用户能够看到更好的HDR效果，有两种解决方案可以解决峰值裁切的问题：

  1. 动态亮度管理与基于场景的调整： 通过引入动态亮度管理系统，显示设备可以根据内容的亮度分布情况动态调整EOTF曲线，从而避免因为亮度过高而引发的裁切问题。例如，显示设备可以通过检测当前场景中亮度信号的分布，对EOTF曲线的非线性部分进行适当调整，从而在不牺牲整体对比度的情况下保持高亮度细节。这种方法有助于在HDR视频的高动态范围内平衡亮度和细节表现，使得用户可以更清晰地看到画面的所有部分。
  2. SDR到HDR映射与亮度补偿技术： Apple在SDR内容显示中使用的PQ映射技术也为解决HDR峰值裁切问题提供了思路。通过对SDR内容进行HDR映射，可以根据环境光亮度进行动态的信号补偿，从而在保持整体画面亮度的同时防止峰值裁切的发生。通过类似的映射方法，HDR内容也可以根据显示设备的实际亮度范围进行重新映射，这样可以确保即使在高亮度环境中，画面也不会因为亮度过高而丢失细节。这种亮度补偿技术可以让HDR内容在任何环境下都保留创作者意图的视觉效果，从而提升用户的观看体验。

相比之下，HLG曲线更适合于不确定的环境光条件，因为它是基于对数和线性组合的方式来处理信号，具有较高的环境光适应性。在高亮度的观看环境中，HLG可以更有效地保留图像细节和动态范围，使用户在不同环境中获得相对一致的观看体验。

杜比视界IQ是一种结合了先进的HDR技术与环境光传感器的解决方案。杜比视界IQ通过显示设备内置的环境光传感器实时检测周围的光强度，从而动态调整EOTF曲线和图像参数。这样，无论是白天的强烈阳光还是夜晚的微弱灯光，杜比视界IQ都能够根据环境光的变化进行优化，使得屏幕始终能够呈现出最佳的画面效果。这种动态适应性使得杜比视界IQ在现代显示设备中能够提供更加一致和舒适的观看体验，尤其是在用户观看环境变化频繁的情况下，杜比视界IQ的智能调节能力尤为突出。

适应环境光的EOTF动态调整

为了应对环境光对EOTF曲线的影响，越来越多的显示设备引入了环境光传感器，通过检测周围的光强度，动态地调整EOTF曲线。例如，在亮度较高的环境下，显示器可以增加整体的信号增益，使得亮度提高，画面内容不至于因环境光过亮而丢失细节。而在暗环境中，显示器可以降低亮度，保持最佳的视觉对比度，以防止刺眼。

杜比视界IQ便是这种动态调整的典范。它利用环境光传感器结合杜比视界HDR标准，自动优化屏幕亮度、对比度和颜色，使得无论在何种环境下，用户都能获得与内容创作者意图最为接近的视觉体验。杜比视界IQ不仅调整整体的亮度，还会根据具体场景的内容进行细致的优化，这种智能化的调节有助于在高亮度和低亮度环境中都保持图像的细节和色彩的丰富性。

DarkVision系列搭载的GeekColor HDR色彩管理系统能够支持从HDR1000到HDR4000的峰值裁切管理，并配合6条优化调制的EOTF曲线配合使用，以实现更佳的HDR显示效果。这种系统不仅能够在HDR模式下提供更好的细节保留，特别是在HDR4000的峰值亮度下，同时也保障了SDR内容的色彩准确性和亮度可用性，使得用户在开启HDR的情况下依然能够获得理想的SDR观看体验。通过这样的方法，DarkVision系列能够确保在不同的内容和亮度条件下都能提供丰富而精准的视觉体验，尤其是在高亮度HDR内容的信息保留上显著提升细节表现。

在目前的行业中，HDR内容的实现和优化仍然面临许多挑战，特别是显示设备制造商和内容创作者对HDR EOTF曲线的理解上存在一些误区。很多显示器厂商和内容创作者往往只重视提升亮度峰值，而忽略了如何让EOTF曲线更好地适应不同的观看环境，以及裁切对细节的影响。这样的误解导致很多HDR内容在实际观看时，细节表现和整体视觉效果并不如预期理想。

因此，我们希望更多的专业内容创作者和显示设备制造商能够一起努力，加入到HDR体验优化的过程中。通过更深入地理解HDR标准、合理调整EOTF曲线，并结合环境光的动态调节技术，我们可以为用户提供更加真实、细致的视觉体验。这将有助于推动整个行业向更高水平的HDR表现迈进。