錢 岳

（中央廣播電視總臺，北京 100000）

0 引言

高動態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）和色域擴展技術被視為提升8K 電視觀看體驗的關鍵技術。HDR 技術支持電視在明亮和黑暗部分之間呈現(xiàn)更多細節(jié)，提供更生動的圖像。色域擴展技術則增加了可顯示的顏色范圍，使得圖像更加真實。研究如何在8K 電視信號中有效實現(xiàn)HDR 和色域擴展技術至關重要。

1 8K 電視技術概述

8K 電視技術，也稱為超高清電視技術，是一種視覺媒體技術，主要特點是其出色的圖像分辨率。與傳統(tǒng)高清電視相比，8K 電視具有更高的分辨率，達到7 680×4 320 像素，意味著每個畫面可以呈現(xiàn)超過3 300 萬個像素。這極高的分辨率為觀眾帶來了卓越的圖像清晰度和更真實的視覺體驗[1]。不同分辨率電視信號的畫面尺寸對比如圖1 所示。

圖1 不同分辨率電視信號的畫面尺寸

8K電視的發(fā)展可以追溯到幾十年前的早期實驗。然而，直到近年來，隨著技術的不斷進步，8K 電視才逐漸走向商業(yè)化應用。20 世紀90 年代，日本放送協(xié)會開始了對8K 電視技術的深入研究，并在2002年首次演示了8K 電視的原型。此后，8K 電視技術經(jīng)歷了多次標準化的努力，以確保其在廣泛應用中的互操作性和可行性。隨著技術的成熟和制造成本的下降，8K 電視在市場上的可獲得性逐漸增加。

2 HDR 技術

2.1 HDR 的概念和原理

HDR 是一種視覺技術，其核心是通過擴展圖像的亮度范圍來提供更真實、更生動的圖像。HDR 技術通過捕捉和呈現(xiàn)比傳統(tǒng)標準動態(tài)范圍（Standard Dynamic Range，SDR）更廣泛的亮度范圍來實現(xiàn)這一目標，原理主要是在拍攝或顯示圖像時，使用更高的亮度級別來記錄和再現(xiàn)亮部和暗部的細節(jié)，使得圖像可以同時展示深色細節(jié)和明亮區(qū)域的高光細節(jié)，從而增強了視覺效果[2]。

HDR 技術依賴具備更高亮度輸出能力的顯示設備，以及能夠捕捉和編碼廣泛亮度范圍的相機傳感器。通過合適的硬件和軟件支持，HDR 圖像能夠保持更多的細節(jié)，并呈現(xiàn)更多的色彩深度，使觀眾能夠感受到更加逼真和生動的視覺體驗。

2.2 8K 電視中的HDR 實現(xiàn)方式

在8K 電視中實現(xiàn)HDR 涉及多個關鍵步驟和技術，這些技術共同提高了圖像的亮度范圍和色彩深度，從而改善了視覺體驗。在8K 電視中實現(xiàn)HDR的一般步驟如圖2 所示。

圖2 8K 電視中HDR 的實現(xiàn)方式

2.2.1 明暗信息捕獲

HDR 技術首先需要捕獲場景中的明亮和暗部分的信息，可以通過使用高動態(tài)范圍攝像機或傳感器來實現(xiàn)。對于明亮部分信息，通常通過增加曝光時間來捕獲；對于暗部分信息，則需要使用多次曝光或不同曝光設置來捕獲[3]。

2.2.2 明暗信息合成

捕獲的明暗信息需要合成為一幅HDR 圖像。這涉及將不同曝光下的圖像進行融合，以獲取細節(jié)豐富的圖像。HDR 圖像可以通過將明亮圖像與暗部圖像合成而得到，合成的過程可以表示為

式中：IHDR代表最終的HDR 圖像；Ibright代表明亮部分的圖像；Idark代表暗部分的圖像；函數(shù)f涉及圖像融合算法，如加權平均或色調(diào)映射。

2.2.3 色彩信息增強

HDR 并不僅僅關注亮度范圍，還包括色彩信息的增強。色域擴展后的顏色可以通過將原始顏色與色域映射進行組合而獲得，組合過程可以表示為

式中：Cexpanded代表經(jīng)過色域擴展處理后的顏色，Coriginal代表原始顏色，Mmapjing代表映射函數(shù)。這個映射過程涉及將顏色從一個色域映射到另一個色域的數(shù)學操作，以擴展可見顏色的范圍。

2.2.4 顯示適應及色彩校正

HDR 圖像需要適應具有更廣亮度范圍的8K 電視屏幕，因此需要調(diào)整圖像的亮度和對比度，以確保它在8K 顯示器上顯示時保持最佳可見性。此外，色域擴展后的圖像可能需要進行顏色校正，以匹配特定8K 電視的色域和色彩標準。

通過這些步驟和相關技術，8K 電視可以實現(xiàn)HDR，從而呈現(xiàn)更廣泛的亮度和更豐富的顏色，為觀眾提供卓越的視覺體驗。

3 色域擴展技術

3.1 色域的定義和重要性

色域是指可見顏色的范圍，包括了人們可以在圖像中看到的所有不同顏色。色域的大小直接影響圖像的色彩豐富度和真實性。色域擴展技術旨在增加色域的范圍，使圖像能夠呈現(xiàn)更多的顏色和更豐富的色彩，對于提升圖像的視覺效果和質(zhì)量至關重要，特別是在高分辨率的8K 電視上，觀眾期望能夠欣賞到更生動、更逼真的圖像[4]。常見的色域有Rec.709 和Rec.2020 兩種，對比如圖3 所示。

3.2 8K 電視中的色域擴展方法

在8K 電視中實現(xiàn)色域擴展涉及一系列關鍵技術，這些技術共同提高了圖像的色彩表現(xiàn)力。在8K電視中實現(xiàn)色域擴展的一般步驟如圖4 所示。

圖4 8K 電視中的色域擴展方法步驟

首先，色彩信息捕獲。為了擴展色域，首先需要捕獲原始圖像的色彩信息，可以通過使用高色彩深度的攝像機或傳感器來實現(xiàn)。捕獲的原始顏色信息通常以RGB 格式表示。

其次，色彩空間轉(zhuǎn)換。捕獲的RGB 顏色信息可能位于標準的色彩空間，如sRGB。要進行色域擴展，需要將其轉(zhuǎn)換到更廣泛的色彩空間，如Rec.2020。要進行從sRGB 到Rec.2020 色彩空間的色彩空間轉(zhuǎn)換，可以使用一個3×3 的轉(zhuǎn)換矩陣，將sRGB 顏色的紅、綠、藍分量表示為列向量，然后通過矩陣乘法運算將其映射到Rec.2020 色彩空間的對應分量，以實現(xiàn)色域擴展和廣色域顯示。需確保轉(zhuǎn)換矩陣的準確性和顏色空間參數(shù)的一致性，以避免顏色失真。

再次，色彩映射和擴展。在更廣色域中，某些顏色可能超出了原始圖像的范圍。因此，需要進行色彩映射和擴展，以確保顏色的平滑過渡和最佳可視性。此步驟可以通過調(diào)整顏色的亮度、對比度和飽和度來實現(xiàn)。

最后，擴展后的顏色信息需要適應8K 電視的色彩標準和顯示能力，可能需要再次進行色彩空間轉(zhuǎn)換或色彩校正，以匹配特定8K 電視的要求。

4 HDR 和色域擴展在8K 電視中的應用

4.1 HDR 技術在8K 電視中的應用

HDR 技術在8K 電視中的應用可以顯著提高圖像質(zhì)量。8K 電視本身具有更高的分辨率，但如果不同步使用HDR技術，圖像可能仍然缺乏視覺吸引力。HDR 技術通過擴展亮度范圍和增強顏色的細節(jié)，使得8K 圖像變得更加生動和逼真。不同的HDR 標準，如HDR10、Dolby Vision 和HLG 等，為8K 電視提供了多樣的HDR 選擇，以滿足不同觀眾需求[5]。

4.2 色域擴展技術在8K 電視中的應用

8K 電視的色域擴展技術可以提供更廣泛的顏色表現(xiàn)力。這意味著觀眾可以看到更多種類的顏色和更飽滿的色彩。在8K 電視中，色域擴展對于呈現(xiàn)細微的顏色差異和更真實的色彩非常重要。通過使用現(xiàn)代的色域擴展技術，8K 電視可以提供更具視覺沖擊力的圖像。

4.3 案例分析

本案例對圖5 進行處理，該圖在細節(jié)表現(xiàn)上較為平坦。特別是在圖片的暗部和亮部，細節(jié)丟失相對明顯。這樣的效果通常會讓圖片顯得缺乏深度和動態(tài)范圍，從而減弱其視覺吸引力。色彩方面，原始圖片的色調(diào)和飽和度相對保守，沒有特別突出的色彩元素。這可能會讓圖片顯得相對單調(diào)，缺乏視覺沖擊力。

圖5 原始圖像

采用HDR 技術對原始圖像進行處理。使用HDR 技術對圖片進行處理后，其視覺效果有了顯著的提升，如圖6 所示。最初的圖片在亮度和對比度方面相對平坦，缺乏細節(jié)。經(jīng)過HDR 處理，暗部和亮部的細節(jié)得到了明顯的強化。特別是在圖片的陰影區(qū)域，HDR 處理使得原本不易察覺的細節(jié)變得清晰可見。在高光部分，過曝的區(qū)域得到了有效的壓制，使得原本因為曝光過度而丟失的信息得以恢復。

圖6 經(jīng)HDR 技術處理的圖像

在此基礎上，采用色域擴展技術對圖像進行處理。如圖7 所示，色域擴展技術進一步增強了圖片的視覺效果，尤其是在色彩的鮮艷度和飽和度方面。在原始圖片中，某些色彩可能顯得相對暗淡或不夠鮮明。經(jīng)過色域擴展，這些色彩得到了顯著提升，整個圖片看起來更加生動和多彩。

綜上所述，通過HDR 和色域擴展的綜合應用，原始圖片在質(zhì)量和視覺效果上都達到了一個新的水平。HDR 處理帶來了更廣泛的亮度范圍和更豐富的細節(jié)，色域擴展則讓圖片的色彩更加鮮明和飽和。這兩種技術結合使用，使得圖片在多個方面都得到了全面的提升。

5 結語

本文主要關注8K 電視技術中HDR 和色域擴展技術的應用。通過詳細研究，文章深入探討了這兩種技術技術如何提升8K 電視的圖像質(zhì)量和視覺體驗。HDR 技術通過提供更高的亮度范圍和更多的色彩細節(jié)，使8K 圖像更加生動和真實。色域擴展技術增強了色彩表現(xiàn)力，使圖像更具吸引力。這些技術的結合為8K 電視帶來了前所未有的視覺效果，豐富了觀眾的娛樂體驗。