2.1.2 亮度动态范围

亮度动态范围是指系统能够表示亮度信号的最大值与最小值的比值。人眼所能感知的亮度动态范围通常为1012，而传统显示设备只能显示103的亮度动态范围，这个动态范围称为标准动态范围（Standard Dynamic Range, SDR）[13]。

1.伽马校正

由于视网膜上的光敏感细胞及视神经元都有自动适应光强的能力，因此人眼具有很强的细节分辨能力。图2.3给出了对比度门限随背景亮度变化的曲线，对比度门限是指人眼能观察到的最小亮度变化的对比度[14]。可以看到，在不同的背景亮度下，人眼的敏感度是不同的，人眼对较暗处的亮度变化十分敏感，而当亮度增加到一定程度时，对比度门限几乎维持常数。研究表明，在亮度呈现线性变化的情况下，人类视觉感受到的亮度并不是线性变化的，而是呈现幂函数关系[15]。

图2.3 对比度门限随背景亮度的变化

为了保证视频处理过程中视觉感知的一致性，通常将亮度信息进行非线性映射，使其被视觉线性感知。典型的视频获取、处理、显示过程如图2.4所示。摄影设备获取外界光信息，然后利用非线性映射转化为视觉感知线性的数字视频信号，该非线性映射称为光电转换函数（Opto-Electronic Transfer Function, OETF）。显示设备利用非线性映射将视频信号（视觉感知线性）转换成场景光线性信号，然后将其作为屏幕输出的光信息，该非线性映射称为电光转换函数（Electro-Optical Transfer Function, EOTF）。

图2.4 视频获取、处理、显示过程

ITU-R BT.709标准规定了SDR的光电转换函数：

其中，V为电信号；L为亮度。相应地，电光转换函数为光电转换函数的逆函数。

式（2-1）反映了光信号到电信号的非线性映射，也常称为伽马（Gamma）校正。伽马校正的目的是对人眼视觉特性进行补偿，根据人眼对亮度的感知能力，有效地表示亮度使其被视觉线性感知。另外，早期最常用的显示设备是CRT（Cathode Ray Tube）显示器。这类设备屏幕的显示亮度与施加的电压（电信号强度）关系大致是一个伽马值为2.5的幂函数曲线。显示器的这类伽马曲线也称为显示伽马（Display Gamma）曲线，为了与之匹配，图像获取设备就需要进行伽马校正。

2.高动态范围

现实世界中的场景，特别是户外场景往往具有很大的动态范围，如一些自然条件下的光照强度：阳光（105cd/m2），室内光线（102cd/m2），星光（10-3cd/m2）。相对于传统的SDR，高动态范围HDR（High-Dynamic Range）具有更宽的色彩范围、更高的亮度上限和更低的亮度下限，更好地反映了高动态范围的自然场景，可以给体验者带来更高质量的视觉感受。

针对HDR的扩大，ITU-R BT.2100标准[16]规范了两种光电转换曲线：PQ（Perceptual Quantization）和HLG（Hybrid Log-Gamma）。PQ是由杜比公司提出的一套光电转换算法，有更符合人类视觉感知的伽马曲线，适合在互联网上制作电影或流媒体内容。HLG由NHK和BBC联合推出，旨在使HDR内容与目前广泛运用的广播基础设施及SDR内容兼容，适用于广播电视和直播视频。

图2.5显示了HDR的PQ和HLG伽马曲线，可以看到，PQ伽马曲线的最高亮度固定为1000cd/m2，也就是说，无论显示设备的最高亮度如何，伽马曲线始终相同，上限为1000cd/m2，不会按照显示设备的亮度来进行适配。与PQ绝对映射相比，HLG是一种相对映射，它的优势在于可以向下兼容传统的伽马曲线，所以即使在现有的SDR显示器上，也可以观看HDR内容，并且图像劣化较小。PQ更注重画质，支持更大的动态范围（10000nits）；HLG兼容性更好，能够使用现阶段的SDR设备，但最大动态范围只能支持5000nits。

图2.5 HDR的PQ和HLG伽马曲线

对于HDR视频，H.266/VVC中新增的亮度映射与色度缩放技术（Luma Mapping with Chroma Scaling, LMCS）支持块级QP调整的算法，以适应HDR视频更大的亮度动态范围和更宽的色彩空间，提升HDR视频（尤其是基于PQ的HDR视频）的压缩性能。