2.1.2 亮度動態范圍

亮度動態范圍是指系統能夠表示亮度信號的最大值與最小值的比值。人眼所能感知的亮度動態范圍通常為1012，而傳統顯示設備只能顯示103的亮度動態范圍，這個動態范圍稱為標準動態范圍（Standard Dynamic Range, SDR）[13]。

1.伽馬校正

由于視網膜上的光敏感細胞及視神經元都有自動適應光強的能力，因此人眼具有很強的細節分辨能力。圖2.3給出了對比度門限隨背景亮度變化的曲線，對比度門限是指人眼能觀察到的最小亮度變化的對比度[14]。可以看到，在不同的背景亮度下，人眼的敏感度是不同的，人眼對較暗處的亮度變化十分敏感，而當亮度增加到一定程度時，對比度門限幾乎維持常數。研究表明，在亮度呈現線性變化的情況下，人類視覺感受到的亮度并不是線性變化的，而是呈現冪函數關系[15]。

為了保證視頻處理過程中視覺感知的一致性，通常將亮度信息進行非線性映射，使其被視覺線性感知。典型的視頻獲取、處理、顯示過程如圖2.4所示。攝影設備獲取外界光信息，然后利用非線性映射轉化為視覺感知線性的數字視頻信號，該非線性映射稱為光電轉換函數（Opto-Electronic Transfer Function, OETF）。顯示設備利用非線性映射將視頻信號（視覺感知線性）轉換成場景光線性信號，然后將其作為屏幕輸出的光信息，該非線性映射稱為電光轉換函數（Electro-Optical Transfer Function, EOTF）。

ITU-R BT.709標準規定了SDR的光電轉換函數：

其中，V為電信號；L為亮度。相應地，電光轉換函數為光電轉換函數的逆函數。

式（2-1）反映了光信號到電信號的非線性映射，也常稱為伽馬（Gamma）校正。伽馬校正的目的是對人眼視覺特性進行補償，根據人眼對亮度的感知能力，有效地表示亮度使其被視覺線性感知。另外，早期最常用的顯示設備是CRT（Cathode Ray Tube）顯示器。這類設備屏幕的顯示亮度與施加的電壓（電信號強度）關系大致是一個伽馬值為2.5的冪函數曲線。顯示器的這類伽馬曲線也稱為顯示伽馬（Display Gamma）曲線，為了與之匹配，圖像獲取設備就需要進行伽馬校正。

2.高動態范圍

現實世界中的場景，特別是戶外場景往往具有很大的動態范圍，如一些自然條件下的光照強度：陽光（105cd/m2），室內光線（102cd/m2），星光（10-3cd/m2）。相對于傳統的SDR，高動態范圍HDR（High-Dynamic Range）具有更寬的色彩范圍、更高的亮度上限和更低的亮度下限，更好地反映了高動態范圍的自然場景，可以給體驗者帶來更高質量的視覺感受。

針對HDR的擴大，ITU-R BT.2100標準[16]規范了兩種光電轉換曲線：PQ（Perceptual Quantization）和HLG（Hybrid Log-Gamma）。PQ是由杜比公司提出的一套光電轉換算法，有更符合人類視覺感知的伽馬曲線，適合在互聯網上制作電影或流媒體內容。HLG由NHK和BBC聯合推出，旨在使HDR內容與目前廣泛運用的廣播基礎設施及SDR內容兼容，適用于廣播電視和直播視頻。

圖2.5顯示了HDR的PQ和HLG伽馬曲線，可以看到，PQ伽馬曲線的最高亮度固定為1000cd/m2，也就是說，無論顯示設備的最高亮度如何，伽馬曲線始終相同，上限為1000cd/m2，不會按照顯示設備的亮度來進行適配。與PQ絕對映射相比，HLG是一種相對映射，它的優勢在于可以向下兼容傳統的伽馬曲線，所以即使在現有的SDR顯示器上，也可以觀看HDR內容，并且圖像劣化較小。PQ更注重畫質，支持更大的動態范圍（10000nits）；HLG兼容性更好，能夠使用現階段的SDR設備，但最大動態范圍只能支持5000nits。

對于HDR視頻，H.266/VVC中新增的亮度映射與色度縮放技術（Luma Mapping with Chroma Scaling, LMCS）支持塊級QP調整的算法，以適應HDR視頻更大的亮度動態范圍和更寬的色彩空間，提升HDR視頻（尤其是基于PQ的HDR視頻）的壓縮性能。