Granite River Labs, GRL
Nicole Lan 藍婉甄
HDR 全名為 High Dynamic Range 高動態範圍，所謂動態範圍主要即指圖像的亮度、對比度，而 HDR 相較於以往 SDR（Standard Dynamic Range 標準動態範圍）可提供更豐富的色彩範圍、更為細膩的亮部及暗部細節，因此能夠逼真地顯示人眼所見之真實景象，獲得栩栩如生的畫面品質，如圖(1)所示。
圖 1
所謂 HDR 攝影技術即為使用不同的曝光值捕獲同一場景的多張圖像，再將這些圖像組合為一張圖像，此圖像便可包含拍攝場景內所有的色調值範圍，透過這種技術達成截取現場更多亮暗部的細節。至於 HDR 顯示技術之重點則是在於提升顯示器的亮度、對比值以及更廣的色域範圍。
目前市面上標示支援 HDR 技術的顯示器產品不計可數，然而這些顯示器並沒有明確定義其 HDR 支援能力的測試規範細節，往往導致消費者在選購 HDR 顯示器時並無實際概念及明確的文件可以參閱，因此無法取得有意義的效能資訊，效能差的 HDR 顯示器難以在深色背景中顯示出明亮物體，易衍生光線條紋橫穿屏幕或在明亮物體周圍形成光暈等問題。
為避免消費者對於產品的 HDR 標誌之效能產生混淆，美國視訊電子標準協會（VESA）在採納 20 多家會員公司的意見後，於 2017 年 12 月制定了全新的 HDR 相容測試分級規範 DisplayHDR，而這些會員公司包含了生產顯示器、繪圖卡、CPU、面板與相關元件等各大主要 OEM 廠商。DisplayHDR 的規範針對筆記型電腦與螢幕顯示器提供透明的效能測試方法以及公開的效能衡量標準，並且以簡單易懂的標誌系統來代表不同的效能水準。VESA 依據液晶（LCD）顯示器的流明度、色域、色深等規格差異，分別制定了 DisplayHDR 400、500、600、1000 等規格，並且於 2019 年推出 DisplayHDR 1400 規格以及適用於有機發光二極體（OLED）顯示器的兩種規格：DisplayHDR 400 True Black 以及 DisplayHDR 500 True Black。相較於 DisplayHDR 1000/1400 與 DisplayHDR 400/500 True Black，DisplayHDR 400 – 600 規格屬入門至中階效能標準，只要製造商的產品符合該標準，即可打上認證標章，且會員不需繳交權利金，只需支付許可證費用。
以下將針對 DisplayHDR 1.1 版本對於顯示器之顯示效能所定義的特性參數來進行說明，包含亮度
（Luminance）、黑階（Black level）、主動調光（Active dimming）、色域（Color gamut）、位元深度（Bit depth）、反應速度（Rise time），以及亮度白點還原（Luminance and white point accuracy），其中螢幕解析度、畫面長寬比及音訊等與HDR 效能無關的功能則不在 DisplayHDR 規格的討論範疇內。
亮度（Luminance）測試，如表(1)，涉及三種不同情境：長時間小區域尖峰亮度、短時間全螢幕閃光亮度，以及全屏螢幕持續亮度。DisplayHDR 400、500、600、1000、1400 等不同規格，後面數字代表顯示器應能達到的峰值亮度水準，其單位為尼特（nits），即燭光每平方公尺（cd/m2）。DisplayHDR 1.1 版本中，小區域尖峰亮度測試（10% Center Patch Test）的中央白色方塊將隨機移動 1% 像素範圍，顯示器畫面必須達到各規範的亮度水準且維持 30 分鐘以上，而短時間全螢幕閃光亮度也必須達到相同亮度水準。此外，全屏螢幕持續亮度在 30 分鐘內也不可低於規範所訂製的亮度水準，其中，小區域尖峰亮度與全屏螢幕持續亮度兩測項的理想測試時間應為整天，然而為節省測試時間，以 30 分鐘作為替代，假定熱影響會在 30 分鐘之內發生，以確保電力輸送的穩定狀態。
表 1
黑階（Black level）測試，如表(2)，即為原面板亮度與暗度之對比測試。DisplayHDR 1.1 版本中，雙邊緣區域測試（Dual corner box）採用更大的邊緣區域，使亮度與暗度的量測更為精準，以提高對於顯示器之動態對比度的要求。其中，DisplayHDR 400/500 True Black 的最大黑階亮度標準為 0.0005nits，相較於 DisplayHDR 1000 定義了 100 倍的黑階標準，這是由於 OLED 顯示器的自發光面板能夠完全關閉不發光的特性，可呈現真正完美的黑階。而 DisplayHDR 1400 的最大黑階亮度標準為 0.02nits，動態對比度相較於 DisplayHDR 1000 提升了 3.5 倍。
表 2
主動調光（Active dimming）測試，如表(3)，為 DisplayHDR 1.1 版本中新增的測項，為確保 LCD 顯示器區域背光之調整能力。LCD 顯示器之背光模組可分為全域調光及區域調光兩種，區域調光即將背光分為多個獨立區域，使得顯示器某些區域能夠變得更亮，且在同時使其他區域變得更暗。由於區域調光可以更精確地控制顯示器亮度，因此能夠創造出更佳的對比度與動態範圍效能。
此測試項目將測試顯示器能否依據視頻內容的實際亮度來對背光進行調光，而非僅當視頻的原數據更改時才變暗。在不改變原數據的情況下，從白盒亮度為最高值到白盒亮度僅為 5nits 的棋盤，測試當峰值亮度大幅降低時，調光演算法是否能即時降低背光功率。當背光功率降低時，棋盤黑盒的黑色亮度水準也會同時降低。如此便可降低顯示器功耗並使顯示器顯示更黑的黑階影像。至於 DisplayHDR 400/500 True Black，由於 OLED 顯示器並無背光模組，只要黑階亮度不超過 0.0005nits 即可。
表 3
色域（Color gamut）測試為量測顯示器可顯示之顏色範圍，包含了彩度與亮度範圍。HDR 的色域標準是 BT.2020，其亮度範圍可以從 0.0005nit 到 10000nits，相比之下 SDR 色域標準 BT.709 的亮度範圍僅為 0.1nit 到 100nits。當畫面圖像顯示範圍超過 BT.709 所定義之範圍時，顯示器所顯示的畫面將呈現高光死白和暗部死黑等情況。BT.2020 與 BT.709 兩者之間色域範圍差異，請參考下圖(2)所示。
圖 2
DisplayHDR 1.1 版本中，如表(4)，除原本的全屏顏色測試之外，新增了 10%的色塊測試，且將使用顯示器的最大亮度以及 DisplayID/EDID 中的 RGB 原色值，因此運行系統時可顯示更準確的色域。此外，也新增組合色度的亮度測試，用以驗證全亮度下的全色容量。大部分的規格須能涵蓋 99% 的 BT.709 色域標準以及 90% 的 DCI-P3 CIE D65 色域標準，其中，DisplayHDR 1400 的色域顯示範圍更要求須達 DCI-P3 CIE D65 的 95%以上。
表 4
位元深度（Bit depth）測試為量測顯示器可顯示之顏色數量。在 SDR 標準下，三原色的亮度被劃分為 256級（2 的 8 次方），即為 8bit，表示所能顯示的顏色種類數量為 256*256*256 種。而 HDR 標準下為 10bit，所能顯示的顏色種類數量為 1024*1024*1024 種。如圖(3)所示，可以明顯看出相較於 8bit，10bit 擁有更為細膩之顏色過渡。位元深度測試將模擬最低位元深度，由測試人員以視覺測試來確認結果。
圖 3
其中，由縮放控制器、圖形處理器或時脈控制器等輸入至區域或全域調光處理單元的視頻訊號皆須達 10 位元。除 DisplayHDR 400 以外，其餘規格之最低要求為使用 8 位元驅動器配合 2 位元抖色演算法，達到至少10 位元的顯像效能，而 DisplayHDR 400 則不可使用 6 位元驅動器配合 2 位元抖色演算法來達到 8 位元畫質。因此，所有 DisplayHDR 規格皆須具備真實 8 位元深度的效能。
表 5
反應速度（Rise time）測試為量測由最小亮度至峰值亮度所需時間，更準確的定義為由 10%至 90%峰值亮度之反應時間。透過分析背光對亮度變化的反應速度，將有助於避免圖像在由黑轉亮時所產生的延遲。由黑轉白須在 8 幀畫面當中完成，如表(6)，而 DisplayHDR 400/500 True Black 則須在 2 幀畫面當中完成，相當於畫面由黑至白之反應時間提升四倍。其中需特別注意，此項量測之標準為顯示器之更新率為 60Hz。
表 6
亮度及白點還原（Luminance and white point accuracy）測試，如表(7)，為 DisplayHDR 1.1 新增的測項，用以檢測顯示器之亮度是否正確渲染，以確保可真實還原亮度與 D65 白平衡。對於使用 PQ（Perceptual Quantizer）亮度分佈曲線之顯示器，確認其是否符合分佈曲線尤為重要。此測項將量測在不同亮度下，顯示器畫面與 D65 白平衡以及 PQ 亮度分佈曲線之誤差值。
表 7
綜合以上所有測試項目，可知曉 VESA 對於支援 HDR 功能顯示器之效能規範相當嚴謹，因此 DisplayHDR 之認證標章於市場上具有相當程度的公信力。目前 VESA 也致力於研究更為嚴謹且效能更為提升之新規範，以力求 HDR 顯示器的發展與進步，由此可見往後更為貼近人眼所見畫面之顯示器將指日可待。
最後，請參考 DisplayHDR CTS 1.0 與 CTS1.1 之對照表，如表(8)：
表 8
凡符合規範且通過認證的產品，便可使用 VESA 所認可的 DisplayHDR 認證標誌。其中，當產品符合 DisplayHDR 400、500、600、1000、1400 等規格時，可取得如圖(4)所示之認證標誌；符合 DisplayHDR 400 True Black 及 DisplayHDR 500 True Black 等規格時，則可取得如圖(5)所示之認證標誌。
圖 4
圖 5
DisplayHDR & DP 是 VESA 的註冊商標
參考文獻
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作者
GRL 台灣技術工程師 藍婉甄 Nicole Lan
擁有三年多 DP 和 HDR 測試經驗，擅長 DP、HDR、MIPI、Ethernet 等介面測試。
本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。
發佈日期 2020/09/30 AN-200901-TW