Granite River Labs, GRL
Nicole Lan 蓝婉甄
HDR全名为High Dynamic Range高动态范围，所谓动态范围主要即指图像的亮度、对比度，而HDR相较于以往SDR (Standard Dynamic Range标准动态范围)可提供更为丰富的色彩范围、更为细腻的亮部及暗部细节，因此能够逼真地显示人眼所见之真实景象，获得栩栩如生的画面质量，如图(1)所示。
图(1)
所谓HDR摄影技术即为使用不同的曝光值捕获同一场景的多张图像，再将这些图像组合为一张图像，此图像便可包含拍摄场景内所有的色调值范围，透过这种技术达成截取现场更多亮暗部的细节。至于HDR显示技术之重点则是在于提升显示器的亮度、对比值以及更广的色域范围。
目前市面上标示支持HDR技术的显示器产品不计可数，然而这些显示器并没有明确定义其HDR支持能力的测试规范细节，往往导致消费者在选购HDR显示器时并无实际概念及明确的文件可以参阅，因此无法取得有意义的效能信息。效能差的HDR显示器难以在深色背景中显示出明亮物体，易衍生光线条纹横穿屏幕或在明亮物体周围形成光晕等问题。
兼容测试分级规范 DisplayHDR
为避免消费者对于产品的HDR标志之效能产生混淆，美国视讯电子标准协会(VESA)在采纳20多家会员公司之意见后，于2017年12月制定了全新的HDR兼容测试分级规范DisplayHDR，而这些会员公司包含了生产显示器、绘图卡、CPU、面板与相关组件等各大主要OEM厂商。DisplayHDR的规范针对笔记本电脑与屏幕显示器提供透明的效能测试方法以及公开的效能衡量标准，并且以简单易懂的标志系统来代表不同的效能水平。VESA依据液晶(LCD)显示器的流明度、色域、色深等规格差异，分别制定了DisplayHDR 400、500、600、1000等规格，并且于2019年推出DisplayHDR 1400规格以及适用于有机发光二极管(OLED)显示器的两种规格：DisplayHDR 400 True Black以及DisplayHDR 500 True Black。相较于DisplayHDR 1000/1400与DisplayHDR 400/500 True Black，DisplayHDR 400 – 600规格属入门至中阶效能标准，只要制造商的产品符合该标准，即可打上认证标章，且会员不需缴交权利金，只需支付许可证费用。
HDR 测试相关之专有名词
以下将针对DisplayHDR 1.1版本对于显示器之显示效能所定义的特性参数来进行说明，包含亮度(Luminance)、黑阶(Black level)、主动调光(Active dimming)、色域(Color gamut)、位深度(Bit depth)、反应速度(Rise time)，以及亮度白点还原(Luminance and white point accuracy)，其中屏幕分辨率、画面长宽比及音讯等与HDR效能无关的功能则不在DisplayHDR规格的讨论范畴内。
亮度
亮度(Luminance)测试，如表(1)，涉及三种不同情境：长时间小区域尖峰亮度、短时间全屏幕闪光亮度，以及全屏屏幕持续亮度。DisplayHDR 400、500、600、1000、1400等不同规格，后面数字代表显示器应能达到的峰值亮度水平，其单位为尼特(nits)，即烛光每平方公尺(cd/m2)。DisplayHDR 1.1版本中，小区域尖峰亮度测试(10% Center Patch Test)的中央白色方块将随机移动1%像素范围，显示器画面必须达到各规范的亮度水平且维持30分钟以上，而短时间全屏幕闪光亮度也必须达到相同亮度水平。此外，全屏屏幕持续亮度在30分钟内也不可低于规范所订制的亮度水平。其中，小区域尖峰亮度与全屏屏幕持续亮度两测项的理想测试时间应为整天，然而为节省测试时间，以30分钟作为替代，假定热影响会在30分钟之内发生，以确保电力输送的稳定状态。
表（1）
黑阶
黑阶(Black level)测试，如表(2)，即为原面板亮度与暗度之对比测试。DisplayHDR 1.1版本中，双边缘区域测试(Dual corner box)采用更大的边缘区域，使亮度与暗度的量测更为准确，以提高对于显示器之动态对比度的要求。其中，DisplayHDR 400/500 True Black的Max黑阶亮度标准为0.0005nits，相较于DisplayHDR 1000定义了100倍的黑阶标准，这是由于OLED显示器的自发光面板能够完全关闭不发光的特性，可呈现真正完美的黑阶。而DisplayHDR 1400的Max黑阶亮度标准为0.02nits，动态对比度相较于DisplayHDR 1000提升了3.5倍。
表（2）
主动调光
主动调光(Active dimming)测试，如表(3)，为DisplayHDR 1.1版本中新增的测项，为确保LCD显示器区域背光之调整能力。LCD显示器之背光模块可分为全局调光及区域调光两种，区域调光即将背光分为多个独立区域，使得显示器某些区域能够变得更亮，且在同时使其他区域变得更暗。由于区域调光可以更准确地控制显示器亮度，因此能够创造出更佳的对比度与动态范围性能。
此测试项目将测试显示器能否依据视频内容的实际亮度来对背光进行调光，而非仅当视频的元数据更改时才变暗。在不改变元数据的情况下，从白盒亮度为Max值到白盒亮度仅为5nits的棋盘，测试当峰值亮度大幅降低时，调光算法是否能实时降低背光功率。当背光功率降低时，棋盘黑盒的黑色亮度水平也会同时降低。如此便可降低显示器功耗并使显示器显示更黑的黑阶影像。至于DisplayHDR 400/500 True Black，由于OLED显示器并无背光模块，只要黑阶亮度不超过0.0005nits即可。
表（3）
色域
色域(Color gamut)测试为量测显示器可显示之颜色范围，包含了彩度与亮度范围。HDR的色域标准是BT.2020，其亮度范围可以从0.0005nit到10000nits，相比之下SDR色域标准BT.709的亮度范围仅为0.1nit到100nits。当画面图像显示范围超过BT.709所定义之范围时，显示器所显示的画面将呈现高光死白和暗部死黑等情况。BT.2020与BT.709两者之间色域范围差异，请参考下图(2)所示。
图（2）
DisplayHDR 1.1版本中，如表(4)，除原本的全屏颜色测试之外，新增了10%的色块测试，且将使用显示器的Max亮度以及DisplayID/EDID中的RGB原色值，因此运行系统时可显示更准确的色域。此外，也新增组合色度的亮度测试，用以验证全亮度下的全色容量。大部分的规格须能涵盖99%的BT.709色域标准以及90%的 DCI-P3 CIE D65色域标准。其中，DisplayHDR 1400的色域显示范围更要求须达DCI-P3 CIE D65的95%以上。
表（4）
位元深度
位元深度(Bit depth)测试为量测显示器可显示之颜色数量。在SDR标准下，三原色的亮度被划分为256级(2的8次方)，即为8bit，表示所能显示的颜色种类数量为256*256*256种。而HDR标准下为10bit，所能显示的颜色种类数量为1024*1024*1024种。如图(3)所示，可以明显看出相较于8bit，10bit拥有更为细腻之颜色过渡。位深度测试将仿真Min低位深度，由测试人员以视觉测试来确认结果。
图（3）
其中，由缩放控制器、图形处理器或频率控制器等输入至区域或全局调光处理单元的视频讯号皆须达10位。除DisplayHDR 400以外，其余规格之Min要求为使用8位驱动器配合2位抖色算法，达到至少10位的显像效能，而DisplayHDR 400则不可使用6位驱动器配合2位抖色算法来达到8位画质。因此，所有DisplayHDR规格皆须具备真实8位深度的性能。
表（5）
反应速度
反应速度(Rise time)测试为量测由Min亮度至峰值亮度所需时间，更准确的定义为由10%至90%峰值亮度之反应时间。透过分析背光对亮度变化的反应速度，将有助于避免图像在由黑转亮时所产生的延迟。由黑转白须在 8 帧画面当中完成，如表(6)，而 DisplayHDR 400/500 True Black则须在 2 帧画面当中完成，相当于画面由黑至白之反应时间提升四倍。其中需特别注意，此项量测之标准为显示器之更新率为60Hz。
表（6）
亮度及白点还原
亮度及白点还原(Luminance and white point accuracy)测试，如表(7)，为DisplayHDR 1.1新增的测项，用以检测显示器之亮度是否正确渲染，以确保可真实还原亮度与D65白平衡。对于使用PQ (Perceptual Quantizer)亮度分布曲线之显示器，确认其是否符合分布曲线尤为重要。此测项将量测在不同亮度下，显示器画面与D65白平衡以及PQ亮度分布曲线之误差值。
表（7）
结论
综合以上所有测试项目，可知晓VESA对于支持HDR功能显示器之效能规范相当严谨，因此DisplayHDR之认证标章于市场上具有相当程度的公信力。目前VESA也致力于研究更为严谨且效能更为提升之新规范，以力求HDR显示器的发展与进步，由此可见往后更为贴近人眼所见画面之显示器将指日可待。
请参考DisplayHDR CTS 1.0与CTS1.1之对照表，如表(8)：
表（8）
凡符合规范且通过认证的产品，便可使用VESA 所认可的DisplayHDR认证标志。其中，当产品符合DisplayHDR 400、500、600、1000、1400等规格时，可取得如图(4)所示之认证标志；符合DisplayHDR 400 True Black及DisplayHDR 500 True Black等规格时，则可取得如图(5)所示之认证标志。
图（5）
参考文献：
- VESA High-performance Monitor and Display Compliance Test Specification, Version 1.0, 27 November, 2017
- VESA High-performance Monitor and Display Compliance Test Specification, Revision 1.1, 29 August, 2019
作者
GRL测试工程师 蓝婉甄Nicole Lan
拥有三年多DP测试经验，擅长DP、HDR、MIPI等接口测试。GRL技术文章作者及讲师。
本文件中规格特性及其說明若有修改恕不另行通知。
发布日期 2020/09/30 AN-200901-TW