Prometheus超低亮高精度色度计- HDR显示计量领域的游戏规则改变者!

什么是 HDR？

高动态范围（High-Dynamic Range，简称HDR）作为超高清音视频产业的关键技术之一，拥有更广的色彩容积和更高的动态范围，为图像保留更多细节。通过丰富的图像亮部和暗部细节，在对比度、灰度等维度上提升影像质量，让用户眼中的影像更加细腻真实，更富有感染力。

在HDR技术中，动态范围指的就是图像的最大亮度和最小亮度的比值。对比度有几种不同的计算方法，其中最重要的3种分别是：韦伯对比度（CW）、麦克森对比度（CM）以及比率对比度（CR）。定义为：

HDR相比SDR标准的优势：

标准动态范围（Standard Dynamic Range，简称SDR），是一种视频技术，它根据阴极射线管(CRT)显示器的亮度、对比度和颜色特性和限制来表示光强度。SDR视频能够表示视频或图片的颜色，最大亮度约为100 cd/m²，黑电平约为0.1 cd/m²和Rec.709/sRGB色域。它使用伽马曲线作为其电光传递函数。

一

更高的动态范围

人眼可以感知到的亮度范围能达到1012cd/m²，传统的SDR显示设备可以显示的范围能达到10³cd/m²，而HDR可以达到10⁵ cd/m²，是传统SDR的100倍，因此在HDR视频里面我们可以看到更多的暗部和亮部细节。

HDR与传统SDR亮度范围对比

二

更广的色彩容积

SDR视频通常是8bit，也就是1670万色，HDR支持10bit甚至更高的色深，也就是你经常听到宣传的10.7亿色，显示的颜色越多，色彩自然也就越细腻，颜色之间的过度更加自然。

在可显示的色彩范围上，HDR的视频的色彩会更加丰富，SDR支持的rec.709色彩空间，HDR支持rec.2020色彩空间，如下图：

目前市场主流的HDR标准有哪些？

1、HDR10

该标准由美国消费者技术协会（CTA）推出的，是一个开源免费的标准；HDR的基础标准，所有的HDR设备都支持，也是目前应用支持最广泛的HDR标准。

但是HDR10采用的“静态元数据”技术，信号记录的是亮度的绝对值，就导致了如果你的设备达不到亮度就会进行削峰，比如说一台最大亮度为1000cd/m²(nits)的显示器，它如何处理高达4000cd/m²(nits)视频中的高光，那就只能裁掉1000cd/m²(nits)以上的部分。

几乎兼容所有4K HDR电视、蓝光播放器、游戏主机（如PS5/Xbox）及流媒体平台（Netflix、Amazon等）。

2、DOLBY VISION（杜比视界）

杜比实验室推出的Dolby Vision，目前来说显示效果最好的HDR标准。

与HDR10不同Dolby Vision采用了“动态元数据”的技术，使得每一帧都获得了比较准确的最高和最低亮度，对设备硬件的要求也是更为苛刻，而且每台设备厂商都需要向杜比视界支付授权费用，一个杜比设备大概需要支付3美元左右的费用，就导致了支持杜比视界的设备普遍比较贵一些。

要达到杜比世界标准的播放要有三个必要条件：片源为杜比世界相关格式，硬件设备有杜比世界的认证，包括处理器与显示器播放软件都要有杜比认证，如果用没有经过认证的设备来播放，就可能会出现应收错误，无法正常解码等问题。

杜比世界虽然是目前效果最好的HDR格式，但是很多厂商都不愿意使用，就是因为其高昂的授权费用，因此三星、亚马逊等联合推出了HDR10+的标准。

3、HDR10+

三星、松下与亚马逊等联合推出，具有杜比视界优于HDR10的大部分优势，并且它是免费的。

为了对抗Dolby Vision，三星与松下、亚马逊和二十世纪福克斯共同创建了HDR10+联盟，推出HDR10+标准，可以兼容HDR10。

HDR10+可以看做HDR10的升级，添加了“动态源数据”技术，对于内容制作公司这项标准是免费的，对于硬件制造公司需要支付年费【最高$10,000】，不需要每个硬件去支付版税，可以理解为免费的。

4、HLG

英国BBC和日本NHK联合发起是的视频电视信号标准，全称是Hybrid Log Gamma。

使用这个标准最突出的特点就是：可以同时兼容HDR电视，和目前最为普及的SDR电视，兼容性特别好。

技术上的特点是：没有元数据、电光传递函数HLG，这是混合对数伽马的一种形式，如果经常使用sony尼微单拍视频，应该会用到HLG这个PP值，因此行业大佬Sony可以说已经支持了HLG这种HDR标准。

5、Advanced HDR by Technicolor

Technicolor开发，专注于内容制作端的HDR优化。可将SDR内容转换为HDR，或优化现有HDR内容，但终端设备支持较少。

6、HDR Vivid 中文名称：菁彩HDR

超高清视频产业联盟联合华为的厂商主导的HDR Vivid，中文名称菁彩HDR；

HDR Vivid是中国超高清视频产业联盟，以华为海思的技术为主导，推出的一个中国独创的HDR新标准，也是一个免费的标准，也是支持动态元数据，可以对画面信息进行帧级调整，从技术上来讲已经是和杜比视界一个层次了，但是由于起步较晚，之前的几大HDR标准都已近形成了比较固定的市场份额，同时各个标准背后的公司与显示设备厂家之间的利益纠葛，以及复杂的国际环境，HDR Vivid的推广普及并没有那么简单。

总之，HDR技术的核心目的是在图像中表现更大的亮度范围，从非常亮的区域到非常暗的区域都能清晰呈现。传统标准动态范围（SDR）的亮度范围有限，无法准确表现真实世界中的高亮和低光场景。而HDR通过增加亮度范围和色彩容积，能够在对比度、灰度等维度上提升影像质量，使图像更加细腻真实，富有感染力‌。

FF PicturesGmbH的InnoPQ系统凭借Prometheus色度计革新了HDR显示器计量！

高动态范围(HDR)技术正在改变视觉体验，提供前所未有的深度、对比度和色彩丰富度。然而，HDR显示器的复杂性给质量控制和校准带来了独特的挑战。本案例研究深入探讨了Admesy的Prometheus色度计如何无缝集成到FF PicturesGmbH的InnoPQ HDR测量系统中，从而革新了显示领域的质量控制、研究和开发。

挑战：驾驭HDR的复杂性

ICDM HDR小组委员会主席兼FF Pictures GmbH首席执行官Florian Friedrich一直处于HDR技术的前沿。他关于先进HDR测量的获奖论文强调了HDR显示计量中复杂的相互依赖性。

任何现代HDR消费显示器都利用一套复杂的规则来根据其自身能力和输入信号之间的差异来调整视觉结果。除了现有的色调映射或色彩映射之外，静态和动态HDR元数据正在影响HDR显示器的色调映射。其中一些每秒钟发生多次，甚至精确到帧，跟随源的帧速率，其中一些是与能量消耗和热量分布相关的长期调整。

要真正掌握现代HDR技术的复杂性，快速准确地测量显示器对输入信号的响应绝对至关重要。为了实现这一目标，InnoPQ HDR测量系统将不同的补丁信号值和补丁大小与动态电影背景相结合，同时巧妙地同步每次测量的时间，以捕捉最短暂的时间效果。

该系统需要一个快速准确的色度计，以满足其严格的要求。FF Pictures的Florian Friedrich说：“我们需要一种解决方案，能够精确测量HDR信号再现的重要参数，精确到单帧，并且即使在低于0.1 cd/m²的阴影区域也能够精确测量颜色。市场上只有少数几个色度计能够满足我们的要求，但是看到Admesy的PrometheusColorimeter，我对将其应用到我们的测量工具中非常感兴趣。”。

Prometheus色度计是工程学的奇迹。尤其是低至0.000025 cd/m²的超低亮度值的高测量速度，使其成为市场上无可争议的最快色度计。它与InnoPQ系统的整合具有变革性。FF Pictures的Florian Friedrich说：“Prometheus色度计的测试速度和精度结合得非常出色。这是一款非常先进的色度计，极大地增强了我们的测量能力。”

多功能性：色度计中的瑞士军刀

Prometheus色度计不仅速度快。它的用途极其广泛。它每秒可以执行高达60万个甚至80万个样本，并支持多种软件平台，包括Visual Studio、Labview、Matlab和Python。这种适应性使其成为InnoPQ系统的理想选择，InnoPQ系统需要高度的定制化来处理其复杂的测量序列。

光谱灵敏度：设定新标准

光谱响应匹配：

Prometheus色度计采用CIE 1931/1976标准色匹配函数（如x̄(λ), ȳ(λ), z̄(λ)），确保测量结果与人眼视觉感知一致。通过硬件校准+软件算法修正传感器的光谱响应偏差，提高测量精度。

色度与亮度计算：

电信号经模数转换（ADC）后，计算CIE XYZ三刺激值，再转换为色坐标（x, y）、色温（CCT）、色纯度等参数。

其中E(λ)为光谱功率分布，x̄(λ)为CIE标准观察者函数。

色度计出厂针对传感器非线性、温度漂移等进行补偿。并且部分型号支持自动校准（如黑电平校正、增益调整），确保长期稳定性。

Prometheus色度计设计的光谱灵敏度与CIE 1931“2°标准观察者”非常接近，非常适合测量各种显示器，包括宽色域(WCG)显示器。这一特性对于InnoPQ系统来说是无价的，该系统要求各种显示器类型具有高精度，例如带磷光背光的传统LCD或更先进的带LED背光和量子点滤色片的LCD显示器，以及OLED、QD-OLED。

Admesy的Prometheus色度计和FF Pictures的InnoPQ HDR测量系统的合作为HDR显示计量树立了新的标准。为了克服测量HDR电视和HDR后期制作显示器或监视器的挑战，FF Pictures开发了InnoPQ HDR测量系统，在传统系统面临限制的情况下，该系统可以自动完成复杂的测量任务。

在这种情况下，Prometheus色度计无与伦比的速度、精度和多功能性已被证明在解决现代HDR技术所带来的复杂挑战方面具有不可估量的价值，这些挑战包括各种复杂的相互依赖关系。随着行业的不断进步，像Prometheus这样的工具将在确保视觉体验与技术进步保持同步方面发挥至关重要的作用。

特别地，Admesy推出了全新一代Prometheus色度计- PCM2X系列：

PCM2X-271超低亮高精度色度计特点：

•亮度低至0.000025 cd/m²情况下可在1s内完成测量；

• Flicker亮度（X、Y和Z）高速采样功能：内部采样率高达60万次/秒，提供多种采样输出速率功能；

•接收角为±5°，适用于各种显示技术；

•强大的MCU支持所有基于FFT的闪烁计算（Fma、Jeita、用户自定义）；

•可通过FIR滤波器进行基于时间的Fma闪烁计算，例如变刷新率（VRR）显示器flicker测量；

•多功能软件支持：Visual Studio、Labview、Matlab、Python；

•光谱灵敏度：符合CIE 1931 2°标准观察者；

•附加功能：改进的滤光片、闪烁和波形测量、准直或聚焦透镜、光纤连接能力、机械快门。

以上这些特点充分证明了为什么Prometheus色度计是HDR显示计量领域的游戏规则改变者！

Admesy是一家专注于光测量设备的荷兰公司，由前飞利浦工程师创立于2006年，总部位于荷兰的Ittervoort。基于在显示制造业的深厚和专业知识背景，Admesy公司能成为显示测量应用领域的领头羊。该公司致力于为工业、科研和显示领域提供高精度的光谱辐射度、色度和亮度测量解决方案，尤其在LED照明生产、显示测量（如OLED、Mini-LED、Q-LED、Micro-LED）、显示制造与集成等领域具有较强的影响力。

上海吴量光电设备有限公司作为荷兰Admesy在中国地区授权的一级代理商，负责其所有产品在国内的销售、服务，以及售后技术支持等等，昊量强大的技术支持团队可以为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等工作；昊量光电产品涉足领域涵盖材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究与国防等。近年来，我们也专注于前沿的细分市场，为量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等领域的客户提供系统解决方案。如有任何问题，欢迎随时联系我们!

参考文献

"Utilizing advanced spatio-temporal backgrounds with dynamic test signals for high dynamic range display metrology"by Timo Kunkel and Florian Friedrich