HDR的个人理解FAQ

HDR是一个复杂的概念，完全不同于SDR的理解，我走了一些弯路。这里面的一些概念理解必须精确，否则这个体系即便是码农能写代码，也不能理解。

何为“线性空间”？
线性空间就是 CIE XYZ的三维体系。这个线性其实说的是在 CIE XYZ 三个维度上的线性。其实就是人眼三色视觉函数的横坐标必须是线性。这个线性就是“卢瑟观测条件”，这个线性决定了“混色”符合“卢瑟观测条件”，也就是不会偏色，确保颜色的准确性。

但问题是，这个“线性”是确保混色成功的“线性”，符合“人眼”（CIE 1931的观测），但不符合“人脑”，比如麦克亚当的椭圆。我们可以通过数学工具炮制一种“色貌模型”，比如CIE LAB或者CIE CAM02。不过我们不可能用 CIE LAB/CIECAM02 去定义标准色彩空间（sRGB、Bt.709、DCI-P3、ProPhoto RGB、ACSE...）之类的。

所以，这个“线性”说的是在 CIE XYZ空间内，划分的标准色域（sRGB、Bt.709、DCI-P3、ProPhoto RGB、ACSE...）在这个三维体内的混色是线性的，并不代表亮度、色度是线性的。后两者另外计算处理，比如各种曲线工具等等。这个线性，本质上是计算线性，而不是观看线性。这个搞游戏引擎的同学深有体会。其他的要记住理解这个抽象概念就行。
何为 EOTF、OETF、Gamma等等？
有了以上的“线性”理解，这三者是等同的，我也是被 optical 光学的困扰了很久。感觉是一个“客观的物理概念”，其实不是。这里的Optical其实是perceptual，是一种人眼感觉。这个光不是灯光，而是人眼识别光的感觉，用数学工具来“人为约定”。因为人眼是对数关系，具体怎么对数，我们码农不用管，交给各种组织处理。我们只知道，E（Electrical）和O（Optical）的关系，E（Electrical电子的）就是线性的；而O（Optical光学的）就是非线性的、对数的、gamma的或者分段的（sRGB/HLG）。具体怎么非线性，根据各类标准套用即可。反正统一到线性就可以方便计算和转换了。
何为亮度，以及亮度转换？以及ToneMapping，以及曝光概念。
这个也非常复杂混淆，各类概念复杂混淆。
“曝光”其实用来记录原始摄影场景的光学信息，其实是一个“区分度”的概念。区分度分为“可视区分度”和“非可视区分度”。可视区分度就是前面提到的Optical人眼感觉的概念，比如JPG 8bit，HDR 10bit的概念。非可视区分度，主要用来保存和中间计算，最后得出“可视区分度”。

简单来说，非可视区分度就是高考成绩或者考试成绩，可视区分度就是 5分制或者 985、211、一本、二本、三本、职高。曝光基本上是处理“非可视区分度”，而Tonemapping curve曲线就是连接不同区分度的工具。这个没啥“客观规律”，靠话语权，我们码农只关注公式，你说这个Tonemapping好，我无所谓。我只关注具体公式描述。

所谓“HDR”，其实分为“HDR效果”和“HDR硬件”。HDR效果在SDR设备上（比如纸张印刷冲印、莫奈的绘画）也能表现电焊、阳光、日出、日落这些HDR场景，这就是叫“HDR效果”。而“HDR硬件”，则是具体的显示器硬件。比如高亮度的大屏幕电视。而HDR标准是指HDR硬件。

所谓 HDR硬件，就是亮度更高的显示设备。比如iMAX屏幕就是HDR硬件，而展厅放置的大幅摄影照片就是SDR设备。那么更高亮度的设备HDR所表达“对比度”和SDR是不同的。这就是HDR/SDR的不同的表达关系。在“HDR HLG”的概念里，有一个优势叫“图像劣化比较小”。这句话的实际意思就是，如果把HLG当作SDR的内容直接“错误播放”，其错误偏差程度比较小，人眼觉得差不多就算了。而 HDR PQ当作 SDR的内容直接“错误播放”就不行了，图像发会，人眼不可接受。

本质上，HDR / SDR 是两种不可兼容的对比度/亮度体系。必须通过ToneMap的转换。但具体算法，你们喜欢啥就是啥，你们爱用哪个就哪个。
HDR硬件的亮度体系。比如HDR PQ/HDR HLG。
其亮度体系大量使用 RGB-->YUV的转换，使用 Y分量来代表“亮度”。因为这个计算简单。也就是说，计算的时候，先获取像素的Y分量（一般这个时候是线性的ACSE、BT2020、DCP-P3）计算亮度，再返回RGB数据根据这个Y分量获取一个转换ToneMap算法，得出三个新的R'G'B'。这就是不同HDR亮度体系，或者HDR到SDR的转换方法。
由此得知，其实HDR/HLG标准不能完全算HDR，因为HLG标准可以根据目标显示亮度是一个不固定的曲线。不同显示设备的亮度，有着不同的实际转换曲线（取决于目标亮度），只不过HLG定义了实际转换曲线的生成统一标准。这个亮度可以就仅仅是SDR，也可以是HDR的高亮度。如果是前者，那么HDR hlg(sdr 100cd/m2)的实际转换曲线和Rec.709差别不大了，只不过色域是Bt.2020。而HDR PQ才是真HDR。
基于上一点，HDR-->SDR首先要HDR的归一化，归一化以后才能套用Tonemap的曲线，否则损失亮度或色彩的精度。

先想这么多，想到再补充。其实读懂这些才能知道这些公式的含义，否则就陷入色彩管理的泥潭，不能自拔。

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