随着数字视频技术的发展，分辨率和帧率不断提高，但图像质量长期以来仍然受到限制。标准动态范围视频（SDR，Standard Dynamic Range）的设计亮度范围较窄，画面中最暗区域与最亮区域之间的亮度差异也有限。SDR 通常采用 8 位色深和 Rec. 709 色彩空间，这意味着暗部细节可能丢失，或者亮部出现过曝。即使使用高性能处理器和图像处理算法，画质改善的幅度仍然有限。
为了解决这一问题，HDR（High Dynamic Range，高动态范围）技术应运而生。它扩展了动态范围，使视频能够呈现更广泛的亮度层次，从而提升图像质量。HDR 不仅仅是电视本身的一项功能。视频还必须采用特定方式进行录制，并包含元数据，也就是有关当前显示图像的附加信息。
HDR 图像是如何创建的
HDR 的主要目标是保留画面中最暗区域和最亮区域的细节。主要有两种实现方式。
曝光包围拍摄。 使用不同的曝光级别拍摄多个画面。其中一个画面采用较亮的曝光，以捕捉阴影中的细节；另一个画面采用较暗的曝光，以保留高光细节。随后，将这些画面合并，并从每个画面中选取曝光最合适的区域。这种方法可以通过多台摄像机同时拍摄实现，也可以由一台摄像机依次拍摄多个画面。后一种方式不太适合动态场景，因为物体可能在不同曝光之间发生移动，从而产生重影和其他图像伪影。
具有宽动态范围的传感器。 现代摄像机能够在单个画面中捕捉广泛的亮度层次，而不必合并多次曝光。换句话说，摄像机可以捕捉多个图像，再由处理器对这些图像进行分析，最终生成一个画面。
最终得到的图像能够保留丰富的细节，并呈现平滑的色彩过渡。
HDR 的传输与显示方式
仅仅拍摄 HDR 视频还不够。视频还必须经过编码和传输，才能让屏幕正确显示。元数据会与视频流一起传输，其中包含亮度、对比度和色彩方面的技术信息，用于告诉电视应该如何显示图像。因此，电视必须支持相应的标准。否则，图像将以标准 SDR 格式显示。
这些信息有两种传输方式。
- 静态元数据只针对整个视频定义一次。
- 动态元数据会随场景变化，甚至逐帧变化。
HDR 标准概览
HDR10
HDR10 是一种基础的开放式 HDR 格式，由消费技术协会（CTA）于 2015 年标准化。它是 4K 蓝光光盘的强制要求，也是 HDR10+ 和许多 Dolby Vision 配置文件的基础。HDR10 使用 10 位色深和 Rec. 2020 色彩空间，但实际显示设备通常只能覆盖这一色彩范围的一部分。
静态元数据针对整部电影定义一次，描述母版制作显示器、画面的最大亮度和平均亮度。电视会根据自身显示能力决定如何映射不同的亮度级别。因此，同一画面在不同型号的电视上可能呈现出明显差异，暗场中的部分细节也可能丢失。HDR10 可以免费使用，几乎所有 HDR 设备都支持这一格式。
HDR10+
HDR10+ 是 HDR10 的升级版本，由三星和亚马逊于 2017 年公布。随后，由三星、松下和 20th Century Fox 成立的 HDR10+ 联盟对该格式进行了标准化。HDR10+ 在基础 HDR10 视频流中加入了基于 SMPTE ST 2094-40 标准的动态元数据。这些元数据逐帧传输，使电视能够根据显示面板的性能，更精确地调整视频每个时刻的亮度和对比度。
不支持 HDR10+ 的设备会将相关内容作为标准 HDR10 显示。色深仍然为 10 位。该标准无需支付版税，但并非所有设备都支持。
HDR10+ Adaptive
HDR10+ 的一项扩展功能，可以根据房间的环境光线调整画面。电视通过内置传感器测量环境光，并调整 HDR 图像的亮度。在光线充足的房间中，画面会更亮；在较暗的房间中，画面亮度则会降低。三星在 2021 年的电视产品中引入了这一功能，并同时宣布，兼容的三星电视可以通过 HDR10+ Adaptive 模式显示 Prime Video 上的 HDR10 内容。HDR10+ 官方网站将此功能描述为 2025 年推出的 HDR10+ Advanced 规范的一部分。
HDR10+ Gaming
HDR10+ Gaming 是由 HDR10+ Technologies 开发的游戏专用 HDR10+ 版本。根据三星的说法，在这一格式推出之前，游戏和显示设备无法相互识别对方的性能，因此 HDR 设置要么采用通用配置，要么需要用户手动选择。
使用 HDR10+ Gaming 时，游戏引擎和显示设备可以直接交换信息。这样，游戏便能识别显示设备的性能，并生成针对该屏幕优化的 HDR 图像。无需手动校准即可自动调整，也是该格式宣传的功能之一。在推出时，该格式适用于配备受支持 NVIDIA 显卡的电脑，以及较新的三星电视和显示器。
HDR10+ Advanced
这是一种面向旗舰电视的新标准，适用于峰值亮度极高、处理器性能强大且屏幕尺寸较大的机型。Prime Video 将从 2026 年 8 月开始，在三星 2026 年款电视上推出该标准。已公布的功能包括以下内容。
- 增强整体亮度。 利用元数据，更充分地发挥高端电视的高亮度性能。
- 智能运动平滑。 系统会自动判断是否需要进行运动平滑处理。
- AI 驱动的内容类型识别。 通过识别内容类型来选择图像处理设置，同时根据内容创作者提供的元数据，呈现更广泛的色彩范围。
Dolby Vision
Dolby Vision 是由 Dolby 开发并于 2014 年推出的一种需要授权的标准。它使用动态元数据，可以逐场景甚至逐帧变化。流媒体视频通常采用 10 位图像，而 12 位视频仅适用于部分配置文件，例如 4K 蓝光光盘使用的某些配置文件。Dolby Vision 拥有多种配置文件，其中一些面向流媒体，另一些面向光盘，还有一些可以在不支持 Dolby Vision 的电视上与 HDR10 兼容。
2025 年，Dolby 宣布推出 Dolby Vision 2。据该公司介绍，新版本增加了基于 AI 的画质优化功能，可根据观看环境调整图像，并支持逐帧控制运动平滑。旧款电视仍然可以播放这些内容，但要使用新功能，必须支持 Dolby Vision 2。制造商需要为该标准支付授权费用。三星电视不支持 Dolby Vision，而是将重点放在 HDR10+ 上。
HLG（Hybrid Log-Gamma）
HLG 是由 BBC 和 NHK 为电视广播及现场直播开发的一种格式，并被纳入 ITU-R BT.2100 建议书。HLG 不使用元数据，因为亮度信息直接编码在其传递函数中。该函数的较低部分与传统 SDR 伽马曲线相似，而较高部分采用对数特性，用于处理明亮区域。
这使同一个信号既可以在 HDR 电视上显示，也可以在 SDR 电视上显示。在 HDR 屏幕上，图像能够利用扩展后的动态范围；在 SDR 屏幕上，图像则可以正常显示。不过，在不支持广色域的旧款电视上，色彩可能会显得略微暗淡。HLG 无需支付版税，通常采用 10 位色深。与使用动态元数据的格式相比，它无法如此精确地逐场景调整画面，但更适合广播应用，而且不需要分别传输 SDR 和 HDR 视频流。
HDR 标准对比
| 标准 | 元数据 | 色深 | 许可方式 | 年份 |
|---|---|---|---|---|
| HDR10 | 静态 | 10 位 | 开放标准 | 2015 |
| HDR10+ | 动态，逐帧变化 | 10 位 | 无需支付版税 | 2017 |
| HDR10+ Adaptive | 动态元数据（HDR10+），并根据环境光传感器进行调整 | 10 位 | 未说明 | 2021 |
| HDR10+ Gaming | 根据三星的说法，元数据比 HDR10 更丰富 | 10 位 | 未说明 | 2022 |
| HDR10+ Advanced | 根据三星的说法，采用扩展的场景元数据 | 10 位 | 无需支付版税 | 2025 |
| Dolby Vision | 动态 | 10–12 位 | 需要付费授权 | 2014 |
| HLG | 不使用 | 10 位 | 开放标准 | 2015 |
