深入看 SDR 與 HDR：PQ、HLG、色調映射與 HDR10 編碼

重點速覽

SDR 和 HDR 的差別，在於影片怎麼把碼值轉成光。SDR 用以 100 nits 顯示器為基準的 gamma 曲線和 BT.709 色彩；HDR 用 ITU-R BT.2100 的 PQ 或 HLG 曲線、BT.2020 色彩、至少 10 位元，而且常帶有元資料，告訴顯示器母帶有多亮。

• SDR 和 HDR 的差別在四個層面：轉換函數、色彩原色、位元深度和元資料。
• PQ 把每個碼值對應到一個固定的亮度，最高 10,000 nits。HLG 則是相對於顯示器的峰值，所以不需要母帶元資料。
• PQ 至少需要 10 位元：依我們的計算，在 100 nits 附近，8 位元 PQ 每一階的亮度跳動是 4.7%，10 位元是 1.1%。
• 色調映射把 HDR 的高光塞進較暗的顯示器，可以整部片用一條靜態曲線，也可以靠動態元資料（HDR10+、Dolby Vision）逐場景調整。
• 標記只是替像素貼標籤。要改變像素的意義，得真正做轉換；兩者都可以用 ffprobe 檢查。

什麼樣的影片才算 HDR？

HDR 影片的碼值描述的光線範圍遠比 SDR 寬，以 ITU-R BT.2100 的 PQ 或 HLG 轉換函數編碼，搭配 BT.2020 原色，位元深度為 10 或 12 位元。

這些層面彼此獨立：一個檔案可以是 10 位元的 SDR，也可以是不帶元資料的 PQ。每一層都有自己的標記，播放器讀的是標記，而不是從像素去猜。

轉換函數：BT.1886、PQ 與 HLG

轉換函數把訊號值對應到光。ITU-R BT.1886 把 SDR 顯示曲線定義為 2.4 次方函數，參考白為 100 nits；BT.709 攝影機曲線是它的另一半，為 0.45 次方，接近黑色處有一段線性區間。

PQ（SMPTE ST 2084） 以顯示為基準：每個碼值代表一個特定亮度，最高 10,000 nits。BT.2100 指出，PQ 以貼合人眼視覺的曲線，在給定的位元深度下涵蓋非常寬的亮度範圍。照它的公式算，100 nits 位於訊號的 51%，203 nits 位於 58%，1,000 nits 位於 75%；訊號範圍的下半段涵蓋 0 到約 92 nits。

HLG（ARIB STD-B67） 以場景為基準：訊號描述的是相對的場景光線，要顯示多亮由顯示器決定。ITU-R BT.2390 報告說明，HLG 在訊號下半段是接近 SDR 的平方根曲線，上半段是對數曲線。BT.2100 把顯示器的系統 gamma 在 1,000 nits 時設為 1.2，其他峰值再依公式調整（γ = 1.2 + 0.42 log10(Lw / 1000)），所以同一個 HLG 訊號不需要元資料，就能適應 600 nits 的電視或 1,500 nits 的螢幕。

補充： BT.2100 要求製作時一致採用同一套系統，不要混用 PQ 和 HLG。兩者之間的切換是轉換，不是改標籤。

色彩原色：BT.709 與 BT.2020

原色決定了訊號能描述的最紅的紅、最綠的綠、最藍的藍。BT.709 在 CIE 1931 xy 色度圖上的原色是 (0.640, 0.330)、(0.300, 0.600) 和 (0.150, 0.060)；BT.2100 使用 BT.2020 原色 (0.708, 0.292)、(0.170, 0.797) 和 (0.131, 0.046)。兩者都用 D65 白點。依我們的計算，BT.2020 三角形的面積約為 BT.709 的 1.9 倍，但很少有母帶能填滿它：調色監視器多半是 P3-D65，這也是 x265 自己的母帶參數範例描述的是 P3-D65 監視器的原因。

同一個顏色在不同的色彩容器裡碼值不同：BT.709 的純紅放到 BT.2020 裡，線性 RGB 約為 (0.627, 0.069, 0.016)。把 BT.709 的像素直接標成 BT.2020 而不轉換，每個顏色都會變得更飽和；YouTube 也提醒，標成 Rec. 2020 原色的 P3 母帶看起來會過度飽和、色相偏移。

位元深度：PQ 為什麼至少需要 10 位元

相鄰碼值之間的亮度跳動大到看得出來，就會出現色帶；而 PQ 把 0 到 10,000 nits 分配在 SDR 用來表示 0 到 100 nits 的碼值範圍上。以下是我們依 BT.2100 與 BT.1886 公式、以窄範圍碼值算出的結果：

在 100 nits 附近，10 位元 PQ 的精細度和 8 位元 SDR 在白色處差不多，同時還涵蓋到 10,000 nits。BT.2390 把這些階距和 Barten 模型的可見門檻比較：12 位元 PQ 從 10,000 nits 一路到 0.001 nits 以下都低於門檻，10 位元 PQ 則略高於門檻，實際上會被攝影機本身的雜訊掩蓋。

所以中間步驟要保持 10 位元以上，降到 8 位元時要加抖動（dither）。在我們的測試中，zscale 的 d=error_diffusion 在一段經過色調映射的暗部漸層上保留了相同的色階，但把筆直的色帶邊緣打散成細微的雜訊。去色帶的方法請見 8 位元與 10 位元影片。

HDR 元資料：靜態與動態

HDR10 是 PQ 加上 BT.2020 原色、10 位元，再加上靜態元資料：整部片只用一份描述。

使用靜態元資料時，一部大半很暗、只有一場明亮爆炸的電影，只能用一條以那場爆炸為準的曲線。HDR10+ 把它的動態元資料形容為讓顯示器即時調整色調映射的指令，Dolby 則說 Dolby Vision 會把每個畫面對應到電視的能力。HLG 不帶母帶元資料，由顯示器的系統 gamma 負責適應。

技巧： 填寫你實際用的調色監視器和量測到的數值。量不到 MaxCLL 的話，x265 允許填 0 表示「未標示最大值」，總比用猜的好。

色調映射：把 HDR 塞進較暗的顯示器

色調映射把畫面的動態範圍縮小到顯示器能呈現的程度；ITU-R BT.2446 報告把反過來的處理稱為反向色調映射。靜態映射整部片用一條曲線，通常依母帶峰值或 MaxCLL 選定。動態映射則隨時間變化，依據元資料或量測畫面而定；BT.2390 指出，它可以依場景最大值等統計數據調整。

EETF 先把 PQ 訊號正規化到母帶範圍，拐點設在 KS = 1.5 × maxLum − 0.5（maxLum 是目標峰值在這個尺度上的值），再把頂端彎下來，讓來源峰值剛好落在顯示器峰值上。以 1,000 nits 的母帶來說，在 100 nits 的顯示器上拐點約在 28 nits，在 300 nits 的顯示器上約在 161 nits。

FFmpeg 的 tonemap 濾鏡實作了 clip、linear、gamma、Reinhard、Hable 和 Möbius。它的文件說明這些曲線只能在浮點線性光上運作，所以處理鏈要先用 zscale 線性化，做色調映射，再轉回來：

ffmpeg -i hdr10.mp4 -vf "zscale=t=linear:npl=100,format=gbrpf32le,zscale=p=bt709,tonemap=tonemap=mobius:peak=10:desat=0,zscale=t=bt709:m=bt709:r=tv:d=error_diffusion,format=yuv420p" -c:v libx264 -crf 18 -color_primaries bt709 -color_trc bt709 -colorspace bt709 -color_range tv -c:a copy sdr.mp4

npl=100 讓線性值 1.0 等於 100 nits，所以 peak=10 代表 1,000 nits；設為 0 時，峰值取自檔案的元資料。desat=0 關掉預設會把極亮像素往白色淡化的處理。在一段 0 到 1,000 nits 的合成 PQ 漸層上，8 位元輸出的碼值如下（取平均，窄範圍，所以 235 是白）：

Clip 把 100 nits 以上全變成同一個白；Hable 保留了最多的高光層次，中間調也壓得最暗；Möbius 對拐點以下的值原封不動。請用你自己的素材判斷。SDR 端的症狀請見 影片匯出後為什麼看起來發灰。

補充： tonemap 沒有 BT.2390 模式，而我們測試的 FFmpeg 8.1 版本沒有 libplacebo、tonemap_opencl 或 tonemap_vaapi 濾鏡，所以這些我們沒有測。

SDR 轉 HDR：放置與擴展

放置 保留畫面原本的動態範圍，重新以 PQ 或 HLG 編碼，讓 SDR 素材能放進 HDR 節目裡。BT.2446 在這部分引用 ITU-R BT.2408 報告，錨點是 HDR 參考白，BT.2100 把它定義為 203 nits：

ffmpeg -i input_sdr.mp4 -vf "zscale=t=linear:npl=203,format=gbrpf32le,zscale=p=bt2020:t=smpte2084:m=bt2020nc:r=tv:npl=203,format=yuv420p10le" -c:v libx265 -preset slow -crf 18 -profile:v main10 -color_primaries bt2020 -color_trc smpte2084 -colorspace bt2020nc -color_range tv -tag:v hvc1 -c:a copy sdr_in_pq.mp4

在我們的測試中，SDR 的滿白輸出為 10 位元碼值 573，也就是 PQ 的 203 nits；npl=100 得到碼值 509（100 nits），npl=1000 得到 723（1,000 nits）。這個檔案是有效的 PQ，但裡面沒有任何東西比參考白更亮。

擴展 就是反向色調映射：把高光拉到參考白以上，並擴大色域。BT.2446 要求暗部和中間調保持接近，平均亮度不要拉高到讓人看了不舒服，並提醒擴展可能放大素材裡原有的瑕疵。它列出的方法都是靜態曲線；報告也提到還有自適應、依畫面區域變化的方法，以 AI 為基礎的 SDR 轉 HDR 就屬於這一類。它和其他處理步驟怎麼搭配，請見 SDR 轉 HDR 與流暢動態。

補充： 只改標記，兩者都不算。10 位元 SDR 的滿白（碼值 940）被當成 PQ 讀取時，等於要求顯示器輸出 10,000 nits。

用 x265 和 SVT-AV1 編碼 HDR10

編碼器必須寫入 10 位元的 profile、色彩描述和靜態元資料。

x265（HEVC Main 10）

ffmpeg -i master_pq.mov -c:v libx265 -preset slow -crf 18 -pix_fmt yuv420p10le -x265-params "profile=main10:colorprim=bt2020:transfer=smpte2084:colormatrix=bt2020nc:range=limited:hdr10=1:repeat-headers=1:master-display=G(13250,34500)B(7500,3000)R(34000,16000)WP(15635,16450)L(10000000,50):max-cll=1000,400" -tag:v hvc1 -c:a copy hdr10.mp4

-x265-params 的每個鍵都對應一個 x265 選項（--colorprim、--hdr10、--master-display 等）：

這組原色是 x265 文件中 P3-D65、1,000 nits 監視器的範例；請換成你自己的數值。HLG 則設 transfer=arib-std-b67，拿掉母帶數值，並加上 atc-sei=18，x265 把它列為 HLG 必需的設定；完整指令請見 YouTube HDR 上傳指南。hdr10-opt=1 會針對 10 位元 4:2:0 BT.2020 PQ 輸入，加上 x265 的區塊層級 QP 調整。

SVT-AV1（AV1，10 位元）

ffmpeg -i master_pq.mov -c:v libsvtav1 -preset 6 -crf 30 -pix_fmt yuv420p10le -color_primaries bt2020 -color_trc smpte2084 -colorspace bt2020nc -color_range tv -svtav1-params "mastering-display=G(0.265,0.690)B(0.150,0.060)R(0.680,0.320)WP(0.3127,0.3290)L(1000,0.005):content-light=1000,400" -c:a copy hdr10_av1.mkv

SVT-AV1 的 CIE x、y 用小數，亮度用 nits；FFmpeg 會把 -color_* 參數傳給編碼器的色彩選項。用 FFmpeg 8.1 和 SVT-AV1 4.0.1，兩行指令產出的都是 10 位元檔案，標記為 BT.2020、PQ 和 BT.2020 NCL，第一幀帶有母帶與亮度元資料。

不重新編碼就補上缺少的標記。 如果像素本來就是 PQ，hevc_metadata 位元流濾鏡會改寫色彩描述，畫面本身不動：

ffmpeg -i untagged.mp4 -c copy -bsf:v "hevc_metadata=colour_primaries=9:transfer_characteristics=16:matrix_coefficients=9" retagged.mp4

在我們 MP4 封裝的 HEVC 測試檔上，處理前後解碼出的畫面校驗和相同，標記則從 unknown 變成 BT.2020、PQ 和 BT.2020 NCL（代碼 9、16、9；HLG 是 18）。它不會加入 ST 2086 或 MaxCLL，那些需要重新編碼。

用 ffprobe 驗證檔案

ffprobe -v error -select_streams v:0 -show_entries stream=profile,pix_fmt,color_range,color_space,color_transfer,color_primaries:frame=side_data_list -read_intervals "%+#1" -show_frames -of json hdr10.mp4

一次呼叫就能取得色彩標記和第一幀的附帶資料。上面的 x265 檔案結果如下：

數值會以各編碼格式的單位、用分數形式列出：我們的 AV1 檔案顯示 max_luminance=256000/256，同樣是 1,000 nits。HLG 檔案會顯示 arib-std-b67，通常沒有母帶資料。以 HDR 調色的檔案如果讀出來是 bt709 或 unknown，播放時就會被當成 SDR。

KwaFlux 怎麼處理 HDR

• SDR 轉 HDR 就是反向色調映射。 在 AI 調色 中，SDR 轉 HDR 用 AI 模型擴展 SDR 片段，讓動態範圍更寬、高光更亮、暗部更清楚。場景 決定風格：風光（預設）、夜景，或 自訂，搭配 2.0 到 5.0 的 亮度強度 滑桿（預設 3.8）。
• 匯出選項。 色彩空間 提供 HDR PQ (Rec.2020)（預設）、HDR HLG (Rec.2020) 和 SDR (BT.709)，編碼可選 H.265（建議）或 AV1，封裝建議用 MKV。HDR 匯出為 10 位元，SDR 為 8 位元，匯出設定會為每個選項配上對應的轉換函數、BT.2020 原色與矩陣，以及有限範圍的標記。
• 交付前先檢查。 對匯出的檔案執行上面的 ffprobe 指令；如果平台需要的 ST 2086 和 MaxCLL 數值不在檔案裡，就用 x265 的設定重新編碼。
• 在 SDR 螢幕上預覽 HDR。 預覽渲染器會解碼 PQ 和 HLG，把 BT.2020 色彩轉成 BT.709，再用 Reinhard 式曲線壓縮高光；另外也有供 HDR 輸出用的 HDR 直通模式。
• 修復與多步驟任務。 畫質修復 的匯出沒有色彩空間選項，所以修復後的 HDR 檔案請檢查標記。多步驟任務的各步驟之間，KwaFlux 傳遞的是 10 位元中間檔，8 位元的捨入誤差不會累積成色帶。

問題排解

做不到的事

• 色調映射無法在 100 nits 的螢幕上顯示 1,000 nits。 它只能選擇要保住什麼：高光細節、中間調對比，或色彩。
• 反向色調映射找不回已經截掉的細節， BT.2446 也提醒它可能讓壓縮瑕疵變得明顯。
• 元資料修不了調色。 它只是描述母帶，讓顯示器能據此調整。
• 標記無法轉換像素。 沒有轉換就改標記，改變的是畫面。

結語

SDR 和 HDR 的差別不是一個決定，而是四個：曲線、原色、位元深度和元資料。每一項都要刻意設定，用 ffprobe 檢查；畫面要在 SDR 和 HDR 之間轉換時，請真正做轉換，不要只改標籤。

KwaFlux 在你自己的 GPU 上執行AI 調色，包括以 PQ 或 HLG 匯出 SDR 轉 HDR。AI 處理在你自己的 GPU 上執行，媒體檔案不會為了處理而上傳。可在 Windows 10（64 位元，1809 或更新版本）、Windows 11，以及搭載 Apple Silicon 的 macOS 12 或更新版本上執行。預覽不需要帳號：任何片段都能渲染 1、3 或 5 秒的預覽。僅在匯出、轉換、檔案修復和從連結下載檔案時需要登入並購買付費方案。