Всем привет! Так уж вышло, что современная промышленность редко приходит к одному стандарту, а если и приходит, то некоторые компании часто дополняют простые и понятные общие технологии своими костылями. Последней крупной «войной форматов» можно назвать HD-DVD vs BluRay, в которой победил последний. Что ж, новый виток технологий выкатил новые «пушки»: один из основных трендов телевизоростроения в 2016-м году — поддержка формата HDR (расширенного динамического диапазона).
Что это, как оно работает, чем отличается от того HDR, что используется в фотографии и играх и какие форматы воюют в этот раз — в нашем сегодняшнем посте.
HDR – что это такое и зачем небходимо
HDR (High dynamic range) — это технология расширения динамического диапазона изображения. Человеческий глаз адаптируется к уровню окружающего света. При съёмке фотографии или видео параметры оптической системы (то есть чувствительность фотоматериала или сенсора, значение диафрагмы и выдержки) влияют на формирование кадра, и записанная единожны информация содержит определённый диапазон яркостей. От того, что условно считается «чёрным» (но может не быть чёрным в реальности, т.к. количесва отражённого света просто не хватило для записи другого оттенка) до того, что считается «белым» (аналогично, объект может отражать / излучать больше света, чем способен запечатлеть сенсор на текущих настройках, при этом не быть белым с объективной точки зрения).
Разница между самыми яркими и самыми тёмными оттенками и есть искомый динамический диапазон. Если сцена имеет бОльший динамический диапазон, чем способна запечатлить техника, то на картинке будет присутствовать выгорание светлых участков и/или зачернение теней, то есть потеря яркостной и цветовой информации.
Расширение динамического диапазона приводит к увеличению воспринимаемого камерой диапазона яркостей, но вместе с этим снижает контрастность изображения. Для восстановления контрастности используют различные алгоритмы повышения локальной контрастности и тонального преобразования (tone mapping). Но если при записи контента решён вопрос преобразования расширенного динамического диапазона в обычный, то зачем нужен HDR в телевизорах и как он работает?
Живой пример
Когда идет речь о любом новом формате, возникает резонный вопрос о том, существует ли достаточное количество HDR-контента, которое бы оправдывало покупку нового телевизора. Так вот: существует! Во-первых, это активно развивающийся формат, и в будущем его будет гораздо больше. Во-вторых, многие современные гаджеты (камеры и смартфоны) уже могут снимать контент в 4K HDR. Такие каналы и сервисы как Amazon, Netflix или HBO активно снимают собственные сериалы в формате 4К HDR, Amazon запустил подписку Prime для трансляции фильмов в этом формате, а на Netflix HDR-контент будет доступен в ближайшее время, в том числе и в России. А если всё-таки кажется, что контента недостаточно, есть ещё один бонус: в телевизорах Sony серии XD93 даже обыкновенный HD-cигнал можно дотянуть до 4К HDR с помощью апскейла.
В них есть 4К-процессор X1™, он предназначен для обработки 4К HDR — сигнала, одновременно усиливает детализацию изображения, полученного из любого источника, даже далекого от качества 4K: ТВ-передач, дисков DVD и Blu-ray, видеоматериалов из Интернета и цифровых фотографий. Конечно, процессор не сможет из стандартного изображения сделать полноценный 4K, но способен значительно его улучшить. Процессор оптимизирует текстуру, резкость и цвет, одновременно уменьшая количество шумов: система масштабирует каждый пиксель, анализируя отдельные части каждого кадра и сопоставляя их со специальной базой данных изображений с десятками тысяч эталонных записей, собранных Sony за годы работы над производством фильмов и телепередач. Такая обработка позволяет откорректировать и улучшить даже размытую картинку. Не в последнюю очередь такой эффект связан с тем, что в Sony серии XD93 идет 14-разрядная обработка сигнала, которая обеспечивает, соответственно, 14-разрядную градацию цвета, даже если на входе был стандартный на сегодняшний день 8-разрядный сигнал. В результате, у Sony серии XD93 в 64 раза больше уровней цвета, чем у дисплеев обычных телевизоров, и это впечатляющая разница: обыкновенный 8-разрядный сигнал обеспечивает 256 уровней цвета, а 14-разрядный — 16383 уровня. А как видно на таблице ниже, такая разрядность дает на выходе более 4 триллионов оттенков цвета.
Понятно, почему 14-разрядная градация кажется излишней, поскольку глазу столько оттенков цвета в общем-то не нужно, он их просто не видит. Но для телеизображения это важно. Дело в том, что оттенки цвета распределяются в динамической картинке неравномерно. Больше всего их уходит в ярко освещенные области и гораздо меньше — в темные. А человеческий глаз, наоборот, эволюционно более чувствителен к теням, а не к ярким участкам. Возникает противоречие. И здесь у большей разрядности численное преимущество: независимо от равномерности распределения, в тенях фактически в 4 раза больше оттенков, и человеческому мозгу они уже не кажутся плоскими.
HDR в телевизоре
Телевизионный HDR занимается тем же: увеличивает количество допустимых яркостных значений между темнейшими тёмными оттенками и ярчайшими яркими, таким образом правильно закодированный видеопоток может отобразить большее количество различных оттенков в кадре. В целом картинка становится более детализированной, яркой и чёткой за счёт увеличения микроконтраста в «пограничных» зонах, которые на обычном видеопотоке и обычном телевизоре выглядели бы одноцветными или малоконтрастными, а в движении и вовсе терялись бы.
Обеспечить поддержку HDR необходимо сразу в нескольких местах. Телевизор должен уметь декодировать и отображать подобный сигнал — раз. Контент должен быть закодирован соответствующим образом и содержать необходимую информацию — два. Доставить контент с увеличенным битрейтом тоже необходимо, то есть иметь поддержку со стороны «транспорта» сигнала (интерфейстного кабеля). Три. А ещё контент надо как-то снимать, распространять и так далее. Обеспечить совместимость всего этого разнообразия должен (по идее) набор рекомендаций Rec. 2021. Разберём всё по порядку.
Телевизор
Нет, 30-битные матрицы в ТВ ставить никто не станет, они всё так же останутся 18- или 24-битными, а HDR контент будет приводиться к «обычному» перед отображением. Просто в новом формате записи цветового пространства специальные преобразования позволят закодировать яркостную составляющую бОльшим количеством бит. Специальный алгоритм будет преобразовывать исходный сигнал в «правильный» для телевизора, благодаря чему картинка будет одновременно и более детальной, и не потеряет в контрастности.
И вот здесь есть первая проблема. Стандартов HDR-TV два: HDR10 и DolbyVision. Samsung и Sony сделали ставку на HDR10, большинство голливудских студий и некоторые другие компаниии — на DolbyVision. Да и сам бренд Dolby куда сильнее «раскручен». Современные контент-провайдеры решили вопрос по-своему — Netflix и Amazon просто поддерживают оба формата и вы сами можете выбирать, в каком виде получать HDR-кино. LG решили не участвовать в войне форматов и просто предоставили поддержку и той и той технологий.
Контент и носители
Чтобы осуществить поддержку HDR-видео, требуется соответсвующий формат записи данных. Из «старых» форматов цветовое пространство Rec. 2021 поддерживают H.264 (c некоторыми ограничениями), из «новых» — HEVC, он же H.265. Разумеется, «дополнительная» информация требует больше места, поэтому 4k2k-HDR контент доставляется пока только онлайн. BluRay 4k и единственный (на момент написания статьи) распространённый и сравнительно легко покупаемый плеер подобных дисков производятся Samsung, а на какой формат сделал ставку этот промышленный гигант мы уже знаем. Технически, ничто не мешает реализовать поддержку DolbyVision в BluRay 4k, но на данный момент имеем то, что имеем.
Передача данных
Контент есть, телевизор есть. Осталось перенести контент в ТВ. Здесь (пока что) безраздельно царствует формат HDMI, телевизоров с поддержкой DisplayPort — кот наплакал. Теоретически HDMI 2.0 поддерживает 4k2k-видеосигнал с HDR, но с определёнными ограничениями: 24/25/30 кадров в секунду для полноцветного изображения с 12-битным семплированием и 50/60 кадров в секунду для цветовой субдискретизации 4:2:2 или 4:2:0.
На данный момент HDMI 2.0 — бутылочное горлышко в ТВ-технологиях, и о реальном прорыве в качестве картинки говорить до появления стадрата, поддерживающего «честные» 4k2k 120Hz / 8k4k 60Hz, не приходится. Проблемы HDMI находятся в области обеспечения обратной совместимости — HDMI позволяет передавать сигнал, совместимый даже с аналоговым ч/б телевизором, что накладывает определённые ограничения на развитие стандарта.
Цветовые улучшения
Следующим ключевым параметром HDR видео является улучшение цветовых характеристик. Это относится ко всем основным стандартам HDR, и все новые 4K UHD телевизоры с широким динамическим диапазоном должны иметь обработку 10-битного цвета. Это уже глубокий цвет, и вместо 256 градаций RGB (красный, зелёный, синий) он предлагает 1024 оттенка каждого из них.
Это составляет в общей сложности 1.06 млрд цветов вместо 16 млн, предлагаемых в старых 8-битных цветных телевизорах. Таким образом, переходы между оттенками и различных тонами в содержимом экрана представляют зрителю гораздо большую степень реализма.
В стандартах HDR TV всё представляется немного более сложным. На самом деле нам не нужно, чтобы 4K HDR телевизоры отображали все цвета 10-битового сигнала, они просто должны уметь обрабатывать его для передачи изображения на основе этой информации. Это своего рода непрямая «10-битная цветовая разрядность».
Кроме того, по стандартам HDR TV необходимо также управлять так называемым Р3 цветом (цветовое пространство от SMPTE, имитирующее палитру цветной плёнки) или, по меньшей мере, 90% от него. P3 относится к P3 части общего цветового спектра, что лишь немного больше, чем у цветового спектра Rec.709, используемого в предыдущих моделях телевизоров 4K.
Все вышеуказанные параметры HDR видео составляют «Wide Color Gamut» – широкую цветовую гамму, идеальную по мнению производителей 4K телевизоров, означающую более широкий охват цветового спектра и более гладкие переходы между всеми возможными оттенками, покрывающими спектральное пространство. Это дополнительная часть разработки высокореалистичного дисплея с качественным HDR.
Что выбрать
Если вы покупаете телевизор в 2021 году и хотите получить от него максимум, логично было бы обратить внимание на модели с поддержкой HDR. На самих телевизорах производители почему-то стесняются писать HDR Ready, поэтому в магазине надо искать отметку UltraHD Premium
. У Samsung такие телевизоры есть в серии 9000 (2016 года выпуска), у LG, например, флагманские OLED’ы, 65EG6.
Из проигрывателей дисков на рынке доступно два решения — Samsung UBD-K8500 (с поддержкой HDR10) и Panasonic DMP-UB900. Зарубежные обзорщики вовсю рекомендуют брать «панас» — у него и качество картинки лучше, и (теоретически) должен получить поддержку Dolby Vision, но пока работает только с теми дисками, которые есть (а на них записывают HDR10 формат).
На практике же все эти девайсы стоят… немало, и до популяризации HDR-видеоформатов (а также «спуска» его в 1080p-разрешения) вряд ли цены упадут / эти фичи появятся в «бюджетных» линейках телевизоров.
Чисто теоретически, HDR должен уметь (правда, без 4k-воспроизведения, только FullHD) и сравнительно бюджетный Samsung KJ-7500, но проверить это пока не удалось.
Однако буквально недавно Nvidia представила новые десктопные видеокарты семейства Pascal: GTX 1080 и 1070: они поддерживают новые HDR-форматы, так что разработчики игр смогут использовать «честный» HDR (а не его имитацию) в своих продуктах, а вы — в числе первых оценить эти нововведения.
Правда, пока неизвестно, когда данные возможности появятся в играх. Зато как только появятся — вы сможете оценить их одними из первых.
Есть вопросы? Или, быть может, вы из тех счастливчиков, что уже пользуются преимуществами HDR-телевидения? Мы ждём вас в комментариях!
Стандарты HDR видео
Как это часто бывает с новыми разработками в области технологий, в настоящее время существует ряд различных стандартов для HDR-видео. Двумя основными форматами являются Dolby Vision и HDR10.
Что такое формат Dolby Vision?
Dolby Vision — это проприетарный формат HDR-видео, разработанный Dolby. Этот стандарт использует динамические метаданные для настройки уровней яркости от сцены к сцене и даже от кадра к кадру. Это означает, что Dolby Vision сохраняет еще больше деталей в тенях темных сцен или в светлых сценах. Стандарт Dolby Vision HDR и стандарт HDR10 соответствуют Рек. 2021 цветовой гамме. Это означает, что HDR способен воспроизводить больше цветов в дополнение к захвату большего количества деталей в тенях и бликах. Кроме того, Dolby Vision использует метаданные для точной настройки видео на основе оборудования, используемого для его отображения. Уровни освещения и цветовые уровни настраиваются на основе значений, определенных Dolby и производителем телевизора или проектора. Это означает, что изображение оптимизируется на основе конкретных возможностей устройства, на котором оно отображается. Dolby Vision является лицензированным форматом, и совместимое оборудование должно быть сертифицировано Dolby.
Что такое формат HDR10?
В отличие от Dolby Vision, HDR10 использует статические метаданные. Это означает, что уровни света и цвета являются абсолютными значениями для видео и не меняются от сцены к сцене.
Формат HDR10 определяет диапазон спецификаций для контента и дисплеев, которым он должен соответствовать. Тем не менее, он не регулирует воспроизведение видео для индивидуальных возможностей конкретного экрана.
Одним из преимуществ HDR10 перед Dolby Vision является то, что он является открытым стандартом. Это означает, что любая компания может использовать его без необходимости платить лицензионный сбор.
Существует еще два других формата, о которых следует знать, это HDR10 + и Hybrid Log-Gamma (HLG).
Что такое формат HDR10 +?
Вариант HDR10, Samsung разработал HDR10 + для включения динамических метаданных. HDR10 + регулирует уровни освещенности, отображаемые для каждой сцены или кадра видео, но, как и HDR10, не учитывает специфические характеристики экрана.
Что такое формат Гибридный Log-Gamma (HLG)?
Гибридный Log-Gamma был разработан совместно BBC из Великобритании и NHK из Японии. Предназначенный для вещания, HLG обратно совместим с дисплеями со стандартным динамическим диапазоном (SDR). HLG не содержит метаданных. Вместо этого он использует комбинацию гамма-кривой для яркости содержимого SDR и логарифмической кривой для более высоких уровней яркости при использовании дисплея HDR.
Какие есть типы HDR?
Да, существует несколько версий HDR. HDR10 в настоящее время является наиболее распространенным, открытым стандартом, используемым различными производителями контента, за которым следует собственный вариант Dolby под названием Dolby Vision, который позволяет проводить еще более детальную оптимизацию. Другие стандарты HDR включают HDR10+, который набирает популярность, и Advanced HDR, стандарт, созданный Technicolor. Все они работают, отправляя метаданные контента на ваш телевизор, чтобы сообщить ему, какие настройки яркости и цвета ему нужны и когда их менять.
Отличие стандартного изображения от изображения с Dolby-Vision
