Urządzenia wideo z HDR

Technika HDR zmieniła podejście inżynierów do jakości obrazu. Rozdzielczość – parametr obrazu uznawany dotychczas za najważniejszy – stała się jednym z wielu, które mają wpływ na jakość obrazu. Teraz za najważniejszy jest uznawany HDR. W sklepach oprócz telewizorów Ultra HD HDR pojawią się Full HD HDR. Szereg urządzeń ma w swojej nazwie skrót HDR. Czy we wszystkich urządzeniach oznacza on to samo, wyjaśniamy w artykule.

Z terminem HDR można się spotkać w opisie wielu urządzeń, takich jak aparaty i kamery wideo amatorskie i profesjonalne, telewizory, projektory, odtwarzacze Blu-ray, odtwarzacze multimedialne czy konsole do gier.

Większa rozdzielczość wyświetlacza, zwiększająca czterokrotnie liczbę pikseli, nie wystarczy już do uzyskania obrazu lepszej jakości, zbliżonego do możliwości odbioru przez ludzkie oczy. Oprócz zwiększonej rozdzielczości potrzebne są lepsze kolory i dynamika obrazu. Jakość koloru zależna jest od jasności i kontrastu, który w obrazie 4K musi być znacznie zwiększony, aby szczegóły w jasnych i ciemnych obszarach obrazu zostały zauważone. Aby zwiększyć kontrast, konieczne jest zwiększenie jasności obrazu, określane przez ogólne pojęcie High Dynamic Range.

Słońce wytwarza światło o ogromnej jasności. Ludzki wzrok jest w stanie rejestrować obraz o jasności odpowiadającej luminancji od 0,000 001 cd/m² do 100 000 000 cd/m². Według założeń zakres HDR ma obejmować luminancję od 0,01 do 10 000 cd/m², czyli dynamika zmian będzie wynosić 10⁵ czyli 100 000 razy. Dotychczasowe kinowe urządzenia wideo mają luminancję znacznie mniejszą niż 100 cd/m², a telewizyjne średnio 100–300 cd/m². Z dotychczas obowiązującej normy Rec. 709 wynika, że nie wszystkie kolory mają optymalne nasycenie. Jej założenia spełniały dotąd monitory CRT, ale dla przemysłu filmowego i telewizyjnego są one niewystarczające. Obraz ruchomy wymaga luminacji na poziomie 10 000 cd/m² i poziomu czerni 0,0005 cd/m², co daje kontrast 2 000 000:1. Obecne luminancja jest na poziomie 100 cd/m² (kontrast 20 000:1). Najlepsze telewizory z HDR mają luminancję obrazu 1000 cd/m².

HDR w aparatach fotograficznych i kamerach

Pierwszy raz termin HDR pojawił się w odniesieniu do aparatów fotograficznych. HDR w technice fotograficznej oznacza łączenie wielu zdjęć z różnymi ustawieniami ekspozycji. Technika rejestracji obrazu w aparacie fotograficznym jest na tyle niedoskonała, że w trudnych warunkach oświetleniowych przy dużych kontrastach nie jest w stanie w pełni odwzorować na zdjęciach tego, co widzą ludzkie oczy, w ciemnych i jasnych fragmentach obrazu, brak jest szczegółów w cieniach lub jasnych fragmentach. Powodem jest czułość starszych matryc CMOS, które zamieniają padające światło na sygnał elektryczny – jest ona mniejsza niż błony światłoczułej. Poradzono sobie z tym problemem, wprowadzając technikę HDR. W dziedzinie fotograficznej polega ona na wykonywaniu dwóch lub więcej zdjęć o różnych ekspozycjach, które wydobywają szczegóły w ciemnych obszarach (zdjęcie prześwietlone) i w jasnych obszarach (niedoświetlone). Połączenie dwóch lub więcej zdjęć powoduje, że zdjęcie wynikowe staje się bardziej szczegółowe. W tej technice nie jest konieczne zwiększenie czułości matrycy, jej dynamiki, a wykorzystuje się możliwość oprogramowania, które przez połączenie dwóch obrazów daje więcej szczegółów. Wadą tej techniki jest konieczność realizacji zdjęcia w tych samych warunkach oświetleniowych, szczególnie bez poruszenia aparatu lub ruchu na planie i bez zmian w oświetleniu, ponieważ przesunięcia spowodują nieostrość obrazu.

HDR w kamerach wideo amatorskich

Termin HDR pojawia się także w odniesieniu do kamer amatorskich. W kamerach amatorskich Panasonica, np. HC-W580 czy HC-WX970EP, występuje tryb HDR Movie, który jest odpowiednikiem funkcji HDR w aparatach fotograficznych. Podczas filmowania w środowiskach o dużym kontraście, np. w pomieszczeniach lub na słońcu, materiał wideo może być niedoświetlony lub prześwietlony w niektórych obszarach. Łącząc w czasie filmowania dwa obrazy wykonane przy różnych ekspozycjach, poprawia się obszary prześwietlone i zablokowane cienie. Dobrze to pokazuje film na stronie firmy Panasonic.

Profesjonalne kamery filmowe HDR i postprodukcja

Dotychczas w procesie tworzenia filmów kinowych i telewizyjnych od rejestracji kamerą do materiału wideo zapisywanego na płytach DVD lub Blu-ray materiał wideo musiał być dopasowany do luminancji wyświetlaczy SDR, która wynosiła 100 cd/m². Kamery rejestrowały obraz o znacznie większej jasności – była ona ograniczana w postprodukcji, aby obraz był poprawnie wyświetlany. W prawdzie współczesne telewizory potrafią pokazać jaśniejszy obraz, jednak w studiach filmowych i graficznych nie stosowano do tej pory takich ustawień, toteż rozjaśnienie wyświetlacza nadmiernie rozjaśniało obraz jako całość. Technika HDR zmienia to podejście i ustala maksymalną luminancję znacznie wyżej – nawet do 10 000 cd/m². To ponad 100-krotny wzrost! Dzięki wprowadzeniu takich zmian obraz zyska detale za sprawą większego zakresu tonalnego.

Aby telewizor HDR mógł wyświetlić obraz HDR, należy mu dostarczyć sygnał HDR. Realizują to kamery profesjonalne 4K HDR, które rejestrują materiał wideo HDR do obróbki w postprodukcji, lub kamery 4K HDR, które za pomocą specjalnych konwerterów mogą przetworzyć materiał 4K HDR w czasie rzeczywistym na formaty wymagane w różnych zastosowaniach: emisji na antenie, telewizji OTT, transmisjach na żywo. Na przykład profesjonalne kamery Sony rejestrują obraz z wyjściowym sygnałem S-LOG z przestrzeniami kolorów BT.2020 i BT.709. W skomplikowanym procesie przetwarzania obrazu w postprodukcji lub przy pomocy konwertera może wytwarzać sygnał telewizyjny zgodny ze standardami HLG i ST2084, aby uzyskać zwiększenie dynamiki obrazu w wybranych scenach.

Aby telewizory mogły odtworzyć materiał wideo o luminacji do 10 000 cd/m², opracowano nowe standardy dla materiałów wideo HDR.

Standardy TV HDR

Systemy HDR są opracowywane przez organizację Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE) oraz ITU – agencję technik informacyjnych i komunikacyjnych w ramach Organizacji Narodów Zjednoczonych (ONZ). Koordynują one światowe standardy w 193 krajach w porozumieniu z producentami telewizorów i firmami zajmującymi się nadawczą techniką telewizyjną. W telewizorach są stosowane trzy standardy: HDR10, HDR Dolby Vision i HLG (Hybrid Log-Gamma).

Standard HDR10 jest podstawowym otwartym, co oznacza, że każdy producent może go stosować w telewizorach Ultra HD, projektorach oraz odtwarzaczach Blu-ray Ultra HD. W oparciu o niego opracowano standard Ultra HD Premium, określający, jakie wymagania mają spełniać telewizor i odtwarzacz Blu-ray.

Dzięki normie Ultra HD Premium nieznające się na technice osoby kupujące telewizor nie będą musiały analizować skomplikowanych danych każdego odbiornika TV, ponieważ stowarzyszenie UHD Alliance przyznaje certyfikaty, a telewizory są oznaczane stosownym logiem.

Kupując telewizory różnych producentów, ma się pewność, że spełnia on wymagania HDR. W danych technicznych telewizorów LCD należy sprawdzić wartość luminancji obrazu – największa to 1000 nt, chociaż mogą być podane mniejsze wartości, a telewizor jest traktowany jako HDR. Firmy nienależące do stowarzyszenia Ultra HD Premium oznaczają swoje telewizory logiem 4K HDR.

Poszukując telewizora Ultra HD z najlepszym obrazem, należy szukać na nim naklejki „Ultra HD Premium”. Oznacza ona, że obraz spełnia wymagania dla tej klasy TV, także wymagania HDR.

Drugi standard – HDR Dolby Vision został opracowany przez amerykańską firmę Dolby Vision, która jest między innymi producentem sprzętu kinowego. Różnica między dwoma standardami HDR sprowadza się do tego, że HDR10 określa jedną wartość jasności obrazu przy realizacji filmu, a w systemie Dolby Vision dobierana jest ona niezależnie dla każdej klatki. Od strony technicznej HDR10 korzysta ze statycznych metadanych – są to niezbędne dla wyświetlacza informacje, takie jak ustawienia jasności sprzętu, z którymi pracował reżyser filmu. W systemie HDR Dolby Vision stosuje się funkcję Display Mapper (Inteligent Mapping Engine). Każdy piksel obrazu HDR Dolby Vision ma dokładnie określoną jasność, pakiet dynamicznych metadanych oraz informacje o używanym ekranie. Funkcja Inteligent Mapping Engine, używając specjalnych algorytmów, dostosowuje wyświetlany obraz do danego telewizora po to, aby zaprezentować treści zgodnie z intencjami twórców i wykorzystać cały potencjał urządzenia.

Na rozwiązania techniczne zgodne z HDR Dolby Vision zdecydowali się tacy producenci telewizorów LCD jak TCL, LG oraz Sony, ale w wybranych seriach telewizorów. Zaletą systemu Dolby Vision HDR jest fakt, że filmy kinowe są realizowane zgodnie ze standardem Dolby Vision, więc odtwarzanie ich na telewizorach z techniką Dolby Vision HDR nie będzie się wiązało z pogorszeniem jakości obrazu.

• HDR z anteny telewizyjnej

Duże nadzieje wiąże się z trzecim standardem – Hybrid Log-Gamma, opracowanym przez nadawców TV BBC i NHK (publiczna telewizja japońska). Treści o zwiększonej dynamice obrazu można kodować w sygnale telewizji naziemnej i satelitarnej, materiał HDR może być dostarczany także złączem HDMI, ale w wersji HDMI 2b. HLG pozwala łączyć w sygnale telewizyjnym metadane SDR i HDR. Dzięki niemu telewizor bez obsługi HDR ignoruje metadane HDR, a ten z obsługą jest w stanie je rozpoznać i wykorzystać. Nadawcy nie będą musieli dublować kanałów z dodaną obsługą HDR i bez niej. Co ważne, w telewizorach wystarczy zmienić oprogramowanie, aby odbierać materiały HDR. Pierwsze testowe transmisje satelitarne były prowadzone przy współpracy firmy LG z operatorem SES (Eutelsat), a obraz był wyświetlany na telewizorach OLED oraz firmy Samsung i operatorem satelitów Astra. Jednym z kanałów nadającym materiały promocyjne wideo HDR jest Hotbird 4K2 HDR 13° E (Eutelsat).

HDR – zmiany konstrukcyjne w telewizorach

O jasności obrazu w telewizorach decydują konstrukcja wyświetlacza oraz rodzaj podświetlenia LED, które jest źródłem światła białego wytwarzanego przez diody LED. Ile światła wytworzą, zależy od ich mocy i sterowania. W technice HDR duża luminancja jest wymagana tylko chwilowo w wybranych miejscach obrazu wynikających z treści wideo, dlatego stosuje się sterowanie impulsowe, które umożliwia wytworzenie dużej jasności światła przez krótki czas, co uniemożliwia przegrzanie lub spalenie diod. Samo zwiększanie jasności nie spowoduje polepszenia jakości obrazu. Zwiększając tylko jasność w telewizorze, tracimy szczegóły i nasycenie kolorów.

HDR to także nowe, szersze przestrzenie barwne. Wszystko to pociąga za sobą jeszcze jedną zmianę – konieczność zwiększenia dokładności (głębi) bitowej transmitowanego sygnału do 10 lub nawet 12 bitów zamiast dotychczas stosowanych 8. Wiąże się to także z większą głębią kolorów, określoną dokładnością bitową, co przekłada się na większą liczbę odcieni kolorów.

W standardzie Full HD dokładność bitowa wynosiła 8 bitów, co dawało 2⁸, czyli 256, odcieni jednego koloru, a dla trzech podstawowych kolorów RGB dawało 16,7 mln. Przy 10 bit zwiększa się ich liczbę do 1,07 mld, a przy 12 bit jest to już 68,71 mld odcieni kolorów.

Poszerzone przestrzenie kolorów

W 2015 r. pojawiły się pierwsze wyświetlacze LCD odtwarzające większy zakres kolorów (Wide Color Gamut), zgodnie z normą Rec. 2020, oraz ze zwiększoną głębią kolorów do 10 bitów. Aby urządzenia jednakowo odtwarzały barwy, opracowano normy określające ich zakres, tzw. gamut (trójkąt barw), w urządzeniach wideo: Rec. 709 (HDTV), Rec. 2020 (Ultra HD) i DCI-P3 (kino). Analizując wielkość trójkąta dla danej normy i jego położenie na wykresie, łatwo można zobaczyć, jakie barwy powinny być odtwarzane przez urządzenie. Krótko mówiąc, im większy jest trójkąt, tym więcej barw będzie odtwarzanych.

Przestrzeń kolorów DCI-P3 jest większa niż Rec. 709 i została opracowana przez Hollywood Studios do stosowania w projektorach kina cyfrowego. Dotychczas w telewizorach przestrzeń barw była zgodna z normą Rec. 709, opracowaną dla telewizji HDTV w 1990 r. Po przejściu przez filtry RGB barwy te pokrywają niewielki fragment przestrzeni kolorów – jedynie 35 proc. możliwości naszych oczu. Daje to spektrum barw bogate w odcienie niebieskie, żółte, pomarańczowe, znacznie mniej jest odcieni zieleni i czerwieni.

Najnowszą przestrzeń kolorów – Rec. 2020 opracowano dla telewizji 4K (Ultra HD). W celu spełnienia wymagań przestrzeni barw według norm Rec. 2020 i DCI-P3, w wyświetlaczach LCD zaczęto stosować nowy rodzaj podświetlenia, zawierający kropki kwantowe, wytwarzające światło o szerszym spectrum barw. W produkcji wyświetlaczy o zwiększonej palecie kolorów (Wide Color Gamut) konieczne jest zastosowanie nowej generacji podświetlenia LED z nanokryształami – kropkami kwantowymi, stosowanymi przez firmy Samsung, i TCL, lub nowej generacji LED wytwarzających światło o szerszym zakresie kolorów (np. Panasonic, LG).

Zmiana krzywej przetwarzania wyświetlacza

Problemy z jasnością obrazu wyświetlacza wynikają z nieliniowej charakterystyki wyświetlacza i nieliniowości ludzkiego wzroku. Jasność obrazu emitowanego przez wyświetlacz wideo zależy od amplitudy (poziomu) sygnału wejściowego, lecz nie jest to zależność liniowa (np. dwukrotnemu wzrostowi sygnału nie towarzyszy dwukrotny wzrost luminancji panelu). Zależność tę opisuje funkcja EOTF (Electro-Optical Transfer Function).

Przez kilkadziesiąt lat w technice wideo obowiązywała tzw. krzywa gamma, związana z przetwarzaniem obrazu w telewizorach CRT i starszych LCD. Dobrze kompensowała naturalną nieliniowość ludzkiego wzroku. W wypadku małych poziomów sygnałów (ciemnych i szarości) jasność obrazu narastała powoli, a przy większych (jasnych) następowały znacznie większe zmiany jasności. Przez wiele lat obowiązywał standard Rec. 709, w którym przetwarzanie było 8 bitowe, był kontrast zaledwie 200:1 i luminancja 100 cd/m².

Rewolucyjne zmiany w obrazie zostały wprowadzone po opracowaniu nowej krzywej EOTF dla obrazów 4K, aby zwiększyć ilość szczegółów w ciemnych i jasnych fragmentach obrazu przy zwiększonej jasności obrazu ze 100 cd/m² do 1000 cd/m² i kontraście 1:10 000 i przetwarzaniu 10bitowym.

Niestety, opracowano kilka krzywych (jest kilka standardów), które są stosowane przez różnych producentów sprzętu wideo, co może prowadzić do tego, że zapisany materiał wideo HDR nie będzie mógł być poprawnie odtworzony przez nasz telewizor.

HDR W telewizorach OLED

Telewizory OLED spełniające normy Ultra HD Premium mają obraz o mniejszej luminancji niż LCD – 540 nt jasności szczytowej i mniej niż 0,0005 nt poziomu czerni. Aby w pełni cieszyć się jakością HDR, trzeba oglądać obraz w ciemnym pomieszczeniu. Jakość obrazu HDR na telewizorach LG OLED dodatkowo poprawia funkcja indywidualnego regulowania jasności pikseli matrycy OLED (Pixel Dimming). W przeciwieństwie do paneli LCD, w których podświetlenie LED jest regulowane lokalnie na całych fragmentach ekranu, w matrycy OLED każdy piksel pracuje niezależnie. Diody organiczne pozwalają wyświetlić wyraźne, żywe barwy oraz detale, które są dobrze widoczne nawet wtedy, gdy bezpośrednio obok siebie znajdują się niewielkie jasne obiekty oraz bardzo ciemne obszary (np. rozgwieżdżone niebo). Na ekranie telewizora LCD wokół jasnych miejsc występuje poświata (brzegi jasnych obszarów są rozmyte), wynikająca z lokalnego podświetlenia matrycy. Podobny efekt diody LED tworzą przy wyświetlaniu całkowicie czarnego obrazu – jaśniejsze obszary przypominające efekt winietowania pojawiają się przy górnej oraz dolnej krawędzi ekranu. Telewizory LG OLED są zgodne z HDR10 i Dolby Vision.

Telewizory HDR Full HD

Dotychczas wiązano technikę HDR tylko z telewizorami Ultra HD 4K. W 2017 r. pojawią się telewizory z wyświetlaczem o mniejszej rozdzielczości – Full HD. Na ten krok zdecydowała się firma Sony w modelach WE75 o przekątnych 49 i 43 cale WE66 (49 i 40 cali) oraz WE61 31 cali o jeszcze mniejszej rozdzielczości ekranu – HD ready.

Jakiej jasności obrazy HDR są w telewizorach?

Niestety, dla celów marketingowych pojawiło się wiele telewizorów z etykietką HDR, których producenci uważają, że będzie zauważalny efekt HDR. Rozpiętość wartości luminancji jest bardzo duża:

• 350 – 500 cd/m² – obraz z zauważalnym efektem HDR, przy górnych wartościach da się zauważyć większą jasność i więcej odcieni w bielach;
• 500 – 750 cd/m² – lepszy efekt HDR;
• 750 – 1000 cd/m² – efekt HDR jest wyraźny, ilość szczegółów w jasnych polach jest bardzo duża (Ultra HD Premium);
• 1000 – 2000 cd/m² – efekt HDR w najlepszych telewizorach w 2017 r. Pierwszy model z serii QLED Samsunga na CES 2017.

Niektórzy producenci podają także wartości procentowe informujące o zakresie odtwarzanych barw zgodnie ze standardem Rec. 2020 czy DCI. Zazwyczaj podawane wartości są zawyżone ze względów marketingowych.

Serwisy VoD z filmami HDR

Dopóki nie pojawią się pierwsze materiały wideo nadawane z anteny telewizyjnej, najlepszym rozwiązaniem jest strumieniowanie filmów HDR dostarczanych przez serwisy VoD, takie jak Netflix czy ostatnio Amazon Prime i YouTube Video. Większość telewizorów HDR smart TV ma aplikacje, które umożliwiają dostęp do filmów HDR.

HDR w odtwarzaczach Blu-ray

Z serwisami VoD konkurują odtwarzacze Blu-ray 4K HDR, do których można kupić płyty z filmami nagrane w wersji HDR. Aby telewizory mogły pokazać zalety obrazu HDR, muszą odtwarzać materiał wideo w tym standardzie. W porównaniu z ubiegłym rokiem zwiększy się oferta odtwarzaczy Blu-ray 4K z systemem HDR. Oprócz urządzeń firm Samsung i Panasonic po raz pierwszy zobaczymy odtwarzacze Blu-ray firm LG (UP970 z systemami Dolby Vision) i Sony (UBP-X800 z systemem Dolby Atmos i Opto).

Firma Samsung oferuje odtwarzacz Blu-ray Ultra HD – UBD-K8500 z certyfikatem Ultra HD Premium. Jest on kompatybilny z techniką HDR, a obraz ma czterokrotnie większą rozdzielczość i 64 razy bardziej szczegółowe odwzorowanie kolorów niż w wypadku tradycyjnego odtwarzacza Blu-ray. Charakterystyczna obudowa ma zakrzywiony przedni panel, dopasowany do telewizorów z zagiętym ekranem. W 2017 r. pojawi się jego następca UBD-M9500, także z HDR, Dolby Atmos oraz DTS:X i wyświetlaczem na frontowym panelu. Odtwarzacz Blu-ray umożliwi oglądanie filmów na urządzeniach mobilnych, jak również oglądanie zdjęć wykonanych w technice 360° czy przeglądanie na dużym ekranie materiałów wideo przechowywanych na urządzeniach mobilnych.

Odtwarzacze multimedialne HDR

Na rynku pojawiają się pierwsze odtwarzacze multimedialne zdolne do odtwarzania materiałów wideo HDR. Firma Zappiti wprowadziła do sprzedaży rodzinę urządzeń 4K HDR: Mini, One i Duo. Zappiti Mini 4K HDR to kompaktowy odtwarzacz o niewielkich rozmiarach, One 4K HDR wyposażono w kieszeń na dysk twardy SATA HDD 3,5 cala. Duo 4K HDR ma podwójną kieszeń na 3,5-calowe dyski o łącznej pojemności 32 TB, z możliwością ich wymiany w czasie pracy urządzenia. Ich specyfikacja umożliwia odtwarzanie materiałów HDR. Wyposażone są w złącze HDMI 2.0a, aby zapewnić optymalne odtwarzanie treści wideo 4K 60p i HDR. Zapewniono dokładność bitową dla sygnałów 10-bitowych (1024 poziomy odcieni zamiast 8 bitów i tylko 256 poziomów) oraz zgodność przestrzeni kolorów ze standardem REC. 2020. Maksymalny bitrate dla sygnałów HEVC wynosi 350 Mbit/s. Funkcja Zappiti Real Cinema może odtwarzać filmy z szybkością 24 kl./s lub z oryginalną szybkością płyt Blu-ray – 23,976 kl./s.

Przy decydowaniu się na zakup telewizora lub projektora HDR, biorąc pod uwagę tworzenie się wymagań technicznych dla urządzeń i działania marketingowe firm, jedynym wiarygodnym kryterium jest ocena obrazu filmu HDR w wersji bez i z HDR z odtwarzacza Blu-ray 4K, serwisu VoD wyświetlanego na różnych telewizorach czy projektorach z HDR. Jeżeli zauważamy zwiększoną ilość szczegółów, wtedy warto zainwestować w taki telewizor czy projektor. Pomocny dla osób, które chcą mieć obraz najlepszej jakości, jest certyfikat Ultra HD Premium.