Telewizory z HDR

Szereg telewizorów ma w opisie funkcji skrót HDR. Czy we wszystkich urządzeniach oznacza on to samo, wyjaśniamy w artykule. W sklepach oprócz telewizorów Ultra HD HDR pojawiają się także Full HD HDR.

Coraz więcej telewizorów ma swojej ofercie telewizory HDR, system może być montowany w telewizorach Ultra HD i Full HD.

Trochę teorii o HDR

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 luminację 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 luminancji 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 1500 - 2000 cd/m².

Wyświetlacze Quantum Dot, w telewizorach QLED TV marki Samsung, pokażą każdy szczegół dekoracji scenicznych czy kostiumów dzięki technice HDR10+, w czasie transmisji np. z Wiedeńskiej Opery Państwowej.

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: HDR10/10+, HDR Dolby Vision i HLG (Hybrid Log-Gamma), a rozwijany jest czwarty Technicolor HDR.

HDR10 i HDR 10+
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 – największe to 1000-2000 cd/m², 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.

UWAGA! 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.

Standard HDR10+ umożliwi odwzorowaniu obrazów z maksymalną dokładnością na odbiornikach Ultra HD Premium, oraz na innych typach telewizorów.

20th Century Fox, Panasonic i Samsung rozwijają partnerstwo HDR10+
Powstała kolejna wersja standardu HDR – HDR10+, która uwzględnia zmienne metadane dla każdej klatki obrazowej, jak jest to w Dolby Vision. Za pomocą metadanych o rozpiętości tonalnej HDR10+, można udostępnić użytkownikom telewizorów obsługujących HDR10+ dużo wierniejszą wizję filmowców. Dzięki zastosowaniu HDR10+ uzyskuje się nasycone, precyzyjnie odwzorowanie kolorów i głębszy kontrast. Oznacza to, że kiedy oglądamy seriale czy filmy, detale danej sceny widzimy w sposób wyrazisty i szczegółowy, co sprawia, że obraz jest bardziej rzeczywisty.

W celu popularyzacji standardu HDR10+ powstała platforma założona przez firmy 20th Century Fox, Panasonic i Samsung. Ponad 25 podmiotów z różnych branż wyraziło duże zainteresowanie wsparciem platformy HDR10+, co wpłynie na popularyzację standardu. Amazon Prime Video, jako pierwszy dostawca usług przesyłania strumieniowego dostarczający HDR10+, udostępnił całą bibliotekę Prime Video HDR w technice HDR10+. Warner Bros Home Entertainment także będzie wspierać to rozwiązanie. W swoich zasobach ma ponad 75 tytułów 4K HDR.

Dla producentów telewizorów standardu HDR/HDR10+ nie wymagane są opłaty licencyjne jak jest to dla standardu Dolby Vision. Towarzyszący temu program certyfikacji zagwarantuje, że produkty zgodne z HDR10+ będą spełniać wymagania dotyczące wysokiej jakości obrazu, a także wiernie oddadzą zamysł reżyserów i operatorów filmowych. Certyfikowany produkt będzie opatrzony logo HDR10+. Najważniejsze aspekty programu licencyjnego to:

• Korzyści dla twórców filmowych i telewizyjnych oraz producentów urządzeń, takie jak m.in. precyzyjne odwzorowanie obrazów z maksymalną dokładnością, nawet na ekranach, które mogłyby mieć trudności z wyświetlaniem treści HDR10.
• Brak opłat licencyjnych rozliczanych od sztuki.
• Symboliczna roczna opłata administracyjna dla producentów urządzeń, producentów układów SoC i dostawców usług dystrybucji treści.
• Specyfikacja techniczna, specyfikacja testowa, specyfikacja logo HDR10+, patenty od trzech firm bezpośrednio związanych ze specyfikacją techniczną i specyfikacją testową.
• Certyfikacja urządzeń będzie wykonywana przez autoryzowany ośrodek badawczy niezależnej firmy.

Po otwarciu programu licencyjnego HDR10+ firmy założycielskie będą wdrażać technikę HDR10+ we wszystkich przyszłych wydaniach filmów Ultra HD, w wybranych telewizorach, odtwarzaczach/nagrywarkach Blu-ray Ultra HD i innych produktach.

W celu popularyzacji standardu HDR10+ powstała platforma założona przez firmy 20th Century Fox, Panasonic i Samsung.

HDR Dolby Vision
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.

Prime Video, jako pierwszy serwis streamingowy wdrożył standard HDR10+ dostępny we wszystkich telewizorach Samsung UHD z 2017 roku.

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 przez 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).

Technicolor HDR
Jest przyszłościowym system HDR, który eliminuje ograniczenia wcześniejszych standardów. Prawdziwą zaletą systemu Technicolor HDR jest niezależność od krzywej EOTF. Obecnie na rynku są różne typy treści HDR, w tym format Sony S-Log, krzywa Gamma i krzywa PQ dla BBC / NHK. Technicolor HDR przejmuje wszystkie z nich, a także SDR, jako dane wejściowe, a następnie normalizuje i dostarcza wszystkie z nich na dowolnym urządzeniu HDR i SDR. Wszystko w jednym strumieniu, zapewniając kompatybilność wsteczną z urządzeniami HDR bez ich modyfikacji. Minimalizuje wpływ przepustowości łącza i konieczność przesyłania dwóch strumieni danych HDR i SDR.

HDR – zmiany konstrukcyjne w wyświetlaczach

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. 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). 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, 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 bitach jest to już 68,71 mld odcieni kolorów.

Rewolucyjne zmiany w obrazie zostały wprowadzane 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 10-bitowym.

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.

Telewizor Hitachi 55HL15W69 ma system HDR10.

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. Na ten krok zdecydowała się firma Sony w modelach 2017 roku WE75 o przekątnych 49 i 43 cale, WE66 (49 i 40 cali) oraz WE61 31 cali o jeszcze mniejszej rozdzielczości ekranu – HD ready. Także w 2018 r telewizory serii WF66 Full HD obsłużą formaty HDR10 i HLG.

Telewizor TCL U65P6006 wyróżnia 10-bitowy panel LCD i odtwarzanie materiałów wideo HDR10 i HLG.

HDR w praktyce

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 serii QLED Samsunga.

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.

Gdzie szukać materiałów wideo z HDR

Aby na obrazie telewizora uzyskać efekty HDR trzeba do telewizora dostarczyć materiał wideo HDR. Najlepszy materiał wideo HDR pochodzi z płyt Blu-ray i serwisów VoD jak Netfix, Amazon Prime, YouTube oraz gier. Są też pierwsze kanały satelitarne. Większość telewizorów HDR smart TV ma aplikacje, które umożliwiają dostęp do filmów HDR.

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 sprzedaży pojawiły się konsole do gier Microsoft Xbox One S i Sony PS4 Pro, które umożliwiają odtwarzanie gier HDR. Konsola PS4 Pro odtwarza gry w natywnej jakości 4K, natomiast Xbox One S natywnie nie obsługuje 4K, a odtwarzanie gier w jakości 4K odbywa się przez odpowiednie renderowanie obrazu w jakości Full HD, a następnie jego skalowanie, co jest gorszym rozwiązaniem. Popularność zyskują także odtwarzacze multimedialne 4K HDR.

Przy decydowaniu się na zakup telewizora, 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 z HDR. Jeżeli zauważamy zwiększoną ilość szczegółów, wtedy warto zainwestować w taki telewizor. Pomocny dla osób, które chcą mieć obraz najlepszej jakości, jest certyfikat Ultra HD Premium.

Odtwarzacze multimedialne 4K HDR Zappiti

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) oraz zgodność przestrzeni kolorów ze standardem REC 2020. Maksymalny bitrate dla sygnałów HEVC wynosi 350 Mbit/s. Funkcja Zappiti Real Cinema umożliwia odtwarzanie filmów z szybkością 24 kl./s lub z oryginalną szybkością płyt Blu-ray – 23,976 kl./s.