Что такое технология HDR и зачем она нужна в телевизорах и мониторах?

Число технологий, влияющих на качество изображения просматриваемого нами контента, продолжает расти. Открывая очередное видео, не всегда понимаешь: перед тобой именно то, что планировал показать автор, или только то, что способны отобразить твоя техника и ПО?

Одна из наиболее неприятных ситуаций – когда пользователь скачивает кинофильм в новом формате, который должен выглядеть более качественно, чем обычно, а на деле получает блеклую и размытую картинку. Поначалу можно не обратить особого внимания на незнакомые аббревиатуры HEVC, HDR, 10bit и т. п. Однако, получив на экране менее яркое и окрашенное во все оттенки желтого (обычно преобладает именно этот цвет) видео, возникает недопонимание. Чаще всего с подобным сталкиваешься при попытке запустить фильм или видеоигру в HDR-режиме на устройстве, которое не поддерживает эту технологию или поддерживает, но не было предварительно настроено.

Теория

Благодаря новым технологиям качество видео сегодня улучшается не только за счет большего разрешения и, соответственно, числа пикселей, но и благодаря расширению цветовой гаммы (WCG, Wide Color Gamut) и динамического диапазона (HDR, High Dynamic Range). На качество изображения можно также повлиять с помощью увеличения частоты кадров, но все же наиболее заметным для обычного человека остается применение технологии расширенного динамического диапазона (HDR). Причем, вопреки расхожему заблуждению, она одинаково хорошо работает как на дисплеях с ультравысоким разрешением (4K и 8K), так и на устройствах попроще (Full HD). В то же время именно HDR в большинстве случаев становится причиной проблем, описанных во вступлении. Кстати, чтобы частично исправить их даже на обычном мониторе, иногда достаточно обновить видеокодеки или сменить программный проигрыватель (если речь идет о ПК).

Технология HDR призвана сделать светлые сцены более яркими, а темные – более глубокими, что позволяет добавить натуралистичности в высококонтрастные эпизоды, например, когда герой фильма выходит из темной пещеры на лесную поляну, залитую ярким солнечным светом. На большинстве встречающихся сегодня мониторов, телевизоров и экранов гаджетов из-за использования 8-битного кодирования цветов и степеней яркости доступен относительно узкий динамический диапазон, не позволяющий корректно отобразить подобную сцену. Если же к этому добавить умение наших глаз приспосабливаться к изменению освещенности (вспомните, как через несколько минут нахождения в помещении, где внезапно выключили свет, глаза постепенно начинают видеть), то разница между реальностью и возможностью показать это на экране становится еще более существенной.

Грамотное использование возможностей HDR-технологий позволяет в разы увеличить насыщенность и детализацию сцены, приблизив ее к тому, что мы видим в реальной жизни. То есть при одновременном присутствии в кадре очень темных и ярких объектов они должны выглядеть одинаково хорошо. Для того чтобы достичь этого, необходимы более высокие значения пиковой яркости и глубины цвета, чем используются обычно. Также во многих случаях потребуется карта с указанием минимальных, средних и максимальных значений яркости на протяжении всего фильма, что позволит адаптировать контент к тем устройствам, которые физически не способны передать максимальный уровень яркости, используемый в данной записи. Несмотря на то что классическое определение HDR подразумевает соотношение между максимумом и минимумом яркости, в контексте видеоконтента речь идет также о расширенной цветовой гамме (WCG).

Необходимо понимать, что расширенный динамический диапазон (HDR) и высокая максимальная яркость – это не одно и то же. Например, в условиях темного кинозала можно добиться высокого динамического диапазона даже при стандартной для многих кинотеатров яркости в 48 нит (кд/м²). При этом дома можно получить стандартный динамический диапазон на очень ярких экранах – в сотни и даже тысячи нит. Тем не менее высокая яркость позволяет работать с HDR без необходимости существенно затемнять помещение для просмотра. Однако простое увеличение максимальной яркости дисплеев не приводит к автоматическому расширению динамического диапазона. Увы, но без применения дополнительных алгоритмов подобный подход приведет лишь к увеличению шума.

Итак, HDR-видео подразумевает более высокие показатели глубины цвета, пиковой яркости и цветовой гаммы, чем в SDR-видео.

Перейдем к цветовым характеристикам. В большинстве современных дисплеев используется 8-битный цвет. Цвет каждого пикселя является смешением оттенков трех основных цветов – красного, зеленого и синего, в которые окрашиваются соответствующие субпиксели. Любой цвет кодируется с помощью 8 бит, следовательно, каждый из субпикселей может содержать один из 256 оттенков одного из основных цветов (2⁸). В конечном счете каждый пиксель может окрашиваться в один из 16,7 млн цветов (256x256x256). Если для кодирования цвета использовать 10 бит, то получим по 1024 оттенка каждого из трех цветов и более 1,07 млрд цветов. Переход на 12 бит, в свою очередь, дает доступ к 4096 оттенкам (2¹²) и итоговой палитре из более чем 68,7 млрд цветов. Увеличение количества битов позволяет перейти к работе с более широкими цветовыми пространствами стандартов DCI-P3 и BT.2020. Цветовой охват BT.2020 рекомендован в качестве основного для большинства HDR-форматов.

В 2016 году Ultra HD Alliance опубликовала базовые характеристики для сертификации дисплея в качестве HDR-совместимого. Для этого пиковая яркость LCD-устройства должна составлять 1000 и более нит (кд/м²), а уровень черного – 0,05 и менее нит. Коэффициент контрастности должен быть по меньшей мере 20000:1. Для OLED-дисплея показатели соответственно 540 и 0,0005 нит, а контрастность – 1080000:1. Стоит отметить, что максимальная яркость большинства мониторов, представленных сегодня на рынке, составляет 250–350 нит. В то же время пиковая яркость в 1000 нит обычно подразумевает возможность монитора поддерживать этот уровень в течение короткого времени и на небольшом участке экрана. Впрочем, даже таких устройств на рынке не очень много.

Известные сегодня HDR-стандарты базируются на двух основных технологиях кодирования видеосигнала – перцептивном квантовании (perceptual quantizer, PQ) и гибридной логарифмической гамма-функции (Hybrid Log-Gamma, HLG). В технических рекомендациях ITU-R BT.2100, предназначенных для производителей и дистрибьюторов HDR-контента, предлагается использовать разрешение Full HD 1080p или 4K UHD, глубину цвета 10 или 12 бит, функции передачи HLG или PQ, а также широкую цветовую гамму (WCG) с поддержкой цветового пространства BT.2020. Помимо прочего, в этом документе описана эталонная среда для просмотра HDR-программ. В частности, яркость окружения должна быть не выше 5 кд/м² (нит), а на экран не должен падать прямой свет. Таким образом, смотреть HDR-контент рекомендуется в темных помещениях.

Для дисплеев, которые неспособны достигать необходимой пиковой яркости или не поддерживают требуемый цветовой охват, должны применяться стандарты HDR с метаданными.

PQ и PQ10

PQ, или перцептивное квантование, – один из основных методов формирования HDR-сигнала, разработанный компанией Dolby. Технология была описана Обществом инженеров кино и телевидения (Society of Motion Picture and Television Engineers, SMPTE) в качестве стандарта SMPTE ST 2084: она поддерживает HDR-видео с максимальной яркостью до 10000 нит (в теории) и цветовое пространство BT.2020. Данная технология присутствует во всех основных стандартах и рекомендациях, связанных с Ultra-HD-устройствами. Вариация PQ10, помимо прочего, подразумевает обязательную поддержку глубины цвета в 10 бит.

HDR10

Самый популярный HDR-формат, который по умолчанию поддерживается почти всеми современными телевизорами с функцией HDR, и самый распространенный среди поставщиков всех видов контента. По своей сути это копия PQ10, но с опциональными статическими метаданными (SMPTE ST 2086). Речь идет о двух основных параметрах: максимальном среднем значении яркости кадра MaxFALL (Maximum Frame Average Light Level) и максимальном значении яркости контента MaxCLL (Maximum Content Light Level), которые задаются один раз и применяются ко всему видеопотоку. В то же время, поскольку метаданные в данном случае являются опцией, некоторые производители не используют их вовсе. Это открытая и бесплатная технология, которая, помимо прочего, реализована в рамках популярного формата видеосжатия HEVC.

HDR10+

Основное отличие от предыдущего формата – наличие динамических метаданных, благодаря которым каждый кадр можно снабдить уникальным HDR-описанием. На базе этих данных устройство принимает решение, достаточно ли его аппаратных возможностей для отображений той или иной сцены, и, если не хватает, используется тональная компрессия изображения, которая с помощью математических алгоритмов постарается вытянуть сцену на нужный уровень. В случае со статическими метаданными (HDR10) даже одна сцена с чрезмерно широким динамическим диапазоном способна снизить качество всего потока, так как сама сцена, допустим, длится 10 минут, а тональная компрессия будет применяться ко всему потоку.

Динамические метаданные позволяют в одних сценах использовать тональную компрессию, а в других обходиться возможностями техники, что в лучшую сторону сказывается на качестве изображения. Дисплеи, не поддерживающие HDR10+, просто игнорируют соответствующие данные и проигрывают видео в HDR10. Основные параметры HDR10+: глубина цвета – от 10 бит, яркость – до 10000 нит, разрешение – до 8K (в теории любое). Стандарт разработан компаниями Samsung, Panasonic и 20th Century Fox и также известен под названием SMPTE ST 2094-40. Несмотря на то что HDR10+ подается как свободная технология, за право ее использования необходимо платить ежегодную фиксированную комиссию в размере от $2500 до $10 000 (зависит от категории продукции).

Dolby Vision

Это очередной вариант HDR от Dolby, который также базируется на PQ (ST 2084) и поддерживает яркость до 10000 нит, разрешение до 8K и глубину цвета до 12 бит. Устройства с поддержкой Dolby Vision могут декодировать информацию как из статических (ST 2086), так и динамических метаданных по оригинальной технологии Dolby, описанной в спецификации SMTPE ST 2094-10. Это платный стандарт, лицензионные отчисления в пользу Dolby составляют около $3 за каждое устройство. Dolby Vision предоставляет широкие возможности для производителей контента. Кроме того, именно этот формат используется в кинотеатрах.

Hybrid Log-Gamma (HLG)

Единственный из ныне существующих HDR-форматов, который базируется не на PQ, а на собственном методе HLG, разработанном телевизионными компаниями BBC (Великобритания) и NHK (Япония). Стандарт HLG является обратно совместимым с SDR, то есть один и тот же сигнал сумеют понять как SDR-, так и HDR-телевизоры. Однако если SDR-устройства отсекут часть сигнала, из которого состоит HLG-поток, как ненужную, техника с поддержкой формата сумеет расшифровать оставшуюся часть и значительно улучшит динамический диапазон картинки.

Как и в оригинальном PQ, метаданные не используются. Существует лишь одно общее требование к телевизорам для работы с HLG – поддержка цветового пространства BT.2020. Это открытый и бесплатный стандарт, разработанный с прицелом на использование в массовом телевещании. На данный момент не является широко используемым, хотя и поддерживается некоторыми современными ТВ.

Advanced HDR

В данном случае речь идет о семействе стандартов, в разработке которых принимают участие несколько крупных компаний, включая Philips, STMicroelectronics и Technicolor. Основной стандарт серии SL-HDR1 поддерживает статические (ST 2086) и динамические метаданные на базе форматов ST 2094-20 от Philips и ST 2094-30 от Technicolor. Этот формат предоставляет широкие возможности по работе с HDR для производителей контента. Для конечного пользователя интереса пока не представляет.

Маркетинговая запутанность

Казалось бы, неужели можно запутать еще сильнее? Оказывается, можно. Помимо перечисленных выше вполне официальных названий, используемых в технических документах, в каждой компании применяется еще как минимум несколько сугубо маркетинговых терминов для HDR-технологий. Разбираться в нюансах этого зоопарка мы не будем, однако имеет смысл выделить общую тенденцию.

В основном под этими названиями скрываются фирменные способы доработки и трансформации SDR-контента в HDR. Кроме того, иногда производители с помощью соответствующей маркировки предлагают пользователю выбор между начальным, средним и высокобюджетным уровнем техники. В контексте HDR-технологий эта маркировка нередко указывает на максимальное пиковое значение яркости конкретного монитора или телевизора, что может оказаться полезным. Если разбираться в деталях совсем не хочется, можно ориентироваться на логотип ULTRA HD PREMIUM, утвержденный организацией UHD Alliance для сертификации высококачественных 4K-HDR-устройств.

Выводы

Спецификации HDR-стандартов созданы с существенным запасом на будущее. Глаза большинства людей не способны воспринимать больше 1 млн цветов, поэтому даже 16,7 млн цветовых вариаций, получаемых при 8-битном кодировании, хватает с избытком, не говоря уже о миллиардах в случае использования 10 или 12 бит. Безусловно, восприятие цветовой палитры индивидуально: кто-то видит лучше одни цвета, кто-то другие. Кроме того, некоторые люди в силу генетических мутаций способны видеть до 100 млн цветов. Но и для тех и для других 10-битного цветового кодирования будет более чем достаточно.

Что же касается теоретической яркости в 10 000 нит, то современные телевизоры еще очень далеки от достижения этих цифр на практике. Даже профессиональные мониторы, стоимость которых превышает десятки тысяч долларов, способны выдавать не более 4000 нит. В то же время большинство обычных пользовательских устройств упираются максимум в 1000 нит. Мастеринг контента для основных HDR-форматов также производится на оборудовании с пиковой яркостью от 1000 до 4000 нит.

Несмотря на то что показатели пиковой яркости важны, HDR-видео нельзя получить, просто сдвинув ползунок в крайнее положение. Многие люди удивляются, когда узнают, что яркость большей части современного HDR-контента не превышает 100–200 нит и лишь в отдельных сценах достигает относительно высоких значений. Расширенный диапазон подразумевает, что в одной сцене могут присутствовать довольно темные области и очень яркие объекты. Например, в сцене, где главный герой идет с ярким факелом по темной пещере, яркость окружающего пространства может не превышать условных 100-150 нит, а факел при этом светить на все 1000 нит и даже больше в зависимости от того, как решит режиссер в процессе мастеринга. В этом и заключается основное отличие HDR от SDR: если увеличить яркость на SDR-мониторе, то более освещенной станет вся пещера, а не отдельные объекты в ней.

Считается, что лучше выбирать HDR-формат с поддержкой динамических метаданных, однако на сегодня при правильной калибровке ТВ заметить критическую разницу между HDR10, HDR10+ и Dolby Vision весьма сложно. Это связано в том числе с особенностями производства контента, когда стараются угодить сразу всем. Поэтому даже HDR10 со статическими метаданными будет хорошим выбором, тем более что большая часть HDR-контента сегодня представлена именно в этом формате или совместима с ним. Если ТВ при этом будет поддерживать один из форматов с динамическими метаданными – еще лучше. В любом случае наличие метаданных очень желательно, так как в большинстве современных фильмов с поддержкой HDR наверняка будут сцены, перекрывающие возможности вашего устройства вывода, а за счет дополнительной информации обработать их будет легче. Что же касается цвета, то 10 бит – прекрасный компромисс. Объективных данных за 12-битное кодирование на сегодняшний день нет.

Качественная реализация HDR никого не оставит равнодушным, но подобное устройство и стоить будет соответствующе. Впрочем, если кошелек позволяет – дело за малым.