Что такое HDR и как он работает

Что такое HDR?

HDR (High Dynamic Range Imaging) редко HDRI — технологии работы с изображениями и видео, диапазон яркости которых превышает возможности стандартных технологий. Для нас важно понять что это видеостандарт, повышающий яркость и контрастность.

Чаще всего термин HDR употребляется в отношении получения, хранения и обработки изображений. Используемые на сегодняшний день технологии исторически основаны на 8-битных целочисленных форматах представления и обработки данных, что даёт весьма узкий динамический диапазон, часто называемый SDR (англ. Standard Dynamic Range) или LDR (англ. Low Dynamic Range). Применение техники HDR позволяет работать с полным диапазоном яркости сцены, устраняя исторические ограничения.

Технологии HDR имеют множество практических применений, такие как получение изображений и видео натуральных высококонтрастных сцен, хранение и обработку HDR-контента, создание LDR-изображений на основе HDR-изображений, а также достижение различных художественных эффектов, используя HDR-изображения.

В сфере маркетинга термин HDR трактуется более широко, подразумевая не только повышение контраста между яркими и темными участками изображения, но и улучшение цветопередачи с увеличением цветового охвата.

Как этот стандарт выглядит на практике? Представьте, что вы снимаете сцену на пляже с заходящим солнцем. Без обработки HDR самые темные и самые яркие части сцены доминируют в изображении, но в остальном никакие другие оттенки не имеют четкости. Но если вы снимете ту же сцену в HDR, вы увидите все детали. Изображение будет ближе к тому, что мы действительно видим.

Как работает HDR на фото

Технология обработки изображений HDR используется для фотографий уже несколько лет и связана с так называемым брекетингом (bracketing). Это процесс, при котором камера делает несколько снимков при нажатии кнопки затвора, один снимок записывает все темные детали, а другой записывает яркие детали. Камера смешивает снимки для создания финальное изображение.


Брекетинг устраняет передержанные (светлые участки) и недоэкспонированые (от темного к черному) места. Как правило, на изображении с преобладанием яркого неба остальная часть сцены очень темная, и аналогично на снимках интерьера видно белое пятно на месте окна.
Однако при съемке HDR это работает иначе: изображения создаются с одним значением экспозиции, но с гораздо большим динамическим диапазоном. На изображении хорошо видны темные и светлые участки.

Что такое динамический диапазон?

Теперь, когда мы знаем, как работает HDR, мы можем определить динамический диапазон: это разница между упомянутыми выше самыми яркими и самыми темными точками. Чем больше разница, тем выше требования к динамическому диапазону камеры или сенсору камеры.


Наглядный пример случая, когда динамический диапазон камеры значительно меньше диапазона сцены, можно увидеть на изображении выше.
Слева снимок сделанный камерой с низким динамическим диапазоном, с права снимок сделанный камерой с достаточно большим динамическим диапазоном. Это работает аналогично при съемке видео.

Преимущества HDR в телевизорах

Мы объяснили, как создается HDR, и принцип динамического диапазона, и, наконец, мы можем описать преимущества динамического диапазона в телевизорах.
Динамический диапазон телевизора означает разницу между самыми темными и самыми светлыми точками, которые может отображать панель.
Если эта информация пока кажется не впечатляющей, не волнуйтесь, потому что это еще не все: HDR-телевизоры способны достигать яркости от 0,00005 кд / м2 до более 1000 кд / м2 . Таким образом, яркие пятна выглядят ярче, а более темные оттенки выглядят темнее без потери деталей и с высокой точностью цветопередачи.
В результате получается более реалистичное и красочное, точно воспроизведенное изображение с более резкими деталями в темных и светлых местах. Изображение на экране телевизора будет точным воспроизведением того, что видели бы ваши глаза, если бы вы присутствовали во время съемки.

HDR отображает гораздо больше цветов

HDR-видео также отличается от стандартной цветовой гаммы. Он описывает, какую часть цветовой модели может отображать телевизор или сколько оттенков цветов может воспроизводить панель.
Поскольку HDR-телевизоры обеспечивают гораздо лучшую цветопередачу, была представлена стандарт ​​Rec.2020 (BT.2020). Если телевизор HDR принимает контент, стандартизованный с использованием Rec.2020, он может отображать большее количество цветов, чем телевизор без технологии HDR.

Разницу хорошо иллюстрирует следующий график, который показывает воображаемый цветовой спектр, видимый глазом. Обратите внимание, что золотой треугольник, представляющий Rec.709, составляет только 35,9% всей площади, не учитывая огромное количество оттенков, которые могут быть полезны при воспроизведении видео. Черный треугольник, представляющий стандарт HDR Rec.2020, покрывает 75,8% спектра, обеспечивая гораздо больший цветовой диапазон.

HDR-телевизоры имеют большую глубину цвета

Резкая разница между телевизорами без HDR и HDR также очевидна по значениям глубины цвета. Это указывает, сколько битов используется для описания определенного цвета или пикселя.
Чем выше глубина цвета, тем более детализирована шкала цветов и тем точнее градиенты между оттенками. Стандарты HDR-видео основаны на 10-битной и даже 12-битной глубине цвета, тогда как телевизоры Rec.709 используют 8-битную глубину.

8-битная глубина позволяет отображать 16 миллионов цветов, а 10-битная позволяет обрабатывать более миллиарда. При 12-битной обработке вы получаете почти 69 миллиардов цветов!

Производители телевизоров — ваши враги

Пока что HDR, как и любая новая технология входит в массы. Ярлык «HDR» вешается на все новые телевизоры — вне зависимости от того, способны они адекватно отображать 10 бит или нет. Есть большая разница между настоящим HDR-телевизором и панелью, которая просто отображает HDR-контент, понижая его до 8 бит и просто задирая цвета и контраст.
Раскусить производителей иногда тяжело. Следует смотреть, заявлена ли панель как 10-битная и отвечает ли она открытому стандарту HDR10. Верный признак настоящей HDR-панели — поддержка Wide Color Gamut (Широкой Гаммы Цветов). Без неё HDR теряет всякий практический смысл.
Заметная часть LCD-телевизоров использует активные 8-битные панели, которые «додумывают» цвета с помощью специальных алгоритмов. HDR-картинка на таких панелях немного похуже OLED, но и стоят они заметно дешевле.

Стандарты для контента и HDR10

На рынке HDR все еще остается довольно мутная область – стандарты для контента, обеспечивающие в конечном счете совместимость дисплея и воспроизводимого на нем контента. В настоящее время существует два основных стандарта – HDR10 и Dolby Vision. Мы здесь не будем углубляться в детали и скажем только, что стандарт Dolby Vision подразумевает более высокое качество изображения, так как он поддерживает динамические метаданные (возможность динамической настройки контента – кадр за кадром) и 12-битный цветовой формат. Однако он подразумевает использование закрытой технологии, что включает в себя дополнительную плату за лицензию, а также требует наличия дополнительного «железа», поэтому устройства с поддержкой этого стандарта стоят дороже. С другой стороны, стандарт HDR10 поддерживает только статические метаданные и 10-битный цветовой формат, но он открытый и поэтому распространен более широко. К примеру, Microsoft и Sony для своих новых игровых консолей приняли стандарт HDR10. Он также является стандартом по умолчанию для дисков Blu-ray Ultra HD.

На самом деле, несмотря на различия контент-стандартов, дисплеи сравнительно легко могут поддерживать несколько форматов. На рынке ТВ достаточно часто можно встретить экраны, поддерживающие как Dolby Vision, так и HDR10, а также другие менее распространенные стандарты, такие как Hybrid Log Gamma (HLG) и Advanced HDR.

Стандарты для HDR и сертификация: ТВ-сегмент

В то время как HDR-контент создается по определенным стандартам, сами HDR-дисплеи могут различаться по характеристикам и в части поддержки различных аспектов изображения. ТВ-экраны, а в последнее время и мониторы для ПК часто позиционируются на рынке как "HDR", но по своим спецификациям и уровню поддержки технологии HDR они отличаются друг от друга. С целью прекратить злоупотребление термином HDR, прежде всего на рынке ТВ, и предотвратить дальнейшее распространение множества вводящих в заблуждение спецификаций и рекламных проспектов был учрежден альянс UHD Alliance. Данный альянс представляет собой консорциум, куда входят производители телевизоров, разработчики технологий, а также студии, выпускающие ТВ-программы и фильмы. До этого не существовало никаких четких стандартов для HDR, и не было спецификаций, разрабатываемых производителями дисплеев для предоставления пользователям информации об уровне поддержки HDR. 4 января 2016 г. Ultra HD Alliance опубликовал сертификационные требования к "правильному HDR-экрану", с акцентом на ТВ-сегменте, поскольку на тот момент компьютерные мониторы с HDR на рынке еще не появились. В документе были кратко сформулированы основные положения стандарта "правильной" поддержки HDR, а также ряд других ключевых требований, обязательных для производителей, которые будут сертифицировать свой экран как "Ultra HD Premium". Основное внимание в спецификации стандарта Ultra HD Premium уделено характеристикам контрастности и цветности.

Контрастность / Яркость / Глубина черного

Существует два варианта спецификации – для дисплеев LCD и OLED соответственно – непосредственно относящиеся к аспектам HDR.

Вариант 1. Максимальная яркость – 1000 кд/м2 или более, уровень черного – менее 0,05 кд/м2, в результате чего достигается значение контрастности 20 000:1. Данная спецификация представляет стандарт Ultra HD Alliance для LCD дисплеев.

Вариант 2. Максимальная яркость – более 540 кд/м2, уровень черного – менее 0,0005 кд/м2, в результате чего достигается значение контрастности 1 080 000:1. Данная спецификация соответствует стандарту для OLED дисплеев. В настоящее время технология OLED ведет борьбу за повышение максимальной яркости. Тем не менее, хотя она пока не может обеспечить столь же высокую яркость, как у LCD экранов, гораздо большая глубина черного позволяет получить на OLED экранах очень высокую контрастность, удовлетворяющую требованиям HDR.

В дополнение к аспектам, связанным с HDR, стандарт Ultra HD Premium включает ряд других важных требований, выполнение которых является обязательным для успешного прохождения сертификации:

Разрешение – дисплей, обозначаемый как "Ultra HD Premium", должен обеспечивать разрешение не менее 3840 x 2160. Такое разрешение часто обозначают как "4K", однако официально это разрешение "Ultra HD", а "4K" составляет 4096 x 2160.

Глубина цветопередачи – дисплей должен принимать и обрабатывать 10-битный цветовой сигнал для обеспечения большей глубины цветопередачи.

Цветовой охват – одно из сертификационных требований Ultra HD Alliance – дисплей Ultra HD Premium должен обеспечивать более широкий цветовой охват по сравнению с типовыми стандартами для подсветки. Цветовой охват экрана телевизора должен перекрывать стандартное цветовое пространство sRGB / Rec. 709. В части цветового охвата дисплей должен соответствовать стандарту DCI-P3 (54% цветового охвата человеческого глаза), установленному для цифровых кинотеатров.

Варианты подключения – для телевизора требуется интерфейс HDMI 2.0. Данная программа сертификации изначально была разработана для рынка ТВ, но на рынке компьютерных мониторов общепринятым вариантом является также DisplayPort, используемый для поддержки более высокой (свыше 60 Гц) частоты обновления. Поэтому мы не удивимся, если в программу сертификации Ultra HD Premium будут внесены изменения, касающиеся мониторов и включающие DisplayPort в список поддерживаемых интерфейсов.

Дисплеи, соответствие которых указанным требованиям официально подтверждено, могут снабжаться логотипом 'Ultra HD Premium', который был для этого специально разработан. Следует помнить, что некоторые дисплеи, не имеющие этого логотипа, тем не менее позиционируются как дисплеи с поддержкой HDR. Спецификации HDR являются только частью сертификационной программы, поэтому экран может поддерживать HDR, но при этом не соответствовать другим дополнительным требованиям стандарта Ultra HD Premium (например, в части цветового охвата). Если экран заявлен как поддерживающий HDR, но не имеет логотипа Ultra HD Premium, то неясно, каким образом в нем достигается высокий динамический диапазон и действительно ли он соответствует тому минимуму требований, которые Ultra HD Alliance установил собственно для HDR. В таких случаях вы можете получить некоторое представление о преимуществах HDR, но оно будет неполным. Если же дисплей прошел сертификацию и получил логотип Ultra HD Premium, то вы можете быть уверены в том, что смотрите "полновесный HDR" – по крайней мере в понимании этого термина разработчиками соответствующей спецификации из Ultra HD Alliance.

Заключение

Можно сказать, что технология HDR разрабатывается для получения более динамичной картинки и подкрепляется тем обстоятельством, что необходимое повышение контрастности должно осуществляться при наличии ограничений, обусловленных технологиями экранных панелей. Она предполагает значительное улучшение характеристик экрана и представляет прогрессивную тенденцию в области технологий дисплеев. Производители телевизоров, говоря о HDR, склонны объединять высокий динамический диапазон с другими характеристиками экранов, а именно с высоким разрешением (как правило, Ultra HD 3840 x 2160) и широким цветовым охватом (близким к DCI-P3). Вследствие возникшего на рынке ТВ злоупотребления термином HDR и появления множества разных спецификаций и стандартов для ТВ-экранов был учрежден альянс Ultra HD Alliance – с целью наведения порядка. Эта организация разработала программу сертификации 'Ultra HD Premium', где были определены требования к экрану в части HDR, характеристик цветности, разрешения и др. Данные требования стали своего рода «золотым стандартом» для телевизоров с HDR.

Источники: Wikipedia, Cnet, DTF, Nix

Комментарии:

---

maximka346 19 ноября 2020 17:23

-1

Большое спасибо.

Dimanchez 19 ноября 2020 00:14

-1

Отличная статья, узнал и подчеркнул для себя некоторые моменты, о которых ранее не знал. Ждем о Dolby Vision.

Desol 18 ноября 2020 23:25

-1

Следующая статься будет о Dolby Vision, говорить об этой технологии не рассказав о HDR сложная задача.