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
Содержание статьи:
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.
