HDR dla systemów digital signage

UDOSTĘPNIJ:
28-02-2018

Pojęcie High Dynamic Range HDR niegdyś znane było głównie jako technika w fotografii polecająca na wykonaniu kilku ekspozycji tego samego kadru, z których część jest niedoświetlona, a część prześwietlona. Technika ta pozwalała otrzymać obraz charakteryzujący się szeroką rozpiętością tonalną z naświetlonymi cieniami, wyraźnymi elementami średniego zakresu charakterystyki tonalnej, a kończąc na widocznych światłach. HDR od kilku lat stanowi modny i ciekawy trend w wyświetlaniu obrazu. Początkowo dostępny w komercyjnych telewizorach w niedługim czasie zacznie pojawiać się również w profesjonalnych monitorach przeznaczonych dla systemów informacji cyfrowej. 

Podczas tegorocznych targów ISE w Amsterdamie pojawiły się pierwsze monitory z segmentu wielkoformatowych wyświetlaczy profesjonalnych przeznaczone do systemów informacji cyfrowej uwzględniające obsługę standardów HDR. Można spodziewać się, że trend ten będzie lawinowo narastał u większości producentów obecnych w większej skali na rynku. Nie wchodząc zbyt głęboko w szczegóły, HDR jest z pewnością przyszłością nie tylko telewizji, ale również profesjonalnych materiałów reklamowych. Niemniej sporym problemem systemów opartych na technice HDR jest brak jednolitego standardu pozwalającego wyświetlać treść na przestrzeni wszystkich nośników HDR, a w najlepszym przypadku również SDR. Obecnie istnieje kilka wariancji HDR, z czego najpopularniejsze to:

  • HDR10, a właściwie HDR10 Media Profile, ogłoszony 27 sierpnia 2015 przez CTA używający szerokiej przestrzeni kolorów REC2020, dziesięciobitowego toru sygnałowego, oraz systemu PQ (o tym później)
  • HDR10+, ogłoszony 20 kwietnia 2017 przez Samsunga oraz Amazon, dodający dynamiczne metadane do standardu HDR10
  • Dolby Vision, pochodzący z Dolby Laboratories, bazuje na systemie PQ oraz dynamicznych metadanych działających na szerokim gamucie barwowym REC2020, dwunastobitowym przetwarzaniu koloru oraz zakłada maksymalną jasność wyświetlacza 10 000 cd/m2
  • HLG – Hybrid Log-Gamma, opracowany przez BBC oraz NHK (japoński publiczny nadawca radiowo-telewizyjny), jedyny kompatybilny z wyświetlaczami SDR standard HDR bazujący na dziesięciobitowej głębi koloru, definiujący funkcję transferu elektroniczno-optycznej w dolnym zakresie tonalnym jako krzywa gamma, natomiast w górnym zakresie (w praktyce od połowy przebiegu) jako krzywą logarytmiczną.

Nie trudno zauważyć wiodącą rolę systemu PQ (Perceptual Quantizer), normowanego przez SMPTE ST2084 w trzech z czterech popularnych standardów, oraz problemu braku kompatybilności z systemami SDR, na którą pozwala HLG opracowany przez BBC oraz NHK. Należy jednak zdecydowanie podkreślić, że PQ i HLG są systemami zaprojektowanymi tak, aby obraz z oświetleniem oryginalnej sceny, po przejściu przez kamerę i masteringu, znalazł się finalnie na wyświetlaczu w formie zachowującej artystyczny zamiar twórców – niekoniecznie naturalny.

Kolejną istotną rzeczą jest fakt, że PQ jest rozwijany przez Dolby – firmę, która skupia się na rozwiązaniach do kina, natomiast system HLG został stworzony wspólnie przez BBC i NHK – dwie organizacje nastawione głównie na rynek telewizji. Czyni to ogromną różnicę w podejściu oraz finalnie w zrozumieniu przyczyny różnicy w obu systemach.

W terminologii HDR warto również przyswoić sobie trzy następujące terminy związane z rejestracją, przetwarzaniem i obróbką oraz finalnie wyświetlaniem obrazu, które niezbędne są do zrozumienia całego procesu:

  • OETF – funkcja transferu optyczno-elektronicznego; to nieliniowa relacja pomiędzy światłem padającym na sensor kamery i cyfrowym elektronicznym sygnałem wygenerowanym przez kamerę
  • EOTF – funkcja transferu elektroniczno-optycznego; to nieliniowa relacja pomiędzy cyfrowym elektronicznym sygnałem odbieranym przez wyświetlacz i światłem emitowanym przez niego
  • OOTF – funkcja transferu optyczno-optycznego; to zależność między światłem padającym na sensor kamery a światłem emitowanym przez wyświetlacz.

Zależności w OOTF nie są zwyczajnie liniowe w łańcuchu sygnałowym kamera–wyświetlacz i często charakteryzowane są przez wartość gamma. Kluczową sprawą w zrozumieniu porównania systemów PQ i HGL jest wartość gamma w OOTF preferowana przez oglądających i twórców wyświetlanej treści. Zmienia się ona w zależności od jasności otoczenia, jak i jasności samego monitora.

W kinie końcowy użytkownik ogląda kontent w warunkach, które są zwykle dobrze kontrolowane. Dla normalnej kinowej treści jasność wyświetlania ustawiona jest na mniej więcej 48 cd/m², głównie ze względu na możliwość praktycznie całkowitego zaciemnienia pomieszczenia, w którym odbywa się projekcja. Kina Dolby HDR zachowują wyższą jasność, mieszczącą się w zakresie 75–106 cd/m². Dla telewizji to jednak zdecydowanie zbyt mało – standardowy zakres dynamiczny (SDR) w telewizji zawiera się w jasności maksymalnej 200–300 cd/m², czasami delikatnie więcej.

Obecna generacja telewizorów HDR znajduje się w zakresie maksymalnej jasności do 1000–2000 cd/m². Dolby Vision, dwunastobitowa, opatentowana przez Dolby adaptacja systemów PQ do sygnału telewizyjnego, zakłada jasności nawet 10 000 cd/m² – na tę chwile to wartość zupełnie nieosiągalna nawet w przypadku bardzo profesjonalnych telewizorów czy monitorów studyjnych. Kontent przygotowany do wyświetlania w 48 lub 100 cd/m² (w przypadku materiału kinowego HDR Dolby) potrzebuje być przetwarzany przez funkcję transferu optyczno-optycznej w łańcuchu kamera-wyświetlacz dla dużo jaśniejszych telewizorów lub monitorów, które dodatkowo znajdują się przeważnie w zdecydowanie jaśniejszym otoczeniu. Dolby Vision i HDR-10 przetwarzają funkcję OOTF z dodatkowymi metadanymi, aby poinformować telewizor lub monitor, jak przygotowany został kontent. Wyświetlacz dostosowuje wtedy EOTF, aby zapewnić ogólną relacje w OOTF, która najlepiej dostosowuje różnicę między jasnością i warunkami otoczenia monitora użytego do masteringu kontentu a monitora lub telewizora użytego do jego wyświetlania. Celem tego przystosowania jest zachowanie zamiaru artystycznego twórców wyświetlanej zawartości, nawet gdy treści są oglądane w innych warunkach niż te, w których były tworzone.

AUTOR: Wojciech Kosek

galeria

TAGI:

Magazyn AVintegracje dedykowany specjalistom branży systemów zintegrowanych, architektom i entuzjastom inteligentnych budynków.