статья от Scott Wilkinson / ProjectorCentral.com
HDR от "А" до "Я"
Когда всего несколько лет назад разрешение 4K/Ultra HD ворвались на сцену потребительского видео контента, все обратили внимание на увеличение количества пикселей на экране, которое выросло с 2 073 600 для HD (1920*1080) до 8 294 400 для UHD (3840*2160).
В четыре раза больше пикселей — в четыре раза лучше, верно?
Не совсем. Если у вас нет огромного экрана или вы сидите очень близко к экрану, вы, вероятно, не заметите большой разницы в разрешении между HD и UHD.
Однако UHD — это не только увеличенное разрешение. Есть и другие улучшения, которые гораздо более очевидны. К ним относятся более высокая частота кадров (HFR), более широкий диапазон цветов (известный как широкая цветовая гамма или WCG), более высокая пиковая яркость и большая глубина для каждого цвета, что обеспечивает более плавные переходы от одного цвета к другому и от одного уровня яркости на другой.
Последние два улучшения (более высокая пиковая яркость и большая глубина для каждого цвета) в совокупности обеспечивают расширенный динамический диапазон или HDR. Это гораздо важнее, чем увеличение количества пикселей.
______________________________
HDR легко воспроизводитчся на современных 4K телевизорах, которые могут выдавать гораздо больше яркости, чем требует стандартный динамический диапазон (SDR). На самом деле HDR контент готовится и в первую очередь предназначен для плоскопанельных телевизоров. Если вы посмотрите такой контент на плоском телевизоре, вы увидите что-то относительно близкое к тому, что создатели фильма видели в процессе мастеринга.
Но проекторы - это отдельная история. Современные модели могут излучать больше света, чем их предшественники, но они все еще не могут приблизиться к яркости плоских панелей. Кроме того, простое увеличение яркости проектора может привести к обратным результатам. В итоге производители проекторов должны адаптировать HDR контент к возможностям своей продукции.
Итак, как современные проекторы справляются с HDR-контентом? Давайте разбираться.
основы HDR
Прежде чем обсуждать HDR и проекторы, я хочу убедиться, что у всех есть базовое представление о динамическом диапазоне.
Проще говоря, динамический диапазон - это разница, или, говоря более технически, соотношение между самым темным черным и самым ярким белым цветом, которые видеосистема может воспроизвести.
Это прямой аналог динамического диапазона звука, который представляет собой соотношение между самым тихим и самым громким звуком, который аудиосистема может воспроизвести. При воспроизведении звука нижняя граница динамического диапазона - это минимальный уровень громкости системы, который соответствует уровню черного дисплея, а верхняя граница — это максимальная воспроизводимая амплитуда звука, соответствующая пиковой яркости дисплея.
______________________________
Как динамический диапазон связан с коэффициентом контрастности, общей характеристикой систем видеоотображения? В принципев это синонимы.
По словам Кристофера Маллинза, менеджера по продукции для цифровых и домашних кинотеатров, моделирования и развлекательного проецирования в Sony Professional Solutions Europe, "Контрастность обычно используется для описания возможностей устройства отображения... а динамический диапазон чаще используется во время съемок и этапов постпроизводства. Чем выше достижимая контрастность вашей проекционной системы, тем больший динамический диапазон может отображаться на экране. Возможности HDR напрямую связаны с коэффициентом контрастности проекционной системы."
Яркость — или, говоря более технически, светимость (интенсивность света) — всего, что мы видим, выражается в единицах, называемых канделами на квадратный метр (кд/м2). Но это довольно многословно, поэтому более распространенный и эквивалентный термин — "ниты". Этот термин довольно часто встречается, когда речь идет о динамическом диапазоне.
______________________________
Реальный мир имеет чрезвычайно большой динамический диапазон. На нижнем уровне свет звезд может составлять всего 0.000001 нит, в то время как солнце излучает более 1 миллиарда нит.
Это 1015 :1!
Реальный мир обладает чрезвычайно широким динамическим диапазоном. То же самое демонстрирует и зрительная система человека; мгновенный динамический диапазон человеческого зрения обозначен на этом рисунке как "Entertainment Dynamic Range". "Телевидение будущего" представляет собой результаты исследования потребительских предпочтений Dolby, в то время как "Текущее телевидение" соответствует SDR. (Источник: Dolby)
______________________________
Люди с нормальным зрением могут воспринимать общий динамический диапазон около 1010 :1, но не весь сразу.
Если вы когда-либо попадали с ярко освещенной улицы прямо в темный театр, вы, вероятно, замечали, что какое-то время вы мало что могли видеть. Или, возможно, вы вышли из темного театра прямо на ярко освещенную улицу, и какое-то время яркий свет был довольно болезненным.
Эти эффекты возникают из-за того, что мгновенный динамический диапазон зрительной системы человека составляет около 10000:1, в зависимости от количества окружающего света. Если вы находитесь на открытом воздухе, ваш мгновенный динамический диапазон смещается вверх; если вы находитесь в темном театре, он смещается вниз. Эти изменения занимают немного времени, поэтому, когда вы переходите из одной освещенности в другую, вашим глазам требуется несколько секунд, чтобы приспособиться.
Что такое HDR?
В эпоху видео высокой четкости и до нее динамический диапазон большинства потребительских видеосистем приходился на диапазон примерно с 0.1 нит до 100 нит, что составляет 1000:1. Это называется "стандартным динамическим диапазоном" (SDR). В обычных коммерческих кинотеатрах с профессиональными проекторами стандартизированная пиковая яркость изображения составляет 48 нит (Dolby Cinema имеет пиковую яркость около 100 нит и гораздо более низкий уровень черного.)
Таким образом, обычный коммерческий кинотеатр представляет только половину динамического диапазона домашнего изображения SDR.
Интересно, что в то время как пиковая яркость SDR определяется как 100 нит, уровень черного вообще не определяется. Значение 0.1 нит является базовым, но такие дисплеи, как плазменные телевизоры Pioneer Kuro, достигают гораздо более низких уровней, поэтому они так хорошо ценятся ("Куро» в переводе с японского означает "черный".)
Чем ниже уровень черного, тем шире отображаемый динамический диапазон.
Но даже на дисплее с очень низким уровнем черного формат SDR не в полной мере использует мгновенный динамический диапазон зрительной системы человека, в первую очередь из-за ограничений камер и дисплеев, использовавшихся в то время. С тех пор технологии значительно улучшились, что позволяет оборудованию захватывать и отображать более широкий динамический диапазон. Итак, когда стандарт UHD только находился в стадии разработки, было решено включить в стандарты UHD то, что стало известно как "высокий динамический диапазон" (HDR).
Чтобы подготовиться к этому обновлению, компания Dolby провела обширное исследование человеческого зрения, природы визуальных образов и того, что зрители предпочитают с точки зрения пиковой яркости. Из этого исследования было сделано несколько выводов, направленных на то, чтобы сделать формат HDR максимально перспективным.
______________________________
Во-первых, реакция зрительной системы человека на изменение яркости не является линейной - она изменяется логарифмически. Это не новая информация и она давно известна. Проще говоря, мы более чувствительны к изменениям яркости на более низких уровнях, чем на более высоких. Это очень важно для проектирования того, как проектор или телевизор изменяет свою светоотдачу в ответ на различные значения яркости.
Во-вторых, важно понимать, что большинство визуальных изображений имеют лишь крошечные области сверхвысокой яркости — например, солнце, отражающееся от хромированного бампера автомобиля (называется зеркальным бликом). Подавляющее большинства изображений имеет гораздо более низкую яркость; на самом деле, APL (средний уровень изображения) в большинстве сцен большинства фильмов составляет менее 100 нит, то есть в пределах диапазона SDR.
В-третьих, после тщательного тестирования компания Dolby обнаружила, что большинство зрителей предпочитают блики до 10 000 нит. Ни один коммерчески доступный дисплей не может достичь такой пиковой яркости, поэтому установление 10 000 нит в качестве верхнего предела эффективно защищает стандарт HDR от веротяного будущего "устаревания". И даже если технология отображения когда-нибудь достигнет такой высокой пиковой яркости, нет причин ее превышать, поскольку зрители, скорее всего, будут жаловаться на дискомфорт. На самом деле, они, вероятно, жаловались бы, если бы более чем часть изображения составляла даже 1000 нит.
______________________________
Как и в случае с SDR, уровень черного в HDR никак не обозначчается. Конечно, он должен быть как можно ниже, а в идеале ниже того, что могут воспроизводить дисплеи SDR.
В рамках процесса сертификации UHD Alliance имеет две минимальные спецификации. Дисплей должен иметь пиковую яркость не менее 1000 нит и уровень черного не выше 0.05 нит (20 000:1). Это явно предназначено для LCD телевизоров, которые обеспечивают более высокую яркость, чем OLED дисплеи.
В другой спецификации дисплей должен иметь пиковую яркость не менее 540 нит и уровень черного не выше 0.0005 нит (1 080 000:1). Это явно нацелено на OLED телевизоры, которые могут отключать пиксели до чистого черного, но не могут быть такими же яркими, как LCD.
К сожалению, практически ни один проектор не может удовлетворить этим требованиям, по крайней мере, по пиковой яркости, и для них таких характеристик нет.
В дополнение к более глубокому черному цвету и более ярким бликам дополнительным преимуществом HDR является более широкий диапазон цветов - обычно называемый широкой цветовой гаммой или WCG — по сравнению с SDR. Это легко могло бы стать предметом отдельной статьи; но на данный момент достаточно сказать, что цветовая гамма SDR известна как BT.709, а цветовая гамма HDR — технически BT.2020. Однако очень немногие дисплеи могут отображать весь диапазон BT.2020, поэтому в HDR контенте обычно используется промежуточная гамма, называемая DCI-P3.
Еще один момент о цвете в HDR. Цветовая гамма - это на самом деле диапазон цветов, доступных на одном уровне яркости. Но поскольку HDR охватывает более широкий диапазон яркости, важно учитывать, что происходит с цветом при разных уровнях яркости. Так, понятие цветового объема стало более широко обсуждаться в последнее время. Цветовой объем HDR намного больше, чем у SDR, и цвета остаются более насыщенными при более высоких уровнях яркости.
Визуальное улучшение HDR по сравнению с SDR впечатляет. Одним из лучших примеров является сцена в помещении с окном, в котором виден освещенный дневным светом экстерьер. В SDR, если камера правильно экспонирует внутреннюю сцену, вид из окна сильно переэкспонирован - то, что часто называют "засветкой". И наоборот, если камера правильно экспонирует вид в окне, внутренняя часть изображения будет сильно недоэкспонирована, и вы ничего не сможете увидеть в комнате. В HDR же в помещении и на улице можно правильно экспонировать одновременно, что позволяет видеть детали в обеих частях изображения.
битовая глубина
Во всех цифровых видео яркость представлена цифровым числом, состоящим из нескольких битов. Чем больше бит, тем меньше шаг между последовательными значениями яркости. С помощью всего нескольких бит люди могут видеть эти шаги по мере увеличения яркости. Если число битов увеличивается за определенный предел, то мы уже не можем различать резкого перехода по яркостным уровням и мы видим плавную градацию яркости.
В стандарте SDR яркость каждого цвета (красного, зеленого и синего) представлена 8-битным значением. Теоретически эти значения находятся в диапазоне от 0 до 255, как и для компьютерного видео, но на практике черный цвет представлен в трансляциях значением 16, а белый - 235. Это было установлено в 1982 году для имитации поведения аналоговой ламповой технологии, которая постепенно снижает или повышает уровни белого и черного. Установка значений 16 и 235 позволяет цифровым сигналам вести себя аналогичным образом без резких границ.
Когда динамический диапазон значительно превышает SDR, 8 бит уже недостаточно; шаги между последовательными значениями становятся больше, поэтому мы начинаем видеть "полосатость". В результате HDR должен использовать больше битов для обеспечения плавных градаций. С другой стороны, большее количество битов означает большие файлы и требования к пропускной способности, поэтому необходимо было достичь определенноо баланса.
Окончательное решение состояло в том, чтобы использовать 10 бит на цвет. 12 бит было бы лучше, но при тщательном распределении значений яркости от черного к белому оказывается достаточным и 10 бит. Как и в случае с SDR, значения для черного и белого не равны 0 и 1024; они 64 и 960.
EOTF
Распределение значений яркости по отношению к светоотдаче дисплея определяется так называемой электрооптической передаточной функцией (EOTF). Эта функция определяет взаимосвязь между значениями яркости видеосигнала и количеством света, излучаемого дисплеем.
В видео SDR функция EOTF называется гаммой. Она появилась в ЭЛТ дисплеях из-за того, как люминофоры, покрывающие внутреннюю поверхность экрана, реагируют на различную интенсивность электронного луча, стимулирующего их свечение. Интересно, что он также оказывается примерно обратным логарифмическому отклику зрительной системы человека; по мере того, как значения яркости увеличиваются вдоль гамма-кривой, кажется, что яркость дисплея увеличивается более или менее линейно для наших глаз.
Различные значения гаммы определяют, насколько быстро дисплей SDR "выходит из черного". Низкие значения гаммы приводят к тому, что изображение становится ярче быстрее по мере увеличения интенсивности сигнала и выглядит более размытым, в то время как высокие значения могут скрывать детали в тенях, в зависимости от количества окружающего света в комнате.
______________________________
Практически все дисплеи позволяют пользователю указать значение гаммы, которое определит, как дисплей "выходит из черного". При низких значениях гаммы дисплей быстро становится ярче, когда значения яркости увеличиваются с 16. Это позволяет легко видеть детали в тенях, но изображение в целом выглядит размытым. При высоких значениях гаммы дисплей становится ярче медленнее по мере увеличения значений яркости, что делает изображение более темным с затемнением деталей в тенях. Установка наилучшего значения гаммы частично зависит от количества окружающего света в комнате - более низкая гамма для ярких комнат, более высокая гамма для темных комнат. Контент SDR сегодня обычно обрабатывается с гаммой 2.4 в темной комнате.
Другая характеристика гаммы заключается в том, что она относительная. Это не связано с конкретными уровнями яркости в нитах; он просто переходит от минимальной к максимальной яркости без информации о том, сколько света излучает дисплей. Мы знаем, что SDR создан с пиковой яркостью 100 нит, поэтому дисплей должен быть настроен на вывод такого количества света, когда он получает максимальное значение яркости.
Одним из результатов исследований Dolby в области HDR стал новый EOTF, называемый "перцепционным квантователем" (PQ), который в последствии формализован как стандарт SMPTE под названием ST 2084. Как и гамма, PQ выглядит как кривая обратного логарифма, медленно поднимающаяся из черного, а затем становящаяся круче по мере увеличения значения яркости.
Но в то время как гамма основана на поведении люминофоров и просто связана с зрительной реакцией человека, PQ на самом деле основан на зрительной реакции человека, что делает ее более релевантным показателем
Кривая PQ определяет, сколько света должен выдавать дисплей в ответ на заданное значение яркости в сигнале.
В отличие от гаммы, существует только одна кривая PQ; вы не можете выбирать разные кривые, как с гаммой. Кроме того, кривая PQ представляет абсолютные уровни яркости в нитах. Например, при значении яркости 480 (кодовое значение 50%) соответствующий световой поток составляет 100 нит; при значении яркости 720 (кодовое значение 75%) соответствующий световой поток составляет 1000 нит. Как видите, большинство значений яркости представляют уровни освещенности ниже 1000 нит, хотя PQ увеличивается до 10 000 нит при значении яркости 960 (кодовое значение 100%).
Создание HDR контента
В стандарте SDR процесс мастеринга требует значительного сокращения динамического диапазона захваченного контента; в HDR сохраняется гораздо больший динамический диапазон вплоть до конечного продукта (ТВ или проектор).
Итак, каким должен быть пик мастеринга? Многие современные LCD телевизоры имеют пиковую яркость 1000 нит или даже больше, и есть несколько широко используемых мониторов для мастеринга с такими же возможностями. Таким образом, большая часть текущего HDR контента обрабатывается с пиковой яркостью 1000 нит. Некоторые кадры обрабатываются с яркостью 2000 или даже 4000 нит с использованием специального монитора Dolby под названием Pulsar (с жидкостным охлаждением для предотвращения перегрева!). Почему? Я подозреваю, что это нужно для будущего контента, когда потребительские дисплеи смогут достигать пиковой яркости 4000 нит.
Тогда возникает вопрос, какой формат использовать. Первым форматом HDR у Dolby был HDR10, который включает PQ с 10-битными значениями яркости. Кроме того, он включает в себя две небольшие части информации, называемые метаданными: MaxCLL и MaxFALL.
MaxCLL — это максимальный уровень освещенности любого отдельного пикселя во всем контенте, а MaxFALL (максимальный средний уровень освещенности кадра) — максимальный средний уровень освещенности любого кадра во всем контенте. Эти фрагменты метаданных известны как статические метаданные.
Предназначение MaxCLL и MaxFALL - информировать дисплей о максимальных уровнях яркости, используемых в контенте. Это позволяет дисплею регулировать свою работу, чтобы приспособиться к уровням яркости, которые превышают его собственные возможности, процесс, называемый Tone mapping (отображени тонов)
К сожалению, указание только двух уровней освещенности не так уж полезно. Например, в одном кадре всего фильма может быть один пиксель с яркостью 4000 нит, в то время как большая часть контента имеет яркость менее 1000 нит (на самом деле подавляющее большинство изображений в большинстве фильмов и телепередач имеют яркость в диапазоне 100–250 нит). В результате дисплей снижает общую яркость, чтобы компенсировать этот одиночный пиксель, и весь фильм выглядит темнее, чем должен. Это большая проблема со статическими метаданными. Тем не менее, HDR10, вероятно, является наиболее распространенным форматом HDR, используемым сегодня в контенте.
На этой диаграмме показано распределение кодовых значений для различных уровней пиковой яркости. Во всех случаях большинство значений используются для обычных объектов до 250 нит.
______________________________
Стандарт HDR10 свободен от каких-либо лицензионных сборов, что является одной из причин его широкого распространения. Но Dolby предложила обновленный формат под названием Dolby Vision, который включает метаданные об уровнях яркости в каждой сцене или даже в каждом кадре. Это называется динамическими метаданными, потому что они позволяют дисплею динамически регулировать свои настройки по мере воспроизведения контента, что приводит к гораздо более точному отображению того, что задумали создатели фильма. В настоящее время он широко используется вместе с HDR10, хотя Dolby Vision не является бесплатным.
Samsung недавно добавила динамические метаданные в HDR10, назвав его HDR10+. Этот формат не так широко распространен, как HDR10 или Dolby Vision, но в некоторых случаях поддерживается контентом Amazon, 20th Century Fox, Universal и Warner Bros., а также дисплеями Samsung, Panasonic и TCL.
______________________________
Еще одним форматом HDR является HLG (Hybrid Log Gamma), который был разработан британскими и японскими вещательными компаниями BBC и NHK. Как видно из названия, HLG - это гибридный формат, использующий гамму для низких значений яркости и логарифмическую кривую для более высоких значений и вообще не использующий метаданные. В результате он полностью обратно совместим с дисплеями SDR. HLG используется в основном для прямых трансляций, а не для предварительно созданного контента.
Как и гамма, HLG не использует абсолютные значения яркости; т.е этот параметр зависит от возможностей дисплея. Это означает, что он полностью обратно совместим с дисплеями SDR
______________________________
Вы можете подумать, что несколько форматов HDR могут быть проблемой - еще одна война форматов. Но я смотрю на эти форматы как на различные аудиоформаты, такие как Dolby Digital и DTS. Большинство аудиоустройств могут декодировать практически любой аудиоформат, поэтому не имеет значения, какой из них используется для какой-либо конкретной части контента. Точно так же большинство устройств источников видео и плоских дисплеев поддерживают большинство форматов HDR, поэтому наличие нескольких форматов на рынке не имеет большого значения.
К сожалению, проекторы более ограничены в поддержке форматов HDR. Все потребительские проекторы с поддержкой HDR поддерживают HDR10, а многие также поддерживают HLG. Кроме того, ультракороткофокусные проекторы Samsung Premiere также поддерживают HDR10+. Однако потребительских проекторов, поддерживающих Dolby Vision, не существует. Фактически, единственными проекторами, поддерживающими эту функцию, являются коммерческие проекторы Christie, используемые в кинотеатрах Dolby Cinema.
Я спросил Dolby, почему потребительские проекторы не поддерживают Dolby Vision, но компания отказалась отвечать на этот вопрос. Возможно, Dolby хочет гарантировать качество изображений Dolby Vision. Это относительно легко сделать с плоскими панелями, которые полностью автономны, но не с проекторами, потому что размер и тип экрана сильно влияют на яркость и уровень черного.
Проекторы против плоских ТВ
Помимо ограниченной поддержки форматов HDR, проекторы явно уступают в яркости. Большинство плоских OLED панелей могут достигать пиковой яркости около 700 нит (некоторые, анонсированные на CES 2021, заявляют о достижении 1000 нит), в то время как LCD дисплеи могут легко достигать 1000 нит и более. С другой стороны, большинство современных потребительских проекторов имеют максимальную яркость от 100 до 150 нит, в зависимости от размера и типа экрана, с которым они работают. Кроме того, уровень черного большинства проекторов не такой глубокий, как у многих плоских панелей, особенно у OLED.
Положительным моментом является то, что проекторы могут поддерживать полную пиковую яркость, даже если весь экран на 100% белый. Плоские панели должны уменьшать свою пиковую яркость, если на 100% белый цвет составляет какую-то мизерную часть экрана.
Вы можете подумать, что увеличение светоотдачи проекторов поможет им еще больше погрузиться в мир HDR. Но, за исключением нескольких очень дорогих аппаратов, в действительности это не так. Если вы значительно увеличиваете светоотдачу проектора, это также приводит к непропорциональному увеличению уровня черного. Во всех проекторах свет от источника света направляется на некий чип ("формирователь изображения"), будь то DLP, LCD или LCoS. Несмотря на все усилия производителя, свет рассеивается в нескольких точках на пути прохождения, и часть этого рассеянного света просачивается через объектив, повышая уровень черного.
______________________________
Еще одна проблема - комнатные отражения. У всех проекторов часть света, отраженного от экрана, распространяется по комнате и снова попадает на экран, размывая изображение. Увеличивая светоотдачу проектора, вы также увеличиваете количество света, попадающего обратно на экран из-за комнатных отражений. Конечно, вы можете смягчить эту проблему с помощью темных стен и мебели, а также экрана, отклоняющего окружающий свет (ALR), но во многих реальных ситуациях проектор используется в далеко не идеальных условиях.
______________________________
Использование отдельного экрана - фундаментальное различие между проекторами и плоскими ТВ, когда речь идет о HDR. Телевизор представляет собой автономную систему с четко определенными уровнями яркости, тогда как предельная яркость проецируемого изображения сильно зависит от размера и типа экрана. Проектор не знает ни характеристик экрана, ни конечной яркости изображения, что затрудняет адаптацию HDR сигнала к его возможностям. Кроме того, большинство потребительских плоских ТВ имеют антибликовые экраны, которые уменьшают отражения в помещении, в то время как проекционные экраны предназначены для отражения, что приводит к проблеме, описанной выше.
______________________________
Далее рассмотрим технологии визуализации. Чтобы создать черный цвет, DLP поворачивает микрозеркала на микросхеме DMD чипа, чтобы направить свет в "световой приемник" проекционного объектива, но это далеко не на 100% эффективно для предотвращения попадания рассеянного света в проецируемое изображение.
Матрицы LCD и LCoS затемняются, чтобы пропустить через себя меньше света, но опять же, это не на 100% эффективно; какой-то свет всегда проходит. (LCoS обычно имеет наилучший естественный коэффициент контрастности, вероятно, потому, что свет должен проходить через него дважды, а не один раз, как в LCD матрицах.) Таким образом, увеличение количества света, попадающего на матрицу в проекторе, означает, что больше света будет проникать в темные части изображение, повышая уровень черного и уменьшая динамический диапазон.
______________________________
У плоских LCD панелей та же проблема: некоторое количество света всегда просачивается через ячейки, которые были отключены для воспроизведения черного цвета, поэтому у LCD телевизоров традиционно высокий уровень черного. Но многие LCD телевизоры теперь уже имеют полноэкранную подсветку с локальным затемнением (FALD), что позволяет уменьшить яркость участков или зон задней подсветки за темными частями изображения, а зоны за яркими частями изображения сделать ярче. Это приводит к гораздо более низкому уровню черного и более высокому динамическому диапазону.
К сожалению, практически ни один проектор не имеет локального затемнения. Вместо этого большинство проекторов имеют только глобальное затемнение с использованием динамической диафрагмы или динамической модуляции лазерного источника света. Это улучшает контраст от одной сцены к другой, но ничего не делает для динамического диапазона в пределах одного кадра или статической сцены.
Ходят слухи, что проекторы Christie Dolby Vision используют двойную модуляцию — один набор DMD чипов формирует изображение, а другой набор делит его микрозеркала на зоны, которые обеспечивают локальное затемнения, — но ни Dolby, ни Christie не подтверждают этого.
Christie подтвердила, что в ее новом проекторе Eclipse используется двойная модуляция для достижения поразительного уровня черного и коэффициента контрастности. (В планетарии Хейдена в Нью-Йорке недавно были установлены шесть проекторов Eclipse)
______________________________
Единственными дисплеями, которые могут воспроизводить идеальный черный цвет, являются плоские панели OLED и microLED. Это самоизлучающие технологии, в которых каждый красный, зеленый и синий субпиксели излучают свой собственный свет, который можно приглушить до нуля или осветлить до максимума совершенно независимо. Как я упоминал ранее, OLED телевизоры могут достигать пиковой яркости около 700 нит, а дисплеи microLED — до 1000 нит.
Кроме того, дисплеи OLED и microLED приводят к ошибочному соотношению контрастности. Многие производители утверждают, что, поскольку они могут добиться истинного черного цвета при 0 нит, это означает, что они имеют бесконечный коэффициент контрастности. Ведь деление любого числа на 0 равно бесконечности, верно? Неправильно.
Технически деление на 0 не определено. Кроме того, если дисплей с уровнем черного 0 нит имеет бесконечную контрастность, он может иметь пиковую яркость 1 нит, и контрастность все равно будет бесконечной!
Говоря о коэффициентах контрастности, важно понимать, что большинство производителей дисплеев указывают коэффициент контрастности своих продуктов на основе измерения полностью черного экрана и полностью белого экрана отдельно. Но реальная ценность HDR заключается в расширении динамического диапазона в рамках одного кадра. Спецификация коэффициента контрастности ANSI основана на измерении уровней черного и белого в квадратах черно-белой шахматной доски, что дает гораздо лучшее представление о том, какой динамический диапазон доступен в одном снимке.
tone mapping
В то время как SDR использует четко определенный и стандартизированный набор параметров для создания и отображения контента (пиковая яркость 100 нит, цветовая гамма BT.709), HDR - нет. Контент может обрабатываться с пиковой яркостью 1000 нит, 2000 нит, 4000 нит или т.д. (Цветовая гамма, скорее всего, будет DCI-P3 во время создания и отображения контента, но это не обязательно.) И потребители будут просматривать этот контент на дисплее с пиковой яркостью от 100 нит до 1000 нит.
Таким образом, потребительские дисплеи должны каким-то образом работать с контентом, воспроизводимым при различных уровнях пиковой яркости, с учетом собственной пиковой яркости дисплея. Этот процесс, называемый Tone Mapping, при необходимости переназначает общий диапазон яркости контента в соответствии с возможностями яркости дисплея.
______________________________
В случае плоских ТВ, пиковая яркость которых составляет не менее 500 нит, а часто до 1000 нит и более, значения яркости значительно ниже пиковой яркости панели обычно отображаются точно так, как они закодированы в содержимом. Помните, что большинство сцен в большинстве фильмов имеют APL в диапазоне 100-250 нит, поэтому практически любая плоская панель может отображать этот уровень яркости без каких-либо изменений. Когда значения яркости приближаются к возможностям панели или превышают их, они уменьшаются, чтобы оставаться в пределах возможностей оборудования.
Например, если плоская панель имеет пиковую яркость 1000 нит и получает сигнал HDR, закодированный с MaxCLL 1000 нит, то Tone Mapping не выполняется. Но если контент имеет MaxCLL, равный 4000 нит, любые значения выше 1000, а также некоторые значения чуть ниже этого значения снижаются, чтобы весь диапазон яркости контента соответствовал возможностям яркости дисплея.
Как именно снижаются значения яркости, полностью зависит от каждого производителя; к сожалению, для этого процесса нет стандарта. Со статическими метаданными некоторые предпочитают снижать только значения, близкие к пику панели и выше него, что дает более яркое изображение в целом, хотя солнечные блики не намного ярче, чем в некоторых других частях изображения, и они могут выглядеть "обрезанными". Другие начинают понижать яркость значительно ниже пика панели, что приводит к менее яркому изображению в целом с более драматичными бликами и менее урезанными.
В этих примерах со статическими метаданными HDR10 MaxCLL составляет 1000 нит, а пиковая яркость дисплея - 500 нит. В верхнем примере кривая Tone Mapping предназначена для максимально возможного сохранения яркости исходного сигнала, что сохраняет детали теней в сценах с низким освещением, но приводит к тому, что сцены с ярким освещением выглядят пересвеченными. В нижней части кривая тонального отображения обрывается гораздо раньше, сохраняя детали в светлых пиках за счет более низких уровней, из-за чего вся картинка выглядит тусклее
______________________________
Динамические метаданные в Dolby Vision и HDR10+ позволяют избежать этого компромисса, сообщая дисплею, как работать с каждой сценой или даже с каждым кадром
При использовании динамических метаданных дисплей настраивает кривую отображения тонов (Tone mapping) для соответствия различным типам сцен с разными APL. В результате все сцены выглядят наилучшим образом, и не приходится жертвовать низким APL ради сцен с высоким APL или наоборот.
TONE MAPPING в проекторах
Проблема намного хуже со стандартными проекторами для домашних кинотеатров, которые могут достигать максимальной яркости всего от 100 до 150 нит при приемлемо большом размере изображения. В этом случае весь диапазон яркости в HDR контенте должен быть подвергнут радикальному Tone Mapping. По словам Криса Диринга из Deep Dive AV, уважаемого консультанта и специалиста по калибровке в видеоиндустрии, существует два основных подхода к отображению тонов в проекторах.
В певом подходе инженер сравнивает HDR контент, отображаемый на мастер-мониторе HDR, с таким же контентом, создаваемым проектором, и настраивает тональную кривую проектора так, чтобы его изображение выглядело как можно ближе к мастер-монитору. В большинстве случаев блики и детали в глубоких тенях имеют приоритет над серединой диапазона яркости, что, по словам Диринга, может выглядеть немного искусственно.
Второй подход заключается в том, чтобы эмулировать то, что было бы фактическим уровнем мастеринга для возможностей проектора по максимальной яркости. При этом методе мастеринг-инженер корректирует контент HDR для максимальной яркости, скажем, 100 нит, используя логарифмическую кривую EOTF, очень похожую на гамму. Конечно, по пиковой яркости картинка становится SDR, но с дополнительными преимуществами разрешения 4K/UHD, широкой цветовой гаммы и 10-битной градации яркости. Диринг говорит, что такой подход выглядит более естественным.
В любом случае кривая тонального баланса "по умолчанию", скорее всего, была предназначена для темной комнаты с контролируемым освещением, очень похожей на студию мастеринга. Однако, если затем проектор установить в более ярком помещении, например, в гостиной, изображение будет выглядеть очень темным. Таким образом, многие HDR-совместимые проекторы предлагают элемент управления, который регулирует кривую тонального баланса для различного количества окружающего света.
Эти элементы управления также обеспечивают некоторую настройку для учета различной яркости разных типов HDR. Epson называет этот элемент управления "Настройка HDR10" или "Настройка HLG" (в зависимости от формата сигнала), JVC называет его "Уровень HDR", а Sony называет его "Контрастность" (HDR). Кроме того, функция Theatre Optimizer от JVC автоматически регулирует уровни изображения для оптимальной яркости экрана в зависимости от размера экрана, материала, проекционного расстояния и времени работы лампы.
______________________________
Как я упоминал ранее, ни один потребительский проектор не поддерживает динамические метаданные Dolby Vision, и на момент написания этой статьи только проекторы Samsung Premiere UST поддерживают HDR10+. Так, несколько компаний разработали собственную технологию динамического отображения тонов. Например, Frame Adapt HDR компании JVC полностью игнорирует метаданные; вместо этого он измеряет в реальном времени средний уровень изображения и пиковую яркость каждого кадра, соответствующим образом корректируя кривую тонального отображения. LG также предлагает покадровое динамическое сопоставление тонов в некоторых своих проекторах, называя это Dynamic Tone Mapping, а Sony предлагает форму динамического сопоставления тонов, называемую Dynamic HDR Enhancer, в своих новейших проекторах.
В качестве примечания: HDR контент для Dolby Cinema оценивается специально для проекторов Dolby Vision, которые они используют. То же самое верно и для кинотеатров IMAX Laser, которые также демонстрируют более высокую яркость и более низкий уровень черного, чем обычные кинотеатры. В результате эти коммерческие проекторы вообще не используют отображение тонов; контент остается полностью в пределах возможностей проектора.
в качестве заключения
Как я упоминал выше, HDR сочетает в себе более высокую яркость, большую глубину цвета и более широкую цветовую гамму. В результате получается потрясающее изображение, превосходящее SDR изображения, особенно на современном телевизоре.
К сожалению, разница между SDR и HDR не так заметна на проекторах, прежде всего потому, что изображение с большинства проекторов далеко не такое яркое, как на любой плоской панели. Многие современные проекторы имеют более высокую яркость и более низкий уровень черного, чем их предшественники, но они не являются настоящим HDR. Даже Dolby Vision в кинотеатре Dolby Cinema многими в отрасли не считается настоящим HDR; в лучшем случае они называют это EDR (расширенный динамический диапазон).
Это не означает, что HDR контент не может выглядеть на проекторе лучше, чем SDR, но у нас должны быть реалистичные ожидания. Кроме того, это сильно зависит от помещения. Если окружающего света много, детали среднего и низкого уровня на изображении будут невидимы. В этом случае вы должны настроить элемент управления EOTF, чтобы сжать динамический диапазон в сторону более высоких уровней, что на самом деле противоречит цели HDR.
Это аналогично «войнам за громкость» при мастеринге аудио, в котором динамический диапазон сжимается в узкую полосу около максимального уровня, так что все можно услышать в шумной обстановке — скажем, по радио в машине. Напротив, звук, обработанный с широким динамическим диапазоном для SACD или DVD-Audio, захватывает гораздо больше тонкости, но его можно полностью оценить только в тихой обстановке.
Точно так же проектор может сжать большую часть динамического диапазона в самой яркой области, которую он может воспроизвести, что хорошо для более ярких помещений, таких как гостиная, например. Но если проектор жертвует некоторой общей яркостью, чтобы отображать детали при более низком уровне освещенности, многие из этих деталей будут невидимы в более ярко освещенной комнате; их можно увидеть только в темной комнате с контролируемым освещением, что является прерогативой энтузиастов домашних кинозалов, а не обычного потребителя.
HDR контент представляет собой уникальную проблему для проекторов, но это задача, с которой стоит столкнуться, особенно если у вас есть темный специализированный кинозал.
Между тем, я возлагаю большие надежды на будущее HDR проекции. Возможно, какой-то тип двойной модуляции, такой как используемый в Christie's Eclipse, обеспечит форму локального затемнения в потребительских проекторах. И технология, называемая "управлением светом", которая направляет свет лазера проектора от темных областей к более ярким областям изображения, также может значительно увеличить динамический диапазон в каждом кадре.
Следует признать, что эти инновации очень дороги, и в настоящее время они ограничены проекционными исследовательскими лабораториями и специализированными коммерческими приложениями. Но в будущем они могли бы вывести потребительские проекторы в мир HDR, что было бы замечательно для тех из нас, кто ценит кинематографический опыт на гигантском экране, который может обеспечить только проектор.
Моя глубочайшая благодарность Робу Бадде из JVC, Крису Дирингу из Deep Dive AV, Ларри Полу из Christie, Карлосу Регонези из Epson, Нилу Робинсону из LG и Джоэлу Сильверу из Imaging Science Foundation за их помощь в написании этой статьи.
