Czym jest HDR?

HDR to skrót angielskiego wyrażenia High Dynamic Range, oznaczającego technologię, która umożliwia wyświetlanie obrazów z większą rozpiętością tonalną niż tradycyjne SDR (Standard Dynamic Range).

Jak pokazują poniższe zdjęcia, na obrazach wyświetlanych w SDR ciemne obszary stają się zbyt przyciemnione, a jasne obszary zbyt wyblakłe. Obrazy wyświetlane w HDR mają bardziej realistyczny, naturalny wygląd, ponieważ zachowują subtelne różnice ciemnych i jasnych odcieni.

HDR znalazło się w centrum zainteresowania jako technologia obrazowania przyszłości. Już teraz materiały wyprodukowane z zastosowaniem HDR można oglądać na platformach takich jak Netflix czy na płytach Blu-ray UHD.

Sceny z ciemnymi i jasnymi obszarami wyświetlane na różnych monitorach

5 elementów, które składają się na wysoką jakość obrazu

Na jakość obrazu składają się następujące elementy:

1. Rozdzielczość
2. Głębia bitowa
3. Szybkość klatek
4. Gamut kolorów
5. Jasność (rozpiętość tonalna)

Cztery spośród tych pięciu elementów (rozdzielczość, głębia bitowa, szybkość klatek i gamut kolorów) zostały już unormowane w ramach standardu BT.2020 dotyczącego transmisji 4K/8K UHD.* Tylko dla jasności nadal stosuje się stary standard BT.709, obowiązujący dla obrazów full HD (100 cd/m²).

Jeszcze do niedawna w produkcji filmowej konieczne było kompresowanie jasnych obszarów tak, aby odpowiadały parametrom wyświetlaczy. W efekcie uzyskiwane obrazy różniły się od oryginalnych scen.

Najnowsze postępy w technologii wyświetlania obrazu pozwoliły jednak zwiększyć obsługiwaną rozpiętość tonalną, a tym samym lepiej odwzorowywać jasne i ciemne tony. Właśnie dlatego technologia HDR cieszy się ostatnio tak dużym zainteresowaniem.

*Wdrożenie standardu 4K/8K UHD dla transmisji telewizyjnych jest planowane na koniec roku 2018. Obecny standard full HD nosi nazwę BT.709.

Rozdzielczość = Dobre odwzorowanie szczegółów

Rozdzielczość oznacza liczbę pikseli na obrazie. Im większa jest rozdzielczość obrazu wyświetlanego na danym ekranie, tym więcej ma on pikseli, co umożliwia lepsze oddanie szczegółów. Rozdzielczość 4K UHD wynosi 3840 x 2160, a więc ilość wyświetlanych danych jest czterokrotnie większa niż w przypadku standardu full HD.

Różnice rozdzielczości

Głębia bitowa = Płynne przejścia tonalne

Głębia bitowa oznacza liczbę kolorów wyświetlanych przez jeden piksel. Im większa jest głębia bitowa, tym więcej kolorów można wyświetlić na ekranie, a co za tym idzie przejścia między tonami są dużo płynniejsze. Przykładowo, wyświetlacz 8-bitowy potrafi odwzorować ok. 16,77 miliona różnych kolorów, natomiast wyświetlacz 10-bitowy ok. 1,07 miliarda kolorów.

Różnice głębi bitowej

Szybkość klatek = Płynność ruchów

Szybkość klatek oznacza liczbę obrazów pokazywanych na ekranie w ciągu jednej sekundy. Filmy kinowe kręci się zazwyczaj w standardzie 24p (24 obrazy – klatki – na sekundę), natomiast większość telewizorów korzysta ze standardu 60i lub 30p (30 klatek na sekundę).

Standard BT.2020 dla transmisji 8K definiuje różne szybkości klatek, aż do wartości 120p, przy której ruchy są praktycznie tak płynne, jak w rzeczywistości.

Różnice szybkości klatek

Gamut kolorów = Intensywność barw

Gamut kolorów oznacza zakres barw wyświetlanych na ekranie. Poniższy wykres przedstawia wartości RGB postrzegane przez ludzkie oko, a każdy z widocznych na nim trójkątów wyznacza inny gamut kolorów – im większa powierzchnia trójkąta, tym większa liczba wyświetlanych kolorów.

Standard BT.2020 (Rec.2020) dla transmisji 4K/8K obejmuje dużo szerszy gamut kolorów niż standard  BT.709 (Rec.709) dla transmisji full HD.

Różnice gamutu kolorów

Jasność = Poziom oświetlenia obrazu

Jasność oznacza zakres oświetlenia obrazu, który może być oddany na ekranie. Przyjmuje się, że rozpiętość tonalna dostrzegana przez ludzkie oko (czyli różnica między najciemniejszymi i najjaśniejszymi elementami obrazu) wynosi 10¹², natomiast typowe wyświetlacze potrafią odtworzyć rozpiętość tonalną na poziomie zaledwie 10³. Technologia HDR zwiększa rozpiętość tonalną ekranu do 10⁵ (a więc aż stokrotnie), dzięki czemu światła i cienie odwzorowywane są w sposób dużo bardziej zbliżony do ludzkiego postrzegania.

Rozpiętość tonalna

Krzywe gamma

BT.2100 — nowy międzynarodowy standard HDR

W czerwcu 2016 roku ogłoszono międzynarodowy standard HDR pod nazwą ITU-R BT.2100, definiujący specyfikacje dla produkcji i transmisji materiałów. Można się spodziewać, że wprowadzenie tego standardu dodatkowo przyspieszy przyjęcie technologii HDR.

Jak widać w poniższej tabeli, 5 elementów omówionych w pierwszej części naszego artykułu ulegało stopniowym zmianom od momentu ustanowienia standardu BT.709 dla rozdzielczości full HD. Choć standardy BT.2020 i BT.2100 są do siebie bardzo podobne, różnią się wyświetlaną rozpiętością tonalną.

Międzynarodowe standardy

Widoczne różnice

Dwie krzywe gamma

Aby prawidłowo wyświetlać obrazy HDR, nie wystarczy zwiększyć poziom jasności – kolory i tony muszą zostać odwzorowane w sposób, który odpowiada ludzkiej percepcji. Na ich reprodukcję wpływa gamma, czyli wartość cechująca każde urządzenie wejściowe i wyjściowe.

Standard BT.2100 określa dwie krzywe gamma do różnych zastosowań:

• Do Internetu i filmów: krzywa PQ (Perceptual quantization)
• Do transmisji telewizyjnych: krzywa HLG (Hybrid Log-Gamma)

Krzywa gamma PQ powstała w oparciu o właściwości ludzkiego wzroku i najlepiej nadaje się do produkcji materiałów wideo lub oglądania filmów w Internecie – czyli tam, gdzie najważniejsza jest wierność reprodukcji.

Z kolei krzywa gamma HLG służy do wyświetlania obrazów na telewizorach SDR i jest przeznaczona przede wszystkim do transmisji telewizyjnych oraz oglądania materiałów wideo na żywo.

Zalety krzywych gamma PQ i HLG dla technologii HDR

Poniższy wykres przedstawia krzywe gamma PQ i HLG dla technologii HDR.

Jasność szczytowa krzywej PQ jest stała i wynosi 1000 cd/m². Innymi słowy, krzywa PQ nie zmienia się i nie zależy od jasności szczytowej danego urządzenia. Pozwala to uzyskać spójną, powtarzalną reprodukcję obrazu.

Tymczasem jasność szczytowa krzywej HLG zawsze dopasowuje się do jasności szczytowej danego urządzenia. Dzięki temu obrazy HDR można oglądać na wyświetlaczach SDR bez istotnego pogorszenia ich jakości.

Porównanie krzywych gamma PQ i HLG dla technologii HDR

Praca z materiałami HDR

Do pracy z materiałami HDR niezbędny jest monitor, na którym można dobrze ocenić jasność i kolory obrazu.

Monitory z serii ColorEdge CG zapewniają doskonałą jakość obrazu potrzebną w produkcji wideo, a także znacznie ułatwiają każdy etap pracy, od sprawdzania nakręconych materiałów, przez dodawanie efektów specjalnych i komponowanie aż po końcową korekcję barwną, czyli tzw. color grading.

Etapy pracy z materiałami HDR