Vysoký dynamický rozsah obrazu (HDR): pěkná funkce televizoru, na jejíž využití si musíme počkat

Co je HDR?

HDR je rozsah, který přibližuje lidské vnímání barvy a světla tak, jak je obsah zobrazen na zobrazovacím zařízení. Monitor nebo i televizor, který podporuje HDR, dokáže správně zobrazovat na obrazovce velmi jasné a velmi tmavé oblasti, aniž by se obětovala integrita jednoho z nich. U monitorů SDR s nižším (standardním) rozsahem se ztrácejí jas, kontrast a barva, když mají zobrazit obsah vytvořený kamerami s vysokým dynamickým rozsahem.

Dušan Líška o principech HDR na konferenci ABEX (Foto: Václav Udatný, Televizníweb.cz)

Rozsah jasu, který je k dispozici s HDR, umožňuje, aby venkovní sluneční záblesky vypadaly výrazně jasněji než scény v interiéru, čímž poskytuje přirozenější vzhled. Všechny scény, zejména venkovní, budou schopny zobrazovat malé oblasti, jako jsou zrcadlové odrazy nebo emise světelných zdrojů s mnohem vyšším jasem. Zlepšuje se i schopnost zobrazovat detaily v tmavých oblastech; tato funkce závisí na černé úrovni displeje a prostředí pro prohlížení.

Jedná se o celkový ekosystém, který se táhne celým řetězcem zpracování signálu od zdroje (kamery) až po stínítko obrazovky u diváka. I když původně se předpokládalo využití HDR jen pro UHD ve fázi 2a, tuto technologii je možno aplikovat jak na standardy UHD, tak i HD rozlišení. Dušan Líška ve své přednášce uvedl, že problematikou HDR se zabývá více doporučení a standardů různých organizací. Základem je doporučení ITU-R BT 2100-0 a podrobnější popis problematiky HDR v ITU-R Rep. BT 2390-4.

Součástí doporučení ITU-R BT 2020 pro UHDTV je i širší barevný gamut (WCG), s větší barevnou hloubkou 10 – 12 bitů. Nejlépe je to znázorněno na známém barevném trojúhelníku, kde jsou zřetelně vidět oblasti, které jsou barevně zobrazeny oproti HDTV navíc.

V televizních systémech není zobrazené světlo přímo úměrné ke světlu pořízenému kamerou v důsledku převodu světla na elektronický signál. To popisují opto-elektronické (OETF) a elektro-optické (EOTF) převodní funkce doplněné funkcí OOTF (opticko-optickou), která je referencí pro umělecký záměr zpracování. Doporučení ITU-R BT.1886 specifikuje konverzi nelineárního signálu na světlo displeje. Toto řídí referenční zobrazení v referenčním prostředí pro sledování. Obraz na referenčním displeji ovládá nastavení clony / expozice kamery a v případě potřeby může umělecká úprava měnit obraz a vytvořit jiný umělecký vzhled. Na přijímači (ideálně s referenčním displejem v referenčním prostředí pro sledování) je nelineární signál převeden na zobrazovací světlo pomocí specifikované funkce dle Doporučení ITU-R BT.1886.

HDTV architektura televizního systému dle BT.709 (zdroj: ITU-R Rep. BT 2390-4)

Z těchto transformačních funkcí pak vycházejí různé principy HDR technologií. Schéma PQ (Perceptual quality – vnímatelná kvalita) bylo navrženo tak, aby OOTF funkce byla v kameře, nebo vnucena do výrobního procesu při uměleckém záměru. Toto schéma vyžaduje přenos transformační funkce v podobě metadat celým procesem zpracování až po obrazovku. Naproti tomu ve schématu HLG (Hybrid Log-Gamma) je opticko-optická převodní funkce zahrnuta do zobrazovače (monitoru). Takto definovaná nelineární transformační funkce ve své spodní polovině využívá křivku gamma a horní polovina logaritmickou křivku. Zjednodušeně jsou oba systémy zobrazeny v následujícím obrázku.

Přehled formátů HDR a jejich charakteristiky

Na výše uvedených principech dnes existuje několik, navzájem nekompatibilních formátů/systémů pro vysoký dynamický rozsah.

Pro zpracování vysokého dynamického rozsahu dnes existují standardy SMPTE uvedené v tabulce, pracující s doprovodnými metadaty, které popisují použité transformační funkce tak, aby úpravy na vstupu při snímání nebo umělecké úpravě byly reprodukovány na obrazovce diváka. Jak bylo řečeno, jedná se o kontinuální přenos informací celého ekosystému v případě PQ transformačních funkcí. Navíc skutečné systémy HDR jsou kódovány podle doporučení ITU R BT 2020 s bitovou hloubkou 10-12 bitů. Dále je nutno si uvědomit, že ne všechny formáty HDR mohou využívat stávající výrobní a vysílací infrastrukturu provázanou s problematikou komptability. HDR 10 zase vyžaduje dvě samostatné vrstvy pro oddělené zpracování s vysokým a standardním dynamickým rozsahem (SDR). Dynamická metadata formátu HDR 10+ pro jednotlivé scény, nebo dokonce snímky, omezují tlumení a saturaci displeje, jak vyplynulo z uvedené přednášky na konferenci.

Parametry HDR signálu ve formátu hybridního log-gama (HLG) byly od počátku navrženy tak, aby poskytovatelům vysílání a programovým výrobcům umožnily postupný přístup k výrobě a distribuci HDR. Signálová charakteristika je podobná charakteristice tradiční standardní kamery s dynamickým „zlomeným“ rozsahem a nevyžaduje žádná produkční metadata. Je proto kompatibilní s běžnými standardními výrobními zařízeními, nástroji a infrastrukturou dynamického rozsahu. Navíc parametry HLG HDR TV signálu byly navrženy tak, aby poskytovaly významný stupeň kompatibility na barevných SDR displejích (se standardní dynamikou) dle UHDTV doporučení BT.2020. HDR monitory jsou proto nutné pouze v kriticky monitorovaných oblastech. Konstrukce parametrů signálu HLG HDR má umožnit distribučním sítím poskytnout jediný HEVC Main 10 bitový tok, který může být určen jak pro SDR, tak pro HDR přijímače. Tím tato specifikace HLG nabízí určitý stupeň kompatibility se staršími displeji tak, že se více blíží dříve zavedeným transformačním křivkám, ale za cenu omezeného jasu.

HDR televizory na českém trhu

Prodejci televizorů uvádějí, že HDR televize pracují s širším barevným prostorem a dokážou v jednom obraze zobrazit jasnější bílou i tmavší černou. Díky tomu umí obrazovka prokreslit zároveň detaily ve stínech i na ozářených plochách. Tento efekt dodává obrazu hloubku, zlepšení je viditelné i pouhým okem. To je vše pravda. Je ale však nutné, aby i zdroj obrazu HDR podporoval. Avšak vzhledem k tomu, že v našich podmínkách prozatím žádná televize nezavedla vysílání s HDR, které by bylo i dalším vylepšením diváckého vjemu i při vysílání HDTV, je otázkou, nakolik je tato informace pro zákazníky při koupi televizoru, relevantní. Navíc nikde není uvedeno, s jakým formátem daný televizor pracuje. Pokud někdy dojde k vysílání s HDR, tak nejpravděpodobnější je formát HLG a tudíž by televizory na našem trhu měly být vybaveny minimálně touto možností. Pokud potenciální zákazník není jedním z mála českých předplatitelů Neflixu, tak však prozatím zůstává u pouze u pokusu výrobců prodat dražší televizor.