Все оттенки реальности. Технология HDR — как она влияет на качество изображения

Модный и перспективный 4K или мейнстримный Full HD с массой оптимизированного контента? Именно такой вопрос возникает, когда ты выбираешь новый ноутбук или монитор. А если рядом с этими характеристиками видишь аббревиатуру HDR, вопросов возникает еще больше. Что означают эти загадочные три буквы, для чего создана технология и как она повлияет на отдых за просмотром любимого видео или раскрытие творческого потенциала? Специалисты Lenovo помогут найти ответы.

Реалистичность изображения: будущее или современность?

Понимание того, что большее разрешение означает лучшее качество изображения, у пользователей техники уже сформировалось. И это правда, но существует грань, которую приняли во внимание разработчики стандарта Ultra HD. Они обнаружили, что дальнейшая «гонка» за количеством пикселей не приводит к ощутимому улучшению восприятия. В конце концов, разрешение человеческого глаза составляет около 1 МП, а окружающий мир мы воспринимаем значительно ярче, чем экран телевизора. Субъективные оценки показывают, что более контрастное и насыщенное цветами изображение выглядит лучше, чем изображение с высоким разрешением. Поэтому на данном этапе развития технологий разрешение ноутбуков и большинства мониторов остановилось на 4K. Чтобы приблизить картинку на экране к реальности, современные устройства используют технологию расширенного динамического диапазона, или HDR (High Dynamic Range).

Что делает технология HDR:

• углубляет контрастность и обеспечивает более насыщенные цвета;
• увеличивает максимальную яркость и глубину черного цвета;
• расширяет цветовое пространство (увеличивает количество воспроизводимых цветов);
• повышает естественность изображения (поддерживает глубину цвета 10–12 бит);
• поддерживает статические и динамические метаданные для более точного воспроизведения.

Как это работает

Самый распространенный пример применения HDR-технологии — это кадр с темным объектом, например домом, на фоне светлого неба. В случае со стандартным динамическим диапазоном, SDR (Standard Dynamic Range), на фото будет четко видно или фасад дома со светлым пятном вместо неба, или темный контур дома на фоне четкого неба с облаками и солнцем. Расширенный динамический диапазон позволяет четко воспроизвести все объекты в кадре, достичь необходимой детализации на темных и светлых участках. Фактически устройство воспроизведения — монитор, экран ноутбука или смартфона — должно обеспечить высокие показатели яркости, контрастности, цветового оформления, а также знать, как распределить свет в кадре.

Трудно поверить, но все стандарты цветного телевидения оставались практически неизменными со времен электронно-лучевых трубок (конец XIX века). Однако сейчас появилась возможность увидеть на экране гораздо больше. Это не очередная изюминка, как 3D-видео, которое не стало популярным. Это — качественно новый способ передачи и воспроизведения видеосигнала, направленный на перспективу.

Сейчас полностью реализовать технические требования технологии невозможно. Однако даже при частичной реализации разница со стандартным изображением впечатляет! 

Технология HDR нужна не только профессионалам, работающим с графикой. Производители игр и фильмов увидели реальную возможность заинтересовать потребителя значительным приближением изображения на экране к естественному.

Многие современные смартфоны умеют делать фото в HDR. Возможно, не все придают этому значение, разве что заметят, что снимки в этом режиме получаются лучше. Почему это происходит? В режиме HDR камера делает минимум два снимка с разной выдержкой (то есть более темные и светлые), затем компонует их в один с помощью алгоритмов постобработки.

Видео HDR формируется сложнее и тоже включает этапы постобработки. К тому же вместе с видеосигналом передаются метаданные — служебная информация о параметрах сцены, которая воспроизводится.

Эволюция HDR-технологии

HDR — это сочетание технологий, стандартов, технических рекомендаций и регламентов производства. Форматы HDR-видео стандартизированы, однако значения основных параметров (яркость, количество оттенков, охват цветового диапазона, способы передачи метаданных и даже разрешение) пока не унифицированы. В связи с этим спектр форматов HDR-видео достаточно широкий.

Два основных — это HDR10, который эволюционировал в HDR10+, и Dolby Vision. Первый — открытый (бесплатный), второй — собственность компании Dolby. Оба они призваны улучшить качество изображения: повысить разрешение, расширить цветовое пространство, увеличить глубину цвета, яркость, контрастность. Однако есть и отличия:

• Dolby Vision способна поддерживать пиковую яркость 10000 нит, тогда как HDR10 — только 4000 нит.
• Dolby Vision поддерживает глубину цвета 12 бит, а HDR10 — 10 бит.
• Dolby Vision поддерживает стандарт цветового пространства Rec.2020, а в HDR10 за основу взят стандарт DCI-P3.
• Стандарты имеют различные форматы метаданных. HDR10 поддерживает только статические метаданные (для динамических метаданных была создана версия HDR10+) и требует интерфейса HDMI 2.0a или более современного. Dolby Vision умеет работать со всеми типами метаданных и передает сигнал даже через HDMI 1.4.
• Двухуровневый Dolby Vision может одновременно передавать два потока видео — HDR и SDR.

В идеале оба формата должны иметь разрешение не менее 4K Ultra HD, но контент Full HD HDR также существует. Важно отметить, что HDR — стандарт и набор параметров, регулируемых этим стандартом. Его разработчики установили довольно высокую планку — экраны, которые на 100% ему соответствуют, сейчас недоступны технологически. HDR — это стандарт будущего.

Параметры. За что они отвечают

С количеством пикселей все понятно, а что означают остальные?

• Глубина цвета характеризует количество оттенков каждого цветового канала. Их обычно три: красный, зеленый, синий. Для стандартного динамического диапазона глубина цвета составляет 8 бит, что означает 256 градаций цвета. HDR10 предусматривает 1024 градации, то есть в 4 раза больше оттенков. Dolby Vision имеет 12 бит, то есть 4096 градаций.
• Цветовой диапазон — это эталонная модель цветов, на которой базируется реальное цветовоспроизведение устройства. В HDR10 и Dolby Vision новые стандарты пришли на смену старому Rec.709, не способному правильно воспроизводить некоторые естественные цвета, например ярко-красный и фиолетовый. Реальное цветовоспроизведение, которое называется цветовым охватом, — одна из основных характеристик экрана, которая  выражается в процентах от определенного цветового пространства. Таких стандартов несколько, их можно связать между собой в процентном соотношении. Однако делать это не совсем уместно, ведь каждый имеет свою область применения.
• NTSC исторически происходит от соответствующего стандарта цветного телевидения с использованием электронно-лучевых трубок.
• Adobe RGB применяют при подготовке изображений к печати. Он почти полностью перекрывает возможности цветопередачи профессионального печатного оборудования. sRGB принят в качестве стандарта для изображений в интернете (охват составляет около 72% от охвата NTSC).
• DCI-P3 используют в цифровых кинотеатрах. Он воспроизводит цветовую гамму как у кинопленки.

Диапазон CIE 1931 охватывает все цвета, доступные человеческому глазу.

• Яркость приобретает значение от 100 нит в бюджетных жидкокристаллических экранах и достигает 1000 нит и более в профессиональных моделях.
• Контрастность — производная величина яркости. Она определяет, насколько яркость отдельного пикселя может изменяться от темного до максимально яркого значения. Она выражается соотношением типа 500:1. Это означает, что пиксель способен засвечиваться в 500 раз ярче, чем в выключенном состоянии.

Просмотр HDR-контента

Устройство для воспроизведения HDR-контента (телевизор, монитор, смартфон) интерпретирует HDR-сигнал в соответствии со своими параметрами яркости и цветности и выводит изображение именно таким, каким оно было задумано его создателями.

Сертификацию устройств можно рассмотреть на примере VESA DisplayHDR — одного из первых стандартов, определяющих качество дисплеев с высоким динамическим диапазоном. Спецификация выделяет три уровня HDR по результатам тестов яркости, контрастности, цветового охвата (BT.709 и DCI-P3), глубины цвета и скорости отклика на изменение яркости подсветки.

Базовому уровню DisplayHDR 400 соответствуют дисплеи с 8-разрядным цветом. Для уровней DisplayHDR 600 и DisplayHDR 1000 необходимы 10-битный цвет, локальное регулирование яркости и умение кратковременно «вспыхнуть» на всей поверхности. Число, входящее в обозначение уровня, соответствует пиковой яркости в кд/ кв. м (нит).

HDR-контент. Где его смотреть

Сейчас есть несколько источников, применяющих HDR, и этот список будет постепенно расширяться:

1. Передача потокового видео в интернете: Netflix, YouTube и Amazon Video.
2. Проигрыватели 4K Ultra HD Blu-ray Disc.
3. PS4/PS4 Pro и другие консоли.
4. Основные телевизионные вещатели и операторы, такие как BBC, SKY и т. д., планируют передавать HDR-совместимый контент.

Lenovo выбирает Dolby Vision как более перспективный стандарт

Первые ноутбуки с HDR-экранами компания Lenovo представила в 2018 году. Это топовые ультратонкие Lenovo ThinkPad X1 Carbon и ThinkPad X1 YOGA. Они были оснащены экранами с поддержкой Dolby Vision HDR, разрешением Quad HD (2560 × 1440), цветовым охватом 100% по AdobeRGB и яркостью 500 нит. Следующие поколения этих ноутбуков обладают экранами Ultra HD (3840 × 2160) с такими же характеристиками.

Ноутбуки Lenovo, которые поддерживают HDR:

• Тонкий и легкий ноутбук YOGA S940-14 оснащены сенсорными дисплеями Full HD и Ultra HD с поддержкой Dolby Vision и цветовым охватом 90% по DCI-P3. Ультратонкие YOGA S730 и S940 сертифицированы Dolby Vision или VESA 400 HDR.
• Легендарные защищенные ThinkPad серии Т с экранами Quad HD диагональю 14 дюймов, оснащены IPS-матрицами. Они характеризуются поддержкой Dolby Vision HDR, яркостью 500 нит, контрастностью 1500:1 и цветовым охватом 100% по Adobe RGB.
• Игровой HDR-контент не остался незамеченным — экраны геймерских ноутбуков Lenovo Legion Y740, кроме поддержки кадровой частоты 144 Гц, сертифицированы по стандартам Dolby Vision и VESA 400 HDR.
• Графические рабочие станции ThinkPad P и революционный ThinkPad X1 Extreme (2nd Gen) получили больше разновидностей экранов с поддержкой Dolby Vision HDR. В том числе — с сенсорной OLED-панелью диагональю 15,6 дюйма с разрешением Ultra HD, что обеспечивает контрастность 100000:1 с цветовым охватом 100% по DCI-P3.

В рамках выставки CES 2020 в начале года компания Lenovo представила новый монитор профессионального уровня ThinkVision Creator Extreme. 4K-панель с матрицей IPS диагональю 27 дюймов, сертифицированная по стандарту HDR1000, характеризуется пиковой яркость 1000 нит. Такой показатель достигнут благодаря локальной подсветке mini LED с 1152 независимыми зонами.

Колористы, режиссеры, VFX-дизайнеры могут доверять экрану, воспроизводящему высокоточный калиброванный 10-битный цвет с охватом 99% по DCI-P3.

Технология будущего, доступная каждому

Экраны со стандартным динамическим диапазоном прослужат еще долго. Ведь создатели новых стандартов HDR пытаются сделать их обратно-совместимыми: HDR-контент можно просматривать на обычных экранах, и он будет выглядеть не хуже, чем SDR-контент.

Массовый переход видеотрансляций в формат HDR уже очень близко. До сих пор эти процессы тормозились из-за отсутствия адекватного «железа». Однако в последнее время появляются и экраны, и технологии, и контент. Поэтому скоро поддержка HDR для твоего следующего smart-TV, монитора или смартфона может стать обязательной опцией. Приятного просмотра!