Приходилось ли вам щуриться, выходя из полумрака на солнце? Надевать темные очки лежа на пляже? А делали когда-нибудь то же самое, смотря на экран смартфона, телевизора или компьютера? Нет, а причина в узком динамическом диапазоне или Standard Dynamic Range (SDR). Будь он раза в три шире — в ночных сценах кино с автомобильными преследованиями пришлось бы точно так же прикрывать глаза ладонью, защищаясь от слепящего света фар. Это краткая суть технологии High Dynamic Range или HDR, а подробнее — в нашем материале.
Динамический диапазон: с него начинается HDR
Для понимания того, зачем нужен HDR, нужно сначала вникнуть в понятие «динамический диапазон». В музыке им называют разницу между самыми тихими и громкими местами композиции и измеряют ее в децибелах. В видео сравнивают наиболее темные и яркие объекты в кадре, а разницу выражают в стопах, а если точнее — в f-стопах. Термин пришел из профессиональной кино- и фотоиндустрии и означает ступень или шаг экспозиции. Записывается, например, вот так: f/5.6.
Подобное обозначение встречал любой, кто хоть раз видел объектив фотоаппарата или запускал приложение «Камера» на телефоне. Оно указывает на соотношение фокусного расстояния и диаметра входного отверстия оптики, что, по сути, нужно для удобства. Так, можно взять объективы, например, с 35 мм, 50 мм и 85 мм, и при помощи кольца диафрагмы выставить везде f/2.8, получив одинаковое количество света на матрице с любым из них. Если пойти вверх и вместо f/2.8 выбрать f/4.0, экспозиция опустится на один стоп и в камеру попадет в два раза меньше света.
Поднятие экспозиция на один f-стоп усиливает интенсивность светового потока в два раза.
Помимо механической регулировки экспозиции оптикой есть еще два способа — ISO и выдержка. Первая отвечает за светочувствительность пленки либо матрицы камеры. Вторая — за интервал, в течение которого фотопленка или сенсор будут собирать свет (экспонироваться), перед тем, как сделать фото.
Значение ISO 400 на f-стоп ярче ISO 200. Выдержка 1/30 на f-стоп ярче 1/60
Теперь разберемся, какое отношение стоп имеет к человеческому зрению и картинке ТВ, мониторов и смартфонов. Представим ситуацию: нужно снять фото журнала, лежащего на столике возле окна, за которым яркий солнечный свет. Наводим объектив на предмет съемки и сталкиваемся с проблемой: на снимке не разглядеть журнала, зато видно, что за окном, либо, наоборот, из-за пересветов вместо деревьев на улице сплошная белизна, но так виден журнал.
Это и есть следствие узкого динамического диапазона. У лучших камер его ширина доходит до 15 стопов, у наших глаз, к которым без проблем применима та же метрика — до 20, а у SDR-экранов — от 6 до 10 стопов . В таком разрезе не нужны объяснения, почему телевизионная картинка так далека от реальной.
Что такое SDR
Понятие «стандартный динамический диапазон» или SDR (Standard Dynamic Range) сформулировали лишь в 2010 г. Это потребовалось для четкого разделения с появившимся тогда широким динамическим диапазоном или HDR.
Однако как набор правил и параметров SDR существует с середины прошлого века, когда появилось цветное телевидение. В эпоху своего зарождения оно транслировалось на кинескопные, а вернее электронно-лучевые телевизоры, и одной из их ключевых проблем была яркость. В пике она не превышала 100 нит или кд/м², что означает яркость 100 свечей на площади в 1 кв. м, так как candela переводится с латыни «свеча». При таком раскладе диапазон между самыми темными и яркими объектами в кадре достигал максимум 6 стопов. Как итог — неглубокое, тусклое и сильно упрощенное изображение, мало похожее на окружающий мир.
В те времена это не было особо важно: телевизоры едва научились показывать цвет, да и камеры были далеки от идеала. Однако в нулевых, когда матрицы дисплеев достаточно развились, ограничения SDR стали очевидной проблемой.
Сейчас наверняка у многих в голове пронеслась мысль, а что мешает поднять яркость экрана, сейчас любой смартфон выдает порядка 1000 нит. Это так, но динамический диапазон тут не при чем. Объяснить почему проще на музыкальном примере.
Возьмем плеер и включим песню, а потом прибавим громкость. Она выросла у всего трека, включая тихие моменты — динамический диапазон каким был, таким и остался. Так же и в случае с видео.
К тому же не в одной яркости дело. Помимо нее есть нюанс с цветовой палитрой. Из-за глубины цвета 8 бит информация о каждом из трех цветов — красном, синем и зеленом — ограничена 256 значениями. Умножаем 256 х 256 х 256 и получаем 16,7 млн комбинаций. Немало, но в сравнении с HDR — ничто.
Что такое HDR
High Dynamic Range или HDR — стандарт с довольно жесткими требованиями к аппаратуре:
- Глубина кодирования цвета минимум 10 бит, то есть 1024 х 1024 х 1024 или 1,07 млрд возможных цветов;
- Пиковая яркость от 1000 до 10 000 нит или в 10 и 100 раз выше, чем в SDR;
- Локальное затемнение матрицы.
10-битная цветность
Казалось бы, 8 бит или 16,7 млн оттенков, доступных SDR, более чем достаточно для сочных фотографий и видеороликов. В какой-то степени это так, создать красочное изображение можно. Загвоздка в другом — в ступенчатости градиентов или color banding. Вы точно замечали это, когда искали красивые фоны для рабочего стола ОС. Глубины кодирования не хватает для описания значений тонких оттенков, поэтому вместо плавного перехода от пастельно-розового к нежно-алому, а затем к фиалковому, получается грубый и резкий скачок с красного на фиолетовый.
Может ли устройство с (псевдо)10-битной матрицей работать с HDR?
Да, может, но нужно понимать, что подобные матрицы стоят в бюджетной аппаратуре. Скорее всего, она не сможет показать настоящий HDR из-за других ограничений. Вывод: HDR на таких изделиях — на 99% маркетинговая ложь.
Но есть и еще один куда более весомый лимитирующий фактор. Дело в том, что наше зрение нелинейно — в тени видим больше, чем на свету, что резонно: мрак — потенциальная опасность для человека, поэтому важно понимать, что в нем происходит. Гамма-коррекция, заложенная в стандарт SDR, учитывает это, передавая экрану больше информации именно о темном диапазоне изображения, но этого все равно мало, и градаций серого недостаточно для полного реализма.
Так и пришли к HDR. Его 10, а иногда и 12 бит решают все сложности как с градиентами, так и с недостаточной детализированностью изображений в темных участках.
Гамма или гамма-коррекция появилась в эпоху ЭЛТ-телевизоров, так как коэффициент их светимости не имел линейной зависимости от напряжения. Другими словами, для отображения очень темной картинки требовался высокий вольтаж, в то время как светлые участки кадра требовали лишь его незначительного роста.
Это входило в прямой конфликт с камерами, воспринимающими свет линейно, поэтому изображение, попавшее на ТВ, например, с кинопленки выглядело слишком мрачно и некорректно, а кривая гаммы это компенсировала.
Стандарту HDR, имеющем до тысячи раз больший диапазон светимости, понадобилась своя кривая. Так, появилось перцептивное квантование или PQ EOTF. Это, скажем так, традиционная гамма-коррекция на максималках.
В чем смысл HDR
Маркетологи внушили потребителям, что HDR — история про яркость, поэтому соответствующий шильдик можно встретить на мониторе или телевизоре с глобальной подсветкой. Какой она бывает, мы рассказали в статье «Как выбрать монитор для компьютера: самый подробный гайд», прочтя которую становится очевидно, что настоящий HDR возможен исключительно на miniLED и OLED-матрицах.
Чтобы понять почему, просто расшифруем аббревиатуру еще раз — расширенный динамический диапазон. Раз так, то пиковая яркость не так уж важна, фундаментальное значение имеет другое — разница между ней и уровнем глубины черного.
Представим, что пришли в магазин за телевизором. У одного жидкокристаллическая матрица, но заявлены 4000 нит. Второй способен выдать лишь 1000 нит, но у него панель OLED. Оба поддерживают HDR. Неподготовленный покупатель выберет первый, а тот, кто ознакомился с нашими предыдущими статьями сделает выбор в пользу второго. Он будет знать, что только OLED в состоянии отобразить идеальный черный, а значит, и диапазон у него шире, в чем и заключается смысл всей технологии.
В связи с тем, что HDR набирает популярность и становится поводом для хайпа, заработать на этих трех буквах пытаются все, кому не лень. Никого из вендоров не смущает, что модный шильдик наклеен на технику, которая с технологией ничего общего не имеет.
Чтобы внести ясность, ассоциация стандартизации видеоэлектроники VESA опубликовала список требований к HDR-совместимой аппаратуре, согласно которым ее можно легко классифицировать. К примеру низший класс — это DisplayHDR 400, а высший — TrueBlack, что в переводе означает «истинный черный».
Форматы HDR: HDR10, HDR10+, Dolby Vision
Чтобы дисплеи мониторов, ТВ, смартфонов или планшетов понимали, как работать с яркостью контента, в него «зашивают» специальные метаданные (или metadata), и от того, насколько они подробные, зависит тип формата HDR.
HDR10
Базовый HDR10 распространен шире других. Если в технических характеристиках экрана заявлен HDR, то HDR10 поддерживается по умолчанию. Это связано с тем, что он бесплатный — производители не обременены лицензионными отчислениями.
HDR10 работает с так называемыми статическими метаданными. Максимум, что в них заложено — пиковое значение яркости всего контента. Говоря проще, такие метаданные говорят телевизору: в этом фильме или клипе потолок яркости — 800 нит, а дальше делай с этим, что хочешь.
HDR10+
Более продвинутый формат и прерогатива устройств подороже. Главное отличие — динамические метаданные, которые содержат информацию о яркости каждого пиксела кадров. Так, к примеру, кино смотрится намного более выразительно и живо.
Dolby Vision
Формат, за который вендоры обязаны платить лицензионный сбор. Как следствие, он встречается только в Hi-End-технике. Как и в HDR10+, в нем динамические метаданные, но отличает их то, что Dolby Vision способен распознавать до 12 бит глубины кодирования цвета. Считается, что именно Dolby Vision задает наивысшую планку погружения в медиаконтент.
Часто задаваемые вопросы про HDR
Для HDR нужна специальная видеокарта?
Нет.
Стоит ли держать HDR постоянно включенным, например, в Windows?
Однозначно. В одной из предыдущих статей мы рассказывали о разных цветовых палитрах и о том, что нужно переключаться между ними вручную, используя меню монитора. В актуальные версии Windows 11 встроен ряд инструментов, активирующихся при включении HDR. Они автоматически распознают тип отображаемого контента и ужимают цветовое пространство монитора в случае необходимости.
Какой HDR-телевизор или монитор выбрать?
Стоит смотреть на устройства с 10-битной глубиной цвета, поддержкой формата HDR10+, пиковой яркостью не менее 1000 нит, покрытием палитры DCI-P3 не менее 95% и матрицей с локальным затемнением (OLED либо miniLED).
Какие плюсы дает включение HDR на базовых мониторах или ТВ с сертификацией HDR400?
Как минимум устройство отобразит больше цветов и сделает переходы между ними плавнее. Дальнейшие улучшения картинки будут зависеть от типа подсветки. Если она глобальная, истинный HDR увидеть не удастся. Нужна miniLED или OLED-матрица.
Как включить HDR на мониторе?
Любое устройство с поддержкой HDR имеет опцию включения технологии в меню. Если пункт не активен, нужно убедиться в том, что HDR включена в ОС Windows 11. Нажмите «Пуск» — «Параметры» — «Система» — «Дисплей» — «Использовать HDR».