Tento text je překladem japonského článku zveřejněného dne 22. srpna 2017 společností ITmedia. Copyright 2017 ITmedia Inc. Všechna práva vyhrazena.

Co je nová technologie HDR (High Dynamic Range)?

Referenční monitor HDR ColorEdge PROMINENCE CG3145

V posledních letech se v souvislosti se zobrazováním grafického materiálu začal používat pojem HDR. HDR znamená High Dynamic Range – vysoce dynamický rozsah. Možná si toto označení vybavíte z reklam na televizní přijímače – značí, že televize umí zobrazit větší dynamický rozsah než běžné přistroje.

Pokud se trochu vyznáte ve fotografii a narazíte na označení HDR, vzpomenete si nejspíš na souvislost se snímky v HDR. Zavedením této technologie do fotoaparátů v chytrých telefonech – například iPhonech – se označení HDR značně rozšířilo, takže je dost pravděpodobné, že jste tuto zkratku přinejmenším zaslechli, i když se o fotografování výrazněji nezajímáte. V oblasti fotografie má však HDR zcela jinou podstatu než v oblasti videa.

Rozdíl mezi fotografiemi v HDR a videem v HDR

V čem spočívá odlišnost od režimu HDR na iPhonu?

„Dynamický rozsah“ popisuje rozdíl (tedy rozsah) mezi nejtmavším a nejsvětlejším místem obrazu, které je zařízení schopné zobrazit a u něhož je ještě zachována schopnost rozlišovat jednotlivé tóny. Pokud například budete fotografovat místnost s oknem vedoucím do venkovního prostředí osvětleného jasným slunečním svitem a expozici nastavíte tak, aby byly zřetelné předměty v interiéru, okno se zobrazí jako přesvětlená a vypálená plocha. Pokud expozici přizpůsobíte vnějším světelným poměrům, bude interiér zachycen příliš tmavě. To jistě sami znáte ze své praxe.

Příčina tkví v tom, že rozdíl mezi nejjasnějším místem (slunečním svitem dopadajícím skrz okno) a nejtemnějším místem (uvnitř místnosti) je příliš veliký. Předpokládejme nyní, že bychom mohli dynamický rozsah libovolně zvětšit tak, aby nejjasnější oblasti nebyly vypálené a zcela bílé a zároveň by se tmavé oblasti neslévaly do černé zašuměné plochy. Čím více bychom tento rozsah zvětšili, tím realističtěji by obraz působil, neboť by se blížil rozsahu odpovídajícímu vnímání našich očí.

Při pozorování skutečných objektů je dynamický rozsah nesmírně velký. Pokud například ze zemského povrchu pohlédnete přímo do slunce, spatříte jas 1,6 miliardy kandel na metr čtvereční (cd/m²), zatímco za normální jas volného prostoru se považuje hodnota 2000 cd/m². Dynamický rozsah lidského oka pokrývá jen asi 30 % skutečného rozsahu jasu přirozeného prostředí, nicméně může být rozšířen přizpůsobením zornice. To už představuje značný rozsah.

Naopak záznamová zařízení jako fotoaparáty jsou konstruována a vyráběna podle starých norem vycházejících z dynamického rozsahu klasických vakuových obrazovek. Ten se označuje jako SDR (Standard Dynamic Range). Přístroje SDR mohou reprodukovat jen malý rozsah jasu od 0,05 do 100 cd/m². Jinými slovy: rozsah SDR zachycuje jen nepatrnou část rozsahu, který je lidské oko schopné vnímat.

Oops, an error occurred! Code: 201905250021111a2ee952

Fotografický režim HDR v iPhonu a dalších chytrých telefonech využívá data z více expozic (po jednom snímku pro detaily ve světlých a ve tmavých oblastech). Správně zaznamenané oblasti se zkombinují a přitom se zkomprimuje rozsah jasu. Tím se předejde nedokonalému prokreslení světlých a tmavých oblastí a vznikne realistický efekt – podobně jako při přímém pozorování lidským okem. Tato komprese barevných tónu však musí bohužel stále ještě probíhat na rozsahu SDR. Sice se předejde ztrátě informací z nejjasnějších a nejtmavších partií obrazu, ale skutečný dynamický rozsah snímku se tím nezvětší.

Oops, an error occurred! Code: 20190525002111bc701e26

Technologie HDR moderních videokamer je naopak schopna zachytit podstatně větší rozsah jasu od 0,0005 do 10 000 cd/m² bez potřeby komprese. Zjednodušeně řečeno to odpovídá stonásobku jasu SDR. Současné televizory kompatibilní s HDR samozřejmě nejsou schopné tak velký dynamický rozsah reprodukovat. Při výrobě obrazových podkladů (dle normy ITU-R BT.2100) se počítá s reprodukcí největšího jasu 1000 cd/m² a nejmenšího jasu 0,005 cd/m². Obrazový materiál v HDR se pak bezesporu zobrazí mnohem věrněji. Scény s vysokým kontrastem – například sluneční paprsky dopadající do temné místnosti – jsou působivější a například západ slunce bude i na televizi ve vašem obýváku vypadat překvapivě realisticky.

Oops, an error occurred! Code: 201905250021119587af4d
Oops, an error occurred! Code: 201905250021110af7b5c7

Podstatný krok směrem k rozšíření HDR v oblasti zobrazování grafického materiálu představuje rozvoj hardwaru. Kamery již dosáhly citlivosti dalece překonávající SDR (0,05 až 100 cd/m²) a panely LCD disponují podsvícením několikanásobně překračujícím potřeby obrázků v SDR. Displeje OLED tento rozsah bez problémů ještě rozšířily.

Proto se projevuje značná poptávka po kamerách a obrazovkách, jejichž podání se maximálně blíží skutečnosti – na rozdíl od stávající technologie SDR. Televize kompatibilní s HDR nabízí už skoro každý obchod se zábavní elektronikou. Ale čím se vlastně doopravdy odlišuje video v HDR?

Video v HDR: ještě mnohem působivější rozdíl než při přechodu na rozlišení 4K nebo 8K!

ColorEdge PROMINENCE CG3145

Na toto téma se již napsalo mnoho, ale na rozdíl od technologií 4K nebo 8K se přínos technologie HDR nedá popsat čísly ani slovy. Zde jednoduše platí, že jakmile obraz v HDR poprvé spatříte na vlastní oči, bude vám rozdíl oproti SDR jednou provždy jasný. Pokud jste takovou příležitost ještě nedostali, podělím se s vámi coby autor těchto řádků o své vlastní zkušenosti s referenčním monitorem HDR ColorEdge PROMINENCE CG3145.

Můj první dojem z obrazu na monitoru ColorEdge PROMINENCE CG3145 byl, že působí neuvěřitelně realisticky. Než jsem uviděl zapnutý monitor, bylo mé očekávání ovlivněné fotografiemi v HDR. Ty jsou zkombinované z oblastí o různém jasu, takže jsem čekal poněkud přesycené barvy a podobné jevy. Ale místo toho jsem si hned pomyslel, že stíny a jasné partie jsou zobrazené velice realisticky. Dynamický rozsah byl tak široký, že i nejjemnější detaily se zobrazovaly správně, což obrazu na monitoru dodávalo neuvěřitelnou hloubku. Vjem byl tak realistický, až jsem měl pocit, že si na zobrazené předměty můžu sáhnout.

Sice jsem už předtím slyšel, že lidské oko je schopné velmi přesně vnímat rozdíly mezi tmavými tóny, ale stejně jsem byl velmi překvapený, když jsem se o tom mohl přesvědčit na vlastní oči. Při ukázce jsem spatřil odrazy světel nočního města od vodní hladiny, jejíž mírné vlnění bylo viditelné jen v zastíněných místech, zatímco přímé odrazy světel působily jasně a živě, nebyly vypálené a nepřecházely až do bílé barvy. Podobné scény složené ze tmavých stínů a jasně zářících ploch se obvykle zobrazují velmi obtížně. Ale monitoru ColorEdge PROMINENCE CG3145 se právě toto daří skvěle.

Televizní obrazovky s technologiemi 4K a HDR v obchodě s elektronikou.

Hned vedle stál zapnutý standardní monitor SDR, ale obraz byl prostě nesrovnatelný – rozdíl byl patrný na první pohled. Monitor ColorEdge PROMINENCE CG3145, který jsem mohl zhodnotit, byl pro mě samozřejmě jen etalonem: je to referenční monitor pro profesionály připravující obrazový materiál v HDR. Proto se jednalo spíše o extrémní případ překonávající standardní televizory kompatibilní s HDR. I tak se však vyplatí zajít do obchodu s elektronikou a prohlédnout si vystavené televize kategorie HDR, abyste si udělali obrázek, jak může vypadat pohled na náš svět v HDR.

Co budete potřebovat ke sledování materiálů v HDR?

Technologie HDR vám nesporně přinese jedinečné vizuální zážitky. Co k tomu tedy budete potřebovat jako běžný uživatel? Předně musí být vaše televize kompatibilní se signály HDR10. To poznáte snadno podle toho, že je přístroj označen jako kompatibilní s HDR. Raději si to však ověřte, neboť se stále ještě vyskytují televizory 4K, jež nejsou kompatibilní s HDR.

Kromě toho narazíte i na přístroje, které tyto signály sice umějí zpracovat, ale disponují jen poměrně nízkým jasem a omezeným kontrastem. Obraz je samozřejmě tím realističtější, čím jsou tyto hodnoty vyšší, ale z nejasných důvodů se u mnoha televizních přijímačů tyto údaje stále ještě jednoznačně neuvádějí. V tom případě se můžete řídit podle toho, zda na výrobku vidíte logo Ultra HD Premium. UHD Alliance zavedla tuto certifikaci přístrojů, provozů a obsahu, aby předešla matení zákazníků. Zaručuje, že certifikovaný materiál HDR budete moci odpovídajícím způsobem sledovat na certifikovaných přístrojích HDR.

Oops, an error occurred! Code: 20190525002111b9c82e17

Abychom nezabíhali do detailů, shrneme pouze, že odpovídajícím způsobem označené obrazovky musí dosahovat maximálního jasu alespoň 1000 cd/m² a černé barvy na úrovni 0,05 cd/m² nebo alternativně nejvyššího jasu alespoň 540 cd/m² a černé barvy na úrovni 0,0005 cd/m². Háček vězí v současnosti ještě v tom, že tyto (a některé další) požadavky jsou značně náročné, takže certifikované přístroje jsou téměř bez výjimky drahé.

Když už máme obrazovku kompatibilní s HDR, potřebujeme si následně pořídit také odpovídající materiál. Přestože samozřejmě záleží na druhu obsahu, nabízejí se tyto dva relevantní formáty: HDR10 a Dolby Vision. HDR10 je standardizovaný formát materiálů v HDR. Materiály označené jako kompatibilní s HDR jsou s jistotou kompatibilní s HDR10. Naproti tomu Dolby Vision je samostatným standardem vyvinutým společností Dolby, jak ostatně napovídá už jeho název. Vyšší bitová hloubka 12 bitů (oproti 10 bitům u HDR10) má za cíl poskytnout ještě realističtější a přesnější obraz.

Výjimečnou vlastností Dolby Vision je formát metadat. Metadata v HDR10 platí pro soubor jako celek, zatímco Dolby Vision ukládá metadata s nastavením pro každý jednotlivý snímek zvlášť, čímž umožňuje dynamicky přizpůsobovat jas potřebám různých scén. Díky tomu mohou televizory kompatibilní s Dolby Vision zobrazovat grafický obsah optimálně s ohledem na konkrétní jas.

Streamovací služby nabízejí materiály kompatibilní se 4K/HDR (na obrázku Netflix).

V rámci současného rozšíření Dolby Vision můžeme pozorovat, že japonské streamovací služby jako Netflix, Hikari TV a další začínají využívat tento standard a nabízejí odpovídající obsah. Samotné přístroje musí samozřejmě také být kompatibilní s Dolby Vision. Této normě vyhovuje stále více a více televizorů a na trh se dostávají i dlouho očekávané přehrávače, jež napomohou dalšímu rozšíření.

S technologií HDR jsou kompatibilní i domácí herní konzole (na obrázku Microsoft Xbox One X).

Kromě televizních přijímačů se s technologií HDR setkáme i u herních konzolí PlayStation 4 a Xbox One S. Široký dynamický rozsah může propůjčit realističtější vzhled obrazu živě generovanému v počítačích. Při podrobnějším zkoumání shledáme, že technologie HDR do světa počítačových her ještě příliš nepronikla. Ani zde však nelze přehlédnout, že dynamický rozsah SDR je omezený. Proto bylo v létě roku 2017 představeno několik počítačových monitorů kompatibilních s HDR. Společně s nabídkou televizorů by to mohlo vést k rychlému rozšíření HDR.

Hezčí a realističtější – pětice faktorů lepší obrazové kvality

Podívejme se na největší technologické pokroky směřující k realističtějšímu obrazu. Zásadní vliv na obrazovou kvalitu má následujících pět faktorů: rozlišení, bitová hloubka, opakovací frekvence, barevný rozsah a jas. První tři faktory souvisejí s hustotou pixelů a v průběhu času se vyvíjely. Rozsah barev však dlouhou dobu žádný pokrok nezaznamenal. Teprve před několika lety byl zaveden velký barevný prostor Rec. 2020. Posledním faktorem tedy zůstal jas. Zde je zdokonalení stávajících technologií reprezentované zavedením HDR.

Oops, an error occurred! Code: 20190525002111c48be3d3

Již jsme uvedli, že hardwarové pokroky na straně televizních přijímačů a dalších obrazovek dovolují reprodukovat obrazová data z kamer bez ztrát na kvalitě. To tvoří předpoklad realističtějšího a hezčího obrazu. EIZO nezůstává pozadu a k rozmachu technologie HDR přispělo představením již zmíněného monitoru LCD ColorEdge PROMINENCE CG3145 (v prodeji od začátku roku 2018) určeného profesionálním tvůrcům obrazových materiálů v HDR.

Monitor ColorEdge PROMINENCE CG3145: stvořený pro produkci v éře HDR

Monitor ColorEdge PROMINENCE CG3145 je osazen panelem IPS LCD. Běžné panely LCD (a zejména panely IPS) nedokáží zobrazit žádné zvlášť hluboké odstíny černé barvy, takže dosahují jen poměrně nízkého kontrastního poměru. Existuje však technologie, s níž i panely LCD mohou docílit vysokého kontrastního poměru: Local Dimming. Tato technologie rozděluje přímé podsvícení LED do menších segmentů a jas každého z nich přizpůsobuje obsahu obrazu, čímž ovšem způsobuje výkyvy jasu i podání barev.

Oops, an error occurred! Code: 201905250021115e60e958

Kromě toho dochází na ostrých rozhraních světlých a tmavých ploch k prosakování světla do míst, jež mají zůstat tmavá. Tyto nevýhody by bylo možné přehlédnout u obrazovek sloužících čistě jen ke sledování hotových obrazových materiálů. U referenčního monitoru užívaného v produkci jsou však zcela jistě nežádoucí.

EIZO proto používá nový typ panelu IPS LCD schopného i bez lokálního řízení podsvícení snížit jas natolik, že je schopen reprodukovat černou barvu na úrovni 0,005 cd/m² a nižší. Výsledný přirozený kontrastní poměr dosahuje 1 000 000:1. Další podstatnou předností monitoru ColorEdge PROMINENCE CG3145 je jeho schopnost zaručit plynulé odstupňování jasu i barevných odstínů u všech druhů obrazových materiálů. Mnoho jiných referenčních monitorů používá pro prodloužení životnosti obrazovky funkci přechodného omezení jasu u světlých scén.

Model ColorEdge PROMINENCE CG3145 byl coby referenční monitor pro proces Color Grading zařazen do vyšší cenové kategorie. V postprodukci sahající od snímání až po střih a závěrečné poskládání materiálu se však samozřejmě najdou i kroky, jež nevyžadují tak dokonalou reprodukci. EIZO pro tyto kroky nabízí službu upgradu stávajících monitorů řady ColorEdge CG spočívající v doplnění (pseudo) HDR. Do monitoru se přidají křivky gama PQ1000 a PQ300 (Perceptual Quantization) a HLG (Hybrid-Log Gamma). Tím se produkce streamovaných pořadů a filmů připraví na HDR. Službu upgradu doporučujeme producentům, kteří si chtějí s nízkými náklady vybudovat prostředí umožňující zobrazování náhledů materiálů v HDR a připravit se tak na budoucí přechod ke kompletnímu procesu HDR.