UHD и HDR в цифрах

 

Несколько лет назад стало ясно, что 3D  в телевидении пока может претендовать только на роль экзотической ниши, и что следующим шагом развития телевизионной технологии станет внедрение 4К в связке с HEVC. То есть, нас ожидает примерное повторение сценария перехода с SD/MPEG-2 к HD/H.264 В то же время, обнаружились обстоятельства, затрудняющие его повторение.



Предыстория

Переход к HD сопровождался заменой  на телевизоры с более совершенным экраном и продвинутым «цифровым» функционалом. На сегодняшний день рынок телевизоров насыщен, и нужен более серьезный стимул, чтобы инициировать новый виток массовых покупок. Одновременно практика показывает, что увеличение разрешения до 4К само по себе дает не очень значительное изменение картинки, причем заметное только  если экран расположен на необычно близком расстоянии к телезрителю. Pat Griffis, Вице президент Dolby Labs: «Эффект от увеличения разрешения до 4 К оказывается видим на расстоянии не более, чем в полтора раза превышающем высоту экрана. На практике это означает, что 4к телевизоры с не самой большой диагональю не дадут существенного преимущества при просмотре» Более предметные оценки приведены в документе Ericsson «Осмысление телевидения сверх высокой четкости». По оценкам составителей документа среднее расстояние телепросмотра в домохозяйствах составляет около 2 метров, а иногда оно сильно больше. «На таких расстояниях полный эффект от разрешения 4К можно получить при диагонали экрана не менее 80 дюймов» А для более распространенных диагоналей, 65 дюймов, расстояние до телевизора должно быть не более 1,3 метров.

оптимальное расстояние до экрана
Рисунок 1

Эти расчеты показывают, что продавцы магазинов электроники, где телевизоры тестируются на очень близком расстоянии,  возможно смогут убедить покупателя в преимуществах 4К . Но когда  он  поставит телевизор дома на привычное место и запустит тестовую услугу 4к от своего провайдера, то  с большой долей  вероятности будет разочарован. Об этом говорят не только расчеты, но и опыт некоторых операторов, экспериментировавших с базовым вариантом  4 к. В частности, в Sky Deutschland после годичного тестирования UHD услуги, пришли к выводу, что формат UHD, не предусматривающий никаких улучшений видео сигнала кроме увеличения разрешения до 4 к,  на абонентских телевизорах практически неотличим от HD , и его преимущества могут быть реализованы в основном в приложениях, дробящих монитор на несколько экранов, – например для показа футбольного матча с нескольких камер [1].  Правда, 3 года назад большинство UHD материалов представляли собой апскейл HD видео, что усиливало разочарование в услуге.

Неудачный эксперимент трехлетней давности не мешает планам Sky Deutchland в ближайшие дни запустить  UHD  пакет. В него, как сообщается, войдут два футбольных канала: Sky Sport UHD и Sky Sport Bundesliga UHD , а также услуга Push – VOD, то есть, загрузка фильмов из UHD фильмотеки. Будут ли при трансляциях футбольных матчей реализована передача с нескольких камер, и будет ли при формировании видеотеки отдаваться предпочтение фильмам с поддержкой HDR пока неизвестно.

4k_improvments
Рисунок 2

Когда обнаружилось, что эффекта от повышения разрешения может оказаться недостаточным чтобы инициировать массовое внедрение 4 К, было решено оперативно улучшить еще какие-нибудь характеристики сигнала,  которые в любом случае предполагалось совершенствовать по мере развития UHD формата.  Вопрос был только в сроках, очередности  и степени улучшения.

Было решено начать с  аудио и  динамического  диапазона яркости. Они были выбраны по двум критериям. Во первых,  их  улучшение может  заметно изменить впечатление от телеуслуги, а, во-вторых, не сильно увеличит ширину транспортного потока по сравнению с «обычным» 4К. Увеличение частоты передачи кадров было решено оставить на потом, так как оно даст видимое улучшение  только  на динамических сценах, и  кроме того,  потребует пропорционального увеличения битовой скорости .

В качестве нового аудио формата был предложен Dolby Atmos, в котором  звук привязан не к аудиоканалам, а к видео объектам, генерирующим этот звук. А для HDR предлагается сразу несколько стандартов.

High Dynamic Range

В результате увеличения динамического диапазона яркости картинка становится не только более яркой, но и более четкой — за счет прорисовки мелких деталей на темных фрагментах. «HDR позволяет гораздо более детально показывать сцены с контрастным освещением” (c сайта Blu-ray Disc Association) Кроме того, цвета становятся более реалистичными. Это достигается отчасти за счет расширения передаваемой цветовой гаммы, заложенного во всех HDR технологиях, а отчасти — за счет того, что повышение потолка яркости позволяет передавать цвета освещенных фрагментов с меньшими искажениями. В SDR видео присутствует компромисс между яркостью и точностью передачи цвета. Ron Martin, вице- президент Panasonic Hollywood Lab: ” Единственный способ сделать фрагмент SDR сцены ярче  снизить  уровень цветности.  В HDR  сцене в этом нет необходимости. Подсвеченные ярким солнцем облака  там  отличаются по цвету от голубого неба, и одновременно, хорошо различимы разноцветные цветы на клумбе и тени от этих цветов»

Некоторые также отмечают субъективное ощущение  объема  HDR картинки.  Hanno Basse, технический директор Fox: «так как мы видим больше деталей, то наш мозг получает больше сигналов, чтобы почти дорисовать в голове трехмерную картинку. Это конечно не 3D, но что-то близкое»

По всеобщему мнению применение HDR меняет впечатление от картинки больше, чем увеличение разрешения с HD до 4К, причем, при значительно меньшей дополнительной нагрузке на транспортный канал. Pat Griffis, вице-президент Dolby Labs: «добавлении HDR и WCG увеличивает битовую скорость компрессированного видео потока на 20 %, в то время, как переход от HD к 4K увеличивает ее на 200 %».

На мой субъективный взгляд, выставочные демонстрации HDR, особенно его продвинутые версии, выглядят чересчур впечатляющими. Но возможно проблема в особой демонстрационной настройке HDR.

Dolby Vision vs HDR 10 

Сегодня предлагается несколько HDR технологий, из которых на массовое внедрение могут претендовать три: Hybrid Log Gamma 10, High Dynamic Range 10 PQ и Dolby Vision. Краткая характеристика этих форматов приведена в этом материале UHD и HDR — от замысла к реализации. 

HLG 10 — совместная разработка BBC и NHK. Она предназначена для использования в живых трансляциях, не предусматривающих студийную обработку видео.

HLG 10 сегодня уже поддерживается некоторыми кодерами и телевизорами. Только что началось  первое регулярное вещание 4 к  с поддержкой HLG 10, оно запущено японским спутниковым оператором  SKY Perfect JSAT в определенных таймслотах  4к канала SKY PerfecTV!

Подробнее о стандарте на английском можно прочитать здесь.

Два других стандарта, HDR 10 и Dolby Vision, предназначены для студийного видео, подлежащего предварительной обработке на эталонном мониторе с высокой яркостью, и в сильной мере являются конкурентами. В Dolby Labs, правда, считают , что у каждого стандарта  своя ниша. Dolby Vision в большей мере используется в видео материалах, предназначенных для кинотеатров, его  уже  взяли на вооружение все 7 основных студий Голливуда: Universal Pictures, MGM, Sony Pictures, Warner Bros., Lionsgate, Paramaunt и Fox. Сегодня возможность воспроизведения Dolby Vision  имеют уже более 200 кинотеатров.  Эти кино-материалы адаптируются и для видеотек. HDR-10 используется в основном для видео, предназначенных для Blu-ray дисков – на момент появления документа [3] было выпущено 75 таких дисков. Что касается фильмов для телевизионной ретрансляции, то таковых с поддержкой HDR 10 подготовлено 15, а с поддержкой Dolby Vision — более 60.

Dolby Labs называет HDR 10 облегченной версией стандарта Dolby Vision( рис. 3).  Формальное

dolby_hdr_10
Рисунок 3

сравнение характеристик этих стандартов, приведенное в [3], показывает, что для этого есть основания.

HDR 10 и Dolby Vision сравниваются в документе по следующим основным позициям:

  • Оба стандарта используют перцептивное квантование (квантование, учитывающее различную чувствительность глаза к изменениям сигнала в зависимости от его яркости (прим. ред.). Это позволяет более эффективно использовать биты передачи информации, обеспечивая передачу сигнала с глубокими HDR и WCG без значительного увеличения разрядности сигнала.
  • Оба стандарта предполагают использование кодека HEVC, но Dolby Vision может быть адаптирован и к другим кодекам.
  • Оба стандарта используют статические метаданные ( регламентированные SMPTE ST 2086), с информацией о том как контент был отредактирован. Она может использоваться устройством воспроизведения для оптимизации выводимого на экран видео.
  • Dolby Vision дополнительно включает динамические метаданные — покадровую информацию об изображении, передаваемую в реальном времени.
  • HDR 10 поддерживает 10 битное квантование, Dolby Vision — 10-битное и 12-битное квантование сигнала яркости. Dolby Vision допускает 12-битное квантование даже если исходное видео было закодировано с 10-разрядной или 8-разрядной точностью. Повышение разрядности квантования сигнала яркости позволяет избежать заметных скачков градиента при плавном изменении оттенка однородного цвета( рис.4). На самом деле, для видео, снятого на камеру, достаточно 10-битного квантования , так как оставшиеся артефакты маскируются шумом камеры. 12 битное квантование актуально только для видео, сгенерированного на компьютере.

    Рисунок 3
    Рисунок 4
  • HDR 10  поддерживает  цветовую гамму DCI-P3, а Dolby Vision DCI-P3   и BT. 2020
  •    Оба   формата передаются  через HDMI 2.0a,   и USB 3  type C, a Dolby Vision   также  через HDMI1,4а  и HDMI 2.0.
  • Контент в Dolby Vision редактируется с верхним пределом яркости 4000 нит , а HDR-10 —с пределом  1000 нит. Это снижает вероятность искажений. Не очень понятно насколько нужен  такой  запас,  учитывая  что яркость бытовых телевизоры не превышает 500 нит.
  • Dolby предлагает универсальное решение для воспроизведения,Dolby VS10,  интегрируемое в телевизоры и другие устройства. Оно позволяет воспроизводить Dolby Vision, HDR10 и SDR контент, предварительно оптимизировав все перечисленные варианты к возможностям экрана. Аналогичное решение для HDR 10 не позволяет воспроизводить Dolby Vision в полном объеме.
  • В дисплеи, поддерживающие Dolby Vision, интегрирован механизм, оптимизирующий передачу цвета. Для HDR-10 такие механизмы разрабатываются производителями телевизоров, что не гарантирует одинакового качества воспроизведения разными моделями телевизоров.
  • После предыдущих пунктов стоит упомянуть, что Dolby берет лицензионные отчисления за установку своей системы на устройства воспроизведения, в то время как HDR 10 – бесплатный стандарт.

 

Источники:

1.Доклад Ultra HD Use Cases,  Stephan Heimbecher, руководитель отдела стандартов  инноваций, Sky Deutschland

2. HDR – The Gathering Storm, e-book,  Harmonic

3.Dolby Vision and HDR 10,  White paper,  Dolby Labs

Анна Бителева 

Комментарии

Оставить сообщение