Что такое HDR в телевизоре – понятие, суть, принцип работы, как реализована технология

История создания HDR

Как же компания, никогда не занимавшаяся камерами, создала алгоритм, который творит чудеса, используя обычные, по меркам флагманов, камеры Nexus и Pixel?

Все началось в 2011 году, когда Себастьян Трун (Sebastian Thrun), глава компании Google X (теперь уже просто X), подыскивал камеру для очков дополненной реальности Google Glass. Массогабаритные требования предъявлялись очень жесткие. Размер матрицы камеры должен был быть еще меньше, чем в смартфонах, что крайне плохо сказывалось бы на динамическом диапазоне и приводило бы к появлению множества шумов на фотографии.

Выход оставался один — попытаться улучшить фотографию программно, с помощью алгоритмов. Эту задачу должен был решить Марк Левой (Marc Levoy), преподаватель факультета информатики Стэнфордского университета, эксперт в области вычислительной фотографии. Он занимался технологией захвата и обработки изображений на базе программного обеспечения.

Марк сформировал команду, известную как Gcam, которая занялась изучением метода Image Fusion (сплавление изображений), основанного на объединении серии снимков в один кадр. Фотографии, обработанные при помощи этого метода, получались более яркими и резкими, имели малое количество шумов. В 2013 году технология дебютировала в Google Glass, а затем, в этом же году, переименованная в HDR+, появилась в Nexus 5.

Что такое HDR в телевизоре

Начать следует с самого термина HDR — что это такое в телевизоре, и какие выгоды оно несёт пользователю? Этот критерий напрямую влияет на качество картинки, которую мы сможем видеть перед собой с экрана. Переводится он словосочетанием «расширенный динамический диапазон» и означает увеличенную контрастность. То есть не только яркость будет выше, но и темнота будет чернее там, где это должно быть.

Лучшая передача цветов привлекательна для пользователя тем, что всегда является более реалистичной. Однако не стоит путать этот термин со звучащим аналогично в смартфонах или фотоаппаратах. Там такое же наименование означает объединение нескольких изображений, чтобы добиться самого удачного варианта по соотношению света и теней. Однако в случае с видео ситуация будет другая.

Технология HDR в телевизоре принесла с собой новые стандарты в отношении цветовой палитры. Обилие появившихся оттенков невозможно было передать на выпускавшихся ранее устройствах. Самые интенсивные цвета с дисплея стали ещё более приближёнными к реальности по сравнению с тем, что было ранее.

Как выглядит

Если сравнивать классический телевизор с моделью с расширенным динамическим диапазоном, то разница будет очевидной. Новая технология сделает картинку гораздо более яркой, причем это касается даже тех участков изображения, которые дают невероятный свет и на простом экране.

Например, на модели с HDR солнечные лучи еще сильнее осветят помещение и будут выглядеть намного четче, в то время как на старом телевизоре они останутся неразличимым пятном или полоской одного оттенка.

Схожая ситуация с темными изображениями, где обычный экран показывает просто темные участки без намека на детализацию. Модель телевизора с HDR же продемонстрирует глубокое реалистичное изображение. Так, при просмотре фильма, снятого внутри пещеры, можно будет увидеть рельеф стен и множество деталей.

Вместе с расширенным динамическим диапазоном был выпущен улучшенный цветовой стандарт для палитры Rec. 2020. В нем используются новые оттенки, которые невозможно отобразить на обычном телевизоре без технологии HDR. Одним из таких цветов стал фирменный окрас от Ferrari под названием Rosso Corsa. Когда повсеместно использовались телевизоры с простым экраном, заметить разницу в оттенках было проблематично, но с распространением HDR ситуация изменилась.

Принцип работы

Для обеспечения необходимого уровня динамического диапазона на телевизорах с HDR применяется продвинутая подсветка. Это позволяет регулировать яркость на отдельных участках экрана, делая изображение более живым. Особенно заметным эффект будет на кадре, где ярко светит солнце или горит огонь.

Диапазон яркости у обычных телевизоров и мониторов ограничивается на уровне 400 кд/м². Экраны с HDR же превосходят старые модели примерно в 3 раза, имея запас до 1500 кд/м². Это позволяет добиться заметной разницы между яркими сценами или объектами и темными участками на кадрах.

Расширенная цветовая палитра, сочетающаяся с подсветкой на квантовых точках, также активно используется при прорисовке изображения на телевизорах с HDR. Она позволяет значительно увеличить количество оттенков, применяемых при создании видео, и показать их зрителю в том виде, каком задумывал режиссер. Ранее телевизоры самостоятельно заменяли отсутствующие цвета на ближайшие доступные, что могло сказаться на качестве картинки и ее восприятии зрителем.

Фундаментальный принцип

После нажатия кнопки спуска затвора камера захватывает серию недоэкспонированных (с короткой выдержкой) кадров (это нужно для сохранения максимального количества деталей на снимке). Количество кадров зависит от сложности условий освещения. Чем темнее сцена или чем больше деталей в тени нужно осветить, тем больше кадров выполняет смартфон.

Когда серия снимков будет сделана, она объединяется в один снимок. Тут выручает заниженная выдержка, благодаря которой каждая фотография в серии выглядит относительно четко. Из трех первых кадров выбирается самый приемлемый в плане как резкости, так и детализации для использования в качестве основы. Затем полученные снимки разделяются на фрагменты и система проверяет, можно ли совместить соседние фрагменты и как это сделать. Обнаружив лишние предметы в одном из фрагментов, алгоритм удаляет этот фрагмент и выбирает похожий с другого кадра. Полученные снимки обрабатываются с помощью специального алгоритма, основанного на методе удачных экспозиций (в основном он применяется в астрофотографии для уменьшения размытости изображений, вызванной мерцающей атмосферой Земли).

Далее в дело вступает сложная система подавления шумов, которая включает в себя как простой метод усреднения цвета пикселей на основе нескольких снимков, так и систему предсказания появления шумов. Алгоритм работает очень мягко на границах переходов тональностей, чтобы минимизировать потерю детализации, пусть даже и ценой наличия небольшого количества шума в таких местах. А вот на участках с равномерной текстурой «шумодав» выравнивает картинку вплоть до почти идеально равномерного тона с сохранением перехода оттенков.

А как же расширение динамического диапазона? Как мы уже знаем, использование короткой выдержки избавляет нас от пересвеченных мест. Осталось только удалить шумы на темном участке ранее описанным алгоритмом.

На завершающем этапе выполняется постобработка полученного изображения: алгоритм делает минимизацию виньетирования, обусловленного попаданием света на матрицу под наклонным углом, корректирует хроматическую аберрацию заменой пикселей у высококонтрастных краев на соседние, увеличивает насыщенность зелени, синие и пурпурные оттенки смещает в сторону голубого, усиливает резкость (шарпинг) и выполняет ряд других шагов, повышающих качество фотографии.

Иллюстрация работы конвейерного алгоритма HDR+ из доклада разработчиков

Слева фотография из стоковой камеры Samsung в HDR, а справа фотография, созданная в Gcam в HDR+. Видно, что алгоритм принес в жертву детализацию неба для прорисовки объектов на земле.

(Изображение в исходном качестве)

(Изображение в исходном качестве)

Отличие от HDR в фото

Несмотря на одинаковое название, HDR, применяемое в фотографиях, кардинально отличается от технологии в телевизорах. Зачастую их путают и ошибочно полагают, что экран телефона обладает расширенным динамическим диапазоном или сделанные снимки и снятые видеозаписи предназначены для новых моделей ТВ.

HDR в фотографии представляет собой метод съемки, который имитирует одноименную технологию. Смартфон или фотоаппарат комбинирует несколько кадров, которые предварительно выполняются с разными настройками экспозиции, и выдает одну фотографию. Готовый снимок выглядит насыщеннее и красивее стандартного, но он все равно не получает расширенного динамического диапазона. Иногда такие фото кажутся нереалистичными или даже нарисованными.

Сколько есть версий HDR?

Сегодня существует 4 основных формата. У каждого из них есть свои особенности, они не взаимозаменяемы и могут спокойно уживаться в одном ТВ.

Dolby Vision

Разработан и принадлежит Dolby Labs. С научной стороны – самый прогрессивный формат HDR с отличным стартом. Он применяет 12-битный цвет для передачи 68 млрд цветовых оттенков.

Особенности:

• Потенциальная яркость – до 10 тысяч нит. Способен использовать не только все возможности существующего ТВ, но и разработок недалёкого будущего. Конечно, контента с подобными характеристиками сегодня ещё не существует.
• Применяет динамические метаданные. Настройки могут изменяться в каждой сцене. Это делает видеосигнал тяжелее, но итоговая картинка качественнее, чем у HDR10.
• Сведения об оборудовании. С помощью этой информации ТВ способен совершенствовать качество изображения, подстраивая «на ходу» для наиболее точного воспроизведения картинки.

Любые производители ТВ-техники, кто собирается применять Dolby Vision в своей продукции, должны платить сбор. Конечно, не все они с этим соглашаются.

Весь контент, запускаемый на TB, должен быть поддерживаемым этой технологией.

На сегодняшний день существующий контент не может раскрыть все возможности новой технологии, поэтому разница между Dolby Vision и HDR10 (HDR10+) визуально небольшая.

HDR10

Это наиболее широко используемый формат HDR. Создатели внедряют его на своих телевизорах, не платя лицензионных сборов. Его поддерживают многие именитые организации, например, UHD Alliance.

Особенности формата HDR10:

• Повышает качество, но использует упрощенный подход. Применяется 10-битная цветность, поддерживающая 1 млрд оттенков. Этого предостаточно, потому что телевидение сегодня не может подняться выше этого уровня. Но максимальная яркость установлена на уровне 1000 нит, что является серьезным ограничением.
• Использует статические метаданные. Это скорее недостаток формата, поскольку технология полностью не раскрыта. Но у такого подхода есть и свои преимущества: HDR10 обладает небольшой пропускной способностью и не требует много трафика.

HDR10+

Это упрощенный безлицензионный 10-битный аналог Dolby Vision, созданный фирмами Самсунг и Панасоник в качестве бесплатной альтернативы ему. Dolby Vision обходит его по качеству, но многих производителей ТВ не устраивает оплачивать владельцам данной технологии сбор.

По подобию Dolby Vision он тоже применяет динамические метаданные для подстраивания контраста и цвета от кадра к кадру. HDR10+ затмевает HDR10 по максимальной яркости, крайняя граница которой – 4000 нит. Но глубина его цвета имеет аналогичное значение – 10 бит.

Создатели формата хотят расширить HDR10+ до такой степени, чтобы он действительно мог составить конкуренцию своему платному собрату. Он доступен на ТВ Самсунг, Панасоник, TCL и Хайсенс. Среди стриминговых сервисов им пользуются Амазон Прайм Видео, НВО Max.

HLG

HLG (Hybrid Log Gamma) – это результат сотрудничества NHK и ВВС. Формат HLG предназначен для использования всех преимуществ высокого динамического диапазона для телевидения.

Особенность формата HLG в том, что он не применяет привычные метаданные, а берет первичную кривую гаммы видео и использует логарифмическую функцию для ее преобразования, создавая баланс света и тени.

Тяжесть такого сигнала значительно меньше. В результате качество HLG чуть ниже, чем у Dolby Vision. Но его преимущество в том, что его можно сравнительно несложно реализовать в действующей инфраструктуре.

Немало образовательных фильмов ВВС, включая Planet Earth 2, снято с использованием HLG.

Какие телевизоры поддерживают функцию HDR

На рынке доступно множество телевизоров с функцией HDR. Однако при выборе следует ориентироваться на наиболее важные параметры, чтобы вы могли наслаждаться наилучшим качеством изображения. HDR + Smart TV Samsung – идеальное сочетание, обеспечивающее впечатляющие эффекты при просмотре фильмов или игре.

Также на рынке присутствуют следующие модели Смарт ТВ, которые поддерживают расширенный динамический диапазон:

1. Телевизоры Samsung пригодятся в первую очередь пользователям, любящим игры и зрелищные фильмы. Отличное качество идет рука об руку с разумной ценой, а эффекты становятся еще более заметными благодаря многозонной подсветке FALD.
2. Модели Toshiba – это доступные телевизоры, которые часто поддерживают HDR10 и Dolby Vision. Из-за невысокой цены от них нельзя ожидать впечатляющих эффектов, как в случае с более дорогими моделями, но различия в качестве HDR видны с первого взгляда.
3. Телевизоры Sony полностью совместимы с PlayStation 5. В них используется многозонная подсветка. Вы можете выбирать среди моделей с Dolby Visi, HDR 10 и HDR 10+, благодаря которым эффекты во время просмотра удовлетворят даже самых требовательных пользователей.
4. Panasonic предлагает 65-дюймовые телевизоры, которые гарантируют высочайшее качество и соответствуют высоким ожиданиям в отношении функций HDR. Яркие цвета заслуживают внимания, поэтому каждый из просмотренных фильмов дает незабываемые впечатления и обеспечивает наилучшее качество изображения.

Поддержка телевизором функции HDR

Как выбрать HDR ТВ?

Чтобы получить максимальную отдачу от HDR, при выборе лучше отдать предпочтение таким параметрам:

• точность передачи – цветовой объём 100%;
• тип HDR – HDR10+;
• яркость – 1000 нит или выше;
• черный – локальное затемнение.

Что можно смотреть в HDR

Преимущественно все известные студии активно переходят на съемку контента по стандарту HDR. Этот процесс был запущен еще в 2015 году. Популяризация контента HDR идет полным ходом. Существенных проблем с нехваткой фильмов и сериалов, снятых по этой технологии, зрители не ощутят.

Старые ТВ заметно уступали студийным форматам. Из-за этого цветовая палитра и глубина изображения существенно урезалась. Со временем ситуация изменилась в лучшую сторону. Каждый желающий сможет смотреть фильмы или сериалы в студийном формате у себя дома.

Online-кинотеатры, во главе с сервисами Netflix и Amazon, одними из первых стали переходить на HDR. Сегодня абсолютно все поставщики контента работают с этим стандартом. Если у вас дома стоит HDR-телевизор, тогда вы сможете смотреть в высочайшем качестве абсолютно все новые фильмы, сериалы, передачи. Каталог доступного контента постоянно расширяется. Релиз всех новинок осуществляется в формате HDR.

Игровые приставки PlayStaion 4 и Xbox One S также поддерживают HDR. Далеко не все видеоигры выходят в этом формате, но наиболее масштабные проекты предоставят возможность полностью погрузиться в игру. Horizon 3 Uncharted 4 уже получили необходимые обновления, направленные на улучшение графики.

Формат Ultra HD Blu-Ray – еще одна новинка. Она также по умолчанию поддерживает HDR. Фильмы, выпущенные на носителях этого типа, можно воспроизводить на HDR-ТВ. Владельцы такой техники сполна оценят расширенный динамический диапазон и богатую палитру цветов. Высочайшее качестве темных и ярких участков экрана приятно удивит зрителя.

Стоит ли покупать телевизор с функциями HDR? Контента в этом формате предостаточно. Оно уже давно перестал быть редкостью. Поэтому можете смело покупать HDR-телевизор, чтобы насладиться реалистичным изображением.

Что нужно, чтобы насладиться качеством изображения HDR?

Сначала вам нужно подходящее оборудование, а затем вам нужен правильный видеоматериал. Устройство должно отвечать определенным требованиям. Вам следует позаботиться о следующих факторах:

• необходим 8K или 4K телевизор с 10-битными панелями, отвечающими за градацию цвета;
• высокая контрастность – чем выше, тем лучше;
• яркость 1000 кд / м^2 (оптимальное значение), но чем выше, тем лучше.

Телевизор Sony и другие модели с поддержкой HDR могут иметь дополнительные функции, которые также влияют на качество просматриваемого фильма или игры, а именно:

• разрешение 4K Ultra HD – 3840 × 2160 пикселей, благодаря чему видны даже мельчайшие детали;
• разъем HDMI 2.0 – хорошее решение при просмотре фильмов с других источников (для подключения используется специальный кабель).

Телевизор должен соответствовать определенным требованиям (стоит поискать этикетку UHD Premium), благодаря чему HDR-изображение не будет слишком тяжелым для приемника. Если пользователь хочет смотреть фильмы из Интернета, необходимо высокоскоростное соединение, которое достигает скорости не менее 25 Мбит / с. Чем лучше подключение к интернету, тем лучше качество транслируемой картинки.

Как активировать режим HDR в разных ТВ – инструкции и видео

Как включить HDR на телевизоре Samsung

Используйте кнопку «Назад» для выхода из текущего приложения или меню. Нажмите кнопку «Домой», чтобы открыть домашнюю страницу Smart Hub.

Нажмите кнопку «Домой» на пульте Самсунг, затем выберите «Настройки».

Пульт от телевизора Самсунг

• Выберите «Дополнительные настройки».

Кнопка настройки в меню телевизора

• Перейдите в «Режим HDR +».
  Настройки изображения
• Нажмите кнопку Enter / Select , чтобы активировать «Режим HDR +».

Настраиваем телевизор LG

1. Выберите в меню телевизора пункт «Настройки».
2. Найдите раздел «Общие».
3. Выберите HDMI ULTRA DEEP COLOR.
   HDMI ULTRA DEEP COLOR находится в настройках
4. Активируйте его, переведя в положение On.

Как подключить и настроить HDR в ТВ Sony

1. Выберите Настройки.
2. Выберите Внешние входы.
3. Выберите Формат сигнала HDMI.
4. Выберите HDR на вашем телевизоре.

Как творчески использовать HDR?

Многие энтузиасты используют не только HDR в сочетании с программным обеспечением, они пошли дальше. Они ставят перед собой задачу не создать реалистичный образ, они стремятся создать оригинальный художественный образ, который уже не выглядит реалистично. Полученный эффект аналогичен тому, который используется в гиперреалистичном стиле в живописи. Кому-то это нравится, а кому-то нет.

Изображение при наиболее яркой экспозиции

Как HDR влияет на производительность?

Тесты FPS по видеокартам AMD и NVIDIA позволяют увидеть разницу в производительности. Чаще всего включение HDR приводит к снижению частоты кадров в зависимости от реализации технологии в конкретной игре: от незначительной потери 0,4 FPS в Star Wars: Battlefront 2 на карте AMD до ощутимой просадки на 12 кадров в Destiny 2 на карте NVIDIA. Подробнее про FPS и влияние частоты кадров в секунду на ощущения от игр мы писали в другой статье.

Кроме снижения FPS, может увеличиваться задержка ввода. Input lag — критически важный фактор в киберспорте. Помимо этого, часто в телевизорах нельзя активировать игровой режим и HDR одновременно, придётся выбирать, что важнее — производительность или картинка.

Сложности производства контента в HDR

Технология HDR реализуется по-разному. Недорогие ЖК-дисплеи с заявленной функцией расширенного динамического диапазона нередко разочаровывают пользователей, которые ожидают увидеть картинку с богато детализированными объектами. Дешевый HDR эффект обычно выглядит как гало вокруг ярких областей или полосы света по экрану.

Создание контента в HDR – процесс, требовательный и к оборудованию, и к времени: необходимо понимание различных стандартов, цветового пространства и многого другого. Из-за этого лишь небольшое количество людей занимается разработкой HDR-контента для пользователей ПК и мобильных устройств, а его качество не сравнить с тем, что производится для HDR-телевизоров.

Разница между телевизорами с HDR и без

Сегодня HDR достаточно распространенная функция. Однако есть много телевизоров и без нее. Только в сравнении можно понять, каковы визуальные преимущества расширенного динамического диапазона и насколько он влияет на развитие технологий в сфере видео и продакшна.

Телевизоры с 4К пользуются спросом, так они могут отображать в 4 раза больше пикселей, чем панели с разрешением HD. Тем не менее, если сравнивать качество изображения, многие замечают, что на HDR-телевизорах палитра богаче, и быстро обновляющийся контент воспринимается приятнее.

4К указывает на количество пикселей, HDR определяет качество изображения.

4К без HDR имеет место быть, но смотрится не так эффектно. По иронии судьбы многие люди вообще не замечают прибавки в пикселях между Full HD и 4К, если в телевизоре присутствует поддержка HDR.

Определенные оттенки, например, перенасыщенные цвета, видны только на дисплеях с HDR. На обычных телевизорах, проекторах и мониторах они теряют насыщенность.

HDR – стоит ли своих денег?

Если вы подумываете о покупке телевизора, стоит рассмотреть модели с опцией HDR, потому что это в первую очередь создает дополнительные впечатления для человека, смотрящего фильмы и другие доступные программы. Превосходное качество воспроизведения и просмотра удовлетворит всех людей, которые имеют высокие ожидания и стандарты в отношении электронных устройств, предлагающих развлечения дома.

Эффект HDR на телевизоре предлагает множество преимуществ для пользователя, однако он доступен в нескольких стандартах. Поэтому стоит узнать их характеристики, а затем сделать выбор. HDR – это основа, которая воспроизводится на всех экранах. В этом случае можно использовать фильмы и программы из онлайн-сервисов, например Netflix и Amazon Video. Кроме того, вы можете смотреть фильмы, доступные на Canal + UltraHD.

Функция HDR в телевизорах также может работать в версиях HDR10 + и Dolby Vision, то есть в двух стандартах, которые более продвинуты, чем классическое решение. В их случае метаданные изображения сохраняются не для всех кадров, а для всего фильма в базовой модели. Это приводит к гораздо лучшему качеству и поддержке работы более слабых приемников.

Стоит ли своих денег HDR в сравнении, например, с SDR можно оценить по качеству картинки и описанию технологий

Выбор HDR-телевизора приносит зрителю много преимуществ. Прежде всего, высокие стандарты делают черный цвет более глубоким и четким.

Поэтому, если для вас важно качество просматриваемых материалов и вы задумываетесь о выборе подходящего приемника, стандарт HDR должен быть одним из критериев оценки. Отображаемые изображения очень естественны и в то же время привлекательны для зрителя.

Преимущества

Технология HDR обладает неоспоримыми преимуществами, которые заметны всегда. Если положительный эффект от повышенного разрешения для большинства людей будет очевиден только вблизи экрана или при большой диагонали, то расширенный динамический диапазон оценят все на любом адекватном расстоянии. Связно это с особенностями восприятия и человеческим зрением.

Преимущества телевизоров с HDR:

• яркая картинка – телевизоры с HDR демонстрируют сложные сцены, где яркость намного выше, чем у экранов классических моделей, при этом она может быть разной для отдельных объектов;
• цветовая насыщенность – расширенный спектр оттенков позволяет сделать изображение более насыщенным, глубоким и приятным для глаз, также это помогает режиссеру реализовать больше идей и продемонстрировать работу в желаемом виде;
• детализация – повышенный уровень яркости и цветовой насыщенности позволяют отображать большее число деталей в кадре, что делает изображение наполненным и красивым.

На 100% реализовать потенциал расширенного динамического диапазона могут только премиальные модели телевизоров. Однако даже бюджетные варианты с HDR10 обладают теми же преимуществами, но чуть менее выраженными.

Недостатки HDR

HDR отлично смотрится на тестовых видеороликах и программах о природе, но при просмотре обычных фильмов его преимущества не так очевидны.

Через некоторое время видео в HDR начинает казаться неестественным, слишком ярким и контрастным, глаза устают. Есть вероятность, что вина кроется в создателях фильма, которые в погоне за яркой картиной заходят слишком далеко.

Любой яркий экран в темной комнате – серьезная нагрузка для глаз. HDR с его повышенной насыщенностью лишь усугубляет проблему. Вот почему именитые производители встраивают в устройства несколько уровней диапазонов для разных видов освещения.

Есть нюансы и в маркетинге: специалисты называют HDR весомым бонусом при покупке телевизора, но скромно умалчивают, что в 4К ТВ уже есть 10-битная матрица с хорошими яркостью и контрастностью и на все устройства уже более 10 лет ставится локальная подсветка.

Подытожим

HDR сейчас напоминает гонку технологий. Все крупные производители пытаются сделать превосходящие конкурентов стандарты, что приводит к появлению HDR практически в любом современном дисплее.

Если вы соревнуетесь в киберспорте и для вас важнее скорость отклика и частота кадров, разумнее всего будет играть без HDR и не терять драгоценные миллисекунды. Если играете в одиночные игры или мультиплеер для вас — развлечение, а не спорт, HDR сделает картинку реалистичнее и усилит эффект погружения.