Видеокамеры с широким динамическим диапазоном

Видеокамеры с широким динамическим диапазоном (WDR) предназначены для обеспечения качественного изображения при встречной засветке и наличии в кадре как очень ярких, так и очень темных областей и деталей. При этом яркие области не насыщаются, а темные не отображаются слишком темными. Такие камеры обычно рекомендуются для организации наблюдения за объектом, находящимся напротив окон, в освещенном сзади проеме двери или ворот, а также при большом контрасте объектов.

Динамический диапазон видеокамеры обычно определяется как отношение самого яркого фрагмента изображения к самому темному фрагменту того же самого изображения, то есть в пределах одного кадра. Это отношение по-другому называется максимальным контрастом изображения.

Проблема динамического диапазона

К сожалению, реальный динамический диапазон видеокамер строго ограничен. Он существенно у"же динамического диапазона большинства реальных объектов, ландшафтов и даже сцен кино и фотографии. Кроме того, условия применения видеокамер наблюдения в части освещения зачастую далеки от оптимальных. Так, интересующие нас объекты могут быть расположены на фоне ярко освещенных стен и предметов или встречного (контро-вого) света. В этом случае объекты или их детали на изображении будут слишком темными, так как видеокамера автоматически адаптируется к высокой средней яркости кадра. В некоторых ситуациях на наблюдаемой "картинке" могут иметь место яркие пятна со слишком большими градациями яркости, которые трудно передаются стандартными камерами. Например, обычная улица при солнечном освещении и с тенями от домов имеет контраст от 300:1 до 500:1, для темных пролетов арок или ворот с освещенным солнцем фоном контраст достигает 10 000:1, внутренность темной комнаты против окон имеет контраст до 100 000:1.

Ширина результирующего динамического диапазона ограничивается несколькими факторами: диапазонами самого датчика (фотоприемника), обрабатывающего процессора (DSP) и дисплея (видеоконтрольного устройства). Типовые CCD (ПЗС-матрицы) имеют максимальный контраст не более 1000:1 (60 дБ) по интенсивности. Самый темный сигнал ограничен тепловым шумом или "темновым током" датчика. Самый яркий сигнал ограничен суммой заряда, который может быть накоплен в отдельном пикселе. Обычно CCD построены так, что этот заряд составляет приблизительно 1000 темновых зарядов, обусловленных температурой CCD.

Динамический диапазон может быть существенно увеличен для специального применения камер, например для научных или астрономических исследований, путем охлаждения CCD и применения специальных систем считывания и обработки. Однако такие методы, будучи очень дорогими, не могут использоваться широко.

Как указывалось выше, множество задач требует размера динамического диапазона 65-75 дБ (1:1800-1:5600), поэтому при отображении сцены даже с диапазоном в 60 дБ детали в темных областях потеряются в шуме, а детали в ярких областях — из-за насыщения, либо диапазон будет обрезан сразу с двух сторон. Системы считывания, аналоговые усилители и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) для видеосигнала в режиме реального времени ограничивают сигнал CCD до динамического диапазона в 8 бит (48 дБ). Такой диапазон может быть расширен до 10-14 бит за счет использования соответствующих АЦП и обработки аналогового сигнала. Однако зачастую это решение оказывается непрактичным.

Другой альтернативный тип схемы использует нелинейное преобразование в виде логарифмической функции или ее аппроксимации для сжатия 60 дБ выходного сигнала CCD до диапазона в 8 бит. Обычно такие методы подавляют детали изображения.

Последний (указанный выше) фактор ограничения — вывод картинки на дисплей. Динамический диапазон для нормального CRT-монитора, работающего в освещенной комнате, составляет около 100 (40 дБ). LCD-монитор еще более "ограничен". Сигнал, сформированный видеотрактом и даже ограниченный до контраста 1:200, будет уменьшен в динамическом диапазоне при показе. Чтобы оптимизировать показ, пользователь часто должен регулировать контраст и яркость монитора. И если он хочет получить изображение с максимальным контрастом, придется пожертвовать частью динамического диапазона.

Типовые решения

Имеются два основных технологических решения, которые используются, чтобы обеспечить видеокамеры расширенным динамическим диапазоном:

• множественное отображение кадра — видеокамера захватывает несколько полных изображений или его отдельных областей. При этом каждая "картинка" отображает различную область динамического диапазона. После чего камера объединяет эти различные изображения, чтобы воспроизвести единое изображение с расширенным динамическим диапазоном (WDR);
• использование нелинейных, обычно логарифмических, датчиков — в этом случае степень чувствительности при различных уровнях освещения различна, что позволяет обеспечить широкий динамический диапазон яркости изображения в одном кадре.

Применяются разные комбинации этих двух технологий, но наиболее распространенная — первая.

Для получения одного оптимального изображения из нескольких используется 2 метода:

• параллельное отображение двумя или более датчиками изображения, сформированного общей оптической системой. В этом случае каждый датчик захватывает различную часть динамического диапазона сцены за счет различного времени экспонирования (накопления), различного оптического ослабления в индивидуальном оптическом тракте или за счет использования датчиков различной чувствительности;
• последовательное отображение изображения единственным датчиком с различными временами экспонирования (накопления). В крайнем случае производится по крайней мере два отображения: одно с максимальным, а другое — с более коротким временем накопления.

Последовательное отображение, как наиболее простое решение, обычно используется в промышленности. Длительное накопление обеспечивает видимость наиболее темных частей объекта, однако самые яркие фрагменты могут не прорабатываться и даже приводить к насыщению фотоприемника. Картинка, получаемая с малым накоплением, адекватно отображает светлые фрагменты изображения, не прорабатывая темные области, находящиеся на уровне шума. Сигнальный процессор изображения камеры объединяет обе картинки, беря яркие части от "короткой", а темные части от "длительной" картинки. Алгоритм комбинации, позволяющий создавать гладкое изображение без шва, достаточно сложен, и мы не будем здесь его касаться.

Первыми представила концепцию объединения двух цифровых изображений, полученных при разном времени накопления, в единое изображение с широким динамическим диапазоном группа разработчиков во главе с профессором И.И. Зиви из компании "Tech-nion", Израиль. В 1988 г. концепция была запатентована ("Камера широкого динамического диапазона" Y.Y. Zeevi, R. Ginosar и O. Hilsenrath), а в 1993 г. ее применили при создании коммерческой медицинской видеокамеры.

Современные технические решения

В современных камерах для расширения динамического диапазона на основе получения двух изображений в основном применяются матрицы Sony двойного сканирования (Double Scan CCD) ICX 212 (NTSC), ICX213 (PAL) и специальные процессоры для обработки изображения, например SS-2WD или SS-3WD. Примечательно, что такие матрицы невозможно обнаружить в ассортименте SONY и не все производители указывают на их использование. На рис. 1 схематически представлен принцип двойного накопления. Время указано по формату NTSC.

Из диаграмм видно, что если типовая камера накапливает поле 1/60 с (PAL-1/50 с), то камера WDR составляет поле из двух изображений, полученных путем накопления, за 1/120 с (PAL-1/100 с) для мало освещенных деталей и за период от 1/120 до 1/4000 с для сильно освещенных деталей. На фото 1 представлены кадры с разным экспонированием и результат суммирования (обработки) режима WDR.

Эта технология позволяет "довести" динамический диапазон до 60-65 дБ. К сожалению, числовые значения WDR, как правило, приводятся только производителями верхней ценовой категории, остальные же ограничиваются информацией о наличии функции. Имеющаяся регулировка градуирована обычно в относительных единицах. На фото 2 представлен пример сравнительной отработки типовой и камерой WDR встречного света от стеклянной витрины и дверей. Встречаются модели телекамер, в документации на которые указано, что они работают в режиме WDR, но нет упоминания о требуемой специальной элементной базе. В этом случае, естественно, может возникать вопрос, является ли заявленный режим WDR таким, каким мы ожидаем? Вопрос справедлив, поскольку даже в сотовых телефонах уже применяется режим авторегулирования яркости изображения встроенного фотоаппарата, называемый WDR. С другой стороны, встречаются модели с заявленным режимом расширения динамического диапазона, названным как Easy Wide-D или EDR, которые работают с типовыми CCD. Если в данном случае указывается величина расширения, то она не превышает 20-26 дБ. Одним из способов расширения динамического диапазона является применяемая сейчас компанией Panasonic технология Super Dinamic III. Она также основана на двойном экспонировании кадра за 1/60 с (1/50С-PAL) и 1/8000 с (с последующим анализом гистограмм, разделением картинки на четыре варианта с различной гамма-коррекцией и их интеллектуальным суммированием в DSP). На рис. 2 представлена обобщенная структура этой технологии. Подобная система расширяет динамический диапазон до 128 раз (на 42 дБ).

Наиболее перспективной технологией расширения динамического диапазона телекамеры на сегодня является технология Digital Pixel System™ (DPS), разработанная в Стен-фордском университете в 1990-х гг. и запатентованная компанией PIXIM Inc. Основным нововведением для DPS является использование AЦП для переведения величины фотозаряда в ее цифровое значение непосредственно в каждом пикселе сенсора. CMOS(КМОП)-матрицы сенсора препятствуют ухудшению качества сигнала, что увеличивает общее отношение сигнал/шум. Технология DPS позволяет вести обработку сигнала в режиме реального времени.

Технология PIXIM использует метод, известный как мультисемплинг (многократная выборка), что позволяет сформировать изображение высочайшего качества и обеспечить широкий динамический диапазон преобразователя (свет/сигнал). В технологии PIXIM DPS используется пятиуровневый мультисемплинг, это позволяет получать сигнал от сенсора с одним из пяти значений экспозиции. Во время экспонирования производится измерение величины освещенности каждого пикселя кадра (для стандартного видеосигнала — 50 раз в секунду). Система обработки изображения определяет оптимальное время экспонирования и сохраняет полученное значение до того, как произойдет перенасыщение пикселя и прекратится дальнейшее накопление заряда. Рис. 3 поясняет принцип адаптивного накопления. Значение светлого пикселя сохранено при времени экспонирования Т3 (перед насыщением пикселя на 100%). Темный пиксель накапливал заряд более медленно, что требовало дополнительного времени, его значение сохранено при времени Т6. Сохраненные значения (интенсивность, время, уровень шума), измеренные в каждом пикселе, одновременно обрабатываются и преобразуются в высококачественное изображение. Поскольку у каждого пикселя есть свой встроенный АЦП и параметры освещенности измерены и обработаны независимо, то каждый пиксель в действительности действует как отдельная камера.

Системы формирования изображения PIXIM, основанные на технологии DPS, состоят из цифрового сенсора изображения и процессора обработки изображения. В современных цифровых сенсорах используется квантование в 14 и даже в 17 бит. Относительно невысокая чувствительность, как основной недостаток CMOS-технологии, характерна и для DPS. Типовая чувствительность камер этой технологии ~1 лк. Типовое значение отношения сигнал/шум для формата 1/3" составляет 48-50 дБ. Заявляемый максимальный динамический диапазон — до 120 дБ с типовым значением 90-95 дБ. Возможность регулирования времени накопления для каждого пикселя матрицы сенсора позволяет при формировании изображения использовать такой уникальный метод обработки сигнала, как метод выравнивания локальных гистограмм, позволяющий резко повысить информативность изображения. Технология позволяет полностью компенсировать засветку фона, выделить детали, оценить пространственное положение объектов и деталей, находящихся не только на переднем, но и на заднем плане изображения. На фото 3, 4 и 5 приведены кадры, полученные типовой CCD-камерой и камерой PIXIM.

Практика

Итак, можно сделать вывод о том, что сегодня при необходимости вести видеонаблюдение в сложных условиях высококонтрастного освещения можно подобрать телекамеру, достаточно адекватно передающую весь диапазон яркости объектов. Для этого наиболее предпочтительно использование видеокамер с технологией PIXIM. Довольно хорошие результаты обеспечивают системы на основе двойного сканирования. Как компромисс можно рассматривать дешевые телекамеры на основе типовых матриц и электронных систем EWD и многозонной BLC. Естественно, желательно использовать оборудование с оговоренными величинами характеристик, а не только с упоминанием наличия того или иного режима. К сожалению, на практике результаты работы конкретных моделей не всегда соответствуют ожиданиям и рекламным заявлениям. Но это тема для отдельного разговора.

Индустрия производства развивается с высокой скоростью. Каждый год на выставках производители представляют новейшие технологии, позволяющие улучшить телевизоры и убедить людей, что пришло время для обновления.

Эволюция

Последние несколько лет провели нас от моделей с экранами на электронно-лучевой трубке до тонких телевизоров. Наблюдался взлет плазменных панелей и их падение. Затем пришла эра высокой четкости, полная поддержка HD и Ultra HD. Были эксперименты и с популярным трехмерным форматом, а также с формой экрана: его делали то плоским, то изогнутым. И вот наступил новый виток этой телевизионной эволюции - телевизоры с HDR. Именно 2016 год стал новой эрой в телевизионной промышленности.

в телевизоре?

Данная аббревиатура расшифровывается как «расширенный динамический диапазон». Технология дает возможность с максимальной точностью приблизить созданную картинку к тому, что человек видит в реальной жизни. Сам по себе наш глаз воспринимает сравнительно маленькое число деталей на свету и в тенях в один момент времени. Но после того как зрачки адаптируются к текущим условиям освещения, их чувствительность увеличивается почти вдвое.

Фотоаппараты и телевизоры с HDR: в чем отличия?

В обоих видах техники задача данной функции является одинаковой - с максимальной достоверностью передать окружающий мир.

Из-за ограничений матриц фотокамер делают несколько снимков с различной экспозицией. Один кадр является очень темным, другой - немного светлее, еще два - очень светлые. Все они потом соединяются при помощи специальных программ вручную. Исключением являются фотоаппараты со встроенной функцией склеивания кадров. Смыслом данной манипуляции является вытаскивание всех деталей из теней и светлых областей.

Телевизоры с поддержкой HDR производители сделали акцентированными на яркости. Так, в идеале устройство должно быть способно в произвольной точке выдавать значение в 4000 кандел на квадратный метр. Но при этом детализация в тенях не должна быть завалена.

Для чего нужен HDR?

Самыми важными параметрами для качества отображаемой картинки являются точность цветопередачи и контрастность. Если поставить рядом 4K-телевизор с HDR-телевизором, который имеет лучшую цветопередачу и увеличенный диапазон контрастности, то большая часть людей остановит свой выбор на втором варианте. Ведь на нем картинка выглядит менее плоско и более реалистично.

Телевизоры с HDR обладают увеличенной градацией, что позволяет получить большее число оттенков различных цветов: красного, синего, зеленого, а также их комбинаций. Таким образом, смыслом моделей с HDR является отображение более контрастной и полноцветной картинки, чем у других телевизоров.

Возможные проблемы

Для того чтобы в полной мере насладиться всеми плюсами технологии, к сожалению, нужны не только телевизоры с HDR, но и контент, который будет соответствовать технологии. В принципе, телевизоры с расширенным динамическим диапазоном изображения делают уже вполне качественно. Яркость моделей поднята в два раза, а подсветка стала локальной и прямой, то есть в одном кадре могут с различной яркостью подсвечиваться разные фрагменты. Самый с HDR является не совсем дешевым. Его стоимость - около 160 тысяч рублей. Эта модель - телевизор Sony. С HDR есть 55-дюймовый и 65-дюймовый экраны. К сожалению, бюджетные модели имеют недостаточную пиковую яркость, а подсветка в них не регулирует произвольные области матрицы. Также у них очень скромное количество передаваемых оттенков цветов.

Сложность использования старых моделей заключается в том, что эффект может быть противоположным тому, который задумал режиссер при съемке своего творения. Ведь совместно с колористами была разработана цветовая схема, а кадры были окрашены с использованием обширной палитры цветов, предоставленных специальным стандартом в кинематографе. Предыдущие модели телевизоров с таким стандартом не работают, так как не способны отобразить некоторые оттенки. Именно поэтому телевизионные версии фильмов смотрятся более бледно, чем должны.

Новые телевизоры с поддержкой HDR могут менять цветовую схему таким способом, как им захочется, применяя свои собственные алгоритмы, которые о видении режиссера не знают. По этой причине создатели придумали технологию, при которой совместно с видеосигналом передаются специальные метаданные, содержащие информацию с алгоритмами изменения картинки под телевизоры с функцией HDR. Теперь устройство знает, где необходимо осветлить, а где затемнить, а также то, в какие моменты нужно добавить какой-то оттенок. И если модель телевизора поддерживает такие возможности, то картинка будет выглядеть точно так, как хотел режиссер.

Контент скоро появится

На текущий момент времени телевизоры с HDR имеют ничтожно малое количество контента. Так, всего несколько названий предоставлено сервисами онлайн-видео, а также последний эпизод фильма «Звездные войны» снят и отредактирован в формате, похожем на HDR. Из-за этого может сформироваться мнение, что нет смысла в покупке телевизоров, поддерживающих расширенный динамический диапазон.

Однако это не так. Есть компании, которые предоставляют возможности для того, чтобы конвертировать видеоконтент в псевдо-HDR. Конечно, это не делается нажатием на одну кнопку, которая моментально в автоматическом режиме улучшит изображение без всякой посторонней помощи. Но есть набор утилит, которые во много раз облегчат работу, связанную с восстановлением задуманной режиссером и колористами цветовой схемы. А это значит, что со временем объемы контента высокого качества будут увеличиваться.

Варианты HDR

Так же как и с ранее выходившими технологиями HD и Blu-Ray, есть несколько мнений о том, как все должно быть реализовано. Поэтому HDR поделился на форматы. Самым распространенным является формат HDR10. Он поддерживается всеми телевизорами с HDR. В данном формате метаданные целиком присоединены к видеофайлу.

Следующий варианта - это Dolby Vision. Тут каждая сцена обрабатывается отдельно. Картинка из-за этого выглядит лучше. В России такой вариант поддерживается только телевизорами от LG. Проигрывателей с его поддержкой пока нет, так как современные модели слабы, и их процессоры не могут потянуть такую нагрузку. Владельцы же моделей с HDR10 с выходом обновлений получат обработку видео, приближенную к DV.

Требования

В 2016 году HDR-телевизоры стали массово появляться на рынке. Почти каждое устройство с поддержкой 4K может понимать этот формат. Но, к сожалению, понимать - это одно, а правильно отображать - совсем другое.

Идеальный вариант - это телевизор с OLED-матрицей и поддержкой 4K, который способен делать любой пиксель максимально ярким или же затемнять его. Подойдут и модели, обладающие ковровой подсветкой из светодиодов, которые индивидуально либо в группах регулируют яркость своих областей матрицы.

Обновление

Если ваш телевизор поддерживает технологию HDMI 2.0, то есть очень большая вероятность, что в ближайшее время будет получено программное обновление до нового стандарта, который нужен для того, чтобы передавать метаданные. Эти два стандарта полностью совместимы физически. Разница заключается лишь в способах программной обработки видеопотока.

Как это самое обновление получить, если оно не пришло автоматически? Необходимо зайти в настройки телевизора и выбрать пункт "Поддержка". Здесь должна быть возможность обновления, при выборе которой нужно будет подтвердить действие и выбрать загрузку по сети. Далее система сама отыщет новую прошивку и предложит ее установить.

Вывод

Как уже было сказано в начале статьи, большее число людей выберут полноцветную картинку, а не изображение с высоким разрешением. Это вполне логично. Ведь много пикселей - это, несомненно, хорошо, но еще лучше, когда пиксели хорошие. Список телевизоров с поддержкой HDR пока невелик. Такие модели есть у LG, Sony и Samsung.

Развитие технологии кажется значительно более перспективным, чем гонка за разрешением. На последних телевизионных выставках анонсированы новые модели, которые должны не только поддерживать высочайшее разрешение, но и давать высокую яркость, а также демонстрировать определенные уровни черного цвета и охватывать большое число оттенков. Нужно отметить, что формат HDR по умолчанию заявлен во множестве моделей, которые выйдут в 2017 году. Проблема может заключаться лишь в стандартах. Производителям контента и телевизоров нужно ее решать, и текущий год, судя по всему, будет посвящен именно этому.

Таким образом, мы выяснили, что такое HDR в телевизоре, для чего нужна эта технология, какие у нее преимущества и недостатки. Конечно, на сегодняшний день нельзя настоятельно рекомендовать любителям телевидения переходить на новые модели, так как технология все еще находится на стадии развития. Но, зная современные темпы развития, можно с уверенностью сказать, что через год HDR достигнет качественно иного уровня и все больше людей начнут приобретать телевизоры, поддерживающие расширенный диапазон. К этому времени производители контента как раз смогут произвести большое число фильмов и сериалов в формате HDR, и просмотр телевизора будет приносить еще большее любителям красивой картинки.

Как известно, широкий динамический диапазон - один из главных элементов кинематографического изображения.

Так сложилось потому, что большинство из нас, осознанно или нет, воспринимает определение «кинематографичный» как синоним «снятый на пленку». Пленочные кадры традиционно обладали более широким динамическим диапазоном, чем цифровые изображения. За исключением обращаемых фотоматериалов, но это совсем другая история.

До определенного момента, когда камеры, вроде , доказали, что широкий динамический диапазон возможен и при цифровой съемке, она ассоциировалась у нас с материалом низкого качества со множеством артефактов, в том числе и на ярких участках кадра.

За пять лет многое изменилось. Теперь меньше, чем за тысячу долларов, мы можем купить модели (например, ), демонстрирующие динамический диапазон, не сильно уступающий пленочному. Это дало режиссерам малобюджетного кино больше свободы, ведь они всегда стремились к качественному изображению, но у них просто не было денег на пленку.

Но одновременно у явления появились побочные эффекты.

В условиях, когда на динамический диапазон делают большой акцент, многие боятся жертвовать им на цветокоррекции, даже если речь идет об определенном стиле.

Вероятнее всего, это последствия подхода производителей камер к их маркетинговым кампаниям, которые вдолбили людям в голову, что широкий динамический диапазон равняется .

Но это не совсем так.

Конечно, при съемке важно сохранять как можно больше цветов, но вовсе не обязательно их все оставлять на постпродакшне. Наоборот, подобное стремление может дать результат, прямо противоположный кинематографическому.

Фильм - это не только то, что вы видите. Это еще и то, что от вас скрыто.

Часто высококонтрастное изображение с уменьшенным динамическим диапазоном лучше запоминается зрителю, обращает на себя внимание. Если вы видите каждую деталь на темных и светлых участках, пространства для воображения уже не остается. Часто такие кадры выглядят искусственно и неестественно. Или, что еще хуже, скучно.

Посмотрите на два снимка, которые я сделал на в RAW. Первое я отредактировал таким образом, чтобы на нем сохранился весь динамический диапазон. Второе же я стремился сделать интереснее, пусть даже это стоило мне многих деталей изображения.

Конечно, все это дело вкуса, но я всегда выберу второе. Гораздо интереснее, когда ты не видишь сразу все и используешь динамический диапазон - или его нехватку - чтобы погрузить зрителя в кадр.

По аналогии вспомним глубину резкости.

В некоторых случаях отлично работает большая глубина резкости (зритель получает возможность одинаково четко воспринимать изображение целиком), но чаще выборочный фокус все же предпочтительнее, так как помогает направить взгляд к действительно важной части кадра. Это гораздо ближе к человеческому восприятию.

Многие режиссеры и операторы понимают это, однако далеко не все работают с динамическим диапазоном по той же логике.

Возможно, переизбыток широкого динамического диапазона в современном кинематографе привел к тому, что многие начали пытаться его сохранить во что бы то ни стало. Они буквально помешаны на том, чтобы технически передать все детали в тенях и светлых участках, забывая самый главный вопрос: «Как зритель воспримет это изображение?».

Часто при просмотре современных фильмов возникает ощущение, что перед тобой - необработанный материал со съемок. Все потому, что авторы используют контраст с осторожностью, чтобы не повредить динамическому диапазону, и в результате получают плоское изображение.

Это не значит, что подобный стиль не имеет права на существование. При выборе эстетической составляющей нет верных или неверных решений. Однако все они должны в первую очередь служить истории.

Спросите себя: передает ли подобное плоское изображение нужную вам атмосферу? Если да - отлично. Если нет - не пытайтесь продемонстрировать максимальный динамический диапазон просто потому, что ваша камера на это способна. Да, это важное качество сенсора современных камер, и оно не раз влияло на мой выбор при покупке. Но в первую очередь это нужно для того, чтобы на постпродакшне у меня был выбор.

Допустим, я собираюсь провести тщательную цветокоррекцию. Это значит, что изображение с широким динамическим диапазоном позволит мне оставить именно те цвета и детали, которые я хочу видеть в результате. Даже если в финальном материале будут непроглядные тени и засвеченные участки, которые я мог бы заснять даже на камеру с восемью ступенями, я все равно предпочту 13 или 14, чтобы поэкспериментировать.

Все дело в выборе.

В качестве заключения скажу вот что. Хорошее кино рождается из интересных решений. Не позволяйте производителям камер указывать вам, что такое кинематографичное изображение. Прислушивайтесь к себе и решайте сами, что вы считаете для себя привлекательным. Если вам нравится плоское изображение - отлично. Но не менее интересным может быть и кадр с небольшим динамическим диапазоном, особенно если того требует история.

Изображения с расширенным динамическим диапазоном (High dynamic range - HDR) позволяют фотографам отобразить больше тональных деталей, чем камера способна запечатлеть в одном снимке. Новая функция «Слияние в HDR» в Photoshop позволяет фотографу объединить серию экспозиций, снятых с брекетингом, в одно изображение, которое содержит в себе тональные детали из всей серии.

Однако тут есть свои подводные камни: расширение тонального диапазона неизбежно происходит за счёт снижения контрастности отдельных тонов. Благодаря умению использовать HDR в Photoshop вы можете извлечь максимум из вашего динамического диапазона в сложных условиях освещённости, сохранив при этом разумную контрастность.

Мотивация: дилемма динамического диапазона

По мере того как цифровые сенсоры достигают всё большего разрешения и, соответственно, меньших размеров пикселей, динамический диапазон от этого никак не выигрывает. В частности, это заметно при использовании компактных цифровых камер с разрешением порядка 8 мегапикселей, т.к. они более подвержены засветкам или шумам в тенях. Корме того, в некоторых случаях диапазон яркостей больше, чем современные цифровые камеры в состоянии передать.

Но есть и «хорошие новости» - практически любая камера в состоянии охватить большой динамический диапазон, просто не за один снимок. Меняя выдержку, большинство цифровых камер могут изменить количество света, попавшего на сенсор, в 50 000 раз или более. Другими словами, нам нужно сделать кадры с разным динамическим диапазоном и наложить их.

Когда использовать HDR

Я предложил бы использовать HDR, только когда распределение яркости в кадре не может быть скомпенсировано за счет использования градиентного фильтра (GND), т.к. эти фильтры расширяют динамический диапазон, сохраняя при этом локальный контраст. Идеально подходят для применения градиентных фильтров кадры с простой геометрией освещения, такой как линейный переход от света к тени, который часто встречается в пейзажной фотографии (где относительно тёмная земля переходит в яркое небо).

Кадр, в котором яркость не может быть легко скомпенсирована с использованием фильтра GND, показан на примере взгляда из арки.

На снимке видно примерно три тональных области с резкими переходами на границах - соответственно, требуется специальный градиентный фильтр. Глядя на эту картину глазами, мы могли бы различить детали как внутри арки, так и вне её, поскольку наши глаза адаптируются к изменениям яркости. Цель применения HDR в данном случае - лучше представить, что мы могли бы увидеть своими глазами, посредством техники, называемой тональным отображением.

Внутренняя обработка файла HDR

Photoshop создаёт файл HDR, используя информацию EXIF каждого из снимков серии, чтобы определить длину выдержки, диафрагму и чувствительность ISO. В дальнейшем эта информация используется для оценки количества света, полученного из каждой части изображения. Поскольку этот свет может существенно варьироваться по интенсивности, Photoshop создаёт файл HDR, используя для описания каждого из каналов цветов 32 бита. Преимуществом является то, что в файлах HDR эти добавленные биты используются для создания относительно широкой шкалы яркостей, которую можно скорректировать для вашего изображения. Важное отличие состоит в том, что эти добавочные биты используются иначе, чем таковые в 16-битных изображениях, которые всего лишь определяют оттенки более точно. Обычные 8 и 16-битные изображения мы будем далее обозначать как малодиапазонные (low dynamic range - LDR) по сравнению с 32-битными.

Почему бы просто не добавлять больше бит, чтобы определить соответствующий большой динамический диапазон? В обычных файлах форматов LDR гораздо больше бит используется на разницу в светлых тонах, чем в тёмных. В результате по мере увеличения числа бит всё большая их часть будет потрачена на более точное описание цвета вместо расширения динамического диапазона.

Дополнительные биты, которые обеспечивает нам формат HDR, великолепны и позволяют нам по сути отображать практически бесконечный диапазон яркостей. Проблема в том, что дисплей вашего компьютера (или итоговый фотоотпечаток) может передать только ограниченную шкалу яркости. Данная глава соответственно фокусируется на том, как создать файлы HDR и впоследствии преобразовать их в обычное 8 или 16-битное изображение, которое можно посмотреть на экране монитора или отправить на печать. Этот процесс обычно называют тональным отображением.

Подготовка почвы

Поскольку создание HDR-изображения требует серии экспозиций с идентичным позиционированием, важна стабильность штатива. Photoshop имеет функцию, которая пытается выравнивать изображения в случае, если камера перемещалась между снимками, однако наилучшие результаты достигаются, если на неё не рассчитывать.

Не забудьте сделать как минимум три экспозиции, хотя для оптимальной точности рекомендуется пять. Увеличение числа экспозиций позволяет алгоритму HDR лучше оценить, как ваша камера преобразует свет в цифровые значения (кривую чувствительности цифрового сенсора)- создавая более равномерное тональное распределение. Пример с видом из арки лучше решается несколькими промежуточными экспозициями в дополнение к двум показанным ранее.

Важно, чтобы на наиболее тёмной из экспозиций не было засветов в областях, где вы хотите сохранить детали. Наиболее яркая экспозиция должна показывать самые тёмные области изображения с достаточно высокой яркостью, чтобы они были относительно бесшумны и чётко видны. Каждая экспозиция должна быть отделена от соседней одной-двумя ступенями, и в идеале они должны быть получены изменением выдержки, а не диафрагмы или чувствительности ISO. Помните, что каждая ступень диафрагмы означает увеличение (+1 ступень) или сокращение (-1 ступень) пропускаемого света вдвое.

Есть ещё один недостаток HDR-изображений: они требуют относительно статического предмета съёмки в связи с необходимостью получения нескольких независимых экспозиций. Предыдущий пример с океаном на закате, следовательно, был бы не слишком уместен для использования техники HDR, поскольку волны значительно смещались бы между экспозициями.

Создание 32-битного файла HDR в Photoshop

Мы используем Adobe Photoshop, чтобы преобразовать последовательность экспозиций в одно изображение, которое использует тональное отображение для передачи того, что мы могли бы увидеть своими глазами. Прежде чем тональное отображение станет возможно, нам потребуется объединить все экспозиции в один 32-битный файл HDR.

Откройте инструмент HDR (File>Automate>Merge to HDR) и загрузите все экспозиции; для показанного выше примера использовалось четыре снимка. Если снимки не были сделаны со стабильного штатива, на этом шаге может потребоваться включить выравнивание (Attempt to Automatically Align Source Images), что существенно увеличивает время обработки. Нажав «OK», вы вскоре увидите сообщение «Расчёт функции чувствительности камеры» (Computing Camera Response Curves).

Когда компьютер закончит обработку, он покажет окно с комбинированной гистограммой. Photoshop вычисляет точку белого, но в результате его вычислений яркие части изображения зачастую оказываются засвечены. Вы можете сдвинуть точку белого к правой границе пиков гистограммы, чтобы получить все яркие детали. Полученное значение применяется только в целях просмотра, его потребуется определить более точно позже. Нажав «OK», вы получите 32-битное HDR-изображение, которое можно в этот момент сохранить. Учтите, что изображение может в этот момент выглядеть достаточно тёмным; только после преобразования в 16 или 8-битное изображение (с использованием тонального отображения) оно станет более похожим на желаемый результат.

На этом этапе, в виде 32-битного файла HDR, к изображению могут быть применены лишь немногие способы обработки, так что хранить его в таком виде иначе, как в целях архивации, практически бесполезно. Одноа из доступных функций - компенсация экспозиции (Image>Adjustments>Exposure). Вы можете попробовать увеличить экспозицию, чтобы увидеть все скрытые детали в тенях, или уменьшить её, чтобы увидеть все скрытые яркие детали.

Использование тонального отображения HDR в Photoshop

В Adobe Photoshop преобразуем 32-битное HDR-изображение в 16 или 8-битный файл LDR, применив тональное отображение. Это потребует от нас принципиальных решений о типе тонального отображения, в зависимости от предмета съёмки и распределения яркости в фотографии.

Запустите преобразование изображения в обычное 16-битное (Image>Mode>16 Bits/Channel), и вы увидите инструмент преобразования HDR. Можно выбрать один из четырёх методов тонального отображения, как описано ниже.

Экспозиция и гамма

Этот метод даёт вам возможность скорректировать экспозицию и гамму вручную, что служит эквивалентом изменения яркости и контраста, соответственно.

Компрессия яркости

У этого метода нет параметров настройки, он применяет специальную тональную кривую, которая значительно сокращает контраст ярких частей, чтобы высветлить и сохранить контраст в остальном изображении.

Эквализация гистограммы

Этот метод пытается перераспределить гистограмму HDR в диапазон контрастности обычного 16 или 8-битного изображения. В нём применяется специальная тональная кривая, которая растягивает пики гистограммы, так чтобы она стала более однородной. Обычно это наилучшим образом работает для гистограмм, в которых есть несколько относительно узких пиков без пикселей в промежутках.

Локальная адаптация

Наиболее гибкий метод и, пожалуй, наиболее часто используемый фотографами. В отличие от трёх предыдущих, этот метод меняет яркость частей изображения на попиксельной основе (аналогично повышению локального контраста). Тем самым глаз обманывается, полагая, будто контрастность изображения выше, что зачастую критично для потерявших контрастность HDR-изображений. Этот метод позволяет изменять тональную кривую для лучшего соответствия изображению.

Прежде чем использовать любой из этих методов, сперва может быть полезно определить точки белого и чёрного, используя движки на гистограмме изображения. Нажмите на двойную стрелку рядом с пунктом «Тональные кривые и гистограмма» (Toning Curve and Histogram), чтобы получить гистограмму изображения и движки.

Напоследок хотим рассказать о параметрах настройки метода «локальной адаптации», т.к. он, вероятно, является наиболее используемым и обеспечивает максимальную степень свободы.

Тональная иерархия и контрастность изображения

В отличие от трёх остальных методов преобразования, локальная адаптация необязательно сохраняет общую иерархию тонов. Она транслирует интенсивности пикселей не цельной тональной кривой, а с учётом значений окружающих пикселей. Это означает, что в отличие от использования тональной кривой, тона на гистограмме могут быть не просто растянуты и сжаты, но могут и пересекаться в позициях. Визуально это означает, что часть изображения, которая изначально была темнее другой, может получить аналогичную яркость или даже стать ярче - пусть даже не на много.

Очевидным примером случая, когда тональная иерархия сохраняется, является использование градиентного фильтра для расширения динамического диапазона (хотя это не является примером работы локальной адаптации). В этом примере, несмотря на то что морская пена и блестящие камни на переднем плане в действительности темнее, чем поверхность океана на расстоянии, итоговое изображение передаёт океан вдалеке как более тёмный. Ключевая концепция состоит в том, что при переходе к дальней части картины наши глаза адаптируются к изменению яркости (как при взгляде на яркое небо), тогда как на ближней дистанции адаптироваться незачем. Имитация этой характеристики зрения может рассматриваться как цель метода локальной адаптации - в частности, для распределений яркости, которые более сложны, чем простой вертикальный переход, как на берегу океана на закате.

Пример более комплексного распределения яркости показан ниже для трёх изображений статуи. Мы называем контраст на большой части изображения общим, тогда как изменения контраста в малых частях называются локальной контрастностью. Метод локальной адаптации старается сохранить локальную контрастность, снижая общую (аналогично тому, что происходит с примером заката в океане).

На примере выше проиллюстрировано визуально, как локальный и глобальный контраст влияют на изображение. Обратите внимание, как крупномасштабные (глобальные) полосы света и тени преувеличены в случае высокой общей контрастности. Наоборот, в случае с низкой глобальной контрастностью лицо статуи в анфас имеет практически одинаковую яркость с профилем.

Исходное изображение смотрится прекрасно, поскольку все тональные зоны чётко видны и показаны достаточно контрастно, чтобы выглядеть объёмно. Теперь предположим, что мы начали со среднего изображения, которое было бы идеальным вариантом для преобразования в HDR. Тональное отображение методом локальной адаптации наверняка создало бы изображение, похожее на крайнее правое (хотя, возможно, не настолько утрированное), поскольку оно сохранило бы локальную контрастность, уменьшив при этом общую (тем самым сохраняя текстуру тёмных и светлых зон).

Преобразование HDR методом локальной адаптации

Дистанция, которая отличает локальную контрастность от общей, задаётся радиусом. Радиус и порог аналогичны параметрам маски нерезкости, используемой для локального улучшения контрастности. Большая величина порога повышает локальный контраст, но при этом существует риск возникновения дефектов гало, тогда как чрезмерно малый радиус может придать изображению блёклость. Для любого выбранного изображения рекомендуется подбирать оба параметра для получения нужного эффекта, поскольку их идеальное сочетание зависит от изображаемого предмета.

Вдобавок к подбору величин радиуса и порога практически всегда требуется коррекция тональной кривой изображения. Этот подход идентичен описанному в главе об использовании кривых, где малые и плавные изменения в форме кривой практически всегда идеальны. Такая кривая показана для нашего примера с аркой вместе с результатом её применения.

Основная проблема метода локальной адаптации в том, что он не может отличить падающий свет от отражённого. В результате он может ошибочно затемнить натурально-белые текстуры и высветлить более тёмные. Помните об этом, подбирая радиус и порог, так чтобы минимизировать данный эффект.

Даже если изображаемая сцена не требует расширения динамического диапазона, итоговое фото всё же может выиграть от его побочного эффекта: снижения шума в тени. Замечали, что цифровые изображения всегда более шумные в тени, чем в ярких зонах? Происходит это потому, что соотношение сигнал-шум в изображении выше, когда светосигнал сильнее. Вы можете обратить это себе на пользу, объединяя правильно выдержанное изображение с передержанным. Photoshop всегда использует для передачи выбранного тона наиболее выдержанное изображение - таким образом собирая больше света в деталях в тени (при этом без передержки).

Введение: что такое HDR?

В последние два-три года аббревиатуру "HDR" часто можно было встретить в контексте обсуждения характеристик экранов телевизоров от ведущих производителей. Эта технология стала «новой большой вехой» в области качества телевизионного изображения, чему способствует также развитие отраслей кино и консольных видеоигр. В настоящее время технологию HDR также начали более широко применять в мониторах для настольных компьютеров, и мы все чаще слышим о поддержке HDR в этой области, в частности, об этом говорилось на выставке CES-2017, проходившей в Лас-Вегасе.

Мы считаем, что будет полезно оглянуться назад и посмотреть, что же представляет собой технология HDR, что она предлагает нам, каким образом осуществляется, а также что нужно знать пользователю, чтобы сознательно выбрать дисплей под соответствующий контент, требующий именно HDR. Здесь мы постараемся в большей степени сконцентрироваться на компьютерных мониторах, не углубляясь в сферу ТВ.

Проще говоря, "высокий динамический диапазон" (High Dynamic Range, HDR) характеризует способность дисплея передавать большую разницу в яркости между яркими и темными частями изображениями. Для игр и кино это является значительным преимуществом, поскольку способствует созданию более реалистичного изображения и помогает сохранить детализацию в сценах, где контрастность может быть лимитирующим фактором. На экране с низкой контрастностью или работающем в стандартном динамическом диапазоне (standard dynamic range, SDR) мелкие детали в затемненных сценах будут потеряны – из-за того, что оттенки темно-серого будут отображаться как черные. Аналогично в сценах с большой яркостью можно потерять детали из-за того, что яркие элементы превращаются в белые. Это становится проблемой при воспроизведении на экране сцен, в которых одновременно присутствуют яркие и затемненные детали. В компании NVIDIA коротко сформулировали основание для применения HDR в виде тройного принципа: "яркие участки изображения должны оставаться яркими, темные – темными, и детали должны быть видны на тех и на других". Это способствует созданию более реалистичной и "динамичной" картинки (отсюда и название) по сравнению с дисплеями со стандартным диапазоном.

В сфере маркетинга термин HDR часто трактуется более широко, подразумевая не только повышение контраста между яркими и темными участками изображения, но и улучшение цветопередачи с увеличением цветового охвата. Далее мы также поговорим об этом, но с технической точки зрения HDR означает прежде всего увеличение контраста между яркими и затемненными частями изображения.

Рендеринг изображений в HDR

С HDR связан термин HDRR (High Dynamic Range Rendering), описывающий процесс построения изображений (рендеринг), в котором система компьютерной графики применяет расчеты яркости пикселей, выполняемые в высоком динамическом диапазоне. О значении контрастности мы уже рассказали во введении; HDR-рендеринг также полезен для сохранения естественной яркости при передаче на экране прозрачных свойств материалов (например, стекла) и таких оптических явлений, как отражение и преломление света. В SDR-рендеринге элементам очень ярких источников света, например, солнца, присваивается коэффициент яркости 1,0 (белый цвет). При передаче отражения такого источника коэффициент яркости должен быть меньше или равен 1,0. Однако в HDR-рендеринге элементы очень ярких источников света могут иметь коэффициент яркости больше 1,0 для лучшей передачи их действительной яркости. Это позволяет воспроизводить их отражения от поверхностей, соответствующие естественной яркости таких источников света.

Рядовой монитор для настольного компьютера с панелью TN Film или IPS реально может обеспечить контрастность в районе 800:1–1200:1, тогда как контрастность панели с технологией VA обычно находится в интервале 2000:1–5000:1. Человеческий глаз может воспринимать визуальные сюжеты с очень высокой контрастностью – примерно 1 млн:1 (1 000 000:1). При изменении освещенности адаптация достигается за счет приспособительных реакций радужной оболочки глаза, которые занимают некоторое время – как, например, при переходе из яркого света в темноту. В любой отдельно взятый момент времени диапазон глаза значительно меньше – около 10 000:1. Тем не менее, это все-таки больше, чем диапазон большинства дисплеев, включая панели VA. Вот здесь и нужна технология HDR – для расширения динамического диапазона экрана и обеспечения более высокой «живой» контрастности.

Стандарты для контента и HDR10

На рынке HDR все еще остается довольно мутная область – стандарты для контента, обеспечивающие в конечном счете совместимость дисплея и воспроизводимого на нем контента. В настоящее время существует два основных стандарта – HDR10 и Dolby Vision. Мы здесь не будем углубляться в детали и скажем только, что стандарт Dolby Vision подразумевает более высокое качество изображения, так как он поддерживает динамические метаданные (возможность динамической настройки контента – кадр за кадром) и 12-битный цветовой формат. Однако он подразумевает использование закрытой технологии, что включает в себя дополнительную плату за лицензию, а также требует наличия дополнительного «железа», поэтому устройства с поддержкой этого стандарта стоят дороже. С другой стороны, стандарт HDR10 поддерживает только статические метаданные и 10-битный цветовой формат, но он открытый и поэтому распространен более широко. К примеру, Microsoft и Sony для своих новых игровых консолей приняли стандарт HDR10. Он также является стандартом по умолчанию для дисков Blu-ray Ultra HD.

На самом деле, несмотря на различия контент-стандартов, дисплеи сравнительно легко могут поддерживать несколько форматов. На рынке ТВ достаточно часто можно встретить экраны, поддерживающие как Dolby Vision, так и HDR10, а также другие менее распространенные стандарты, такие как Hybrid Log Gamma (HLG) и Advanced HDR.

Компания Samsung недавно начала активно продвигать разработку так называемого стандарта HDR10+, который содержит ряд усовершенствований, направленных на восполнение недостатков предыдущей версии, – например, включает поддержку динамических метаданных. Со своей стороны Dolby Vision недавно переориентировала свой стандарт полностью на программное обеспечение, устранив таким образом сложности с дополнительным «железом» и связанной с ним дополнительной прибавкой к цене.

Когда придет время просматривать различного формата HDR-контент, вам понадобится дисплей с поддержкой соответствующего стандарта. Дисплеи, совместимые с HDR10, распространены очень широко, и контент в формате HDR10, соответственно, широко поддерживается. Dolby Vision менее распространен, хотя в некоторых телевизорах рекламируется поддержка этого стандарта – для тех, кто желает смотреть контент в формате Dolby Vision. Рынок мониторов пока представляется сфокусированным на HDR10, однако мы еще увидим экраны с рекламируемой поддержкой формата Dolby Vision. Это только вопрос времени.

Способы достижения высокого динамического диапазона и улучшения контрастности

Вам, вероятно, знаком термин "динамическая контрастность" (Dynamic Contrast Ratio, DCR), обозначающий технологию, которая уже много лет широко применяется в мониторах и экранах телевизоров , хотя в последнее время несколько утратила свою популярность. В основе динамической контрастности лежит способность экрана повышать или понижать свою яркость целиком – в зависимости от содержания конкретной сцены – за счет изменения яркости подсветки (backlight unit, BLU). Такое "общее затемнение" работает следующим образом: в более ярких сценах яркость подсветки переключается на более высокую, в более темных – на более низкую. Иногда подсветка может даже выключиться совсем, если сцена на экране полностью черная. Конечно, в реальном контенте это редко встречается, но может быть специально достигнуто при тестировании для определения возможности воспроизведения точек с еще более низким уровнем черного – потому что экран по сути выключен! Это позволяет производителям устанавливать крайне высокие значения динамической контрастности, по которым можно сравнивать разницу уровней самого яркого белого (при максимальной интенсивности подсветки) и самого темного черного (при минимальном значении яркости подсветки, а иногда даже при полностью выключенной подсветке). Данный технический прием получил весьма широкое распространение, и вот мы уже наблюдаем сумасшедшие значения DCR, устанавливаемые производителями экранов, – порядка миллионов к единице. На практике же, постоянное изменение яркости подсветки может оказаться отвлекающим или раздражающим фактором, многим людям это не нравится, и они просто отключают данную опцию. На самом деле, переменная яркость подсветки не вносит большого вклада в расширение динамического диапазона при восприятии контрастности, так как при быстром изменении яркости всего экрана человеческий глаз не успевает адаптироваться к новому значению общей яркости, а разница между яркими и темными участками в пределах одной сцены остаётся той же самой.

Краевое локальное затемнение

В последнее время, говоря о возможных путях преодоления ряда ограничений в части контрастности LCD дисплеев, производители часто употребляют термин "локальное затемнение". Локальное затемнение используется для затемнения "локальных" участков экрана – области экрана, которые должны быть темными, затемняются, в то время как яркость остальных областей не изменяется. Это помогает улучшить видимую контрастность и выявить детали в темных сценах или в контенте с невысокой яркостью в целом.

Существуют разные способы создания локального затемнения за счет снижения яркости подсветки в множественных локальных областях экрана. Наиболее простой и дешевый подход – применение метода "краевого локального затемнения". Все используемые в этом методе светодиоды подсветки расположены по границам экрана и поделены на группы, управляющие яркостью определенных областей (зон) экрана. Чем больше зон, тем лучше, так как контроль содержимого экрана становится более дискретным. В ряде случаев такое локальное затемнение может давать некоторый положительный эффект на дисплеях с DCR, но чаще не помогает совсем. Иногда картинка в результате может даже стать хуже, если общее изменение яркости одновременно накладывается на большие области экрана. На это может влиять расположение светодиодов, например, располагаются они по периметру экрана или же только по верхней и нижней или левой и правой его границам. Часто технология локального затемнения предлагается только в качестве опции – там, где имеют место ограничения по мощности или где необходим более тонкий форм-фактор, как, например, в некоторых телевизорах и особенно в ноутбуках. Метод краевого локального затемнения до сих пор реализуется в большинстве мониторов для настольных компьютеров. Он не слишком дорог и не слишком сложен для массового применения, а главное – обеспечивает уровень локального затемнения, позволяющий успешно продвигать технологию HDR. 8-зонная краевая подсветка в мониторах для настольных компьютеров – довольно типичная картина по сей день. Например, в модели Samsung C32HG70 используется именно такой вид подсветки для локального затемнения.

Матричное локальное затемнение

Создать локальное затемнение можно более оптимальным способом – используя "матричное локальное затемнение" (Full-Array Local Dimming, FALD), где, в отличие от краевых схем, отдельные светодиоды подсветки, расположенные за панелью LCD, составляют сплошную матрицу. В компьютерных мониторах краевая подсветка является гораздо более распространенным методом, но в телевизионных экранах стали чаще применяться матричные методы подсветки. Было бы идеально, если бы каждый светодиод имел индивидуальное управление, но в реальности полная площадь подсветки LCD экранов только разбивается на отдельные "зоны", в которых и осуществляется локальное затемнение. Большинство производителей не раскрывают информацию о том, сколько зон используется в конкретных моделях, но обычно количество зон исчисляется десятками. В некоторых телевизионных экранах класса high end фактическое число зон очень велико – 384. Каждая зона отвечает за определенный участок экрана, хотя изображения объектов, размеры которых меньше размеров зоны (например, звезда на фоне ночного неба), не получают преимуществ от использования локального затемнения и могут выглядеть на экране несколько приглушенными. Чем больше зон и чем меньше их размеры, тем лучше обеспечивается контроль яркости содержимого экрана.

Широкое внедрение технологии матричной подсветки встречает ряд трудностей. Во-первых, она намного дороже простой краевой подсветки, поэтому следует заранее готовиться к высокой розничной цене дисплеев, поддерживающих данную технологию. Система матричной подсветки с 384 зонами вносит большой вклад в себестоимость продукции, что неизбежно отражается на розничной цене. Во-вторых, управляемая матричная светодиодная подсветка требует увеличения размера экрана в глубину, так что тут мы даже увидим определенный шаг назад по сравнению с ультратонкими профилями, которые уже стали привычными. В настоящий момент технологию FALD поддерживают только некоторые мониторы, среди которых можно выделить две разновидности: 27-дюймовые модели 16:9 с 384 зонами подсветки и 35-дюймовые ультраширокоформатные модели 21:9 с 512 зонами подсветки. Далее мы рассмотрим их более подробно. Следует иметь в виду, что мониторы с технологией FALD считаются лучшими пока что теоретически, а на практике они могут проявлять себя по-разному. Применение в мониторах технологии FALD само по себе не означает, что они обязательно окажутся намного лучше, оно просто подразумевает их более высокий потенциал при успешной реализации технологии.

Просмотр HDR-контента

Экран с HDR и персональный компьютер

На сегодняшний день достаточно сложно разобраться в портах подключения, поддерживающих HDR, и перед тем, как покупать современный монитор с HDR для своего компьютера, следует знать некоторые вещи. Для начала нужно убедиться, что ваша операционная система (ОС) совместима с HDR. Например, последние версии Windows 10 поддерживают HDR, но многие ОС поведут себя несколько необычно, когда вы подключите свой новый монитор к компьютеру. Картинка может выглядеть тусклой и полинявшей в результате того, что ОС распространяет параметры HDR на весь остальной контент. Работа с HDR-контентом по идее должна проходить гладко (если у вас получилось этого добиться – поделитесь опытом!) и оставлять приятные впечатления от высокого динамического диапазона и широкого цветового охвата. Однако на практике обычную повседневную работу даже при включенной опции HDR сложно назвать нормальной. Windows накладывает ограничение на яркость экрана – не более 100 кд/м 2 , потому что полная яркость подсветки 1000 кд/м 2 может ослеплять при работе с таким контентом, как документы Word или Excel. Это ограничение оказывает непосредственное влияние на восприятие оригинального изображения, снижая яркость и насыщенность цвета. ОС также пытается подгонять обычный sRGB-контент под более широкое цветовое пространство HDR-экрана, что вызывает дополнительные проблемы. К сожалению, на данный момент Windows не всегда автоматически переключается на HDR и обратно при распознавании соответствующего контента, так что тут может иметь место тот самый случай, когда приходится лезть в раздел настроек и вручную устанавливать нужную опцию (settings > display > HDR and Advanced Color > off/on). Windows показывает себя с лучшей стороны при использовании интерфейса HDMI – при таком подключении монитора, по-видимому, осуществляется корректное переключение между SDR- и HDR-контентом, и можно надеяться, что вам не придется каждый раз включать или выключать опцию HDR в настройках Windows, когда вы будете запускать разный контент. Это не является признаком неисправности дисплея, и, возможно, когда технология HDR немного устоится, мы получим более адекватную поддержку со стороны ОС.

У совместного использования ПК и HDR-контента есть еще одна сложность – поддержка со стороны видеокарты. Новейшие карты NVIDIA и AMD поддерживают HDR и даже располагают соответствующими портами: DisplayPort 1.4 или HDMI 2.0a+. Если вы хотите получать полноценные впечатления от HDR, вам потребуется видеокарта топового уровня. Кроме того, существует ряд дополнительных сложностей, связанных с прямой трансляцией видеоконтента и защитой (при желании вы можете изучить эти вопросы в дальнейшем). На сегодняшний день в продаже имеются видеокарты с поддержкой HDR, но вряд ли они скоро подешевеют.

И наконец, следует рассмотреть еще один вопрос, связанный с поддержкой HDR-контента при его просмотре на ПК. В настоящее время кино- и видеопродукция с HDR, предлагаемая в том числе такими трансляционными сервисами, как Netflix, Amazon Prime и YouTube, не будет корректно воспроизводиться на ПК из-за ряда сложностей в части обеспечения защиты. Данные сервисы транслируют HDR-контент с помощью своих специальных приложений в расчете непосредственно на HDR ТВ, где независимое аппаратное обеспечение существенно облегчает контроль. Таким образом, значительное количество HDR-контента, предоставляемое этими трансляционными сервисами, в настоящее время сложно или невозможно просматривать на персональном компьютере. К счастью, подключение к монитору внешнего проигрывателя Blu-ray Ultra HD или медиаприставки с поддержкой HDR, например, Amazon Fire TV 4K, упрощает дело, устраняя проблемы с программным и аппаратным обеспечением, поскольку поддержка HDR технически заложена в этих устройствах.

Играть на ПК в высоком динамическом диапазоне несколько проще, если вы сможете найти игры с корректной поддержкой HDR, ваша операционная система совместима с HDR и у вас есть соответствующая видеокарта. Компьютерных игр с поддержкой HDR пока немного – даже если таковые представлены на рынке консольных игр, у них не всегда есть эквивалентная HDR-версия для ПК. Очевидно, что со временем их станет больше, но пока они создаются в сравнительно небольшом количестве. В общем и целом, на данный момент это довольно сложная область взаимодействия ПК с HDR.

Экран с HDR и внешние устройства

К счастью, с внешними устройствами дело обстоит проще. Встроенная система программно-аппаратного обеспечения проигрывателя Blu-ray Ultra HD или медиаприставки (Amazon Fire TV 4K HDR и т.д.) облегчает жизнь. Вывод HDR-контента на экран с этих устройств не представляет трудностей – вам просто нужен соответствующий дисплей.

Также заслуживают внимания игровые консоли, поддерживающие HDR. Данный сегмент рынка уже немного устоялся, и благодаря целостной компоновке программного и аппаратного обеспечения этих систем вам не придется беспокоиться по поводу возможных ограничений со стороны операционной системы или видеокарты при воспроизведении HDR-контента. Поддержка HDR на таких игровых консолях, как PS4, PS4 Pro или X Box One S осуществляется при подключении их к монитору через порт HDMI 2.0a.

Стандарты для HDR и сертификация: ТВ-сегмент

В то время как HDR-контент создается по определенным стандартам, сами HDR-дисплеи могут различаться по характеристикам и в части поддержки различных аспектов изображения. ТВ-экраны, а в последнее время и мониторы для ПК часто позиционируются на рынке как "HDR", но по своим спецификациям и уровню поддержки технологии HDR они отличаются друг от друга. С целью прекратить злоупотребление термином HDR, прежде всего на рынке ТВ, и предотвратить дальнейшее распространение множества вводящих в заблуждение спецификаций и рекламных проспектов был учрежден альянс UHD Alliance. Данный альянс представляет собой консорциум, куда входят производители телевизоров, разработчики технологий, а также студии, выпускающие ТВ-программы и фильмы. До этого не существовало никаких четких стандартов для HDR, и не было спецификаций, разрабатываемых производителями дисплеев для предоставления пользователям информации об уровне поддержки HDR. 4 января 2016 г. Ultra HD Alliance опубликовал сертификационные требования к "правильному HDR-экрану", с акцентом на ТВ-сегменте, поскольку на тот момент компьютерные мониторы с HDR на рынке еще не появились. В документе были кратко сформулированы основные положения стандарта "правильной" поддержки HDR, а также ряд других ключевых требований, обязательных для производителей, которые будут сертифицировать свой экран как "Ultra HD Premium". Основное внимание в спецификации стандарта Ultra HD Premium уделено характеристикам контрастности и цветности.

Контрастность / Яркость / Глубина черного

Существует два варианта спецификации – для дисплеев LCD и OLED соответственно – непосредственно относящиеся к аспектам HDR.

Вариант 1. Максимальная яркость – 1000 кд/м 2 или более, уровень черного – менее 0,05 кд/м 2 , в результате чего достигается значение контрастности 20 000:1. Данная спецификация представляет стандарт Ultra HD Alliance для LCD дисплеев.

Вариант 2. Максимальная яркость – более 540 кд/м 2 , уровень черного – менее 0,0005 кд/м 2 , в результате чего достигается значение контрастности 1 080 000:1. Данная спецификация соответствует стандарту для OLED дисплеев. В настоящее время технология OLED ведет борьбу за повышение максимальной яркости. Тем не менее, хотя она пока не может обеспечить столь же высокую яркость, как у LCD экранов, гораздо большая глубина черного позволяет получить на OLED экранах очень высокую контрастность, удовлетворяющую требованиям HDR.

В дополнение к аспектам, связанным с HDR, стандарт Ultra HD Premium включает ряд других важных требований, выполнение которых является обязательным для успешного прохождения сертификации:

Разрешение – дисплей, обозначаемый как "Ultra HD Premium", должен обеспечивать разрешение не менее 3840 x 2160. Такое разрешение часто обозначают как "4K", однако официально это разрешение "Ultra HD", а "4K" составляет 4096 x 2160.

Глубина цветопередачи – дисплей должен принимать и обрабатывать 10-битный цветовой сигнал для обеспечения большей глубины цветопередачи. Это подразумевает возможность обработки сигнала с количеством цветов более 1 млрд. Вы могли часто слышать о телевизорах с 10-битным цветом или, скорее, с "глубоким цветом". Такая обработка 10-битного сигнала позволяет воспроизводить на экране более плавные градации цветовых оттенков, и, поскольку задача состоит не в том, чтобы показать по телевизору всю цветовую палитру, а только в обработке 10-битного сигнала, увеличение глубины цветопередачи не представляет больших проблем.

Цветовой охват – одно из сертификационных требований Ultra HD Alliance – дисплей Ultra HD Premium должен обеспечивать более широкий цветовой охват по сравнению с типовыми стандартами для подсветки. Цветовой охват экрана телевизора должен перекрывать стандартное цветовое пространство sRGB / Rec. 709 (35% цветового охвата человеческого глаза), которое составляет около 80% от требуемого по условиям сертификации. В части цветового охвата дисплей должен соответствовать стандарту DCI-P3 (54% цветового охвата человеческого глаза), установленному для цифровых кинотеатров. Это расширенное цветовое пространство позволяет получить более широкий спектр цветов – на 25% больше, чем в sRGB (т.е. 125% sRGB). Фактически, данное значение ненамного превосходит цветовой охват Adobe RGB, составляющий примерно 117% sRGB. Кроме того, известно еще более широкое цветовое пространство (примерно 76% цветового охвата человеческого глаза), которое называется BT. 2020 и является еще более претенциозной целью производителей дисплеев в будущем. В настоящее время ни один из потребительских дисплеев не имеет цветового охвата, близкого хотя бы к 90% BT. 2020, однако многие форматы HDR-контента, в том числе и общедоступный HDR10, используют это цветовое пространство для заготовок на будущее, которое зависит от разработчиков дисплеев.

Варианты подключения – для телевизора требуется интерфейс HDMI 2.0. Данная программа сертификации изначально была разработана для рынка ТВ, но на рынке компьютерных мониторов общепринятым вариантом является также DisplayPort, используемый для поддержки более высокой (свыше 60 Гц) частоты обновления. Поэтому мы не удивимся, если в программу сертификации Ultra HD Premium будут внесены изменения, касающиеся мониторов и включающие DisplayPort в список поддерживаемых интерфейсов.

Дисплеи, соответствие которых указанным требованиям официально подтверждено, могут снабжаться логотипом "Ultra HD Premium", который был для этого специально разработан. Следует помнить, что некоторые дисплеи, не имеющие этого логотипа, тем не менее позиционируются как дисплеи с поддержкой HDR. Спецификации HDR являются только частью сертификационной программы, поэтому экран может поддерживать HDR, но при этом не соответствовать другим дополнительным требованиям стандарта Ultra HD Premium (например, в части цветового охвата). Если экран заявлен как поддерживающий HDR, но не имеет логотипа Ultra HD Premium, то неясно, каким образом в нем достигается высокий динамический диапазон и действительно ли он соответствует тому минимуму требований, которые Ultra HD Alliance установил собственно для HDR. В таких случаях вы можете получить некоторое представление о преимуществах HDR, но оно будет неполным. Если же дисплей прошел сертификацию и получил логотип Ultra HD Premium, то вы можете быть уверены в том, что смотрите "полновесный HDR" – по крайней мере в понимании этого термина разработчиками соответствующей спецификации из Ultra HD Alliance.

Мониторы с HDR – какие из них "правильные"?

На рынке ТВ более-менее определились с требованиями к поддержке HDR, и очень хорошо, что есть стандарт Ultra HD Premium для экранов телевизоров. Но какой компьютерный дисплей с HDR является "правильным"? Если вернуться немного назад, то можно заметить, что мы упомянули способ достижения высокого динамического диапазона (применяемый вариант локального затемнения) как важный аспект. Например, у вас может быть дисплей, соответствующий всем спецификациям стандарта Ultra HD Premium, но имеющий небольшое число зон затемнения в системе с краевой подсветкой. Формально все требования соблюдены, но фактические впечатления от HDR могут оказаться слабыми. С другой стороны, у вас может быть дисплей с очень хорошей реализацией технологии FALD, который тем не менее соответствует не всем спецификациям Ultra HD Premium – например, это дисплей сравнительного небольшого размера, который не обеспечивает полное разрешение Ultra HD. Технология FALD предполагает лучший контроль локального затемнения, в результате чего общее впечатление от HDR может намного превосходить то, которое обеспечивает первый дисплей, удовлетворяющий всем сертификационным требованиям, но имеющий более слабую систему подсветки с краевым локальным затемнением. Второй дисплей не может быть классифицирован как "правильный" HDR-дисплей, несмотря на то, что на практике он ведет себя лучше. Выбор и реализация в дисплее конкретной технологии локального затемнения имеет большое значение.

При выборе телевизора с HDR вам достаточно обратить внимание на систему подсветки и наличие логотипа Ultra HD Premium, не исключая возможных несоответствий указанных в документации характеристик стандарту.

Можно ли перенести всё это на рынок мониторов? Тут опять дело обстоит более сложно. Во-первых, мы не считаем, что разрешение Ultra HD 3840 x 2160 необходимо большинству мониторов. Для экрана телевизора большого формата оно гораздо более важно, но на компьютерном мониторе обычного размера 24-27" данный вид разрешения вам не нужен. Изображение и без него будет достаточно резким и четким, при этом экран сможет обрабатывать контент более высокого разрешения (например, в формате Blu-ray Ultra HD), снижая разрешение без заметных потерь качества изображения – конечно, если вы будете смотреть на экран с немного большего расстояния, обычного для просмотра мультимедийного контента. Уже одно это создает проблемы с сертификацией по стандарту Ultra HD Premium.

Еще один спорный вопрос – максимальная яркость. В стандарте Ultra HD Premium указано значение 1000 кд/м 2 . Это хорошо для телевизора, который вы смотрите с расстояния нескольких метров, но как быть с компьютерным монитором, расстояние до которого обычно составляет около полуметра? Яркость 1000 кд/м 2 необходима для обеспечения максимальной детализации в ярких сценах, но фактически на близком расстоянии дает большую нагрузку на глаза. Это является аргументом в пользу снижения значения максимальной яркости для компьютерных мониторов, и хотя некоторые детали в световых эффектах и сценах с очень большой яркостью могут потеряться (при этом детализация все равно будет намного лучше, чем в SDR), вы избежите проблем, связанных с дискомфортом от высокой яркости на близком расстоянии. Мы здесь не даем однозначных рекомендаций за или против, а просто обозначаем область возможных разногласий.

Также в настоящее время в спецификации Ultra HD Premium не рассматривается обычный для ПК интерфейс DisplayPort. При том, что экран обязательно должен иметь порт HDMI 2.0a+ , который удобен для подключения внешних устройств, вероятно, нужно будет внести в спецификацию и DisplayPort для подключения к ПК. Теоретически, у вас может быть монитор сугубо для ПК без каких-либо портов HDMI, но с DP 1.4 для обеспечения поддержки HDR, и на текущий момент он не будет соответствовать стандарту Ultra HD Premium, который в части совместимых с HDR подключений требует наличия HDMI.

Возможно, нужно несколько альтернативных программ сертификации HDR-мониторов, в которых принимались бы во внимание рассмотренные здесь вопросы и которые помогли бы избежать черно-белой классификации в духе: "он не поддерживает стандарт Ultra HD Premium, значит, это «неправильный» HDR-экран". Мы считаем подобную аргументацию не вполне корректной.

На наш взгляд, в настоящее время способность компьютерного монитора поддерживать HDR определяется следующими параметрами (в порядке убывания важности):

1) Технология локального затемнения – предпочтительной является технология FALD, и чем больше зон, тем лучше.

2) Контрастность – 20 000:1 и более, как и для ТВ.

3) Глубина цвета и цветовой охват – дополнительное цветовое пространство дает заметную разницу при восприятии изображения.

4) Максимальная яркость – полная яркость 1000 кд/м 2 не является необходимой и не обязательно будет идеальным вариантом. И все же требуется яркость выше обычных 300-350 кд/м 2 , чтобы по достоинству оценить преимущества HDR по сравнению с SDR-экранами. На текущий момент, с учетом возможностей производителей панелей, оптимальными для широкого применения представляются значения максимальной яркости в районе 550-600 кд/м 2 .

5) Варианты подключения – для поддержки HDR вам потребуется порт HDMI 2.0a+ или DisplayPort 1.4, и, на наш взгляд, следует также рассмотреть DP в плане сертификации дисплеев в будущем.

6) Разрешение – для сравнительно небольших компьютерных экранов разрешение Ultra HD не является необходимым.

HDR на рынке компьютерных мониторов

Мы уже упоминали в начале, что термин HDR применительно к компьютерным мониторам стал использоваться все чаще, в том числе в пресс-релизах о готовящихся к выпуску моделях. И по-прежнему производители мониторов представляют мешанину из спецификаций в стремлении позиционировать свой экран как "HDR" – новое модное слово на этом рынке.

Вот, например, модель LG 32UD99 (см. рисунок выше), о которой заявлено: разрешение Ultra HD, цветовой охват 95% DCI-P3 и поддержка формата HDR10. Однако ни в спецификации, ни в материалах для прессы ничего не говорится об используемом варианте локального затемнения, и мы предполагаем там краевую подсветку. Указанные значения яркости – средняя яркость 350 кд/м 2 и максимальная яркость 550 кд/м 2 – не соответствуют пороговому требованию стандарта Ultra HD Premium – или полному значению яркости формата HDR10 – 1000 кд/м 2 . Это странно, поскольку LG специально обозначила поддержку HDR10 как одну из фишек своего экрана. То есть в данном случае HDR предлагается не в полном объеме, и есть ряд вопросов в части того, как это будет выглядеть на практике. В спецификации монитора LG используется следующий специальный логотип: "HDR for PC".

Еще большая путаница вышла с термином HDR применительно к монитору Dell S2718D. В пресс-релизе Dell заявлено в качестве резюме: "монитор Dell с поддержкой HDR разработан в расчете на пользователей ПК в соответствии со спецификациями, отличными от существующих ТВ-стандартов для HDR. Для получения более подробной информации внимательно изучите спецификации". Тут, по крайней мере, не обещают пользователям "полную поддержку HDR". Данный экран предлагает разрешение только 2560 x 1440, яркость 400 кд/м 2 и цветовой охват всего лишь 99% sRGB / Rec. 709. Ничего не сказано о технологии локального затемнения, и можно только догадываться, что они там предлагают для обеспечения так называемой поддержки HDR. Ни одна из спецификаций и рядом не стояла с ТВ-стандартами, на которые производители мониторов могли хотя бы ориентироваться.

Далее идет модель BenQ SW320 (также см. рис. выше) – специализированный экран, разработанный для профессиональной обработки фотографий. Здесь спецификация в части декларируемой поддержки HDR и некоторых аспектов производительности, по крайней мере, выглядит ориентированной уже на требования ТВ-стандарта: разрешение Ultra HD, 10-битная глубина цветопередачи и цветовой охват 100% DCI-P3. Заявленная яркость, однако, составляет только 350 кд/м 2 , так что снова возникают вопросы об итоговом качестве поддержки HDR.

Таким образом, в настоящее время на рынке компьютерных мониторов существует множество моделей, заявленных как "дисплеи с HDR", и целый ряд спецификаций, не отвечающих какому-либо единому стандарту. Похожая ситуация была и на рынке ТВ, когда появились первые телевизоры с HDR, и это стало одной из причин, почему Ultra HD Alliance разработал свою систему стандартизации и сертификации. Рано или поздно нечто подобное должно было произойти и на рынке компьютерных мониторов – заимствование или дополнение к стандарту "Ultra HD Premium" или что-то другое. В частности, у двух ведущих фирм-производителей видеокарт, похоже, есть свои собственные идеи на предмет сертификации и стандартов для HDR в этом сегменте. А в конце прошлого года VESA представила систему сертификации "DisplayHDR". Обо всем этом далее пойдет речь. На данный момент мы посоветовали бы вам быть внимательными, когда вы слышите термин "HDR" применительно к компьютерным мониторам, так как под ним действительно могут подразумевать очень разные вещи. Мы постараемся освещать в наших новостях и обзорах характеристики конкретных моделей, которые будут заявлены как дисплеи с поддержкой HDR.

Подход NVIDIA и игровые HDR-дисплеи с технологией FALD

В январе 2017 г. компания NVIDIA анонсировала разработку нового поколения технологии G-sync. Технология G-sync обеспечивает поддержку переменной частоты обновления и тем самым помогает повысить игровую производительность совместимых с ней видеокарт и дисплеев, а также избежать таких проблем, как разрывы изображения и заминки в играх, где частота кадров по ходу игры может изменяться. Новое поколение G-sync направлено на обеспечение также и поддержки HDR и носит наименование "G-sync HDR". Данная технология была разработана NVIDIA в партнерстве с AU Optronics – одним из крупнейших производителей экранных панелей. В отличие от HDR-телевизоров, мониторы с технологией G-sync HDR, сочетающие преимущества G-sync с поддержкой HDR-контента, были разработаны «с нуля», что позволило им избежать большинства проблем, связанных с задержками входного сигнала, которые были характерны для ТВ-дисплеев. Кроме того, и возможно это даже более важно с точки зрения поддержки HDR, есть информация, что новые экраны с G-sync HDR будут включать в себя систему подсветки с технологией FALD, позволяющей получить максимальный эффект от локального затемнения и собственно от HDR. По крайней мере, об этом говорят.

Также видны признаки того, что наряду с поддержкой HDR NVIDIA проводит работу в направлении соответствия дисплеев остальным требованиям стандарта Ultra HD Premium. Дисплеи с G-sync HDR будут иметь цветовой охват, очень близкий к DCI-P3. Необходимая ширина цветового охвата (~125% sRGB) будет достигаться за счет применения недавно разработанной технологии Quantum Dot. Технология Quantum Dot Enhancement Film (QDEF) используется для получения на экране более глубоких и насыщенных цветов. Впервые примененная в телевизорах класса high-end, QDEF-пленка покрыта наноскопических размеров точками, которые излучают свет строго определенного цвета в зависимости от размера точки, воспроизводя таким образом яркие, насыщенные и сменяющие друг друга оттенки во всем цветовом диапазоне – от темно-зеленых и красных до ярко-синих. Это современный более экономичный способ получения расширенного по сравнению с sRGB цветового охвата, без необходимости использования полностью дискретной (и более дорогой) светодиодной подсветки типа RGB-LED. Такая подсветка, дающая широкий цветовой охват, встречается иногда только в профессиональных экранах, а технологию Quantum Dot вы увидите на многих экранах любого сегмента рынка. Дисплеи класса мэйнстрим, мультимедийные и игровые будут массово использовать технологию Quantum Dot, если таковым окажется выбор производителей. Зависит это также и от выбора экранной панели и типа подсветки. Технология Quantum Dot может применяться в экранах с обычной W-LED подсветкой для увеличения цветового охвата, а также в экранах с матричной подсветкой, например, в новых экранах с поддержкой G-sync HDR. Тем не менее, применение технологии Quantum Dot не обязательно означает возможность поддержки HDR. Вы можете найти множество дисплеев с Quantum Dot, которые не предлагают HDR и не имеют матричной подсветки. Эти дисплеи используют Quantum Dot просто для увеличения цветового охвата и обеспечения передачи более живых и насыщенных цветов, что обычно приветствуется в играх и мультимедиа. Для дисплеев с HDR технология Quantum Dot является методом увеличения цветового охвата в том числе и с целью соответствия стандарту Ultra HD Premium. В дисплеях с технологией NVIDIA поддержка HDR осуществляется с помощью системы матричной подсветки для создания локального затемнения, и при этом используется технология Quantum Dot для расширения цветового охвата.

В 2017 г. было заявлено несколько дисплеев с поддержкой технологии G-sync HDR, первым из которых стал Asus ROG Swift PG27UQ. Данная модель использует 384-зонную подсветку FALD и предлагает разрешение 3840 x 2160 Ultra HD, максимальную яркость 1000 кд/м 2 , цветовой охват 125% sRGB и другие впечатляющие характеристики, например, частоту обновления 144 Гц (впервые на экране с разрешением Ultra HD). Конкуренцию составляют модели от Acer – Predator X27, и от AOC – AGON AG273UG. Все это 27-дюймовые модели, и здесь интересно посмотреть на реализацию технологии FALD для оптимальной поддержки HDR. Выход этих дисплеев в 2017 г. задержался, и вряд ли они появятся в 1 квартале 2018 г.

Также были представлены два экрана большего размера: Acer Predator X35 и Asus ROG Swift PG35VQ – 35-дюймовые ультраширокоформатные модели с 512 зонами подсветки FALD. Эти дисплеи предлагают разрешение 3440 x 1440 (что формально не соответствует требованию к разрешению Ultra HD 3840 x 2160), но при этом заявлены максимальная яркость 1000 кд/м 2 и цветовой охват 90% DCI-P3.

Возможно, что линия дисплеев с технологией NVIDIA G-sync HDR будет развиваться в направлении соответствия уже существующему стандарту "Ultra HD Premium", но, зная NVIDIA, легко предположить, что они могут ввести и свой собственный, "лучший" стандарт для сертификации экранов с поддержкой G-sync HDR. В официальном документе NVIDIA говорится, что "дисплей с HDR требует продуманных технических решений, обеспечивающих сочетание высокой яркости, высокой контрастности, широкого цветового охвата и высокой частоты обновления". Первые три требования представляют собой неотъемлемую часть спецификаций стандарта Ultra HD Premium, а последнее – это уже дополнение от NVIDIA, рассчитанное, судя по всему, на использование G-sync и стимулирование дальнейшего развития дисплеев с высокой (более 60 Гц) частотой обновления. Например, вышеупомянутые 27-дюймовые модели имеют частоту обновления 144 Гц, а 35-дюймовые модели предлагают 200 Гц. Так что скорей всего вместо логотипа Ultra HD Premium соответствующие дисплеи будут носить логотип "NVIDIA G-sync HDR". Время покажет.

Отдельное замечание с точки зрения использования видеокарт: GPU от NVIDIA с архитектурами Maxwell и Pascal поддерживают формат HDR10 через интерфейсы DisplayPort и HDMI, причем NVIDIA непрерывно отслеживает и оценивает новые форматы и стандарты, как только они появляются.

Подход AMD и технология FreeSync 2

В прошлом году AMD анонсировала свою новейшую разработку в области технологии переменной частоты обновления FreeSync, успешно развивающейся с 2015 г. Новая версия технологии, которая называется FreeSync 2, также касается главным образом частоты обновления экрана, но уже с учетом поддержки высокого динамического диапазона (HDR). Она разработана не с целью замены FreeSync, а как всестороннее решение вопроса, что AMD и ее партнеры на рынке мониторов и компьютерных игр могут сделать для повышения качества игрового процесса в классе high end. FreeSync 2 в большей степени ориентирована на высокий ценовой сегмент игрового рынка, что объясняется стоимостью разработки этой технологии.

В центре разработки стоит поддержка HDR. Как неоднократно заявлял Брэндон Честер (Brandon Chester) на сайте Anandtech, дела с поддержкой дисплеями технологий нового поколения под управлением Windows обстоят в лучшем случае хаотично. Высокое разрешение HiDPI не работает как надо, и пока не принято никакого всестороннего и последовательного решения в сфере поддержки мониторов с HDR и/ или цветовым охватом больше sRGB. Последние обновления Windows 10 немного помогли, но они не решают всех проблем и очевидно не рассчитаны на геймеров, у которых более старые операционные системы. В Windows просто нет подходящих встроенных каналов поддержки HDR, поэтому использовать HDR-экран вместе с Windows затруднительно. Другая проблема – у мониторов с HDR могут быть дополнительные входные задержки, создаваемые их внутренними процессорами.

Во FreeSync 2 эти вопросы решаются путем изменения системы передачи данных дисплея целиком, что должно устранить проблемы с Windows и по возможности разгрузить монитор. Технология AMD FreeSync 2 по сути представляет собой оптимизацию системы передачи данных дисплея с целью облегчения поддержки HDR и широкого цветового охвата, а также для улучшения производительности экрана. Это также способствует уменьшению задержки, в том числе дополнительных входных задержек (input lag) при обработке HDR-сигнала. Про технические подробности и требования можно почитать на сайте Anandtech.

Поскольку все карты AMD с FreeSync 1 (в т.ч. с архитектурой GCN 1.1 и более новые) уже поддерживают и HDR, и переменную частоту обновления экрана, FreeSync 2 также будет работать на этих картах. Все GPU с поддержкой FreeSync 1 смогут поддерживать и FreeSync 2. Нужно будет только обновить драйверы.

В то время как мы предполагаем, что спецификации FreeSync 2 только подходят к стадии сертификации, уже появилось несколько мониторов с поддержкой FreeSync 2. Например, модель Samsung C32HG70 поддерживает AMD FreeSync и HDR. Данная модель использует краевую подсветку для создания локального затемнения и не соответствует спецификациям Ultra HD Premium – это говорит о том, что подход AMD к поддержке HDR, возможно, является более гибким.

Стандарты DisplayHDR

Как мы уже не раз говорили, HDR-стандарт Ultra HD Premium был разработан для ТВ-экранов. И вот, в конце 2017 г. VESA представила свою новую систему сертификации "DisplayHDR" – уже для компьютерных мониторов. Она была разработана при участии более чем 20 компаний, включая AMD, NVIDIA, Samsung, Asus, AU Optronics, LG.Display, Dell, HP и LG, и представляет собой "первый полностью открытый стандарт в отрасли компьютерных дисплеев, определяющий качество HDR-изображения и соответствующие требования к следующим характеристикам: яркость, цветовой охват, глубина цветопередачи и время отклика при увеличении яркости".

В первом релизе DisplayHDR версии 1.0 основное внимание они уделили LCD-дисплеям, оставив, судя по всему, вопросы HDR-сертификации OLED и других технологий на будущее. Для компьютерных LCD-дисплеев в системе сертификации DisplayHDR введено 3 уровня: нижний, средний и высокий. Классификация VESA выглядит следующим образом (цитируем):

Характеристики, выбранные в качестве классификационных критериев, также приведены на сайте VESA в следующей таблице:

Поскольку сама идея ввести некоторое единообразие на рынке компьютерных мониторов с HDR представляется нам весьма целесообразной, мы также выскажем свои соображения по этому поводу. Основное беспокойство вызывают очень низкие требования к HDR-дисплеям начального уровня, что может подтолкнуть ряд производителей к недобросовестному и вводящему в заблуждение маркетингу. Может быть, именно под их давлением VESA приняла настолько низкие требования, позволяющие им зацепиться за модную тему и продавать свои экраны, сертифицированные как "HDR"? Мы уже ждем появления на рынке множества экранов с сертификатом "DisplayHDR 400", который обещает покупателю поддержку HDR-контента и соответствующую производительность. Плохо информированный пользователь может принять это за чистую монету, тогда как на самом деле, насколько мы можем судить, уровень 400 данной классификации не предлагает ничего такого, что по техническим характеристикам и возможностям приближало бы экран к настоящему HDR. Мы не видим, по каким реальным параметрам эти экраны будут значительно превосходить большинство дисплеев, которые были доступны еще до появления HDR. Поясняем.

Если вы посмотрите на требования стандарта к уровню DisplayHDR 400, то увидите там 8-битное качество изображения, но IPS и VA панели с диагональю 27" и выше уже соответствуют этому требованию. Многие панели TN Film (в том же размерном ряду) также 8-битные. Для повышения контрастности в стандарте предусмотрена только поддержка технологии общего затемнения. Она работает только с яркостью всего экрана целиком в зависимости от содержания конкретной сцены, другими словами – это давно известная технология динамической контрастности (DCR). Да, на практике она несколько повышает динамическую контрастность, но DCR в значительной мере утратила популярность и уже давно. Многим людям она не нравится, а главное – такой экран не покажет реальных преимуществ HDR по сравнению с той картинкой, которую может обеспечить и система DCR-подсветки. Именно локальное затемнение с дискретным контролем подсветки в небольших зонах определяет способность экрана воспроизводить HDR-изображение, что и отличает его от обычных экранов. И, честно говоря, мы считаем, что экран без локального затемнения, осуществляемого тем или иным способом, не должен позиционироваться на рынке как HDR. Требование к максимальной яркости – всего 400 кд/м 2 – значение, которое достигнуто уже в ряде дисплеев, появившихся еще до HDR. Даже при том, что сегодня большинство дисплеев предлагают яркость 300-350 кд/м 2 , небольшая надбавка до 400 кд/м 2 не создает существенного отличия. Это нисколько ни приближает нас к максимальным значениям яркости в форматах HDR10 и Dolby Vision (и других). В таблице спецификаций указаны также требования к контрастности, которая для этих экранов должна составлять "как минимум 955:1"... и уже достигается в большинстве современных панелей. Хотя значение, указанное в таблице для "туннельной" характеристики, обещает нам контрастность как минимум 4000:1. И наконец, в части цветового охвата для уровня DisplayHDR 400 требуется только 95% цветового пространства ITU-R BT.709, т.е. по сути 95% sRGB, что сегодня тоже может обеспечить почти каждый дисплей.

Теперь вы можете понять, почему нас волнует стандарт начального уровня DisplayHDR 400 – результатом его принятия может стать массовое злоупотребление HDR-сертификацией дисплеев, которые очень мало отличаются (или совсем не отличаются) от обычных моделей. Стандарты DisplayHDR 600 и 1000, к счастью, более адекватны, и уже относятся к области того, что мы назвали бы хорошим или правильным HDR. Для уровня DisplayHDR 600 требуется максимальная яркость 600 кд/м 2 , которая является заметным шагом вперед по сравнению с обычными дисплеями и соответствует высокой яркости HDR-контента. Кроме того, уровень 600 предполагает поддержку 10-битного цветового сигнала (глубина цвета – 8-bit + FRC), контрастность 6000:1, и главное – обязательное применение локального затемнения. Требуемый цветовой охват также увеличен до 90% DCI-P3, что уже приближается к стандартам для ТВ. В эту среднюю категорию HDR-дисплеев хорошо вписываются такие модели, как Samsung C32HG70.

Топовый уровень DisplayHDR 1000 очень близок к ТВ-стандарту Ultra HD Premium. Здесь требуется максимальная яркость 1000 кд/м 2 , контрастность от 20 000:1, поддержка 10-битной глубины цвета (8-bit+FRC как минимум) и цветовой охват 90% DCI-P3. И снова – необходимость использования локального затемнения. Мы предполагаем, что в большинстве моделей с таким уровнем яркости нужно будет применять технологию FALD, хотя в данной программе сертификации она не указана в качестве специального требования. Еще один интересный момент: для уровней 600 и 1000 указано "время отклика при увеличении яркости" (от черного к белому). Эта характеристика не имеет отношения ко времени отклика пикселя в привычном смысле, а определяет, насколько быстро срабатывает подсветка при переходе от черного изображения к белому – т.е. сколько времени занимает переход от минимальной яркости темной HDR-сцены к максимальной яркости белого пятна, когда оно появляется. Малое время отклика подсветки гарантирует отсутствие раздражающих запаздываний при затемнении и осветлении изображения, а также размытых шлейфов за движущимися объектами. В стандарте VESA DisplayHDR время отклика определяется при переходе от порогового уровня яркости 10% к максимальной яркости. Для HDR-дисплеев 600 и 1000 VESA установила максимальное время отклика – 8 кадров, при этом они предполагают, что в большинстве случаев эта величина будет меньше. На экране с частотой кадров 60 Гц 8 кадров эквивалентны примерно 133,33 мс, что намного меньше, чем, например, аналогичное время отклика у монитора Dell UP2718Q (около 624 мс). Интересно посмотреть, много ли дисплеев на сегодняшний день удовлетворяют данному требованию. На частоте 100 Гц время отклика не должно превышать 80 мс, а на 144 Гц оно должно быть не более 55,56 мс.

Стандарт VESA не предъявляет специальных требований к разрешению и соотношению сторон HDR-экрана. Мы считаем это хорошей идеей, с учетом разнообразия разрешений, размеров и форматов компьютерных мониторов. Характеристики аудиосистемы также остались за кадром, поскольку они не имеют отношения к HDR. Кроме того, VESA стала первой организацией в области стандартизации и сертификации, которая разрабатывает открытую методику тестирования, которая позволит пользователям проверить HDR-экран без необходимости вкладывать средства в дорогостоящее лабораторное оборудование. Тест DisplayHDR будет доступен в 1 квартале 2018 г.

В наших следующих обзорах HDR-дисплеев мы будем рассматривать их характеристики с точки зрения разных стандартов, а также – по мере его появления – новое программное обеспечение для их тестирования.

Заключение

Подводя итоги, можно сказать, что технология HDR разрабатывается для получения более динамичной картинки и подкрепляется тем обстоятельством, что необходимое повышение контрастности должно осуществляться при наличии ограничений, обусловленных технологиями экранных панелей. Она предполагает значительное улучшение характеристик экрана и представляет прогрессивную тенденцию в области технологий дисплеев. Существует несколько способов осуществления поддержки HDR с помощью управления подсветкой, при этом некоторые из них являются более эффективными (наиболее предпочтителен метод матричной подсветки). На рынке ТВ технология HDR развивается уже в течение двух-трех лет, во многом благодаря появлению большого количества игр и фильмов в HDR-формате. Производители телевизоров, говоря о HDR, склонны объединять высокий динамический диапазон с другими характеристиками экранов, а именно с высоким разрешением (как правило, Ultra HD 3840 x 2160) и широким цветовым охватом (близким к DCI-P3). Вследствие возникшего на рынке ТВ злоупотребления термином HDR и появления множества разных спецификаций и стандартов для ТВ-экранов был учрежден альянс Ultra HD Alliance – с целью наведения порядка. Эта организация разработала программу сертификации "Ultra HD Premium", где были определены требования к экрану в части HDR, характеристик цветности, разрешения и др. Данные требования стали своего рода «золотым стандартом» для телевизоров с HDR.

На рынок компьютерных мониторов технология HDR пришла позже. С точки зрения просмотра контента использовать HDR c помощью ПК все еще довольно сложно, но подключение к монитору внешних устройств, таких как проигрыватели Blu-ray Ultra HD и современные игровые консоли, значительно облегчает ситуацию. С точки зрения параметров самого дисплея, в отличие от уже устоявшегося рынка ТВ, нет полной ясности в интерпретации термина HDR применительно к компьютерному монитору, и предлагаются совершенно различные спецификации. Одним словом, порядка пока нет. NVIDIA и AMD разрабатывают свои подходы к стандартизации в этой области, причем технология NVIDIA G-sync HDR, судя по спецификации, ориентируется на существующий ТВ-стандарт Ultra HD Premium. Хотя VESA представила свою систему сертификации по стандарту DisplayHDR, мы, скорей всего, еще какое-то время будем оставаться в ситуации, подобной той, которая недавно была на рынке ТВ, когда тоже предлагались разные спецификации и трактовки наряду с общим (не)пониманием термина HDR. Все это будет существовать параллельно стандарту DisplayHDR с его тремя категориями, который тут вряд ли сильно поможет. Будьте внимательны при выборе монитора – "HDR" не всегда означает одно и то же.