Telewizory HDR - więcej szczegółów w obrazie

Telewizory Ultra HD stanowią już większość oferty odbiorników TV. Najlepsze Ultra HD mają technikę HDR, zwiększającą ilość szczegółów. Pojawia się ona także w telewizorach Full HD, które mają współpracować z konsolami do gier HD, ale z funkcją HDR.

Większa rozdzielczość wyświetlacza, zwiększająca czterokrotnie liczbę pikseli, nie wystarczy już do uzyskania obrazu lepszej jakości, zbliżonego do możliwości ludzkiego wzroku. Oprócz zwiększonej rozdzielczości potrzebne są lepsze kolory i dynamika obrazu. Jakość koloru zależna jest od jasności i kontrastu, który w obrazie 4K musi być znacznie zwiększony, aby szczegóły w jasnych i ciemnych obszarach obrazu zostały zauważone. Aby zwiększyć kontrast, konieczne jest zwiększenie jasności obrazu, określane przez ogólne pojęcie High Dynamic Range.

Zwiększony zakres dynamiczny sprawia, że postrzegamy obraz jako ostrzejszy, bardziej szczegółowy, wyraźny, o lepszych i bardziej nasyconych kolorach. Nasze oczy i mózg szybko adaptują się, gdy oglądamy film czy program telewizyjny w bardzo jasnym albo zbyt ciemnym miejscu. Kiedy kontrast jest wystarczający, od razu dostrzegamy szczegóły.

Dotychczas wyświetlacze telewizorów miały znacznie mniejszy zakres dynamiczny niż ludzkie oczy. Według założeń zakres HDR wyświetlacza ma obejmować luminancję od 0,01 do 10 000 cd/m2, czyli dynamika zmian będzie wynosić 100 000 razy. Dotychczasowe kinowe urządzenia wideo mają luminancję znacznie mniejszą niż 100 cd/m2, a telewizyjne średnio 100–300 cd/m2. Z dotychczas obowiązującej normy Rec. 709 wynika, że nie wszystkie kolory mają optymalne nasycenie. Jej założenia spełniały dotąd monitory CRT, ale dla przemysłu filmowego i telewizyjnego są one niewystarczające. Obraz ruchomy wymaga luminacji na poziomie 10 000 cd/m2 i poziomu czerni 0,0005 cd/m2, co daje kontrast 20 000 000:1. Obecnie w telewizorach klasy podstawowej luminancja jest na poziomie 100 cd/ m2 (kontrast 20 000:1). Najlepsze telewizory z HDR mają luminancję obrazu 1000 cd/m2 (QLED TV marki Samsung 1500–2000 cd/m2).

Aby telewizor HDR mógł wyświetlić obraz HDR, należy mu dostarczyć sygnał HDR. Realizują to kamery profesjonalne 4K HDR, które rejestrują materiał wideo HDR do obróbki w postprodukcji, Aby telewizory mogły odtworzyć materiał wideo o luminacji do 10 000 cd/m2, opracowano nowe standardy dla materiałów wideo HDR.

Standardy TV HDR

Systemy HDR są opracowywane przez organizację Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE) oraz ITU – agencję technik informacyjnych i komunikacyjnych w ramach Organizacji Narodów Zjednoczonych (ONZ). Koordynują one światowe standardy w 193 krajach w porozumieniu z producentami telewizorów i firmami zajmującymi się nadawczą techniką telewizyjną. W telewizorach są stosowane trzy standardy: HDR10/10+, HDR Dolby Vision i HLG (Hybrid Log-Gamma).

Standard HDR10 jest podstawowym standardem otwartym, co oznacza, że każdy producent może go stosować bez opłat licencyjnych w telewizorach Ultra HD, projektorach oraz odtwarzaczach Blu-ray Ultra HD. W oparciu o niego opracowano standard Ultra HD Premium, określający, jakie wymagania mają spełniać telewizor i odtwarzacz Blu-ray. Nazwa HDR10 oznacza, że obraz ma 10-bitową głębię kolorów. Najnowsza wersja HDR10+ poprawia jakość obrazu dzięki dynamicznemu mapowaniu tonów. HDR10+ zawiera dynamiczne metadane, umożliwiające telewizorom HDR dostosowywanie poziomów jasności scena po scenie, a nawet w poszczególnych klatkach. Dzięki zróżnicowanym kontrastom wyświetlane obrazy są bardziej szczegółowe, a gama kolorów – bogatsza. Wszystko to sprawia, że HDR10+ pozwala wyświetlać obrazy znacznie bliższe reżyserskiej intencji. Telewizory ze starszą wersją HDR10 mogą mieć aktualizowane oprogramowanie do wersji HDR10+.

Standard HDR Dolby Vision – został opracowany przez amerykańską firmę Dolby Vision, która jest między innymi producentem sprzętu kinowego. Różnica między dwoma standardami HDR sprowadza się do tego, że HDR10 określa jedną wartość jasności obrazu przy realizacji filmu, a w systemie Dolby Vision dobierana jest ona niezależnie dla każdej klatki. Od strony technicznej HDR10 korzysta ze statycznych metadanych – są to niezbędne dla wyświetlacza informacje, takie jak ustawienia jasności sprzętu, z którymi pracował reżyser filmu. Każdy piksel obrazu HDR Dolby Vision ma dokładnie określoną jasność, pakiet dynamicznych metadanych oraz informacje o używanym ekranie. Zróżnicowanie jakości filmów będzie mniejsze, gdy upowszechni się standard HDR10+. Na rozwiązania techniczne zgodne z HDR Dolby Vision zdecydowali się tacy producenci telewizorów LCD jak TCL (rynek USA), LG, Vizio oraz Sony, ale w niektórych seriach telewizorów. Zaletą systemu Dolby Vision HDR jest fakt, że filmy kinowe są realizowane zgodnie ze standardem Dolby Vision, więc odtwarzanie ich na telewizorach z techniką Dolby Vision HDR nie będzie się wiązało z pogorszeniem jakości obrazu. 

HDR z anteny satelitarnej

Duże nadzieje wiąże się z trzecim standardem – Hybrid Log-Gamma, opracowanym przez nadawców TV BBC i NHK (publiczna telewizja japońska). Treści o zwiększonej dynamice obrazu można kodować w sygnale telewizji naziemnej i satelitarnej, materiał HDR może być dostarczany także złączem HDMI, ale w wersji HDMI 2b. HLG pozwala łączyć w sygnale telewizyjnym metadane SDR i HDR. Dzięki niemu telewizor bez obsługi HDR ignoruje metadane HDR, a ten z obsługą jest w stanie je rozpoznać i wykorzystać. Nadawcy nie będą musieli dublować kanałów z dodaną obsługą HDR i bez niej. Co ważne, w telewizorach wystarczy zmienić oprogramowanie, aby odbierać materiały HDR.

Jednym z pierwszych kanałów nadających materiały promocyjne wideo HDR HLG jest Travelxp 4K z satelity Hotbird 13° E (Eutelsat). Travelxp 4K, dostępny w siedmiu językach, oferuje setki godzin programów o podróżach. Travelxp 4K pokazuje podróżnicze i lifestyleowe programy własnej produkcji z najciekawszych miejsc, jak np. wyspa Bali, czy z Nowego Jorku.

HDR – co trzeba było zmienić w telewizorze

O jasności obrazu w telewizorach decydują konstrukcja wyświetlacza oraz rodzaj podświetlenia LED, które jest źródłem światła białego wytwarzanego przez diody LED. Ile światła wytworzą, zależy od ich mocy i sterowania. W technice HDR duża luminancja jest wymagana tylko chwilowo w niektórych miejscach obrazu, wynikających z treści wideo, dlatego stosuje się sterowanie impulsowe, które umożliwia wytworzenie dużej jasności światła LED przez krótki czas, co uniemożliwia przegrzanie lub spalenie diod. Ważny jest też sposób sterowania LED-ami w podświetleniu krawędziowym i lepszym – tylnym, aby uzyskać punktowe błyski czy zwiększenie szczegółowości obrazu w wybranym jego miejscu.

UWAGA! Samo zwiększanie jasności nie spowoduje polepszenia jakości obrazu. Zwiększając tylko jasność w telewizorze, tracimy szczegóły i nasycenie kolorów.

Jakiej jasności obrazy HDR są w telewizorach?

Niestety, dla celów marketingowych pojawiło się wiele telewizorów z etykietką HDR, których producenci uważają, że będzie zauważalny efekt HDR. Rozpiętość wartości luminancji jest bardzo duża:

• 350 – 500 cd/m2 – obraz z zauważalnym efektem HDR, przy górnych wartościach da się zauważyć większą jasność i więcej odcieni w bieli;
• 500 – 750 cd/m2 – lepszy efekt HDR;
• 750 – 1000 cd/m2 – efekt HDR jest wyraźny, ilość szczegółów w jasnych polach jest bardzo duża (Ultra HD Premium);
• 1500 – 2000 cd/m2 – efekt HDR w najlepszych telewizorach w 2017 r, modele z serii QLED TV Samsunga.

Niektórzy producenci podają także wartości procentowe informujące o zakresie odtwarzanych barw zgodnie ze standardem Rec. 2020 czy DCI. Zazwyczaj podawane wartości są zawyżone ze względów marketingowych.

Poszerzone przestrzenie kolorów

HDR to także szersze przestrzenie barwne. Wszystko to pociąga za sobą jeszcze jedną zmianę – konieczność zwiększenia dokładności (głębi) bitowej transmitowanego sygnału do 10 lub nawet 12 bitów zamiast dotychczas stosowanych 8, co przekłada się na większą liczbę odcieni kolorów. W standardzie Full HD dokładność bitowa wynosiła 8 bitów, co dawało 28, czyli 256, odcieni jednego koloru, a dla trzech podstawowych kolorów RGB dawało ich 16,7 mln. Przy 10 bitach zwiększa się ich liczbę do 1,07 mld, a przy 12 bitach jest to już 68,71 mld odcieni kolorów. Aby urządzenia jednakowo odtwarzały barwy, opracowano normy określające ich zakres, tzw. gamut (trójkąt barw), w urządzeniach wideo: Rec. 709 (HDTV), Rec. 2020 (Ultra HD) i DCI-P3 (kino). Przestrzeń kolorów DCI-P3 jest większa niż Rec. 709 i została opracowana przez Hollywood Studios do stosowania w projektorach kina cyfrowego.

Kropki kwantowe – więcej kolorów

Najnowszą przestrzeń kolorów – Rec. 2020 opracowano dla telewizji 4K (Ultra HD). W celu spełnienia wymagań przestrzeni barw według norm Rec. 2020 i DCI-P3 w wyświetlaczach LCD zaczęto stosować nowy rodzaj podświetlenia, zawierający kropki kwantowe, wytwarzające światło o szerszym spektrum barw. W produkcji wyświetlaczy o zwiększonej palecie kolorów (Wide Color Gamut) konieczne jest zastosowanie nowej generacji podświetlenia warstwy z nanokryształami – kropkami kwantowymi, stosowanymi przez fi rmy Samsung, (najnowsza generacja w telewizorach Q LED TV) i TCL seria X2 , które ukaże się jesienią . Konkurencyjnym rozwiązaniem są nowej generacji LED-y, wytwarzające światło o szerszym zakresie kolorów (np. Panasonic, LG, Sony).

HDR w telewizorach OLED

Telewizory OLED spełniające normy Ultra HD Premium mają obraz o mniejszej luminancji niż LCD – 540 nt jasności szczytowej i mniej niż 0,0005 nt poziomu czerni. Aby w pełni cieszyć się jakością HDR, trzeba oglądać obraz w ciemnym pomieszczeniu. Jakość obrazu HDR na telewizorach LG OLED dodatkowo poprawia funkcja indywidualnego regulowania jasności pikseli matrycy OLED (Pixel Dimming). W przeciwieństwie do paneli LCD, w których podświetlenie LED jest regulowane lokalnie na całych fragmentach ekranu, w matrycy OLED każdy piksel pracuje niezależnie. Diody organiczne pozwalają wyświetlić wyraźne, żywe barwy oraz detale, które są dobrze widoczne nawet wtedy, gdy bezpośrednio obok siebie znajdują się niewielkie jasne obiekty oraz bardzo ciemne obszary (np. rozgwieżdżone niebo). Na ekranie telewizora LCD wokół jasnych miejsc występuje poświata (brzegi jasnych obszarów są rozmyte), wynikająca z lokalnego podświetlenia matrycy. Podobny efekt diody LED tworzą przy wyświetlaniu całkowicie czarnego obrazu – jaśniejsze obszary, przypominające efekt winietowania, pojawiają się przy górnej oraz dolnej krawędzi ekranu. Telewizory LG OLED są zgodne z HDR10, Dolby Vision i HLG.

Telewizory HDR Full HD

Dotychczas wiązano technikę HDR tylko z telewizorami Ultra HD 4K. W 2017 r. pojawiły się telewizory HDR z wyświetlaczem o mniejszej rozdzielczości – Full HD. Na ten krok zdecydowała się fi rma Sony w modelach WE75 o przekątnych 49 i 43 cale, WE66 (49 i 40 cali) oraz WE61 32 cale o jeszcze mniejszej rozdzielczości ekranu – HD ready.