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):
Начальный уровень HDR
|
Значительный шаг вперед по сравнению с SDR:
|
Высокопроизводительные мониторы для компьютеров и
|
Настоящий высококонтрастный HDR с заметными световыми эффектами:
|
Компьютерные мониторы для профессионалов, энтузиастов и разработчиков контента
|
HDR экстра-класса с локальным затемнением, высокой контрастностью и продвинутыми зеркальными световыми эффектами:
|
Характеристики, выбранные в качестве классификационных критериев, также приведены на сайте VESA в следующей таблице:
| Характеристика | Расшифровка | Обычный дисплей (SDR) | DisplayHDR400 | DisplayHDR600 | DisplayHDR1000 |
| Яркость, кд/м 2 , не менее | |||||
| Максимальная локальная яркость | Яркость небольшой области экрана (зеркальные световые эффекты в играх и фильмах) | 250-300 | 400 | 600 | 1000 |
| Максимальная мгновенная общая яркость | Яркость при воспроизведении кратковременных вспышек света во весь экран (взрывы и световые спецэффекты в играх и фильмах) | 250-300 | 400 | 600 | 1000 |
| Максимальная средняя общая яркость | Яркость при длительном воспроизведении статических сцен с большой яркостью (в т.ч. при создании контента, включая обработку фото) | 250-300 | 320 | 350 | 600 |
| Уровень черного, кд/м 2 , не более | |||||
| Угловой максимум | Показывает величину контрастности, которая может быть достигнута на LCD-экранах уровня 600 и 1000 (при использовании локального затемнения) | 0,50-0,60 | 0,40 | 0,10 | 0,05 |
| Туннельный максимум | Показывает, что в части контрастности LCD-панель удовлетворяет требованию 955:1 (при использовании общего или локального затемнения) | 0,50-0,60 | 0,10 | 0,10 | 0,10 |
| Цветовой охват | |||||
| Минимальный цветовой охват в формате CIE 1976 u, v | Цветовое пространство на базе BT.709/sRGB и DCI-P3 для гарантированного обеспечения лучшей цветопередачи. Ориентировано на актуальные стандарты для цифрового кино и веб-контента, в противоположность заданию процентов от NTSC | не более 95% sRGB | 95% ITU-R BT.709 | 99% ITU-R BT.709 и 90% DCI-P3 65 (SMPTE RP 4 31-2) | |
| Глубина цветопередачи, бит на канал, не менее | |||||
| Разрядность сигнала | В большинстве современных дисплеев используются 6-битные пиксель-драйверы и эмуляция 8-битного качества изображения с помощью алгоритмов дизеринга. Для уровня DisplayHDR 600 и 1000 требуется 10-битная глубина цвета – получаемая как минимум путем использования 8-битных драйверов и 2-битного дизеринга | 8 | 10 | 10 | 10 |
| Разрядность пикселя | 6 | 8 | 8 | 8 | |
| Время отклика, не более | |||||
| Время отклика при увеличении яркости (от черного к белому) | Для LCD-панелей с локальным затемнением данный параметр показывает уровень синхронизации основного видеосигнала и сигнала, управляющего яркостью подсветки. Если задержка слишком велика, преимущества высокого динамического диапазона (HDR) заметно снижаются. Как правило, время отклика при увеличении яркости оказывается значительно меньше 8 кадров | N/A | 8 кадров | 8 кадров | 8 кадров |
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.
Дата публикации: 25.06.2015
Три способа расширения динамического диапазона
На прошлом уроке мы узнали, что такое динамический диапазон и как работать с ним при съёмке, чтобы сохранить на фотографии детали как в светлых, так и в тёмных участках.
Но бывают сюжеты с таким большим перепадом яркости, что камера просто не может передать их без потерь. Существует несколько способов расширения динамического диапазона, доступных каждому фотографу. С их помощью можно показать все детали даже самого контрастного сюжета.
1. Возможности фотокамеры: технологии HDR и D-Lighting
Когда использовать HDR, а когда «Активный D-Lighting»?
Для повседневной съёмки, а также съёмок в путешествиях, на прогулке удобнее использовать «Активный D-Lighting». Эта технология очень проста в использовании, не требует от фотографа никаких специальных навыков.
Если вы фотографируете неподвижные сюжеты (например, пейзаж) и хотите добиться идеального качества не снимая в формате RAW, целесообразно воспользоваться технологией HDR. Однако помните, что для работы с ней желательно использовать штатив.
Как видно, обе эти технологии ограничены съёмкой в формате JPEG. Но что делать продвинутому фотографу, желающему получать снимки формата RAW? Об этом - далее.
2. Градиентные светофильтры
Думаю, у каждого были солнцезащитные очки, у которых сверху стекло было затемнено сильнее, чем снизу - и солнечный свет не бьёт в глаза, и дорогу видно хорошо. Этот же принцип давно используют фотографы.
Что чаще всего на фотографиях пересвечивается? Небо. Его можно затемнить, оставив более тёмную нижнюю часть кадра в сохранности.
Градиентный фильтр представляет собой стекло, постепенно затемняющееся к одному из своих краёв. Существуют цветные градиентные фильтры, но нас больше всего будут интересовать бесцветные (градиентные светофильтры нейтральной плотности - Graduated Neutral Density, GND).
У градиентных фильтров есть несколько важных характеристик. Основная из них - форма выпуска.
- Резьбовые . Это градиентные фильтры привычного для фотографов вида (в круглой оправе), которые прикручиваются на объектив. Они относительно недороги, но не очень практичны. Ведь чтобы градиентный фильтр работал, его тёмная часть должна чётко совпадать с нижней границей неба на фотографии. А оно на разных снимках расположено по-разному: иногда его много, иногда от него остаётся лишь полосочка вверху кадра. Положение же градиента на таком фильтре мы менять не можем. И нам остаётся либо подстраивать композицию кадра под фильтр, либо отказаться от применения этого приспособления.
- Системные . Такие фильтры представляют из себя прямоугольные отрезки оптического пластика (очень редко - стекла), вставляющиеся в специальный держатель. Существует несколько стандартных размеров светофильтров и несколько систем для их крепления (Cokin, Lee, SinghRay). О системных светофильтрах и их применении можно говорить очень много, но сейчас мы сделаем лишь краткий обзор их возможностей.
Основное достоинство системных фильтров - гибкость в работе и широкий выбор аксессуаров. Такой фильтр можно устанавливать в любое положение, произвольно меняя область затемнения в кадре. Таким образом, мы сможем использовать их при любой компоновке кадра. Также эти фильтры различаются характером градиента. Основные виды - мягкий, жёсткий и обратный. Различные типы градиента применяются при съёмке разных сюжетов.
Независимо от формы выпуска градиентные фильтры различаются по степени затемнения (по плотности). Принцип такой же, как и в обычных нейтрально-серых фильтрах: чем плотнее (темнее) такой фильтр, тем большее затемнение он может дать. Максимализм тут неуместен - кадр потеряет естественность, если вы слишком сильно затемните небо. Оптимальным, пожалуй, будет фильтр с плотностью ND4, дающий затемнение на 2 ступени экспозиции.
В чём плюсы градиентных фильтров?
- При правильном использовании они дают наиболее естественный, приятный глазу результат (без обработки и склейки кадров).
- Их можно использовать с любой фототехникой - цифровой или плёночной - независимо от её характеристик и функций. Единственное ограничение - светофильтр должен подходить к объективу по размеру.
- Градиентные фильтры пригодятся не только при съёмке пейзажа. Их с тем же успехом можно использовать, к примеру, при съёмке портрета на природе.
Но и минусов у них предостаточно:
- Установка фильтра на камеру требует времени. А установка системных фильтров - и определённой сноровки. Пока вы накручиваете фильтры на камеру и располагаете их так, как надо, ваш сюжет может «уйти».
- Светофильтры нужно носить с собой. Следовательно, их можно потерять или сломать. Системные фильтры могут быть весьма громоздкими. HDR и «Активный D-Lighting» дома вы забыть не сможете и места они не занимают.
- Хорошие градиентные фильтры, в особенности системные, стоят серьёзных денег. Не каждый сможет себе их позволить.
Подводя итоги, нужно сказать, что градиентные светофильтры пригодятся, прежде всего, продвинутым фотографам и профессионалам. Такие фильтры используют при вдумчивой съёмке со штатива. В репортажной и трэвел-фотографии применение им вряд ли найдётся.
3. Брекетинг экспозиции и обработка на компьютере
Два предыдущих способа расширения динамического диапазона относились к процессу фотосъёмки - их применяют непосредственно при фотографировании.
Метод, о котором мы расскажем ниже, применяется при обработке кадров. Он подойдёт тем, кто знаком с компьютерной обработкой изображения. Однако и этот способ требует некоторых подготовительных действий.
Брекетинг экспозиции . Это последовательная съёмка нескольких кадров с разной экспозицией. Серию кадров в дальнейшем можно использовать по-разному. Имея кадры разной яркости, мы можем либо просто выбрать оптимальный по яркости снимок и работать с ним, либо склеить из серии снимков HDR-изображение.
Не все фотокамеры имеют функцию автоматического брекетинга экспозиции (её нет у самого доступного Nikon D3300). Однако любая камера позволит снять три кадра с разной экспозицией.
Брекетинг экспозиции подразумевает съёмку кадров с определённым шагом экспозиции. Первый кадр серии снимается с заданной фотографом экспозицией, а последующие - с положительной и отрицательной экспокоррекцией.
Серия кадров, сделанная с брекетингом экспозиции. Шаг 2 EV:
Обычно при брекетинге экспозиции регулируется выдержка, так как регулировка диафрагмы повлечёт за собой изменение глубины резкости, а ISO - появление лишних шумов. Впрочем, в некоторых аппаратах параметр, по которому будет производиться брекетинг, можно выбрать самостоятельно.
Шаг брекетинга измеряется в уже знакомых нам ступенях экспозиции . Чем больше шаг, тем больше кадры будут различаться по яркости. При съёмке очень контрастных сюжетов имеет смысл использовать шаг в 2 EV, менее контрастных - 1 EV.
Расширение динамического диапазона с помощью коррекции одного снимка формата RAW . Как правило, если детали в светлых участках кадра сохранены, то при обработке RAW-файла вполне можно осветлить тёмные участки, расширив тем самым динамический диапазон. Этому методу посвящён один из наших материалов из серии «Как это снято» .
Динамический диапазон в фотографии описывает соотношение между максимальной и минимальной измеримой интенсивностью света (белым и чёрным, соответственно). В природе не существует абсолютно белого или чёрного - только различные степени интенсивности источника света и отражательной способности предмета. В силу этого концепция динамического диапазона усложняется и зависит от того, описываете ли вы записывающий прибор (такой как камера или сканер), воспроизводящий (такой как отпечаток или дисплей компьютера) или собственно предмет.
Как и при управлении цветом, каждое устройство в приведенной выше цепи передачи изображения имеет свой собственный динамический диапазон. В отпечатках и дисплеях ничто не может стать ярче, чем белизна бумаги или максимальная интенсивность пикселя, соответственно. По сути, ещё один прибор, который не был упомянут выше, это наши глаза, у которых тоже есть свой собственный динамический диапазон. Передача информации из изображения между устройствами таким образом может повлиять на его воспроизведение. Следовательно, концепция динамического диапазона полезна для относительного сравнения исходной сцены, вашей камеры и изображения на вашем экране или на отпечатке.
Влияние света: освещённость и отражение
Сцены с высокими вариациями яркостей отражённого света, например, содержащие чёрные объекты вдобавок к сильным отражениям, могут в действительности иметь более широкий динамический диапазон, чем сцены с большой вариативностью падающего света. В любом из этих случаев фотографии могут запросто превысить динамический диапазон вашей камеры, особенно если не следить за экспозицией.
Точное измерение интенсивности света, или освещённости, следовательно, является критическим для оценки динамического диапазона. Здесь мы используем термин «освещённость», чтобы определить исключительно падающий свет. Как освещённость, так и яркость обычно измеряются в канделах на квадратный метр (кд/м 2). Приблизительные значения для часто встречающихся источников освещения приведены ниже.
Здесь мы видим, что возможны большие вариации в падающем свете, поскольку вышеприведенная диаграмма отградуирована в степенях десяти. Если сцена неравномерно освещена как прямым, так и рассеянным солнечным светом, одно это может невероятно расширить динамический диапазон сцены (как видно из примера с закатом в каньоне с частично освещённой скалой).
Цифровые камеры
Несмотря на то, что физический смысл динамического диапазона в реальном мире - это всего лишь соотношение между наиболее и наименее освещёнными участками (контраст), его определение становится более сложным при описании измерительных приборов, таких как цифровые камеры и сканеры. Вспомним из статьи о сенсорах цифровых камер , что свет сохраняется каждым пикселем в своего рода термосе. Размер каждого такого термоса, в дополнение к тому как оценивается его содержимое, и определяет динамический диапазон цифровой камеры.
Фотопиксели удерживают фотоны, как термосы сохраняют воду. Следовательно, если термос переполняется, вода выливается наружу. Переполненный фотопиксель называют насыщенным, и он неспособен распознать дальнейшее поступление фотонов - тем самым определяя уровень белого камеры. Для идеальной камеры её контраст в таком случае определялся бы числом фотонов, которое может быть накоплено каждым из фотопикселей, поделенным на минимальную измеримую интенсивность света (один фотон). Если в пикселе может сохраниться 1000 фотонов, контрастность будет 1000:1. Поскольку ячейка большего размера может накопить больше фотонов, у цифровых зеркальных камер динамический диапазон обычно больше, чем у компактных камер (в силу большего размера пикселей).
Примечание: в некоторых цифровых камерах существует дополнительная настройка низкого ISO, которая снижает шум, но также и сужает динамический диапазон. Это происходит потому, что такая настройка в действительности переэкспонирует изображения на одну ступень и впоследствии обрезает яркости - увеличивая таким способом светосигнал. Примером могут служить многие камеры Canon, которые имеют возможность снимать в ISO 50 (ниже обычного ISO 100).
В действительности потребительские камеры не могут подсчитать фотоны. Динамический диапазон ограничен наиболее тёмным тоном, для которого более невозможно различить текстуру - его называют уровнем чёрного. Уровень чёрного ограничен тем, насколько точно можно измерить сигнал в каждом фотопикселе и, следовательно, ограничен снизу уровнем шума . В результате динамический диапазон как правило увеличивается при снижении числа ISO, а также у камер с меньшей погрешностью измерения .
Примечание: даже если бы фотопиксель мог подсчитать отдельные фотоны, подсчёт тем не менее был бы ограничен фотонным шумом. Фотонный шум создаётся статистическими колебаниями и представляет теоретический минимум шума. Итоговый шум является суммой фотонного шума и погрешности считывания.
В целом, динамический диапазон цифровой камеры таким образом может быть описан как соотношение между максимальной (при насыщении пикселя) и минимальной (на уровне погрешности считывания) измеримой интенсивностью света. Наиболее распространённой единицей измерения динамического диапазона цифровых камер является f-ступень, которая описывает разницу в освещённости в степенях числа 2. Контраст 1024:1 в таком случае может быть также описан как динамический диапазон из 10 f-ступеней (поскольку 2 10 = 1024).В зависимости от применения, каждая f-ступень может быть также описана как «зона» или «eV».
Сканеры
Сканеры оцениваются по тому же соотношению насыщенности и шума, как и динамический диапазон цифровых камер, за исключением того, что они описываются в терминах плотности (D). Это удобно, поскольку концептуально аналогично тому, как пигменты создают цвет на отпечатке, как показано ниже.
Общий динамический диапазон в терминах плотности таким образом выглядит как разница между максимальной (D max) и минимальной (D min) плотностями пигмента. В отличие от степеней 2 для f-ступеней, плотность измеряется в степенях 10 (так же, как и шкала Рихтера для землетрясений). Таким образом, плотность 3.0 представляет контраст 1000:1 (поскольку 10 3.0 = 1000).
| Исходный динамический диапазон |
|
|---|---|
| Динамический диапазон сканера |
Вместо указания диапазона плотности производители сканеров обычно указывают только значение D max , поскольку D max - D min обычно приблизительно равно D max . Это потому, что в отличие от цифровых камер, сканер контролирует свой источник света, гарантируя минимальную засветку.
Для высокой плотности пигмента к сканерам применимы те же ограничения по шуму, что и для цифровых камер (поскольку оба они используют массив фотопикселей для измерения). Таким образом, измеримая D max тоже определяется шумом, присутствующим в процессе считывания светосигнала.
Сравнение
Динамический диапазон варьируется настолько широко, что его часто измеряют логарифмической шкалой, аналогично тому как крайне различные интенсивности землетрясений измеряются одной шкалой Рихтера. Здесь приведен максимальный измеримый (или воспроизводимый) динамический диапазон для различных устройств в любых предпочитаемых единицах (f-ступени, плотность и соотношение контраста). Наведите курсор на каждый из вариантов, чтобы их сравнить.
| Выберите тип диапазона: | |||
|---|---|---|---|
| Печать | Сканеры | Цифровые камеры | Мониторы |
Обратите внимание на огромную разницу между воспроизводимым динамическим диапазоном печати и измеримым сканерами и цифровыми камерами. Сравнивая с реальным миром, это разница между примерно тремя f-ступенями в облачный день с практически ровным отражённым светом и 12 и более f-ступенями в солнечный день с высококонтрастным отражённым светом.
Использовать вышеуказанные цифры следует с осторожностью: в действительности динамический диапазон отпечатков и мониторов сильно зависит от условий освещения. Отпечатки при неверном освещении могут не показать свой полный динамический диапазон, тогда как мониторы требуют практически полной темноты, чтобы реализовать свой потенциал - особенно плазменные экраны. Наконец, все эти цифры являются всего лишь грубыми приближениями; реальные значения будут зависеть от наработки прибора или возраста отпечатка, поколения модели, ценового диапазона и т.д.
Учтите, что контрастность мониторов зачастую сильно завышена , поскольку для них не существует стандарта производителя. Контрастность свыше 500:1 зачастую является результатом очень тёмной чёрной точки, а не более яркой белой. В связи с этим нужно уделять внимание как контрастности, так и яркости. Высокая контрастность без сопутствующей высокой яркости может быть полностью сведена на нет даже рассеянным светом от свечи.
Человеческий глаз
Человеческий глаз может в действительности воспринимать более широкий динамический диапазон, чем это обычно возможно для камеры. Если учитывать ситуации, в которых наш зрачок расширяется и сужается, адаптируясь к изменению света , наши глаза способны видеть в диапазоне величиной почти 24 f-ступеней.
 |
С другой стороны, для корректного сравнения с одним снимком (при постоянной диафрагме, выдержке и ISO) мы можем рассматривать только мгновенный динамический диапазон (при неизменной ширине зрачка). Для полной аналогии нужно смотреть в одну точку сцены, дать глазам адаптироваться и не смотреть при этом ни на что другое. В этом случае существует большая несогласованность, поскольку чувствительность и динамический диапазон наших глаз меняется в зависимости от яркости и контраста. Наиболее вероятным будет диапазон из 10-14 f-ступеней.
Проблема этих чисел в том, что наши глаза исключительно адаптивны. Для ситуаций исключительно неяркого звёздного света (когда наши глаза используют палочки для ночного видения) они достигают даже более широких мгновенных динамических диапазонов (см. «Цветовое восприятие человеческого глаза »).
Глубина цветности и измерение динамического диапазона
Даже если бы чья-то камера могла охватить большую часть динамического диапазона, точность, с которой измерения света преобразуются в цифры, может ограничить применимый динамический диапазон. Рабочая лошадка, которая занимается преобразованием непрерывных результатов измерений в дискретные числовые значения, называется аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). Точность АЦП может быть описана в терминах разрядности, аналогично разрядности цифровых изображений , хотя следует помнить о том, что эти концепции неявляются взаимозаменяемыми. АЦП создаёт значения, которые хранятся в файле формата RAW .
Примечание: вышеприведенные значения отражают только точность АЦП и не должны
использоваться для интерпретации результатов для 8 и 16-битных файлов изображений.
Далее, для всех значений показан теоретический максимум, как если бы шум отсутствовал.
Наконец, эти цифры справедливы только для линейных АЦП, а разрядность
нелинейных АЦП необязательно коррелирует с динамическим диапазоном.
В качестве примера, 10 бит глубины цветности преобразуются в диапазон возможных яркостей 0-1023 (поскольку 2 10 = 1024 уровня). Предполагая, что каждое значение на выходе АЦП пропорционально актуальной яркости изображения (то есть, удвоение значения пикселя означает удвоение яркости), 10-битная разрядность может обеспечить контрастность не более 1024:1.
Большинство цифровых камер используют АЦП с разрядностью от 10 до 14 бит, так что их теоретически достижимый максимальный динамический диапазон составляет 10-14 ступеней. Однако такая высокая разрядность всего лишь помогает минимизировать постеризацию изображения , поскольку общий динамический диапазон обычно ограничен уровнем шума. Подобно тому, как большая разрядность изображения необязательно подразумевает большую глубину его цветности , наличие в цифровой камере высокоточного АЦП необязательно означает, что она в состоянии записать широкий динамический диапазон. На практике динамический диапазон цифровой камеры даже не приближается к теоретическому максимуму АЦП ; в основном 5-9 ступеней - это всё, чего можно ожидать от камеры.
Влияние типа изображения и кривая цветности
Могут ли файлы цифровых изображений в действительности записать полный динамический диапазон высококлассных приборов? В интернете наблюдается большое непонимание взаимосвязи разрядности изображения с записываемым динамическим диапазоном.
Для начала следует разобраться, говорим мы о записываемом или отображаемом динамическом диапазоне. Даже обыкновенный 8-битный файл формата JPEG может предположительно записать бесконечный динамический диапазон - предполагая, что во время преобразования из формата RAW была применена кривая цветности (см. статью о применении кривых и динамическом диапазоне), и АЦП имеет требуемую разрядность. Проблема кроется в использовании динамического диапазона; если слишком малое число бит распространить на слишком большой диапазон цвета, это может привести к постеризации изображения .
С другой стороны, отображаемый динамический диапазон зависит от коррекции гаммы или кривой цветности, подразумеваемой файлом изображения или используемой видеокартой и монитором. Используя гамму 2.2 (стандарт для персональных компьютеров), было бы теоретически возможно передать динамический диапазон из практически 18 f-ступеней (об этом расскажет глава о коррекции гаммы, когда будет написана). И даже в этом случае он мог бы пострадать от сильной постеризации. Единственным на сегодня стандартным решением для получения практически бесконечного динамического диапазона (без видимой постеризации) является использование файлов расширенного динамического диапазона (HDR) в Photoshop (или другой программе, например, с поддержкой формата OpenEXR).
by Cal Redback
Динамический диапазон является одним из многих параметров, на которые обращают внимание все, кто покупает или обсуждает фотокамеру. В различных обзорах часто используется этот термин наряду с параметрами шума и разрешения матрицы. Что же обозначает этот термин?
Не должно быть секретом, что динамический диапазон фотоаппарата - это способность камеры к распознаванию и одновременной передаче светлых и темных деталей снимаемой сцены.
Если говорить более детально, то динамический диапазон камеры - это охват тех тонов, которые она может распознать между черным и белым. Чем больше динамический диапазон, тем больше этих тонов могут быть записаны и тем больше деталей может быть извлечено из темных и светлых участков снимаемой сцены.
Динамический диапазон обычно измеряется в значениях . Хотя вроде бы и очевидно, что важным является возможность захватить наибольшее, насколько это возможно, число тонов, для большинства фотографов приоритетной остается цель - попытаться создать приятный образ. А это как раз не означает, что необходимо, чтобы была видна каждая деталь изображения. Например, если темные и светлые детали изображения будут разбавлены серыми полутонами, а не черными или белыми, то вся картинка будет иметь очень низкую контрастность и выглядеть довольно скучно и нудно. Ключевыми являются границы динамического диапазона фотокамеры и понимание как можно использовать его для создания фотографий с хорошим уровнем контрастности и без т.н. провалов в светах и тенях.
Что видит камера?
Каждый пиксель в изображении представляет один фотодиод на сенсоре камеры. Фотодиоды собирают фотоны света и превращают их в электрический заряд, который затем преобразуется в цифровые данные. Чем больше фотонов, которые собираются, тем больше электрический сигнал и тем ярче будет в изображении пиксель. Если фотодиод не собирает никаких фотонов света, то никакой электрический сигнал не будет создан и пиксель будет черным.
датчик 1 дюйм
датчик APS-C
Тем не менее, датчики бывают различных размеров и разрешений, а также при их производстве используются различные технологии, которые влияют на размер фотодиодов каждого датчика.
Если рассматривать фотодиоды как ячейки, то можно провести аналогию с наполнением. Пустой фотодиод будет воспроизводить черный пиксель, в то время как 50% от полного покажет серый цвет и заполненный на 100% будет белым.
Скажем, мобильные телефоны и компактные камеры имеют очень маленькие датчики изображения по сравнению с DSLR. Это означает, что они также имеют гораздо меньшие фотодиоды на датчике. Таким образом, даже при том, что и компактная камера, и DSLR может иметь датчик 16-миллионов пикселей, динамический диапазон будет отличаться.
Чем больше фотодиод, тем больше его способность хранить фотонов света по сравнению с меньшим размером фотодиода в меньшем датчике. Это означает, что чем больше физический размер, тем диод может лучше записывать данные в светлых и темных областях
Наиболее распространена аналогия, что каждый фотодиод похож на ведро, которое собирает свет. Представьте себе, что 16 миллионов ведер занимаются сбором света по сравнению с 16 млн. чашек. Ведра имеют больший объем, за счет которого способны собрать большее количество света. Чашки гораздо меньшей емкости, поэтому при наполнении могут передать фотодиоду гораздо меньший по мощности , соответственно пиксель может воспроизводиться с гораздо меньшим количеством световых фотонов, чем получается от более крупных фотодиодов.
Что это означает на практике? Камеры с меньшими размерами датчиков, такие как в смартфонах или потребительские компакты, имеют меньший динамический диапазон, чем даже самый компактный фотоаппарат из системных камер или зеркалок, которые используют большие датчики. Тем не менее, важно помнить, что влияет на ваши изображения общий уровень контраста в сцене, которую вы фотографируете.
В сцене с очень низкой контрастностью разница в тональном диапазоне, захваченном камерой мобильного телефона и DSLR, может быть мала или вообще не различима. Датчики обеих камер способны захватывать полный диапазон тонов сцены, если свет выставлен правильно. Зато при съемке высококонтрастных сцен будет очевидным, что, чем больше динамический диапазон, тем большее количество полутонов он способен передать. И так как более крупные фотодиоды имеют лучшую способность при записи более широкого диапазона тонов, следовательно, и имеют больший динамический диапазон.
Давайте посмотрим разницу на примере. На фотографиях ниже можно наблюдать отличия в передаче полутонов камерами с разным динамическим диапазоном при одинаковых условиях высокой контрастности освещения.
Что такое разрядность изображения?
Разрядность тесно связана с динамическим диапазоном и диктует камере какое количество тонов может быть воспроизведено в изображении. Хотя цифровые снимки полноцветные по умолчанию, и они не могут быть сняты не цветными, датчик камеры на самом деле не записывает непосредственно цвет, он просто записывает цифровое значение для количества света. Например, 1-битное изображение содержит самую простую "инструкцию" для каждого пикселя, поэтому в данном случае есть только два возможных конечных результата: черный или белый пиксель.
Битное изображение состоит уже из четырех различных уровней (2×2). Если оба бита равны - это белый пиксель, если оба выключены, то это черный. Есть также возможность иметь два варианта, что на изображении будет соответственное отражение еще двух тонов. Двухбитное изображение дает черно-белый цвет плюс два оттенка серого.
Если изображение 4-битное, соответственно существует 16 возможных комбинаций в получении различных результатов (2x2x2x2).
Когда дело доходит до обсуждения цифровых изображений и датчиков, чаще всего можно услышать о 12, 14 и 16-битных датчиках, каждый из которых способен записывать 4096, 16384 и 65536 различных тонов соответственно. Чем больше битовая глубина, тем большее количество значений яркости или тона может быть записано с помощью датчика.
Но и тут кроется подвох. Не все камеры способны воспроизводить файлы с такой глубиной цвета, которую может позволить создать датчик. Например, на некоторых камерах Nikon исходные файлы могут быть как 12 бит, так и 14 бит. Дополнительные данные в 14-битных изображениях означают, что в файлах, как правило, больше деталей в светлых и темных областях. Так как размер файла больше, то и времени на обработку и сохранение тратится больше. Сохранение необработанных изображений 12-битных файлов происходит быстрее, но тональный диапазон изображения из-за этого сжимается. Это означает, что некоторые очень темные серые пиксели будут отображаться как черные, а некоторые светлые тона могут выглядеть как .
Когда происходит съемка в формате JPEG, файлы сжимаются еще больше. Изображения JPEG являются 8-разрядными файлами, состоящими из 256 различных значений яркости, поэтому многие из мелких деталей, доступных для редактирования в исходных файлах, снятых в , полностью теряются в файле JPEG.
Таким образом, если у фотографа имеется возможность получить наиболее полную отдачу от всего возможного динамического диапазона фотокамеры, то лучше сохранять исходники в "сыром" виде - с максимально возможной битовой глубиной. Это означает, что снимки будут хранить наибольшее количество информации о светлых и темных областях, когда дело коснется редактирования.
Чем понимание динамического диапазона фотокамеры важно для фотографа? Исходя из имеющейся информации, можно сформулировать несколько прикладных правил, придерживаясь которых, повышается вероятность получения хороших и качественных изображений в трудных условиях для фотосъемки и избегать серьезных ошибок и недочетов.
- Лучше снимок сделать более светлым, чем перетемнить его. Детали в светах "вытягиваются" проще, потому что они не такие шумные, как детали в тени. Безусловно, что правило действует при условиях более-менее правильно выставленной экспозиции.
- При замере экспозиции по темным областям лучше жертвовать детализацией в тенях, более тщательно проработав света.
- При большой разнице в яркости отдельных участках снимаемой композиции экспозицию следует замерять по темной части. При этом желательно выравнивать по возможности общую яркость поверхности изображения.
- Оптимальное время для съемки считается утреннее или вечернее, когда свет распределяется равномерней, чем в полдень.
- Портретная съемка пройдет лучше и легче, если использовать дополнительное освещение с помощью выносных вспышек для фотокамеры (например, купить современные накамерные вспышки http://photogora.ru/cameraflash/incameraflash).
- При прочих равных следует пользоваться наименьшим из возможных значением ISO.
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).
Новогодние торты – оригинальные идеи оформления десертов в новогоднем стиле!
Толкование сна шнурки в сонниках Снилось белый шнурок
Котенковские чтения Награды и звания