Что такое HDR?

Разбираемся в высоком динамическом диапазоне. Перевод статьи с Techspot.

Вы выбираете новый монитор или ноутбук, изучая технические характеристики. Разрешение? Есть. Частота обновления? Есть. Затем вы замечаете, что всё больше моделей рекламируют поддержку HDR. Если вам интересно, что такое HDR, как он работает и что он даёт на практике, вы попали в нужное место. В этой статье мы расскажем всё об этих трёх волшебных буквах.

HDR означает High Dynamic Range («высокий динамический диапазон») — это общее обозначение технологий, применяемых в изображениях и видеоконтенте, дисплеях и графическом рендеринге, которые увеличивают разницу между максимальными и минимальными уровнями яркости и цвета.

Эта разница, также называемая динамическим диапазоном, показывает, во сколько раз максимальное значение превышает минимальное. В случае дисплеев это удобно представить через контрастность: максимальная яркость, делённая на минимальную яркость, и есть коэффициент контрастности монитора.

Почему это важно? Зрительная система человека способна воспринимать очень широкий диапазон контрастности при подходящих условиях. Технологии HDR сохраняют мелкие детали, которые SDR может сгладить в тенях или пересветить в светлых участках, а также расширяют глубину и диапазон цветов. Статические фотографии, фильмы и компьютерная графика выглядят лучше на качественном HDR-дисплее.

Есть и финансовая сторона вопроса. Оборудование с поддержкой HDR часто дороже, чем устройства SDR (Standard Dynamic Range — стандартный динамический диапазон), поскольку оно использует более сложные компоненты и передаёт больший объём данных. С учётом этого давайте разберёмся, как всё это работает.

Компьютеры и другие цифровые устройства создают изображение на экране, управляя значениями цветовых каналов. Эти значения используются для представления определённого цвета — прежде всего красного, зелёного и синего. Все остальные цвета формируются путём комбинации этих трёх в рамках так называемой цветовой модели RGB.

RGB — это математическая система, которая суммирует три цветовых значения, однако сама по себе она мало что говорит о том, как воспринимается цвет. Модель требует дополнительной информации о том, как следует интерпретировать цвета с учётом особенностей человеческого зрения. Результатом становится цветовое пространство. Существует множество различных цветовых пространств, но наиболее известные — DCI-P3, Adobe RGB и sRGB.

Такие пространства не охватывают все возможные цвета, различимые человеческим глазом. Набор цветов, который способно представить конкретное пространство, называется цветовой гаммой. Гаммы часто отображаются на так называемой диаграмме цветности CIE xy.

В обзорах мониторов вы почти всегда увидите ссылки на эти гаммы с указанием того, какую их часть покрывает дисплей. Однако цветовые модели, пространства и гаммы по сути представляют собой наборы математических формул. Чтобы преобразовать числовые значения в корректное физическое отображение изображения, используются дополнительные системы.

Чтобы подробно рассмотреть их все, потребовалась бы отдельная статья, но одна из наиболее важных систем называется электрооптической передаточной функцией (EOTF). Это математический процесс, который преобразует электрические сигналы цифрового изображения или видео в отображаемые уровни яркости и цвета.

Большинству пользователей не приходится об этом задумываться — мы просто подключаем мониторы и телевизоры, смотрим фильмы и играем в игры. Однако профессиональные создатели контента тратят много времени на калибровку устройств, чтобы изображения и другие материалы отображались максимально точно.

Цветовые каналы, используемые в моделях, могут быть представлены разными способами — например, в виде диапазона [0,1] или в процентах. Однако поскольку устройства, выполняющие математические вычисления, работают с двоичными числами, цветовые значения хранятся именно в таком формате.

Объём цифровых данных измеряется в битах, а их количество называют глубиной цвета. Чем больше бит используется, тем больше различных оттенков можно получить. В настоящее время минимальным стандартом является использование 8 бит на каждый канал — это иногда обозначается как R8G8B8 или просто 8-8-8. Один бит даёт два возможных значения (0 и 1), два бита — 2 × 2 = 4 значения, а 8 бит — 2 × 2 × … (восемь раз) = 256 значений.

Если умножить 256 × 256 × 256, получаем 16 777 216 возможных цветов. Это может показаться невероятно большим числом — гораздо большим, чем когда-либо понадобится. И в большинстве случаев этого действительно достаточно. Именно поэтому 8 бит на канал долгое время остаются отраслевым стандартом.

На этом этапе давайте сосредоточимся на одном цветовом канале. Выше можно увидеть разницу в передаче красного канала в зависимости от количества используемых битов.

Обратите внимание, насколько 8-битное представление выглядит более плавным по сравнению с меньшими значениями глубины цвета. Может показаться, что этого достаточно и нет необходимости использовать больше бит.

Однако, как только начинается смешивание цветов, 8 бит могут оказаться недостаточными. В зависимости от конкретного изображения легко заметить области, где цвет будто перескакивает с одного значения на другое — возникает эффект полос (banding). На иллюстрации ниже левая часть была смоделирована с использованием 2 бит на канал, тогда как справа применены стандартные 8 бит.

Хотя верхняя часть правой стороны выглядит вполне достойно, при внимательном рассмотрении нижней области (особенно ближе к земле) проблема становится заметной. Использование большей глубины цвета устранило бы этот эффект. При этом нет необходимости переходить к экстремально высоким значениям — 10 или 12 бит более чем достаточно. Даже при 10 битах один цветовой канал содержит 1024 градации. Это в четыре раза больше шагов, чем при 8 битах.

Использование большей глубины цвета становится ещё более важным при работе с цветовыми пространствами с очень широкой гаммой. Пространство sRGB было разработано Hewlett-Packard и Microsoft более 20 лет назад и до сих пор отлично подходит для современных дисплеев, поскольку большинство из них используют 8 бит на канал. Однако такое пространство, как ProPhoto RGB от Kodak, обладает настолько широкой гаммой, что для предотвращения появления полос требуется 16-битная глубина цвета.

Также стоит учитывать, что хотя современные игры внутренне рендерятся с очень высокой точностью, большинство HDR-видеоформатов и потребительского контента мастерингуются в 10-битном формате.

Большинство современных мониторов, телевизоров, планшетов и смартфонов используют одну из двух технологий для формирования изображения: жидкокристаллические панели (LCD), которые блокируют свет, или светодиоды (LED), которые его излучают. В некоторых случаях применяется комбинация: светодиодная подсветка создаёт свет, который затем модулируется ЖК-панелью.

Если взглянуть на лучшие современные мониторы, можно заметить, что большинство из них построены на основе ЖК-панелей. Если разобрать такой дисплей и внимательно рассмотреть экран под увеличением, вы увидите примерно следующее.

Здесь отчётливо различимы отдельные субпиксели RGB, из которых состоит каждый пиксель (элемент изображения). В данном примере каждый субпиксель представляет собой миниатюрный фильтр, пропускающий свет только определённого цвета. В дисплеях, где используются светодиоды, например в OLED-панелях высокого класса или в дорогих смартфонах, такие фильтры не требуются, поскольку каждый субпиксель самостоятельно излучает свет нужного цвета.

Независимо от технологии существует предел количества света, которое может быть излучено или пропущено. Этот параметр называется яркостью и измеряется в нитах (канделах на квадратный метр). Типичный монитор может иметь пиковую яркость около 250 нит. Это достигается при выводе полностью белого изображения, то есть когда значения всех каналов RGB максимальны.

Минимальную яркость определить сложнее. ЖК-экраны работают за счёт жидких кристаллов, блокирующих свет, но полностью перекрыть его невозможно — часть света всегда проходит. Это может быть небольшое значение, например около 0,2 нита. Однако динамический диапазон — это отношение максимального значения к минимальному. Когда указывается коэффициент контрастности, он обычно рассчитывается от полного белого к полному чёрному (так называемый статический контраст). Современные тесты HDR дополнительно оценивают эффективность локального затемнения — насколько точно оно контролирует рассеянный свет в отдельных областях экрана.

Если максимальная яркость составляет 250 нит, а минимальная — 0,2, то динамический диапазон равен 250 / 0,2 = 1250. Поскольку существенно снизить минимальную яркость ЖК-панелей сложно, производители повышают динамический диапазон, увеличивая пиковую яркость.

Дисплеи, которые излучают свет напрямую, а не пропускают его через кристаллы, в этом отношении имеют преимущество. Когда светодиоды выключены, минимальная яркость становится настолько низкой, что её практически невозможно измерить. Теоретически это означает, что OLED-дисплеи (органические светодиоды) обладают бесконечным коэффициентом контрастности.

Возьмём монитор среднего класса прошлых лет — Asus TUF Gaming VG279QM. В нём используется ЖК-панель с LED-подсветкой, и производитель заявляет поддержку HDR, указывая два параметра: HDR10 и DisplayHDR 400.

HDR10 — это спецификация видеоформата, разработанная Ассоциацией потребительских технологий. Она определяет технические параметры цветового пространства, глубины цвета, передаточной функции и других аспектов. На практике современное производство и распространение HDR-контента соответствует стандарту ITU BT.2100 (либо с использованием PQ EOTF, также известной как SMPTE ST-2084, либо HLG), использует цветовое пространство BT.2020 и обычно 10- или 12-битную глубину цвета. HDR10 — базовый профиль без лицензионных отчислений. HDR10+ и Dolby Vision добавляют динамические метаданные — параметры, задаваемые для каждой сцены или кадра.

Если sRGB использует относительно простую гамма-кривую в передаточной функции, то HDR10 применяет кривую Perceptual Quantizer (PQ), гораздо лучше подходящую для контента с высоким динамическим диапазоном. Аналогично, цветовое пространство ITU-R BT.2020 имеет значительно более широкий охват, чем sRGB и Adobe RGB.

Кроме того, спецификация требует, чтобы глубина цвета составляла не менее 10 бит — это необходимо для предотвращения появления полос (banding). Формат также включает фиксированные метаданные (дополнительную информацию обо всём видеоконтенте, отображаемом на дисплее, чтобы устройство могло корректно обрабатывать сигнал) и поддержку хроматической подвыборки 4:2:0 при использовании сжатия.

Существует несколько других форматов HDR-видео — например, HDR10+, HLG10, PQ10 и Dolby Vision. Они различаются по стоимости лицензирования, типу передаточной функции, метаданным и совместимости. Однако большинство из них используют одно и то же цветовое пространство и аналогичную глубину цвета.

Беглый взгляд на уровни сертификации показывает, что DisplayHDR 400 — это самый базовый рейтинг. Как правило, мониторы с таким уровнем не демонстрируют по-настоящему впечатляющего HDR.

Маркировка DisplayHDR 400 на нашем примере — это уже аппаратная сертификация от VESA (Video Electronics Standards Association). Если HDR10 и другие стандарты описывают формат контента, то DisplayHDR относится к требованиям к самому оборудованию, на котором этот контент воспроизводится.

Как видно из требований программы, VESA обязывает производителей соответствовать определённым параметрам яркости, глубины цвета и охвата цветового пространства, прежде чем монитор может получить сертификацию. В настоящее время программа включает уровни DisplayHDR 400/500/600/1000/1400 для LCD и Mini-LED, а также отдельные уровни «DisplayHDR True Black» 400/500/600/1000 для излучающих технологий, таких как OLED и QD-OLED. Более высокие уровни (1000 и 1400) предъявляют значительно более строгие требования к пиковой яркости, устойчивому контрасту и эффективности локального затемнения, поэтому конструкции с боковой подсветкой уже не соответствуют этим стандартам.

Таким образом, DisplayHDR 400 — это начальный уровень. Если вы никогда не видели более продвинутую реализацию, он может показаться приемлемым, но для действительно впечатляющего HDR стоит ориентироваться на DisplayHDR 1000/1400 для ярких Mini-LED ЖК-дисплеев или True Black 500+ для OLED-дисплеев.

Мир HDR-форматов и сертификаций действительно запутан. Можно встретить великолепный дисплей, способный корректно отображать разные HDR-форматы, но не имеющий сертификации VESA или UHD Alliance (ещё одного органа стандартизации). И наоборот — монитор может обладать несколькими сертификатами, но при этом не демонстрировать убедительного HDR на практике.

OLED-дисплеи по-прежнему считаются эталоном по качеству чёрного и детализации в тёмных сценах. В то же время лучшие Mini-LED ЖК-дисплеи уже достигают пиковой яркости 1000–4000 нит и используют тысячи зон локального затемнения, что делает их особенно впечатляющими в ярко освещённых помещениях. Оба типа способны обеспечить HDR высшего уровня — выбор зависит от условий просмотра и бюджета. При оценке HDR стоит ориентироваться на пиковую яркость, а не на «среднюю». Для ярко выраженного HDR это означает: не менее 1000 нит для Mini-LED или около 600 нит для OLED, где глубина чёрного компенсирует меньшую пиковую яркость.

Если вы хотите смотреть современные фильмы в HDR, вам понадобятся три вещи: HDR-телевизор или монитор, устройство воспроизведения с поддержкой HDR-форматов и сам контент, закодированный в HDR. Если речь идёт о потоковом воспроизведении, добавляется ещё одно требование — стабильное и достаточно быстрое интернет-соединение.

Дисплей мы уже обсудили, поэтому перейдём к устройствам воспроизведения — будь то Blu-ray-плеер или потоковая приставка. В случае последних почти все современные устройства от Amazon, Apple, Google и Roku поддерживают различные HDR-форматы. Как правило, только самые бюджетные модели могут не иметь такой поддержки.

Например, Roku Streaming Stick 4K стоимостью около 40 долларов поддерживает HDR10, HDR10+, HLG и Dolby Vision. Учитывая, что большинство потоковых сервисов используют HDR10 или Dolby Vision, такого набора форматов обычно более чем достаточно.

Если вы предпочитаете физические носители, обязательно проверьте характеристики своего Blu-ray-плеера. Большинство современных 4K-плееров поддерживают HDR, однако старые модели могут не иметь такой возможности. Что касается стриминга, сервисы вроде Disney+, Netflix и Prime Video действительно предлагают HDR-контент, но зачастую его нужно искать в меню отдельно — и в некоторых случаях за доступ к нему придётся доплачивать.

Стриминг HDR на ПК по-прежнему включает несколько обязательных условий: вам понадобится дисплей с поддержкой HDR, соединение с поддержкой HDCP 2.2/2.3 и декодирование HEVC. Поддержка 4K/HDR в Netflix зависит от конкретного приложения или браузера (например, Edge в Windows или Safari в macOS), причём требования могут меняться — поэтому всегда стоит проверять актуальные рекомендации сервиса. Windows 11 теперь позволяет воспроизводить HDR-видео даже при отключённом системном HDR, а также добавляет элементы управления Dolby Vision на уровне отдельных приложений. Прежде чем оценивать качество изображения, имеет смысл запустить приложение Windows HDR Calibration.

Настройка HDR на ПК может оказаться настолько сложной, что иногда проще использовать потоковую приставку, подключённую к HDMI-порту HDR-монитора. Хорошая новость заключается в том, что для HDR не требуется HDMI 2.1 — DisplayPort 1.4 или HDMI 2.0b при поддержке соответствующих форматов и DSC вполне справляются с передачей HDR-сигнала.

На раннем этапе развития 3D-графики все расчёты — цвета, освещение, затенение — выполнялись с использованием 8-битных целочисленных значений на канал. Итоговое изображение записывалось в буфер кадра с той же глубиной цвета. Для своего времени этого было достаточно, но такой подход приводил к заметным полосам и ограничивал диапазон яркости.

Современные графические процессоры выполняют рендеринг с использованием 16- или 32-битных чисел с плавающей запятой, и буферы кадров часто соответствуют этой точности. Именно этот переход сделал возможным полноценный HDR-рендеринг в играх.

Одной из первых публичных демонстраций HDR стала игра Half-Life 2: Lost Coast от Valve. Реализация была далека от совершенства — избыточные блики и резкие изменения экспозиции бросались в глаза, — однако она наглядно показала потенциал технологии. На сравнении стандартного рендеринга и HDR хорошо видно, насколько расширяется динамический диапазон сцены.

Сегодня практически все крупные 3D-движки выполняют внутренний рендеринг в HDR независимо от того, поддерживает ли его ваш монитор. Если дисплей работает только в SDR, изображение преобразуется соответствующим образом. Тем не менее корректная реализация HDR-вывода по-прежнему встречается нечасто. Речь идёт о случаях, когда тональная компрессия действительно откалибрована под дисплеи HDR10, учитывает диапазон яркости устройства и предоставляет пользователю настройки, соответствующие возможностям конкретного экрана.

Некоторые игры реализуют HDR действительно качественно. В сообществах, ориентированных на HDR, часто приводят в пример Cyberpunk 2077, Forza Horizon 5, Horizon Forbidden West, Alan Wake 2 и Helldivers 2. В этих проектах яркие области выглядят выразительно, тени остаются насыщенными, а точность цветопередачи не жертвуется ради общей яркости. Другие игры демонстрируют менее удачную реализацию. Нередко всё ограничивается простым переключателем «HDR On», который либо сжимает чёрные оттенки, либо приводит к пересвету неба.

Cyberpunk 2077, например, формирует буфер кадра в соответствии со стандартами HDR10 и позволяет пользователю настраивать параметры с учётом пиковой яркости конкретного дисплея. Такой уровень контроля всё ещё скорее исключение, чем правило. HDR в играх способен выглядеть впечатляюще — но только при согласованной работе разработчиков и вашего дисплея.

Если игра не поддерживает HDR напрямую, Windows 11 может попытаться добавить его автоматически. Функция Auto HDR анализирует SDR-контент, выводимый через DirectX 11 или 12, и преобразует его в HDR. Включить её можно в разделе «Настройки» → «Дисплей» → «HDR» или через игровую панель Windows (Win + G). В сочетании с приложением Windows HDR Calibration это позволяет точнее настроить уровень чёрного, пиковую яркость и параметры тонального отображения.

В некоторых играх, особенно с открытым миром или выраженными световыми эффектами, Auto HDR работает удивительно хорошо. В других случаях результат едва заметен. Эффект возможен только тогда, когда игра изначально использует высокоточную внутреннюю обработку до этапа тональной компрессии — простые стратегии или 2D-игры внезапно не превратятся в эталон HDR.

HDR пока не получил повсеместного распространения в играх. Это уже не нишевая функция, но и до уровня 4K или высокой частоты обновления ему ещё далеко. Лучший опыт по-прежнему чаще всего обеспечивают более дорогие OLED-дисплеи. При этом для некоторых игроков HDR вовсе не является приоритетом. Многие начинают ценить его только после того, как увидят качественную реализацию на хорошем дисплее с подходящим контентом. Бюджетные мониторы с поддержкой HDR могут выглядеть тускло или даже хуже, чем стандартный SDR.

Тем не менее прогресс очевиден:

HDR больше не просто маркетинговый термин, но и ещё не полностью массовая технология. Если вы видели HDR только на дисплее уровня DisplayHDR 400, впечатления могли быть скромными. Если же вы наблюдали его на качественном OLED или продвинутом Mini-LED в игре с грамотной реализацией HDR, разница ощущается почти как переход от DVD к Blu-ray.

Цены постепенно снижаются, реализация становится лучше, а настройка в Windows — менее проблемной. Вероятно, в ближайшие годы качественный HDR-монитор станет доступен практически для любого бюджета. Но теперь вы по крайней мере точно понимаете, что стоит за этими тремя буквами — HDR.

#переводы