Deze tekst is een vertaling van een Japans artikel dat op 22 augustus 2017 is gepubliceerd door ITmedia. Copyright 2017 ITmedia Inc. Alle rechten voorbehouden.
Wat houdt de nieuwe HDR-technologie in?
De laatste jaren dook het begrip “HDR” steeds weer op als het ging om beeldweergave. HDR is de afkorting van High Dynamic Range. Misschien heeft u de afkorting wel eens gehoord in reclames voor televisietoestellen. Televisies met deze functie kunnen een groter dynamisch bereik weergeven dan standaard toestellen.
Als u een beetje verstand heeft van fotografie, denkt u bij “HDR” misschien aan HDR-foto's. Sinds de opkomst van technologie voor HDR-opnames in smartphones zoals de iPhone, wordt de afkorting meer gebruikt. Zelfs als u geen bijzondere interesse heeft in fotografie, is de kans groot dat u er wel eens van heeft gehoord. HDR-fotografie is echter gebaseerd op een compleet ander uitgangspunt dan HDR-video.
Het verschil tussen HDR-foto's en HDR-video
Het dynamisch bereik is het verschil (of het bereik) tussen het donkerste en het lichtste punt op een beeld, dat een apparaat kan weergeven zonder het onderscheid tussen verschillende tinten te verliezen. Als u bijvoorbeeld een binnenruimte zo opneemt, dat het interieur te zien is, zal het zonverlichte buitengedeelte dat door het raam zichtbaar is overbelicht en verwassen lijken. Als u de opname echter belicht volgens de reële lichtverhoudingen, lijkt de binnenruimte veel te donker. Ongetwijfeld kent u dit effect uit de praktijk.
De reden: het verschil tussen de lichtste beeldpartij (het zonlicht dat door het raam naar binnen valt) en de donkerste beeldpartij (het interieur) is simpelweg te groot. Stelt u zich nu voor, dat we het dynamisch bereik in dit voorbeeld naar believen kunnen vergroten, zodat de lichte beeldpartijen niet meer uitgewassen en volledig wit zijn, en de donkere partijen niet meer ondergaan in effen zwart. Hoe meer u het dynamisch bereik vergroot, des te realistischer lijkt het beeld – het komt namelijk steeds dichter bij het bereik dat ons oog kan waarnemen.
Als we objecten in de werkelijkheid bekijken, is het dynamisch bereik gigantisch. Als u bijvoorbeeld buiten direct in de zon kijkt, heeft deze een helderheid van 1,6 miljard Candela per vierkante meter (cd/m²). De “standaard” helderheid buiten is echter 2000 cd/m². Het dynamisch bereik dat het menselijk oog kan waarnemen dekt ongeveer 30% van het bereik af dat in de natuurlijke omgeving voorhanden is. Door aanpassing van de pupil kan dit bereik worden uitgebreid. Dit is al een behoorlijk bereik.
Camera's en andere opnameapparatuur worden echter qua dynamisch bereik ontworpen en geproduceerd op basis van oude standaarden uit de tijd van de beeldbuistechnologie. Dit dynamisch bereik wordt aangeduid met SDR, voor “Standard Dynamic Range”. SDR-apparatuur kan slechts een klein helderheidsbereik reproduceren, van 0,05 tot 100 cd/m². Dit betekent dat de SDR-beeldstandaarden tot vandaag de dag slechts een bijzonder klein gedeelte kunnen afbeelden van wat het menselijk oog waarneemt.
De HDR-fotomodus die iPhones en ook andere moderne smartphones bieden, gebruikt gegevens van meerdere fotobelichtingen. Per foto worden dus twee aparte opnames gemaakt voor details in donkere en lichte beeldpartijen. De correct belichte delen worden gecombineerd en het helderheidsbereik wordt zo gecomprimeerd. De tekening in de schaduwgedeelten en de details in heldere delen gaan niet langer verloren. De foto maakt een realistische indruk, dicht bij de directe waarneming door het menselijk oog. Helaas moet deze technische compressie van de tinten in lichte en donkere beeldpartijen nog steeds binnen het SDR-bereik vallen. Het detailverlies in de donkerste en lichtste gedeelten wordt weliswaar vermeden, maar het daadwerkelijke dynamisch bereik van de foto wordt niet vergroot.
De HDR-technologie van moderne videocamera's is daarentegen in staat om een significant groter helderheidsbereik op te nemen: 0,0005 tot 10.000 cd/m², zonder dat compressie nodig is. Simpel gezegd: het helderheidsbereik is 100 keer groter dan dat van SDR. De HDR-compatibele televisietoestellen die momenteel verkrijgbaar zijn, kunnen een dergelijk groot dynamisch bereik echter niet weergeven. De weergavevoorwaarden voor content-productie (ITU-R Rec.2100) zijn ingesteld op een maximale helderheid van 1000 cd/m² en een minimale helderheid van 0,005 cd/m². Het lijdt geen twijfel dat HDR-content zo duidelijk dichter bij het origineel kan worden weergegeven. Scènes met sterke contrasten maken meer indruk. Denk aan een zonnestraal die in een donkere ruimte valt. Ook een zonsondergang zal opvallend realistisch zijn, ondanks de weergave op het televisietoestel in uw woonkamer.
Een belangrijke stap om HDR voor beeldweergave te bevorderen is de verdere ontwikkeling van de hardware. Camera's zijn inmiddels veel gevoeliger dan het SDR-bereik (0,05 tot 100 cd/m²) en de LCD-backlight van displays overtreft de helderheidsvereisten van SDR-opnamen zelfs meermaals. Met behulp van OLED-technologie kan dit bereik in principe probleemloos verder worden vergroot.
Hierdoor is een merkbare vraag ontstaan naar camera's en displays die – in tegenstelling tot de gebruikelijke SDR – maximaal realisme leveren. Vrijwel iedere elektronicazaak verkoopt tegenwoordig HDR-compatibele televisietoestellen. Maar wat is nu echt het grote verschil bij HDR-video?
HDR-video: een groter verschil dan bij de overstap naar 4K- of 8K-video!
Er is al veel over dit onderwerp geschreven. 4K en 8K zijn echter gemakkelijk uit te leggen, aangezien het om getallen gaat. Het effect van HDR is daarentegen nauwelijks in woorden te vatten. U moet het simpelweg zelf zien – dan begrijpt u direct het verschil tussen SDR en HDR. Als u hiervoor nog geen gelegenheid had: ik beschrijf hier graag mijn indruk van de HDR-referentiemonitor ColorEdge PROMINENCE CG3145.
De eerste indruk die ik had van beelden die werden weergegeven op de ColorEdge PROMINENCE CG3145? Ongelooflijk realistisch. Voordat ik deze monitor aan het werk zag, had ik een bepaalde voorstelling op basis van HDR-foto's. HDR-foto's worden samengesteld uit opnamen verschillende helderheidsbereiken. Ik verwachtte dus licht oververzadigde kleuren en soortgelijke effecten. In plaats daarvan had ik echter de indruk dat schaduwen en lichtpieken volkomen natuurgetrouw in beeld kwamen. Door het grote dynamisch bereik kwamen zelfs de kleinste details correct in beeld, wat de weergave op het display enorm veel diepte gaf. Het effect was zo realistisch dat het leek alsof de weergegeven voorwerpen zich daadwerkelijk voor mijn neus bevonden.
Ik wist in theorie wel dat het menselijk oog bijzonder fijne verschillen tussen donkere tinten kan waarnemen. Om dit echter zelf in de praktijk te beleven, was een enorme verrassing. Het voorbeeld liet weerspiegelingen zien van nachtelijke stadslichten op een wateroppervlak. De lichte beweging van het oppervlak was alleen in de schaduw te zien, terwijl de lichtreflecties direct daarnaast op het display een heldere en levendige indruk maakten, niet verwassen en wit. Dit soort scènes, met een combinatie van donkere schaduwen en heldere lichtpieken, zijn normaal gesproken lastig weer te geven. En precies dit soort onmogelijke contrasten waren uitstekend te zien op de ColorEdge PROMINENCE CG3145.
Ik hoefde het beeld niet eens meer te vergelijken met een SDR-display (hoewel dit daadwerkelijk ernaast stond). Het verschil was direct duidelijk. Natuurlijk ging het bij de ColorEdge PROMINENCE CG3145 die ik mocht beoordelen om een prototype, een referentiemonitor voor professionals die HDR-content produceren. Daarom was dit misschien een ietwat extreem voorbeeld in vergelijking met standaardtelevisies met HDR-compatibiliteit. Toch is het de moeite waard om eens binnen te lopen bij uw elektronicazaak. Vergelijk zelf de weergave op HDR-compatibele toestellen als u nieuwsgierig bent naar het effect van HDR.
Wat heeft u nodig om HDR-content te kunnen bekijken?
Het staat vast dat HDR een unieke kijkervaring biedt. Wat heeft u als normale gebruiker nodig om van HDR te kunnen genieten? Ten eerste moet uw televisietoestel compatibel zijn met HDR10-signalen. Dit is eenvoudig te zien: het wordt aangeprezen als HDR-compatibel. Toch moet u dit controleren, want er worden nog steeds 4K-toestellen verkocht zonder HDR-compatibiliteit.
Bovendien zijn er televisietoestellen die weliswaar HDR-signalen verwerken, maar die slechts een relatief lage helderheid bieden en ook relatief weinig contrast weergeven. Het is logisch dat het beeld realistischer kan zijn als deze waarden hoger zijn. Helaas worden ze om onduidelijke redenen bij veel toestellen nog niet transparant opgegeven. Kijk in dat geval of het toestel voorzien is van het logo voor Ultra HD Premium. De UHD Alliance heeft deze certificering ontworpen voor apparaten, handelaren en content om verwarring bij consumenten te voorkomen. Het logo garandeert dat gecertificeerde HDR-content op gecertificeerde HDR-apparatuur correct wordt weergegeven.
Zonder verder diep in te gaan op de specificaties: displays met een dergelijk kenmerk moeten een maximale helderheid van minimaal 1000 cd/m² bieden in combinatie met een zwartwaarde van 0,05 cd/m², of als alternatief een maximale helderheid van 540 cd/m² met een zwartwaarde van 0,0005 cd/m². Het probleem: deze eisen (en ook enkele andere eisen voor de certificering) zijn behoorlijk hoog. Gecertificeerde apparatuur is dan ook vrijwel zonder uitzondering ook behoorlijk prijzig.
Als u een HDR-compatibel display heeft, wilt u natuurlijk ook de bijbehorende content. Het ligt natuurlijk ook aan het soort content dat u wilt afspelen, maar in principe zijn de volgende indelingen van belang: HDR10 en Dolby Vision. HDR10 is een gestandaardiseerde indeling voor HDR-content. Beeldmateriaal dat wordt aangeprezen als “HDR-compatibel” voldoet zeker aan HDR10. Dolby Vision – de naam zegt het eigenlijk al – is een aparte HDR-standaard die ontwikkeld is door Dolby. In vergelijking met HDR10 is de bitdiepte groter: 12 bits in plaats van 10 bits. Het doel is om nog realistischere en indrukwekkendere beelden weer te geven.
De meest bijzondere en voordelige eigenschap van Dolby Vision is zijn indeling van metadata. De metagegevens in HDR10 gelden absoluut voor een bepaalde inhoud. Dolby Vision beschikt echter over instellingen voor metagegevens voor ieder afzonderlijk beeld, zodat de helderheid dynamisch kan worden bepaald voor afzonderlijke scènes. Hierdoor kunnen displays die compatibel zijn met Dolby Vision content weergeven met een optimaal aangepaste helderheid voor iedere afzonderlijke scène.
Met de huidige verbreiding van Dolby Vision in Japan is te zien dat streamingdiensten zoals Netflix, Hikari TV en anderen deze standaard adopteren en content leveren die voldoet aan Dolby Vision. De apparaten zelf moeten natuurlijk ook compatibel zijn met Dolby Vision. Steeds meer televisietoestellen ondersteunen deze standaard en inmiddels komt ook afspeelapparatuur op de markt. De verwachting is dus dat Dolby Vision zich nog verder zal verspreiden.
HDR wordt niet alleen ondersteund door televisietoestellen, maar ook door gameconsoles zoals de Playstation 4 en de Xbox One S. De realistische weergave van HDR kan namelijk niet alleen worden toegepast op filmopnamen, maar ook op grafische content die door een computer gegenereerd wordt. HDR is in de gamewereld echter nog niet wijd verbreid. Hoewel de beperking van het dynamisch bereik door SDR nauwelijks te vermijden was, werden er in de zomer van 2017 enkele PC-monitoren met HDR-compatibiliteit aangekondigd. Samen met de invloed van televisietoestellen zou dit kunnen leiden tot een snellere invoer van HDR.
Mooier en realistischer – Vijf factoren voor een hogere beeldkwaliteit
Laten we wat dieper ingaan op de grote vooruitgangen van deze technologieën voor realistischere beelden. In principe geven vijf factoren de doorslag voor een betere beeldkwaliteit: resolutie, bitdiepte, beeldfrequentie, kleurruimte en helderheid. De eerste drie factoren hangen samen met de pixeldichtheid en zijn in de loop der tijd doorontwikkeld. Bij de kleurruimte liet de vooruitgang lang op zich wachten. Enkele jaren geleden werd echter de grotere kleurruimte van de Rec.2020-standaard ingevoerd. De laatste factor is dus de helderheid. Wat dat betreft is HDR een doorontwikkeling van de beschikbare technologie.
Zoals gezegd kunnen de beeldgegevens die zijn opgenomen door camera's zonder concessies worden weergegeven, omdat de hardware voor televisietoestellen en andere displays verbeterd is. Dit vormt de basis voor realistischere en mooiere beelden. EIZO gaat met haar ColorEdge PROMINENCE CG3145 (verkrijgbaar vanaf begin 2018) mee in deze ontwikkeling en levert een LCD-monitor voor professionele producenten van HDR-content.
De ColorEdge PROMINENCE CG3145: gemaakt voor productie van HDR-content
In de ColorEdge PROMINENCE CG3145 is een IPS-LCD-paneel ingebouwd. Normaal gesproken kunnen LCD-panelen, en dan vooral IPS-panelen, geen bijzonder donkere zwarttinten weergeven, waardoor ze een relatief lage contrastverhouding bieden. Door een speciale technologie kunnen ook LCD-displays echter een hoge contrastverhouding bereiken: Local Dimming. Hierbij wordt de directe LED-backlight onderverdeeld in verschillende segmenten. De helderheid van de backlight wordt steeds per segment aangepast aan de inhoud van het beeld. Dit kan echter leiden tot schommelingen in de helderheid en de kleurweergave.
Daarnaast ontstaan snel lichtvlekken in beeldpartijen met een sterk contrast tussen licht en donker, waarbij de contouren van lichtere gedeelten vervagen door instraling in gedeelten die donker zouden moeten zijn. Deze nadelen zijn wellicht verwaarloosbaar als het gaat om de pure beeldweergave. Bij een referentiemonitor voor de productie zijn ze echter absoluut ongewenst.
EIZO gebruikt daarom een nieuw type IPS-LCD-paneel, dat ook zonder Local Dimming de helderheid dusdanig kan terugbrengen dat er zwartwaarden van 0,005 cd/m² en lager kunnen worden weergegeven. Het resultaat is een native contrastverhouding van 1.000.000:1. Een ander belangrijk voordeel van de ColorEdge PROMINENCE CG3145: de monitor levert een constante helderheid en kleurweergave bij alle soorten te bewerken beeldmateriaal. Veel andere referentiemonitoren zijn voorzien van een functie om de helderheid van lichte scènes tijdelijk te beperken, zodat de display langer meegaat.
De ColorEdge PROMINENCE CG3145 valt als referentiemonitor voor Color Grading in het hogere prijssegment. Natuurlijk zijn er ook andere stappen in de workflow van postproductie van opname tot snijden en compositing, waarvoor de vereiste reproduceerbaarheid niet dermate hoog is. Hiervoor biedt EIZO voor de huidige monitoren uit de ColorEdge CG-serie een upgrade aan voor (pseudo-)ondersteuning van HDR. Hiervoor worden de kleurmodi uitgebreid met de twee PQ-gammacurven PQ1000 en PQ300 (Perceptual Quantization) en de HLG-gammacurve (Hybrid Log Gamma). Hiermee levert EIZO een HDR-oplossing voor de productie van streaming-content en films. Deze service wordt aanbevolen voor producenten die een voordeligere omgeving voor HDR-previews willen, om een toekomstige HDR-workflow op te bouwen.