Sdr что это в мониторе
Чем отличается HDR от SDR
Несмотря на все недостатки и устаревший технологический процесс, сегодня видеоконтент в формате SDR (Standard Dynamic Range) сохраняет доминирующее положение на медиарынке. HDR формат (High Dynamic Range) только начинает свою экспансию. В этой небольшой статье мы рассмотрим различия HDR и SDR.
SDR формат базируется на колориметрических параметрах, описанных в Rec. ITU-R BT. 709. Они охватывают всего лишь 35,9% видимого человеческим глазом спектра системы CEI 1931 (Рис. 1). В свою очередь HDR использует цветовые параметры Rec.ITU-R BT. 2020, охватывающие 75,8% спектра.
Рис.1 Цветовое пространство системы CEI 1931.
Глубина цвета SDR — 8 бит. SDR не запрещает использовать 10 бит, но на практике подавляющее большинство видеоконтента сжато с глубиной цвета 8 бит. Это означает, что у каждого из базовых цветов — красного, зеленого и синего — может быть 28 значений, равное 256 или суммарное количество 256х256х256 = 16 777 216 цветов. Это много, но человеческий глаз видит гораздо больше, поэтому на практике различает ступенчатые переходы у SDR видео (Рис. 2). Особенно это заметно на градиентных сценах фона, например неба.
Рис.2 Глубина цвета 8 и 10 бит.
У HDR минимальная глубина цвета — 10 бит: 1024 возможных значений для каждого базового цвета или суммарно 1 073 741 824 цветов, что в 64 раза больше, чем у SDR. Такое изображение гораздо ближе к действительному, однако при определенных обстоятельствах человеческий глаз все еще способен заметить ступенчатость цветовых переходов.
Человеческий глаз устроен так, что помимо компонентов цветности различает и компонент яркости, причем яркость воспринимается гораздо острее. SDR ограничен яркостью в 100 кд/м2, в то время как теоретические возможности стандартов HDR достигают 10 000 кд/м2.
На практике дисплеи с поддержкой HDR из среднего ценового сегмента заявляют яркость 1000 кд/м2, премиальный сегмент предлагает яркость до 4000 кд/м2, но для определенных сцен и на непродолжительное время.
Подробнее об основных HDR стандартах, их идентификации и валидации для H.264/AVC, H.265/HEVC, VP9 и AV1 читайте в нашей статье «Всё об HDR».
Что означает HDR?
Аббревиатура HDR знакома всем пользователям современной цифровой техники. Сегодня можно приобрести смартфон или телевизор с дисплеем HDR, а в фото и видеокамерах вы наверняка видели режим съёмки с таким же названием. Но если спросить, что означает этот термин, и какую задачу выполняет эта функция, наверняка у многих возникнут затруднения с ответом.
В этой статье мы попробуем разобраться, что такое HDR, как он работает, и зачем он нужен в автомобильной электронной технике.
Что такое SDR и HDR?
SDR (Standard Dynamic Range) и HDR (High Dynamic Range) – это аббревиатуры, что часто используют для описания качества картинки, которую можно получить при помощи фото или видеотехники. Первая дословно переводится как «стандартный динамический диапазон», вторая – как «широкий динамический диапазон». Что это означает на человеческом языке, и в чем отличие между этими понятиями? Давайте разбираться!
Динамический диапазон фото (видео) камеры – это характеристика устройства, что описывает тот диапазон тонов, которые оно способно распознать и зафиксировать от абсолютно чёрного до белоснежного. Чем динамический диапазон устройства шире, тем лучше по качеству фото и видео. Это объясняется просто – чем больше тонов распознаёт устройство, тем больше деталей можно разобрать на ярко освещённых участках, и тех, что находятся в тени. Другими словами, широкий динамический диапазон позволяет получать картинку хорошего качества при любом освещении без пересветов и провалов в тенях.
Первое фото и видеооборудование не могло похвастать хорошей цветопередачей. Эта техника может воспринимать и передавать довольно ограниченный цветовой спектр – всего 20-30% от всей палитры красок, которую может уловить и различить глаз человека. Этот, немного устаревший на сегодня, стандарт динамического диапазона отображения яркости и цвета и называют SDR.
Современная техника оснащена режимом HDR – функцией, которая на порядок увеличивает передачу яркости и цвета гаджетом, существенно улучшая качество фото или видеозаписи. Благодаря этой функции, вы можете увидеть более яркую и контрастную картинку, на которой цветовая палитра расширена до 75-80%. Эта технология позволяет улучшить изображение не только при фото (видео) съемке, но и при воспроизведении записанных файлов.
Как работает HDR?
Если говорить коротко, эта технология, делает темное еще темнее, а светлое – светлее. При этом она увеличивает точность передачи исходного изображения, делая его ярче и контрастнее.
Сам же принцип работы этой функции довольно прост. Устройство делает от 3 до 5 кадров с различной яркостью – от слегка засвеченного до затемнённого. Затем эти кадры совмещаются в одно изображение с улучшенными характеристиками яркости и цветопередачи. Именно эта улучшенная картинка будет отображаться на мониторе. Раньше фотографы и профессиональные видеооператоры делали эту процедуру в ручном режиме, совмещая снимки при помощи специальных программ. Сегодня фото и видеотехника умеет улучшать изображения в автоматическом режиме.
Для чего HDR применяют в видеорегистраторах?
Видеокамеры с этой функцией устанавливают в видеорегистраторы для того, чтобы получать видеофайлы хорошего качества при любых условиях съёмки.
За последний десяток лет автотехника сделала огромный скачок в развитии. Сегодня никого не удивить регистраторами, которые снимают с разрешением HD (1280Х720), FULL HD (1920Х1080), и даже SUPER HD (2304х1296). Такое разрешение позволяет получить изображение с хорошей детализацией при ровном дневном освещении (идеальный свет для съёмки – дневной, но приглушённый, когда солнце не слепит объектив). Однако идеальное освещение бывает не столь часто. Зимой солнце отражается от снега, в результате чего вы можете видеть яркие блики на видео. Летом кадры портит слишком большая контрастность между объектами, что находятся на освещённых участках и тех, что расположены в тени. Также высокое разрешение не спасает при съёмке в тёмное время суток или густой туман.
Функция HDR – это то, что вытянет картинку как в слишком солнечную погоду, так и в ночное время. Она способна улучшить детализацию мелких, но значимых предметов – номеров движущихся навстречу автомашин, дорожных знаков, полустёртой дорожной разметки и т.д. В случае возникновения дорожного происшествия, видео с широким динамическим диапазоном сослужит водителю добрую службу. В спорной ситуации каждая мелочь имеет значение, так что чем больше деталей будет на картинке – тем больше шансов у автовладельца докопаться до истины и доказать свою правоту.
Так что если у вас есть выбор, купить регистратор с высоким динамическим диапазоном, или же со стандартным, берите первый вариант. Такое устройство сэкономит вам время и нервы, которые, как известно, бесценны.
Реалистичные цвета с технологией HDR*
Мониторы с расширенным динамическим диапазоном (HDR) способны отображать больше градаций яркости по сравнению с обычными мониторами (со стандартным динамическим диапазоном SDR), поэтому HDR-изображение получается более реалистичным и контрастным, все детали отчетливо видны как в ярких, так и в темных сценах. Технология HDR максимально приближает изображение на экране монитора к тому, какими мы видим те же объекты в реальности.
*Технические характеристики зависят от конкретной модели.
Сравнение HDR- и SDR-мониторов
*HDR-изображение служит лишь для иллюстрации.
*HDR-изображение служит лишь для иллюстрации.
Больше оттенков, больше деталей
Изображению на обычном SDR-мониторе недостает детализации и точности цветопередачи в самых ярких фрагментах изображения. HDR-монитор обладает расширенным диапазоном яркости, поэтому детализация на нем выше, а цвета – реалистичнее.
Технология HDR дает геймерам преимущество в играх за счет более высокой детализации изображения. Например, поворот направо после темного туннеля будет отчетливо виден на HDR-мониторе и едва различим на обычном.
*HDR-изображение служит лишь для иллюстрации.
Реалистичные контрастность, цвета и детализация при отображении HDR-фильмов и видеороликов.
Software Defined Radio — как это работает? Часть 2
В первой части были описаны основные виды SDR-устройств и кратко были приведены их характеристики. Во второй части я расскажу подробнее о плюсах и минусах SDR, также будут приведены примеры использования этой технологии.
Продолжение под катом (осторожно, траффик).
Если кто пропустил первую часть, желательно начать с нее, чтобы лучше понимать о чем речь.
Преимущества SDR
Для начала поговорим о преимуществах SDR, о том, что они дают пользователю. Понятно, что приоритеты у всех разные, поэтому разные пункты собраны в перемешку. Какой из них «более главный» сказать сложно, да наверное и невозможно, каждый решит для себя сам.
Панорамный обзор эфира
Первое, и самое очевидное — SDR показывает панораму радиоэфира «как есть».
Это достаточно удобно, как в плане наглядности, так и в плане поиска новых сигналов. На экране сразу видно например, что какая-то станция работает справа на 100КГц выше по частоте, видны различные помехи, новые и особенно короткие сигналы, и пр. Сигналы с быстроизменяющейся частотой например, на обычном «классическом» приемнике или трансивере просто не видны, и человек даже не догадается об их присутствии.
Посмотреть как это выглядит и послушать что творится в эфире, может любой, открыв web-панораму на голландском SDR. Как пример картинки оттуда, хорошо видна работа ППРЧ (но это не точно).
Регулируемые цифровые фильтры и звуковые эффекты
Радиолюбители со стажем наверное помнят времена, когда узкополосные кварцевые фильтры докупались к радиостанциям отдельно, и стоили не таких уж малых денег. Еще хуже ситуация в дешевых бытовых приемниках — фильтры там попроще, и настроены вообще никак китайским рандомом, как повезет. Да и настроек в таких приемниках обычно только две — Wide и Narrow. В SDR все фильтры выполняются математически, поэтому любую ширину фильтра можно просто выбрать «мышкой» или задать в настройках. Прямоугольность фильтров тоже может быть практически идеальная — математически можно выбрать любой порядок фильтров, все ограничено лишь алгоритмом.
Аналогично могут задаваться настройки шумоподавления, коэффициенты АРУ и пр.
Кстати, некоторые аудиофилы считают что «обычные» аналоговые фильтры звучат теплее и ламповее лучше, мне сказать сложно. Возможно, вид цифровых фильтров и влияет на восприятие звучания, тут тоже есть поле для экспериментов.
Возможность измерений
SDR это довольно-таки точный измерительный прибор. Начиная от банального отображения уровней разных станций в децибелах, до оценки помех, качества сигнала и пр. Все недостатки своего или чужого сигнала отлично видны на спектре.
Для примера, на картинке виден сигнал FM-станций. Сразу видно кто где вещает, с каким уровнем, какие станции мешают друг другу.
Также можно использовать SDR как анализатор спектра.
Широкополосная обработка
Прием сигнала сразу широкой полосой в несколько мегагерц открывает удивительные возможности для обработки сигналов. Любители азбуки Морзе и радиосоревнований, например, могут декодировать позывные сразу в широкой полосе (хотя, по-моему, это неспортивно, но это другой вопрос).
Также можно создавать неограниченное количество «виртуальных приемников» в пределах полосы пропускания. Для примера показано декодирование радиолюбительских сигналов WSPR сразу на двух диапазонах с одного физического приемника.
С помощью SDR и Virtual Audio Cable пользователи с раздвоением личности могут слушать сразу две станции, одну в правое ухо, другую в левое 😉
Можно предположить, что в проф. устройствах обработка широкой полосы дает большие возможности по поиску, классификации, обнаружению и подавлению различных сигналов. Вероятно, технология активно используется в радарах и прочих устройствах.
Прием и передача практически любых видов модуляции
Обработка сигналов делается на ПК, поэтому вычислительные возможности ограничены лишь наличием нужных декодеров. AM, FM, WFM, DRM, DAB+, TETRA и много других страшных слов — практически для всех современных открытых протоколов можно найти декодер.
Что пока «не по зубам» SDR, это пожалуй GSM и WiFi, хотя и тут какие-то подвижки есть (Open BTS, WiFi Analyzer).
Что касается передачи, то владельцы URRP или LimeSDR могут, например, поэкспериментировать с DAB+.
Широкополосная запись и воспроизведение
Т.к. в SDR все данные пишутся изначально в цифре, нет проблем записать всю полосу сразу целиком, чтобы прослушать или проанализировать потом. В одной записи может содержаться сразу несколько радиостанций, которые можно прослушать точно также, как с реального приемника. Это чем-то похоже на RAW-файл с фотокамеры, где постобработку (баланс белого и пр) можно сделать уже после съемки.
По ссылке приведен пример записи с шириной полосы 760КГц, панорама которой выглядит вот так:
В записи можно найти сразу много чего — маяк точного времени, телеметрию, приводные маяки, вещательные станции. Открыть ее можно в Matlab бесплатной программе HDSDR. Недостаток здесь только один, это большой размер. Одна минута записи при таком битрейте занимает 350Мбайт. Но разумеется, при реальных записях нет смысла писать все подряд, можно выбрать ширину полосы в зависимости от задач.
Удаленная работа
Еще одно активно развивающееся направление. Некоторые SDR приемники и трансиверы имеют возможность удаленной работы — т.к. приемник доступен по IP-адресу, то нет принципиальной разницы, стоит он рядом на столе или в 100км на даче (разумеется, битрейт передачи нужно настроить в соответствии с шириной интернет-канала). Учитывая, что помех в городах все больше и больше, это может стать весьма актуальным.
Инженерные и исследовательские задачи
Разумеется, при наличии широкополосной записи и воспроизведения, открываются большие возможности для отладки разных сигналов, протоколов, тестирования методов ЦОС и пр. Специализированные девайсы для исследовательских целей (USRP) позволяют работать full duplex, также могут иметь несколько входов и возможность синхронизации, что позволяет тестировать такие алгоритмы как direction finding.
С помощью GNU Radio можно создавать и тестировать сложные системы обработки сигналов, используя большое количество готовых блоков.
Преимущества надеюсь, понятны, поговорим о недостатках.
Недостатки SDR
Только стационарная работа
Главный недостаток для большинства пользователей — SDR это фактически стационарный настольный прибор, брать его с собой весьма неудобно и некомфортно. В городах, увы, уровень помех зачастую зашкаливает, а портативных приемников с SDR и IQ-записью пока практически нет.
В последние годы стали появляться приемники и трансиверы, сделанные по SDR-технологии, но компактного и легкого устройства, которое можно было бы просто взять с собой, пока на рынке так и нет. Конечно, при желании можно взять с собой ноутбук, SDR, антенну, провода, адаптеры, powerbank, но все это достаточно громоздко и неудобно. Рынка портативных SDR-устройств пока де-факто не существует. Из исключений разве что RDR-Pocket, но его цена порядка 1500Евро, и он выпускается только под заказ. Современные технологии вполне позволяют делать такие устройства, но на них просто нет платежеспособного спроса.
Как очевидно из описания, хороший SDR — это достаточно дорогостоящий прибор. Сверхбыстрые АЦП и ПЛИС, малошумящие каскады на входе, многослойные печатные платы, качественные фильтры и пр — цена хороших DDC SDR начинается от 500$ и выше, и дешево такое никак не сделать. Профессиональные приемники (USRP, Winradio) стоят от 1500$ и выше.
Впрочем, подвижки тут тоже есть. Вполне неплохие приемники SDRPlay с диапазоном от 10КГц до 2ГГц продаются за 150$, и хотя это не DDC и АЦП всего 12бит, но для большинства задач приема его хватает. «Свистки» RTL-SDR за 30$ уже наверное есть у каждого радиолюбителя. Для любителей УКВ и обработки сигналов есть недорогие LimeSDR, которые при цене в 200-300$ покрывают диапазон до 6ГГц.
Сложная алгоритмическая часть
Понятно, что за внешней простотой и удобством «скрываются» серьезные алгоритмы цифровой обработки сигналов. За последние лет 10 создано большое количество разнообразного софта для SDR, и скорее всего обычному пользователю и не придется ничего дописывать. Но при желании что-то исправить или создать свое, это не так просто сделать, «порог входа» достаточно большой.
Энергопотребление и процессорные требования
Также очевидно, что ток потребления довольно высок, как и требования к CPU и видеокарте. Обычный «классический» радиоприемник может работать месяц от батареек, DDC SDR будет потреблять не менее 1-2А во время работы.
Заключение
В предыдущей части некоторые задавались вопросом, зачем это вообще нужно, надеюсь отчасти удалось ответить этот на вопрос.
Все что планировалось, в одну статью опять не влезло. В следующей части будет рассмотрен программный интерфес к SDR-приемнику на языке Python, и возможно, немного работы с GNU Radio.
Переход от SDR к HDR: почему этого не произошло?
Если вы когда-нибудь задумывались, как возможно, что мы не увидели окончательного скачка к экранам HDR, оставив в стороне SDR, продолжайте читать, и вы обнаружите причину.
Что такое HDR и чем он отличается от SDR?
HDR является аббревиатурой для высокого динамического диапазона, он основан на увеличении количества бит на компонент RGB с 8 бит до 10 бит или даже 12 бит, но HDR основан не на увеличении цветности и, следовательно, количества цветов, а скорее их яркость, что обеспечивает более высокий диапазон яркости и контрастности для каждого цвета и лучшее их представление.
Однако, хотя 24-битные цветные мониторы быстро вытеснили мониторы с более низким разрешением цвета, то же самое не относится к мониторам на основе HDR, где мы все еще можем найти большое количество из них, которые их не поддерживают. Таким образом, переход никогда не был полностью реализован.
Цветность и яркость
Каждый пиксель, представленный на экране, предварительно сохраняется в буфере изображения, в котором хранятся значения трех компонентов RGB: красного, зеленого и синего. Но особенность этого способа хранения информации заключается в том, что сохраняется не только цветность, но и уровень яркости, который представляет собой уровень цвета или яркости этого цвета.
В старых телевизорах, в которых не было цвета, изображения были представлены значениями яркости, а когда появился цвет, оба значения были разделены. Но в случае с вычислительной техникой, хотя экраны на электронно-лучевых трубках использовались почти три десятилетия, фактически на уровне внутреннего представления в буфере изображений, оба были представлены одинаково.
В течение долгого времени максимальное представление в цвете составляло 24 бита цвета, что дает 16.7 миллиона различных комбинаций, этот тип экрана называется экранами SDR, чтобы отличать их от экранов HDR, которые поддерживают больший объем информации на пиксель, с 10 и даже до 12 бит на компонент.
HDR и рендеринг графики в реальном времени
HDR можно представить двумя способами:
Оба решения имеют смысл, когда дело доходит до воспроизведения неподвижных изображений и видеофайлов, но в случае графических процессоров, используемых для рендеринга 3D-сцен в реальном времени, это усложняется, поскольку это означает, что все графические процессоры, которые они манипулируют данными пикселей, с одной стороны, а с другой стороны, те, кто передает одни и те же данные, должны повысить свою точность.
Следовательно, возникает потребность в графических процессорах с большим количеством транзисторов, и, следовательно, это означает, что графические процессоры большего размера при той же мощности или менее мощные, если размер сохраняется. Решение, принятое производителями? Во-вторых, это приводит к тому, что производительность игр в режиме HDR ниже, чем при рендеринге в SDR.
Графические процессоры никогда не были предназначены для HDR, но для SDR
Если мы увеличим количество информационных битов на пиксель, логически при перемещении данных по рендерингу мы обнаружим, что необходимая полоса пропускания будет намного выше, что может привести к падению производительности, если между памятью, в которой хранятся данные, и устройством что обрабатывает их, они движутся недостаточно быстро.
Но. перемещение информации внутри процессора обходится дорого, особенно если мы говорим об энергопотреблении, что является одной из причин, почему ни один из графических процессоров в последние годы не был подготовлен для работы со значениями на пиксель, превышающими 8 бит на компонент. В связи с тем, что наибольшее значение при проектировании новых процессоров, самой большой предпосылкой производительности в течение длительного времени является мощность на ватт.
Если бы, как и другие технологии, графические процессоры были разработаны для HDR, то эта технология была бы полностью стандартизирована, и теперь все аппаратное и программное обеспечение ПК было бы разработано для HDR, более того, оно использовалось бы всеми.