Sdr hdr что лучше
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.
Колориметрические параметры
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.
Яркость
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.
Что такое HDR10+? Разбор
70% информации о мире человек получает через зрение. Фактически глаза — наш главный орган чувств. Но можем ли мы доверять нашему зрению?
Давайте взглянем на картинку. Вроде ничего необычного. Но что если я вам скажу, что ячейки A и B — совершенного одного цвета.
На самом деле мы не всегда можем отличить светлое от темного. Далеко за примерами ходить не надо: помните сине-черное / бело-золотое платье или появившиеся чуть позже кроссовки?
И все современные экраны пользуются этой особенностью человеческого зрения. Вместо настоящего света и тени нам показывают их имитацию. Мы настолько к этому привыкли, что даже не представляем что может быть как-то иначе. Но на самом деле может. Благодаря технологии HDR, которая намного сложнее и интереснее, чем вы думаете. Поэтому сегодня мы поговорим, что такое настоящее HDR-видео, поговорим про стандарты и сравним HDR10 и HDR10+ на самом продвинутом QLED телевизоре!
На самом деле первое, что надо знать про HDR: это не просто штука, которая правильно хранит видео. Чтобы увидеть HDR-контент нам нужно две составляющие: сам контент, и правильный экран, который его поддерживает. Поэтому смотреть мы сегодня будем на QLED-телевизоре Samsung.
6 стопов SDR
Ежедневно наши глаза сталкиваются с экстремальными перепадами яркости. Поэтому человеческое зрение в ходе эволюции научилось видеть достаточно широкий динамический диапазон (ДД), то есть улавливать разницу между разными уровнями яркости. Фотографы и киноделы знают, что ДД измеряется в ступенях экспозиции или стопах (f-stop).
Так сколько стопов видит человеческий глаз? Скажу так — по разному.
Если завязать вам глаза, вывести в незнакомое место и резко снять повязку, то в эту секунду вы увидите 14 стопов экспозиции. Это не мало. Вот камера, на которую я снимаю ролики, видит только 12 стопов. И это ничто по сравнению с человеческим зрением, потому что оно умеет адаптироваться.
Спустя пару секунд, когда ваши глаза привыкнут к яркости и обследуют пространство вокруг, настройки зрения подкрутятся и вы увидите потрясающую игру света и тени из 30 стопов экспозиции!
Ух! Красота! Но когда мы смотрим видео на ТВ или на экране смартфона, нам остаётся довольствоваться только 6 стопами экспозиции, потому как видео со стандартным динамическим диапазоном или SDR — больше не поддерживает.
Яркость
Почему так мало? Вопрос исторический и связан он с двумя этапами.
Стандарты современного SDR видео зародились еще в середине 20-го века, когда появилось цветное телевидение. Тогда существовали только ЭЛТ телевизоры, и они были очень тусклые. Максимальная яркость была 100 нит или кандел на квадратный метр. Кстати, кандела — это свеча. Поэтому 100 кандел на квадратный метр буквально означает уровень яркости 100 свечей, расположенных на площади в 1 метр. Но если вам не нравится измерять яркость в свечах, вместо кандел на квадратный метр можно просто говорить ниты. Кстати в нашем телевизоре Samsung Q950T — 4000 нит.
Так вот, это ограничение яркости было заложено в стандарт SDR. Поэтому современные телевизоры показывая SDR-контент по сути игнорируют потрясающую адаптивность человеческого зрения подсовывают нам тусклую и плоскую картинку. И это несмотря на то, что с тех пор техника сильно продвинулись вперед.
Одной из особенностей технологии QLED является высокая пиковая яркость. Это самые яркие ТВ на рынке, они даже ярче OLED.
Современные QLED-телевизоры способны выдавать целых 4000 нит яркости, что в 40 раз больше, чем заложено в стандарт SDR. Потрясающе — показывай, что хочешь. Но по-прежнему 99% контента, который мы видим — это SDR, поэтому смотря YouTube на своём потрясающем AMOLED-дисплее, вы фактически смотрите эмуляцию кинескопа из гостиной времен разгара холодной войны. Такие дела.
Глубина цвета
Второе ограничение тоже происходит из глубокой древности — 1990-х.
Тогда появился революционный стандарт — цифровое телевидение высокой четкости — HDTV, частью которого стала глубина цвета 8 бит. Это значит, что у каждого из базовых цветов — красного, зеленого и синего — может быть только 256 значений. Возводим 2 в 8-ю степень получается 256 — это и есть 8 бит..
Итого на три канала, всего 16 777 216 миллионов оттенков.
Кажется, что это много. Но человек видит куда больше цветов. И все эти некрасивые ступенчатые переходы, которые часто можно заметить на видео и фотографиях и конечно в YouTube, спасибо его фирменному кодеку — это как раз ограничения 8 бит.
Но самое интересное, что эти два ограничения: 6 стопов экспозиции и 8 бит на канал, не позволяли SD-видео сымитировать главную особенность человеческого зрения — его нелинейность! Поэтому поговорим про восприятие яркости.
Восприятие яркости
Так уж эволюционно сложилось, что для человека всегда было важнее, что там находится в тени, чем на ярком солнце. Поэтому человеческий глаз гораздо лучше различает темные оттенки. И поэтому любое цифровое изображение кодируется не линейно, чтобы как можно больше бит информации отдать под темные участки изображения.
Иначе, для человеческого глаза в тенях перепады между уровнями яркости будут уж слишком большие, в светах, наоборот, совершенно незаметные, особенно если у вас в распоряжении всего 256 значений, которые есть в распоряжения SDR видео.
Но в отличие от SDR — HDR видео кодируется с глубиной цвета, как минимум 10 бит. А это 1024 значения на канал и итоговые более миллиарда оттенков (1024 x 1024 x 1024 = 1 073 741 824)
А предельная яркость изображения в HDR видео стартует от 1000 нит и может достигать 10000 нит. Это в 100 раз ярче SDR!
Такое раздолье позволяет закодировать максимум информации в темных участках изображения и показать картинку куда более естественную для человеческого глаза.
Метаданные
Итак, мы с вами выяснили, что возможности HDR сильно превосходят SDR, и HDR показывает куда более страшную и всю из себя контрастную картинку, но! Какая разница, какой там у тебя формат видео, SDR или HDR, если качество изображения всё равно зависит от экрана, на котором ты смотришь. На некоторых экранах SDR выглядит так насыщенно и контрастно, что HDR даже и не снилось. Всё так!
Все дисплеи отличаются. Они по-разному откалиброваны, в них разный уровень яркости и прочие параметры.
Но HDR-видео в отличие от SDR не просто выводит изображение на экран, но еще и умеет сообщать телевизору, как именно нужно его показывать! Делается это при помощи так называемых метаданных.
Они бывают двух видов.
Статические метаданные. Содержат в себе настройки яркости и контраста всего видео целиком. Например, человек, который мастерил какое-нибудь атмосферное, темное кино может указать, что максимальная яркость в этом фильме всего 400 нит. Поэтому телевизор с яркостью 4000 нит не будет задирать яркость и превращать ваш хоррор-фильм в детский утренник. Или наоборот фильм с яркостью 4000 нит по максимуму раскроется не только на телевизоре, который тянет такую яркость, но и на более тусклом экране, так как картинка правильно сожмётся до возможностей телевизора.
Но бывают такие фильмы, которые в целом темные, но в них есть сцены с яркими вспышками света. Или например фильм про космос, в котором ярко сияют звезды. В таких случаях необходимо настроить яркость каждой сцены отдельно.
Для это существуют динамические метаданные. Они содержат в себе настройки каждого пикселя в каждом кадре фильма. Более того, эти метаданные содержат информацию на каком дисплее мастерился контент. А значит ваш дисплей может взять эти настройки и адаптировать изображение так, чтобы вы получили максимально приближенную к задумке автора картинку.
HDR10 и HDR10+
Самый распространённый формат с поддержкой статический метаданных — это HDR10. Более того это самый распространенный HDR формат в принципе. Если видите наклейку HDR на телевизоре — знайте: он поддерживает HDR10. Это его плюс.
Но поддержка только статических метаданных не позволяют назвать его настоящим HDR. Поэтому компания Samsung, совместно с 20th Century Fox и Panasonic решили исправить это недоразумение и добавили к HDR10 поддержку динамических метаданных, назвав новый стандарт — HDR10+.
Получился он царский — 10 бит, 4000 нит, более миллиарда оттенков. Но видна ли разница между HDR10 и 10+ на практике.
У нас есть QLED телевизор Samsung Q950T, который как раз поддерживает оба формата. Поэтому сравнение будет максимально корректным. Мы запустили кино, которые смастерили в HDR10 и HDR10+. И знаете, что — я действительно увидел разницу. На этом телевизоре и HDR10 выглядит круто, а HDR10+ вообще разрывает шаблон. И дело не только в стандарте HDR10+.
Adaptive Picture
Дело в том, что HDR-контент существенно более придирчив к качеству дисплея, чем SDR. Например, яркость в HDR-видео указывается не в относительных значениях, то есть в процентах, а в абсолютных — в нитах. Поэтому, хочешь не хочешь, но если в метаданных указано, что этот конкретный участок изображения должен светить 1000 нит нужно, чтобы телевизор сумел выдать такую яркость. Иначе, это уже будет не HDR.
А если, вдруг, вы смотрите видео днём, в ярко освещенной комнате, то нужно еще компенсировать окружающее освещение. Большинство устройств не справляются с этой задачей. Но, у QLED телевизоров Samsung, в этом плане есть, огромное преимущество.
Во-первых, в них используется технология Adaptive Picture, которая подстраивает яркость и контрастность изображения в зависимости от окружающего освещения.
Во-вторых, как я уже говорил, запас яркости в QLED — 4000 нит. А этого с головой хватит для компенсации практически любого внешнего освещения.
В отличие от OLED-телевизоров, которые могут выдавать необходимый уровень контраста только при плотно зашторенных шторах.
Другие технологии
Естественно, это не единственная крутая технология внутри данного телевизора. Здесь установлен мощный нейропроцессор Quantum 8K, который в реальном времени умеет апскейлить 4K-контент до 8К. Причём он не просто повышает четкость изображения, он распознаёт разного типа текстуры и дополнительно их прорабатывает. Еще тут сверхширокие углы обзора, прекрасный объемный звук, который кстати тоже адаптируется под уровень шума в помещении в реальном времени. И масса других технологии, эксклюзивных для QLED-телевизоров Samsung.
Но главная технология сегодняшнего вечера HDR10+ — и, что прекрасно — это не эксклюзив.
HDR10+ — это открытый и бесплатный стандарт, как и обычный HDR10. Всё это дает ему огромное преимущество перед, по сути, таким же, но платным Dolby Vision. Поэтому HDR10+ есть не только в телевизорах и смартфонах Samsung — его поддерживают практически все производители телевизоров, смартфонов, камер, ну и, конечно, в этом формате снимаются и делаются фильмы. А значит у HDR10+ есть все шансы стать настоящим народным стандартом HDR, которым вы сможете насладиться на всех экранах страны, как больших, так и малых.
Технология HDR: обзор основных стандартов
Авторизуйтесь
Технология HDR: обзор основных стандартов
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 экспансию.
В этой статье рассмотрим основные HDR стандарты, их идентификацию и валидацию для H.264/AVC, H.265/HEVC, VP9 и AV1. Материал будет полезен QA-инженерам, разработчикам приложений, OEM-производителям и SOC дизайнерам, которые хотят внедрить или идентифицировать HDR контент.
Чем отличается HDR от SDR
Колориметрические параметры
Рис.1 Цветовое пространство системы CEI 1931.
Глубина цвета
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, зелёного 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 определённых обстоятельствах человеческий глаз всё ещё способен заметить ступенчатость цветовых переходов.
Яркость
Человеческий глаз устроен так, что помимо компонентов цветности различает и компонент яркости. Причём 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 определённых сцен и на непродолжительное время.
Стандарты HDR
Стоит отменить, что термин HDR носит собирательный характер, поскольку на рынке представлено несколько стандартов реализации HDR от разных вендоров. Наибольшее распространение получили четыре стандарта HDR: HDR10, HLG, HDR10+ и Dolby Vision. На рисунках 3.1 и 3.2 представлены бренды производителей телевизоров с поддержкой HDR. А на рисунке 4 вы можете ознакомиться с поддержкой HDR у стриминговых сервисов.
Рис.3.1 Бренды ТВ с поддержкой HDR в США
Рис.3.2 Бренды ТВ с поддержкой HDR в Европе.
Рис. 4 Стриминговые сервисы с поддержкой HDR.
Чтобы воспроизвести HDR-контент, необходимы правильно подготовленный контент, соответствующий стандарту, а также декодер и дисплей, поддерживающие HDR-стандарт.
HDR10
Этот стандарт был принят в 2014 году. HDR10 получил широкое распространение благодаря простоте в эксплуатации и отсутствию лицензионных отчислений. Стандарт описывает видеоконтент, соответствующий рекомендациям UHDTV Rec. ITU-R BT. 2020: 
HDR10 базируется на PQ EOTF функции передачи, из-за чего такой видеоконтент не совместим с SDR дисплеями. Также HDR10 имеет один единственный слой видеоконтента.
Стандарт задействует статические метаданные, которые применяются ко всей видеопоследовательности. С одной стороны, статическая реализация упрощает эксплуатацию. В то же время она не учитывает необходимость разных тонов для статических и динамических, ярких и тёмных сцен, поэтому требуется применение глобальных компенсаций. Таким образом, HDR10 не способен полностью передать задумку и видение автора.
Метаданные HDR10 включают в себя mastering display colour volume и content light level information.
Mastering display colour volume — параметры дисплея, которые использовались для создания видеоконтента и считаются эталонными. При воспроизведении видеоконтента дисплей будет перенастроен относительно эталона.
Mastering display colour volume описывает:
Content light level information — значение верхней границы номинального целевого уровня яркости изображений. Оно включает в себя:
У H.264/AVC и H.265/HEVC видеоформатов метаданные HDR10 могут быть указаны на двух уровнях.
Рис.5 SEI сообщения: Content light level и Mastering display colour volume.
У VP9 данные располагаются на уровне медиаконтейнера:
Рис.6 Mastering Metadata для видеопоследовательности VP9.
У AV1 метаданные располагаются:
Стандарт HLG появился в 2015 году и также получил широкое распространение. Стандарт описывает видеоконтент, соответствующий спецификации BT 2020. 
HLG, как и HDR10, имеет один слой видеоконтента. В отличие от HDR10, HLG не имеет метаданных, поскольку задействует гибридную логарифмическую функцию HLG EOTF, частично повторяющую кривую функции SDR, частично HDR (рис. 7). Такая реализация теоретически позволяет воспроизводить HLG как на дисплеях, поддерживающих PQ EOTF (HDR10, HDR10+, Dolby Vision), так и на SDR дисплеях с колориметрическими параметрами, соответствующими BT. 2020.
Что касается степени реалистичности, HLG, как и HDR10, не способен полностью передать задумку и видение автора. А из-за особенностей функции HLG EOTF изменения оттенков могут быть заметны на дисплее SDR, если изображения содержат яркие области насыщенного цвета. Как правило, искажения наблюдают в сценах с зеркальными бликами.
Рис.7. Кривая HLG относительно SDR и PQ HDR.
Идентифицировать видеопоток HLG можно по параметру Transfer_characteristics, который будет иметь значение 14 или 18.
Для H.264/AVC и H.265/HEVC параметр может быть указан:
Для VP9 параметр может быть указан на уровне медиаконтейнера:
Для AV1 параметр может быть указан:
Рис. 8. Часть SPS → VUI параметров из AvcС и colr боксов MP4 медиаконтейнера.
HDR10+
Стандарт также описывает видеоконтент, соответствующий рекомендациям UHDTV BT.2020. 
HDR10+ задействует PQ EOTF, поэтому несовместим с SDR дисплеями.
В отличие от HDR10, HDR10+ задействует динамические метаданные. Это позволяет более эффективно редактировать каждую сцену в процессе мастеринга и полностью передавать задумку автора. Во время воспроизведения контента дисплей перестраивается от сцены к сцене таким образом, как её создал автор.
HDR10+ предлагает обратную совместимость с HDR10. В том случае, если дисплей не поддерживает HDR10+ динамические метаданные, но поддерживает статические метаданные HDR10, и в потоке или медиаконтейнере такие данные присутствуют, диcплей может воспроизвести видеопоследовательность по стандарту HDR10.
У H.264/AVC и H.265/HEVC динамические метаданные находятся на уровне элементарного потока в SEI user_data_registered_itu_t_t35 (рис. 10). У VP9 метаданные они указаны в BlockAddID (ITU-T T.35 metadata) WebM контейнера. У AV1 метаданные указаны в metadata_itut_t35() OBU синтаксисе.
Рис. 10. Динамические метаданные HDR10+, SEI сообщение.
Dolby Vision
Проприетарный и наиболее сложный HDR стандарт, разработанный и лицензируемый компанией Dolby. HDR стандарт, описывающий возможность применения сразу двух слоев в одном видеофайле: базового (Base layer, BL) и улучшенного (Enhancement layer, EL). В действительности наличие двух видео слоёв встречается редко из-за большого размера видео файлов и сложностей с подготовкой и воспроизведением такого контента.
2 Профиль 8.4 находится на этапе стандартизации.Максимальный уровень яркости — 1000 кд/м2.
BL для профилей 5,8,9 и EL для профилей 4 и 7 задействуют PQ EOTF, поэтому они не совместимы с SDR дисплеями. Такие профили используют динамические метаданные, схожие с метаданными у HDR10+. Это позволяет эффективно редактировать каждую сцену в процессе мастеринга и точно передавать задумку автора. При воспроизведении контента дисплей перестраивается от сцены к сцене, базируясь на динамических метаданных.
У H.264/AVC и H.265/HEVC видеоформатов динамические метаданные Dolby Vision находятся на уровне элементарного видео:
Что касается Dolby стандартизировали идентификацию Dolby Vision для MPEG-2 transport stream и MP4 медиаконтейнера. В MPEG-2 TS информирование осуществляется с помощью DOVI Video Stream Descriptor в PMT таблице, по содержанию которой можно определить профиль, уровень, наличие слоёв и совместимость. 
В MP4 контейнере с этой целью используются конфигурационные боксы: dvcc (для профилей ниже или равного 7), dvvc ( для профилей выше 7, но ниже 10), dvwc (для профилей равного и выше 10 — зарезервировано на будущее).
Также задействуется один из боксов:
Рис. 11. Конфигурационные боксы Dolby Vision из MP4 медиаконтейнера.
Общий обзор стандартов HDR
3 Динамические: профили 4 (EL), 5, 7, 8.1, 9. Отсутствуют в 8.4.
Воспроизведение HDR контента происходит следующим образом (рис. 12):
HLG не имеет метаданных. Если есть 2 видеослоя (BL/EL — профили 4 или 7 Dolby Vision), экстрактор их извлекает, но приложение может решить, какой слой и соответствующий декодер выбрать, в зависимости от возможностей платформы.
Рис. 12. Общий процесс воспроизведения HDR контента.
Валидацию HDR видеопотока условно можно разделить на несколько этапов.
Итак, в этой статье мы собрали наиболее значимую информацию по каждому HDR формату в одном месте. Описанные маркеры позволяют быстро погрузиться в предметную область HDR, идентифицировать, интегрировать HDR контент и решать возможные проблемы.
Источник
Александр Круглов, ведущий инженер компании Elecard. Работает в сфере видеоанализа с 2018 года. Александр отвечает за работу с крупнейшими клиентами Elecard, такими как Netflix, Cisco, Walt Disney Studios и др.