HDR

HDR на фото и в видео — в чем разница?

HDR в фотографии подразумевает компоновку нескольких кадров в один. Снятые заранее фото имеют разную экспозицию, и финальный вариант изображения при использовании такой технологии максимально детализирован как в темных, так и в светлых областях. Современные смартфоны делают это в автоматическом режиме, когда пользователь активирует камеру, чтобы обойти ограничения в технических характеристиках объективов и маленьких матриц. Чаще всего режим HDR фотографы используют для ландшафтных снимков: большой динамический диапазон позволяет добиться максимальной глубины изображения.

HDR в видео не подразумевает под собой склейку кадров и усреднение пикселей. Все проще: качество картинки зависит не столько от процесса съемки и формата файла (хотя это тоже важно), сколько от характеристик монитора или дисплея, на котором демонстрируется изображение. Крайне важна яркость. Этот показатель измеряется в нитах или канделах на 1 м². Любое устройство с экраном обладает определенным параметром яркости. Устройства, которые поддерживают технологию HDR, имеют целых две характеристики яркости:

• максимальная яркость. Показатель характеризует степень яркости матрицы по всей ее площади;
• пиковая яркость. Показатель означает яркость, которую матрица может выдать на определенном участке на непродолжительное время.

Но если подсвечивать все и без того яркие участки визуального контента, матрица может перегреться и выйти из строя раньше времени. Именно по этой причине и разработана технология HDR: она позволяет матрице выдавать максимально возможную яркость на ограниченном участке и на короткий срок. Существует стандарт VESA DisplayHDR1000, который требует пиковой яркости на не менее чем 10% от всей площади матрицы в течение 30 минут. Он достаточно высок, но позволяет проиллюстрировать основную мысль: устройство с поддержкой HDR должны обеспечивать пиковую яркость хотя бы на какой-то площади и хотя бы в течение какого-то времени.

Что такое HDR в мониторах

Это не просто технология улучшения картинки, а важный инструмент, который помогает фотографам, дизайнерам, сотрудникам киноиндустрии, а также продавцам видеоигр.

Людям нравится все яркое, живое и реалистичное, чем и пользуются разработчики видеоигр. Технология HDR отвечает за улучшение картинки: увеличение ее яркости и детализации. Следовательно, визуальная составляющая становится более привлекательной: получает нужную контрастность и приближенную к реальной глубину. Именно поэтому геймеры предпочитают подолгу находиться в виртуальном мире: здесь можно не только получить удовольствие от игры, но и забыть о том, что все это — нереально.

Отличия HDR от SDR

SDR (Standard Dynamic Range) — это стандартный динамический диапазон, который используется для передачи изображения еще с момента появления ЭЛТ-мониторов. Да, этот технологический процесс нельзя назвать новым, и все-таки он продолжает удерживать пальму первенства на медиарынке. Рассмотрим его отличия от более современного HDR.

Колориметрические параметры. Существует цветовое пространство CEI 1931, которое отображает все физически реализуемые цвета видимого спектра электромагнитного излучения: от 380 до 7000 нм. Изображается оно в виде радужной треугольной диаграммы. Диапазон SDR описан в стандарте Rec.ITU-R BT. 709: в нем указаны параметры, которые охватывают только 35,9% от всего спектра системы CEI. Технология HDR использует в своей работе параметры более современного стандарта Rec.ITU-R BT. 2020, охватывающего 75,8% видимого спектра. 

Глубина цвета. Термин означает количество бит, которое используется для хранения и представления цвета на дисплее. Глубина диапазона SDR — 8 бит. Изредка встречается видеоконтент со сжатием цвета до 10 бит, но в большинстве случаев используется именно 8. При такой схеме у каждого базового цвета (зеленого, синего и красного) может быть по 28 значений, а суммарное количество оттенков составляет 16 777 216. Цифра немаленькая, но глаз человека различает гораздо больше цветов, поэтому на градиентных схемах мы можем различать грубые ступенчатые переходы. Минимальная глубина диапазона у технологии HDR — 10 бит, что эквивалентно 1024 допустимых значений для каждого основного цвета или суммарно 1 073 741 824 оттенка. Это в 64 раза больше, чем у SDR. Картинка с большей глубиной цвета выглядит максимально реалистичной, но в ряде случаев цветовые переходы все еще заметны для человеческого глаза.

Яркость. Зрительное восприятие человека распознает не только цветовые параметры изображения, но и его яркость. Технология SDR имеет максимальную яркость в 100 кд/м². Этого достаточно для передачи визуальной информации, но слишком мало для восприятия ее в качестве реалистичной и приятной для глаз. Технология HDR позволяет «разогнать» яркость изображения до 10 000 кд/м². Разумеется, на практике такие параметры используются редко. В продаже можно встретить устройства с дисплеями и мониторы с поддержкой HDR, имеющие яркость от 1000 до 4000 кд/м².

Стандарты HDR

У технологии HDR существует несколько стандартов. Большинство из них создает Video Electronics Standards Association — ассоциация производителей видеокарт, основанная в 1989 году. Рассмотрим наиболее популярные стандарты.

HDR10. Стандарт принят в 2014 году и получил широкое распространение: его легко применять, и при этом не требуется отчислять лицензионные. Он применяется в большинстве современных экранов, имеет 10-битную глубину цвета и яркость в 1000 нит. Несмотря на свою эффективность, стандарт HDR10 проигрывает более свежим решениям.

HDR10+. Этот стандарт — расширенная версия предыдущего. Те же показатели пиковой яркости и глубины цвета сочетаются с возможностью свободного управления метаданными в содержимом графического файла. Такое решение позволило повысить производительность без потери качества.

DisplayHDR. Определяет качество и уровень HDR, основываясь на результатах тестов на цветовой охват, яркость и контрастность изображения. Единственный стандарт с 8-битной глубиной цвета. Существует несколько вариантов DisplayHDR с разной степенью яркости и охватом цветового пространства. 

Dolby Vision. Глубина цвета в данном стандарте увеличена до 12 бит, а яркость — до 10 000 нит. Эта технология позволяет управлять не только колориметрическими параметрами, но и динамическими метаданными. Проблема заключается лишь в одном: экрана, который способен работать на максимальных значениях Dolby Vision, все еще не существует. Стоит отметить, что эта технология платная: производитель хочет получать за нее лицензионные отчисления.

Как HDR применяется в видеоиграх?

HDR в играх может отображаться двумя способами: с помощью встроенной поддержки и посредством автообновления со «старшего» собрата SDR. 

Подавляющее большинство видеоигр не имеют встроенной поддержки технологии HDR и/или не адаптированы под высокий динамический диапазон. По этой причине некоторые разработчики предлагают различные модификации и приложения, которые позволяют улучшить качество картинки. У каждой имеется минимальный набор системных требований.

Функция Auto HDR — еще один способ повысить пиковую яркость монитора в определенных его точках, чтобы получить максимально реалистичный геймплей. Она работает и на приставках Xbox Series X/S, и на ПК, но только для игр, которые совместимы с DirectX 11 и DirectX 12. Для презентации и наглядной демонстрации Microsoft решили взять игру Gears 5. На изображении ниже три варианта картинки. Слева — классический вариант для SDR-мониторов. Посередине — картинка, которую увидят пользователи, активировавшие AutoHDR. Справа — вариант изображения с модификацией Native HDR, которая разработана студией The Coalition эксклюзивно для данной игры. В двух последних случаях можно увидеть тепловую карту на ч/б изображении. Оттенки серого — это области, которые отображают стандартные SDR-мониторы. Оттенки радуги — элементы картинки, которые будут доступны только пользователям с HDR-дисплеями. В игре они будут выглядеть как блики или яркие светящиеся объекты.

Как HDR влияет на производительность?

Часто включение режима HDR снижает частоту кадров, в результате чего геймер может наблюдать так называемое слайдшоу: игра «тормозит», геймплей становится дерганым. Конкретные параметры по потерям FPS напрямую зависят от характеристик видеокарт, но примерные цифры таковы: от 0,4 до 12 кадров в секунду можно потерять при подключении HDR.

Задержка ввода — еще одна проблема, завязанная на улучшении качества картинки. Input lag — это заторможенная реакция игры на каждое действие пользователя. Геймер задействовал горячие клавиши, чтобы герой начал махать мечом и раскидывать врагов, а в это время его персонаж в игре просто стоит и ничего не делает. Задержка в пару секунд может стать критичной: владелец домашнего ПК просто расстроится, а киберспортсмен может потерять все шансы на победу в турнире. Именно по этой причине многим приходится балансировать между высоким качеством картинки и производительностью видеоигры.