با مفهوم HDR و انواع فرمت های آن آشنا شوید

یکی از محبوب ترین مفاهیم دنیای تکنولوژی که امروزه بیش از سایر کلمات می شنویم، HDR است. هر جایی که می روید، تلویزیون ها، کنسول های گیمینگ، پخش کننده ویدیو و حتی گوشی هایی را می بینید که ادعا می کنند دارای کیفیت HDR هستند اما منظور از این کلمه چیست؟ با سافت گذر همراه باشید تا به این سؤال پاسخ دهیم.

تاریخچه HDR

HDR که در سال 2015 معرفی شد، با هدف افزایش رزولوشن تصاویر و کیفیت ویدیوهای ضبط شده راه خود را به دنیای تکنولوژی پیدا کرد. به جای اینکه در یک فیلم پیکسل های بیشتری اضافه گردد، هدف آن بود تا به وسیله افزایش متغیرها در بخش خروجی نور، رنج دینامیک گسترش یابد و رنگ ها هم متنوع تر شوند.

حالا از آن سال تا کنون HDR محبوب تر شده و شرکت های سازنده در تلاش هستند تا با بهره گیری از آن محصولاتشان را راحت در بازار به فروش برسانند. علاوه بر اینها، مفاهیمی نظیر "مشکی های تیره تر" و "سفیدهای درخشان تر" کم کم به دنیای تکنولوژی آمدند اما اگر از یک شخص معمولی در مورد معنی آنها سؤال کنید، احتمال اینکه بتواند پاسخ شما را به درستی بدهد، بسیار ضعیف است.

به همین دلیل امروز می خواهیم ابتدا در مورد HDR صحبت کنیم و بگوییم که با SDR چه فرقی دارد.

رنج دینامیک

اگر می خواهیم HDR یا High Dynamic Range را متوجه شویم، ابتدا باید به درک مناسبی از مفاهیم اولیه دست یابیم و اولین مفهوم نیز رنج دینامیک است. منظور از رنج دینامیک، تفاوت میان کمترین و بیشترین مقادیری می باشد که یک شیء می تواند به وجود بیاورد.

علی رغم اینکه رنج دینامیک در بسیاری از بافت ها و علوم استفاده شده ولی چیزی که ما امروز در این خبر به آن می پردازیم، به صفحه نمایش ها و دوربین ها مربوط است. بر این اساس، رنج دینامیک تلویزیون ها روشن ترین و تاریک ترین نوری است که می تواند تولید شود و در دوربین ها، بیشترین و کمترین نوری است که در شرایط مختلف می تواند دریافت گردد.

رنج دینامیک مربوط به مقادیر روشنایی معمولاً با توجه به توقف ها محاسبه می شود که اگرچه شاید دقیق نباشد اما در نهایت مقدار نور خروجی را دو برابر می کند.

برای اینکه ویدیویی داشته باشید که رنج دینامیک گسترده ای دارد، باید از شیوه پشتیبان گیری سرتاسری بهره ببرید. این یعنی از زمان عکسبرداری و فیلمبرداری تا رمزگشایی فرمت ها و در نهایت صفحه نمایشی که می خواهد آن را پخش کند، باید از HDR پشتیبانی شود در غیر این صورت فرآیند ناقص انجام خواهد شد و نتیجه نهایی HDR نخواهد بود و کیفیت جالبی نخواهد داشت.

رنج دینامیک استاندارد

SDR یا رنج دینامیک استاندارد پارامترهای مختلفی دارد که می توانیم بر اساس آنها، آن را معنی کنیم. فرض کنید که در یک دیسک Blu-ray یک فیلم اچ دی در اختیار دارید.

اکثر فیلم های موجود در دیسک های HD Blu-ray فایل های H.264 8-bit 4:2:0 هستند. H.264 یکی از محبوب ترین کدک های ویدیویی و فرمت های استفاده شده در دنیاست. 8-bit هم مقدار عمق است که در آن رنگ های زرد، سبز و آبی برای نمایش اطلاعات رنگی استفاده می شوند تا در نهایت اطلاعات رنگی 24-bit تولید گردد. تعداد رنگ های مخصوص هر بیت عمق 2n است بنابراین یک سیگنال 24-bit می تواند بیش از 16.77 میلیون رنگ داشته باشد.

4:2:0 روش نمونه گیری رنگی است که با کاهش اطلاعات رنگ ها، محتواها را فشرده می سازد. 4:2:0 نصف رزولوشن افقی و عمودی یک سیگنال RGB یا 4:4:4 را داراست به همین دلیل برای محتواهای ویدیویی مناسب خواهد بود اما استفاده از آن برای مصارف پردازشی پیشنهاد نمی شود زیرا امکان دارد متون تیره و تار گردند.

دیگر مفهومی که باید یاد بگیرید، فضای رنگی است. فایل های HD Blu-ray با فضای رنگی Rec. 709 ضبط می شوند که نوعی معادل sRGB استفاده شده در رایانه ها و اینترنت با نقطه سفیدی 6504K D65 است. با این وجود، Rec. 709 دارای فضای 2.4 می باشد حال آنکه sRGB فضای 2.2 دارد.

منظور از فضای رنگی، تعداد رنگ های موجود است. هر رنگ را می توان به نقطه ای از فضای 3D تعمیم داد و منظور از این فضا نیز رنگ هایی هستند که چشم انسان می تواند آنها را ببیند. گاما نوعی قابلیت انتقال الکترو اپتیکال یا EOTF برای ویدیوهای SDR است که در آن به وسیله معادله ریاضی، سیگنال های الکتریکی را به رنگ های قابل مشاهده تبدیل می کند. مقدار گاما معمولاً میزان روشنایی رنگ ها را در محتواها تغییر می دهد بنابراین تغییر آن سبب عوض شدن بسیاری از قسمت ها خواهد شد. بر این اساس، اگر گاما را از 2.4 به 2.2 تغییر دادید، عکسی که در اختیار خواهید داشت روشن تر خواهد شد. با این وجود، اگر گاما را به 2.4 رساندید ولی محتواها را در صفحه نمایش کالیبره 2.8 دیدید، ویدیو تاریک تر خواهد بود.

در نهایت به حداکثر روشنایی می رسیم. یک ویدیو با رنج دینامیک استاندارد 100 نیت روشنایی دارد. رنگ شناسان معمولاً مانیتورهای خود را روی 100 نیت تنظیم می کنند و در پایان اطمینان حاصل خواهند کرد قسمت های سفید از عدد مشخص شده فراتر نخواهند رفت.

محدودیت روشنایی، بزرگترین مشکل محتواهای SDR است. در حالی که سایر فاکتورها نظیر عمق، نمونه گیری رنگی و فضای رنگی هم متغیر هستند و شما می توانید اعداد بیشتری نظیر 10-bit، 4:4:4 و یا Rec. 2020 داشته باشید اما مقادیر مربوط به روشنایی همیشه حداکثر 100 خواهد بود.

این یعنی محدودیت زیادی در رنج دینامیک محتوای در حال مشاهده وجود خواهد داشت و تفاوت های میان 0 تا 100 نیت نهایتاً 6 توقف گاه است. نتیجه این اتفاق کنتراست کم در تصاویر می باشد زیرا تنها قسمت های نورانی تر بسیار پرنورتر از قسمت های تاریک دیده خواهند شد و تفاوتی در قسمت های تاریک به چشم نخواهند آمد.

این تفاوت ها برای تولید محتواهای واقع گرایانه زیاد نخواهند بود. این گونه بگوییم که در یک روز آفتابی، نور خورشید به اشیا زیادی برخورد می کند و خودِ خورشید نیز نورش را به وسایل زیادی می تاباند اما چشمان ما نمی تواند همه رنج دینامیک ایجاد شده را ببیند و اصلاً به همین دلیل است که در محیط های روشن و تاریک، مردمک چشمانمان بسته و باز می شود. مشکلی که در اینجا وجود دارد آن است که ما می توانیم اشیایی که نور خورشید سبب درخشندگی زیاد آنها شده اند را ببینیم اما تماشای آنها در تلویزیون ها کار بسیار سختی است.

البته امکان درخشان تر کردن صفحه نمایش های SDR و افزایش روشنایی آنها از 100 نیت وجود دارد اما این کار باعث بیشتر شدن رنج دینامیک یا کنتراست نخواهد شد و فقط روشنایی کلی محتواها را ارتقا خواهد داد و سایه ایجاد خواهد کرد. برای اینکه این محتواها را با دقت بیشتری ببینیم، باید نمایشگرهایی در اختیار داشته باشیم که توانایی نمایش درخشان ترین محتواها را دارند و همزمان قسمت های تاریک و روشن را در حد متعادل حفظ می کنند.

رنج دینامیک گسترده

حالا باید در مورد رنج دینامیک گسترده صحبت کنیم. مهمترین مزیت ویدیوهای دارای رنج دینامیک گسترده افزایش روشنایی به بیشترین حد ممکن با استفاده از انتقال دهنده الکترو اپتیکال به نام Perceptual Quantizer است. این انتقال دهنده به ویدیوهای HDR اجازه خواهد داد تا مقدار روشنایی را به بیش از 10 هزار برسانند. به علاوه، HDR خودش 0.0001 نیت دارد حال آنکه این عدد در SDR 0.01 بود بنابراین در محیط های تاریک می توان جزئیات بیشتری را مشاهده کرد. در نتیجه، گسترش مقادیر به محتواهای HDR کمک خواهد کرد تا رنج دینامیک گسترده ای داشته باشند و ظاهر واقع گرایانه تری دریافت کنند.

متأسفانه حداکثر روشنایی 10 هزار نیتی یکی از تکنولوژی هایی است که امروزه به سختی می توانیم به آن دست یابیم. حتی بهترین مانیتورها که چند هزار دلار قیمت دارند هم نهایتاً 4000 نیت روشنایی خواهند داشت اما بیشتر تلویزیون های معمولی حداکثر 1000 نیت دارند. در این میان، پنل های OLED بسیار تاریک تر هستند.

بدون توجه به محدودیت های موجود، پتانسیل HDR کمک خواهد کرد تا محتواها با آزادی بیشتری پردازش شوند. رنگ شناسان و مهندسان طراحی حالا دست بازتری برای نمایش محتوای دلخواه خود دارند. یک فیلم HDR صرفاً به معنای کیفیت بیشتر آن نیست. در واقع اگر شما به ویدیوهای HDR نگاهی بیندازید، بیشتر قسمت های ویدیویی همچنان بین 100 تا 200 نیت روشنایی خواهند داشت.

دلیل آن هم این است که نباید همه جا روشن باشد. تصور اشتباهی که وجود دارد این است که بسیاری ها فکر می کنند یک فیلم HDR باید روشن تر باشد در حالی که این گونه نیست. به این مثال توجه داشته باشید، اگر در یک اتاق تاریک با 100 نیت یک چراغ با 800 نیت روشن کنید، کنتراست ایجاد خواهد شد زیرا لامپ سبب از بین رفتن قسمت های تاریک شده و ظاهر واقع گرایانه ای به وجود می آورد.

این تفاوت گسترده را یک محتوای HDR می تواند ایجاد کند اما یک محتوای SDR از انجام آن عاجز است. بار دیگر تکرار می کنیم که اگر می خواستید محتوای SDR را در صفحه نمایش نورانی تر کنید، فضا شاید روشن تر شود اما نتیجه همانی نخواهد بود که می خواستید. ما در اینجا به دنبال کنتراست هستیم و نه افزایش روشنایی.

این تکنیک را می توان در بسیاری از قسمت ها استفاده کرد. مثلاً در مرحله پردازش، قادر خواهیم بود بخش های نورانی کوچک را نورانی تر جلوه دهیم تا نسبت به دیگر قسمت ها واضح تر شوند. در اینجا هم هدف آن است تا کنتراست بیشتری داشته باشیم و نه اشیا را روشن تر کنیم. بر این اساس، اگر عکاس، هنرمند، کارگردان و . . . فکر کرد هیچ چیز نباید از 200 نیت روشن تر باشد، می توان از این روش استفاده کرد.

رنج دینامیک تنها یک بخش کوچکی از HDR است. این کیفیت ویدیویی از گاموت رنگی گسترده بهره می برد. البته اگرچه استفاده از این گاموت رنگی کاملاً انتخابی است اما در اکثر اوقات به کارگیری آن مزایای خاص خودش را دارد. فرمت های HDR معمولاً از فضای رنگی Rec. 2020 بهره می گیرند. لازم به ذکر است که بیشتر محتواهای موجود فضای رنگی DCI-P3 کمتری دارند زیرا هنوز صفحه نمایشی نتوانسته تمام فضای رنگی اشاره شده را پخش کند.

درست مانند رنج دینامیک، وجود فضای رنگی گسترده به معنای روشن بودن محتواها نیست بلکه این مفهوم سبب افزایش حق انتخاب مهندسان و طراحان شده و به آنها اجازه می دهد محتواهای مدنظرشان را از نظر HDR بودن دسته بندی کنند. اکثر رنگ هایی که شما در نمایشگرها می بینید، احتمالاً در فضای Rec. 709 قرار می گیرند اما اگر باز هم شخصی احساس کرد بهتر است یک رنگ بیش از سایرین نمایان باشد، امکان انتخاب گزینه دیگر را خواهد داشت.

به طور کلی محتوای HDR عمق بیشتری دارد بنابراین رنگ ها را بهتر و طبیعی تر جلوه خواهد داد.

فرمت های HDR

HDR چندین فرمت دارد که شرکت های مختلف آنها را تولید کرده اند اما در مجموع چهار فرمت از آن بیشترین طرفدار را دارد.

اولین مفهوم HDR10 است. به خاطر گسترده بودن این مفهوم، هر جا HDR دیدید، احتمالاً باید بدانید که منظور HDR10 است. به دلیل استاندارد بودنش، هر دستگاهی که خریدید، توانایی پشتیبانی از این فرمت را دارد بنابراین احتمال اینکه بتوانید هر نوع محتوایی را با این کیفیت مشاهده کنید، بسیار زیاد خواهد بود.

HDR10 به صورت پیش فرض در UHD Blu-ray استفاده می شود. حتی دیسک هایی که فرمت های مختلف دارند نیز از این کیفیت پشتیبانی می کنند. سایت های پخش فیلم نظیر نتفلیکس، یوتیوب، ویمئو، آی تونز، دیزنی پلاس و . . . می توانند در کنار سایر فرمت ها، ویدیوها را با این کیفیت پخش کنند.

حضور فراگیر HDR10 مهمترین دلیل موفقیت آن است و به همین علت افراد زیادی استفاده از آن را ترجیح می دهند. از دید متخصصان، HDR10 یک فرمت قدرتمند است که دارای مقادیر 1000 نیتی با پشتیبانی از گاموت رنگی گسترده و فضای رنگی 10 بیتی می باشد. محدودیت مهم آن اما، استفاده از متا دیتای ثابت است.

HDR10 متا دیتای ثابت SMPTE ST 2068 دارد که به توانایی نمایشگری مربوط می شود که در آن فیلم ضبط شده است. به علاوه، در آن مفاهیمی نظیر MaxFLL و MaxCLL وجود دارد. وظیفه پردازش این مفاهیم بر عهده نمایشگر دریافت کننده محتواهاست تا بتواند مقدار روشنایی را تنظیم نماید. متأسفانه این اعداد و ارقام در کیفیت HDR10 ثابت می مانند به همین دلیل خروجی کار آن طور که می خواهیم نخواهد بود و برخی قسمت ها روشنایی زیادی نخواهند داشت.

بسیاری از مشکلات موجود را +HDR10 حل می کند. این فرمت که با همکاری سامسونگ، پاناسونیک و 20th Century Fox ساخته شد، تقریباً همان مشخصاتی را دارد که پیش از این در HDR10 دیده بودیم با این تفاوت که حداکثر روشنایی به 10 هزار نیت رسیده و از متا دیتای دینامیک پشتیبانی می کند.

با متا دیتای دینامیک، رنگ شناسان می توانند اطلاعات مربوط به هر صحنه یا فریم را جهت تنظیم روشنایی مشخص کنند. سپس این داده ها توسط تلویزیون دریافت خواهند شد تا نور خروجی مبتنی بر محتوا تنظیم گردد و ظاهر آن واقعی تر شود. به علاوه، روشنایی بیشتر به تلویزیون ها اجازه خواهد داد تا همان 1000 نیت را پخش کنند و دیگر به اعداد کمتر محدود نباشند.

+HDR10 از فرمت HDR10 پشتیبانی می کند زیرا اکثر تفاوت های این دو فرمت به متا دیتا مربوط می شود بنابراین نتیجه غایی شباهت زیادی به HDR10 دارد.

در حالی که +HDR10 مخاطبان کمتری دارد ولی هزینه های پخش محتواها با این کیفیت بین 2500 تا 10000 دلار خواهد بود.

بر خلاف مزایایی که +HDR10 دارد، هنوز همه افراد از جمله تولیدکنندگان محتوا، ارائه دهندگان خدمات و سازنده وسایل مختلف به صورت گسترده از آن استفاده نکرده اند. تنها شرکت هایی که از این فرمت بهره می برند، سامسونگ، پاناسونیک و یا آمازون هستند. حتی در میان این کمپانی ها نیز پاناسونیک سعی کرده مفهومی به نام Dolby Vision را تولید کند. به علاوه، 20th Century Fox هم فیلم های UHD با کیفیت نامبرده ساخته است. در حال حاضر مشخص نیست آیا +HDR10 آینده روشنی دارد یا خیر.

حالا بد نیست به HLG اشاره کنیم. درست مانند سایر کیفیت ها، HLG هم یک فرمت HDR است که با تکنولوژی ها و اهداف جدیدی ساخته شده است. HLG از انتقال دهندگان الکترو اپتیکال غیر خطی بهره می برد که سیگنال های پایینی دارای انحنای گاما و سیگنال های بالایی دارای انحنای لاگ هستند. شرکت های ابداع کننده این فرمت سعی کرده اند تا به گونه ای از آن بهره ببرند که ویدیو را بتوان در هر جایی پخش کرد و محتواها با توجه به صفحه نمایش یا تلویزیونی که از آن نمایش داده می شوند، خود را تطبیق دهند.

HLG را BBC و NHK برای صدا و سیما تولید کردند. بهره گیری از فرمت HDR10 کار بسیار پرزحمتی است و به همین دلیل استفاده از آن در نمایشگرهای غیر HDR امکان پذیر نیست. برای از حل این مشکل، HLG ابداع شد تا در زمان انتقال داده ها، مشکلات مربوط به فرمت های قدیمی را از بین ببرد.

در حالی که HLG در دستگاه های زیادی استفاده شده اما این فرمت هنوز فقط مختص کانال های تلویزیونی است.

در نهایت، آخرین فرمت HDR را باید Dolby Vision بدانیم که شباهت زیادی به HDR10 و +HDR10 دارد.