Version 5.04.15

High Dynamic Range

The evolution of television signal: same definition, best pixels

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The High Dynamic Range allows a significantly improved image. The pixels that compose the image are high quality compared to the current pixels, with more information content. The signal reproduced on the new HDR screens is more dynamic and therefore with a much higher brightness, as well as with a superior detail perception. The Rai Research Center, along with the BBC, NHK and other European research organizations, are long following the evolution of HDR systems, which certainly represent a strategic and long-term project.

L’ HDR – High Dynamic Range è un’evoluzione tecnologica che può essere sintetizzata con la frase “not just more pixel but better pixel”, ovvero qualità migliorata non con l’aumento del numero di pixel e quindi della risoluzione ma con pixel di miglior qualità. La caratteristica più evidente delle immagini HDR è l’estensione della dinamica, che consente di percepire più gradazioni tra chiari (i cosiddetti highlights: riflessi, luci nello stadio, luci delle automobili…) e scuri; aumenta quindi il cosiddetto range dinamico, il rapporto cioè tra il pixel bianco di intensità più elevata (misurato in cd/m2 anche detto ‘nit’) e quello più scuro all’interno di un’immagine. L’unità di misura che spesso si utilizza, mutuata dal mondo fotografico, è detta ‘f-stop’ ed è il logaritmo in base due di tale rapporto.

La tecnologia HDR impatta indubbiamente sul workflow di produzione e distribuzione, dalla ripresa, al sistema di codifica e trasmissione fino al televisore.

L’HDR richiede telecamere di alta qualità, che attualmente vengono utilizzate per riprese cinematografiche, in quanto devono essere in grado di acquisire immagini con un range dinamico e una gamma di colori più ampia, per poter sfruttare al meglio i vantaggi qualitativi in post-produzione. Occorre quindi registrare il segnale con gli opportuni formati di registrazione, possibilmente in formato raw (lineare a 16 bit) oppure quantizzato con un’opportuna funzione non lineare (OETF) con profondità del segnale di almeno 10 bit, per poter eseguire le funzioni di editing, color grading, mastering delle immagini in HDR senza introdurre distorsioni percepibili sul prodotto finito.  Tali sistemi di ripresa hanno una dinamica superiore a quella tradizionale: si arriva a 14 f-stop circa rispetto ai 5-7 f-stop SDR (Standard Dynamic Range).

I nuovi display consumer, sono dotati di un range dinamico più elevato e sono in grado di offrire immagini con un maggiore livello di dettagli, che garantiscono allo spettatore un’esperienza di visione più coinvolgente. Il vantaggio dell’HDR non è solo il migliore livello di contrasto, di risoluzione o di colori, quanto la capacità di combinare tutti e tre questi fattori per riprodurre le immagini in modo più accurato. Ciò offre ai creatori di contenuti maggiori possibilità di rappresentare la realtà in modo più realistico.
Le televisioni attuali SDR hanno una luminosità di picco di circa 200-300 nit. I nuovi display, invece, dotati di risoluzione Ultra-HD (4K/UHD) e High Dynamic Range (HDR), arrivano sino a 1000-1500 nit!

L’attuale spazio colore, che definisce il numero di colori riproducibili, definito dalla normativa BT.709, non permette di riprodurre tutti i colori che l’occhio umano percepisce, motivo per cui è stata introdotta la normativa BT.2020, contenente una definizione dei colori primari che consente di coprire una parte maggiore delle tonalità visibili. Con i nuovi televisori compatibili  BT.2020, è possibile riprodurre sui display consumer tonalità di colori che prima non potevano essere visualizzati, soprattutto nella gamma tra il verde e il ciano, più vicini all’intento artistico del direttore della fotografia e del regista.

Quando si parla di HDR, occorre descrivere le cosiddette funzioni di trasferimento, indicate dagli acronimi OETF e EOTF:

  • OETF: opto-electronic transfer function, che converte il segnale luminoso della scena in segnale video e tipicamente è implementata all’interno della camera
  • EOTF: electro-optical transfer function, che converte il segnale video in luce lineare sul display

Le curve opto-elettroniche OETF nell’HDR sono in grado di gestire, come si è detto, segnali con una dinamica di ingresso più ampia: sono funzioni matematiche in grado di redistribuire i bit in modo da valorizzare le variazioni nei toni scuri e mezzi toni, dove l’occhio umano è più sensibile, rispetto ai toni chiari. In sostanza venogono utlizzate al fine di codificare il segnale con il minor numero di bit possibile in funzione delle caratteristiche percettive dell’occhio umano.
Con la curva EOTF, invece, ha il compito di invertire la curva OETF ossia  il segnale viene ‘linearizzato’ per essere visualizzato sul display.

La curva EOTF utilizzata nella tv tradizionale SDR, detta gamma 2.4 (funzione esponenziale con esponenente 2,4), è bene adattata alla percezione umana per i livelli bassi e medio bassi, ma non altrettanto per i livelli alti dove la percezione segue una legge di tipo logaritmico.
Per questa ragione sono state standardizzate altre curve:

  •  PQ (Perceptual Quantizer) proposta dalla Dolby e in uso principalmente su Blu-ray disc e sistemi compatibili con Dolby Vision implementa una funzione di tipo logaritmico
  •  HLG (Hybrid Log Gamma) proposta dalla BBC e NHK, più vicina al sistema broadcast perché retro compatibile con i display standard in quanto generata raccordando una curva gamma 2.4 che agisce sulle basse e medie luci con una curva logaritmica per le alte luci.

Il Centro Ricerche Rai da qualche anno sperimenta questa tecnologia  con la realizzazione di riprese video, in stratta collaborazione con le strutture produttive aziendali, al fine di definire un paradigma valido di produzione dalla ripresa alla ricerca di formati di lavorazione e interscambio dei vari contributi della catena produttiva, per arrivare ai test sui nuovi display sia professionali che consumer. Il Centro di Produzione di Napoli sta applicando il formato HDR alle produzioni speciali di Alberto Angela e, in particolar modo ‘Stanotte a Venezia’ che dopo la trasmissione in 4K sarà trasmessa in UHD HDR in anteprima assoluta Rai.

References

SMPTE – SMPTE ST2084: 2014 (and CEA-861-3) has standardized the Electro-Optical Transfer Function (EOTF) curve for HDR also called PQ, developed by Dolby Labs
ARIB – (Association of Japanese Radio Industries and Businesses) standardized the HLG curve as ARIB STD-B67
SMPTE – SMPTE standard ST2086: 2014 defines metadata static, metadata that does not change during video stream
SMPTE standard ST2094, which defines dynamic metadata that varies frame per frame
ITU – ITU-R Recommendation BT.2020 defining the WideColor Gamut (WCG) as well as other aspects of UHDTV
BDA – The Blu-ray Disc Association has released Ultra HD Blu-ray Disc specifications, including HDR10 and optional Dolby Vision
The MPEG group has published iregquisiti for HDR by adopting HEVC Main 10 profile (H.265) encoding known as HDR10
UHD Alliance – the consortium to promote Ultra HD content products and content has released the specifications required to receive Ultra HD Premium certification and its logo

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