HDR для «чайников». Что такое HDR10, HDR10+ и Dolby Vision на смартфонах

Во всех наших обзорах смартфонов, мы обязательно указываем информацию о том, поддерживает ли экран конкретной модели режим HDR. И если да, то какой именно: HDR10, HDR10+ или Dolby Vision.

Несмотря на то, что эта технология становится крайне популярной не только в мире мобильных гаджетов, но и телевизоров, подавляющее большинство людей либо не совсем верно понимают ее суть и назначение, либо вообще не понимают, о чем идет речь.

В этом материале я постараюсь максимально просто и в то же время подробно рассказать о том, что же такого особенного в HDR-дисплеях, как работает эта технология и какие смартфоны поддерживают HDR.

HDR не имеет к этому никакого отношения!

Некоторые люди, видя буквы HD в аббревиатуре HDR полагают, что эта технология каким-то образом связана с разрешением экрана. В интернете иногда даже можно встретить вопросы о том, что лучше — HDR или 4K. На самом же деле, HDR не имеет никакого отношения к разрешению. HDR-видео может быть как в FullHD, так и 4K (и даже 8K) разрешении.

Еще более распространенным мифом является мнение, будто HDR — это видео, на котором картинка выглядит очень яркой и насыщенной. Примерно как на AMOLED-экранах 10-летней давности с перенасыщенными «кислотными» цветами.

Реальность же такова, что в большинстве случаев, стандартное видео выглядит ярче, чем HDR. А на форумах то и дело появляются вопросы о том, как отключить HDR, чтобы можно было хоть что-то разглядеть на экране своего смартфона.

После прочтения этой статьи вы будете хорошо понимать, почему так происходит и как нужно правильно смотреть контент в HDR.

А теперь перейдем к сути вопроса.

Что такое HDR? Или максимальная реалистичность изображения

HDR (High Dynamic Range) — это технология, позволяющая отображать видео с высокой битностью (глубиной), широким цветовым охватом и расширенным динамическим диапазоном.

Если это определение ни о чем вам не говорит и даже запутывает — отлично! Дальше мы подробно разберем каждую фразу.

Но, в основном, важно понимать следующее — HDR видео позволяет вам увидеть картинку именно такой, какой ее задумал производитель (кинокомпания).

HDR-видео должно в точности передавать запланированную автором атмосферу. Например, в одном из эпизодов сериала «Очень странные дела» есть сцена в темном помещении, куда заходят несколько человек с фотоаппаратом и делают снимки, используя вспышку.

На обычном смартфоне эта сцена не представляет из себя ничего интересного. Вы хорошо видите темное помещение и не особо обращаете внимание на вспышку фотоаппарата. Но на смартфоне с HDR-экраном дела обстоят иначе. Помещение выглядит более темным, а когда происходит вспышка, яркость экрана на мгновение поднимается так высоко, что вы невольно моргаете, словно она произошла в вашей комнате.

Более того, иногда во время воспроизведения видео, на экране могут появляться предупреждающие сообщения о том, что следующие сцены используют яркие спецэффекты, которые могут вызвать дискомфорт у чувствительных к свету зрителей.

Другими словами, HDR-дисплей позволяет максимально реалистично воспроизводить видео и вызывать те ощущения от картинки, которые хотел передать автор.

Каким же образом удается достичь такого эффекта?

HDR-видео и битность (глубина) цвета

Прежде всего, технология HDR подразумевает использование минимум 10 бит для кодирования цвета, в то время как обычный формат использует 8-битный цвет. Что все это значит?

Цвет каждого пикселя на экране формируется из 3 основных цветов: красного, зеленого и синего, которые смешиваются в нужной пропорции. Если проделать такую работу для нескольких миллионов точек — мы получаем красочный кадр.

Так вот, для хранения информации о каждом из 3 цветов, используется определенное количество данных (бит). Один бит может принимать только два значения: нолик или единицу. И если бы мы использовали всего 1 бит для хранения информации о цвете, каждая точка была бы либо чистой белой (если бит равен 1), либо черной (бит = 0).

Два бита позволяли бы нам хранить уже в 2 раза больше информации. То есть, получается такой набор значений и соответствующие им цвета:

С помощью 3 бит можно было бы хранить еще больше информации (8 цветов): 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111. И так далее.

Практически все современные смартфоны имеют 8-битные дисплеи. Соответственно, самый черный цвет будет иметь код 00000001, чуть светлее — 00000010 и вплоть до самого белого с кодом 11111111 (это условно, так как в действительности кодирование цвета идет не с первого бита). Всего с помощью 8 бит у нас получается сохранить (закодировать) до 256 значений различных оттенков.

Так как для создания цвета одного пикселя нужна информация о 3 основных цветах, соответственно, каждый из них может иметь по 256 оттенков, что в сумме дает 16 млн цветов (256 красных оттенков * 256 зеленых оттенков * 256 синих оттенков).

Используя 10 бит мы можем получить более 1 млрд различных оттенков (по 1024 каждого из трех основных цветов), а 12 бит дадут нам более 68 млрд цветов!

Первое требование HDR: стандарты HDR10 и HDR10+ используют глубину цвета 10 бит, а стандарт Dolby Vision (версия HDR от компании Dolby) — 12 бит!

А теперь важный вопрос:

Как вы считаете, есть ли смысл увеличивать глубину цвета, скажем, до 10 или даже 12 бит?

На первый взгляд — конечно! Ведь, чем больше цветов, тем красочнее будет изображение! Верно? Нет.

Для того, чтобы понять это, давайте представим, что на следующей картинке показаны все оттенки красного цвета, которые в теории способен отобразить дисплей:

И теперь стоит задача — решить, какую глубину цвета должен поддерживать наш экран. Если выбрать глубину 3 бита, тогда экран сможет отобразить всего 8 цветов. Вот как они будут примерно выглядеть:

Как видим, уже такого плавного градиента у нас нет. На картинке очень хорошо заметны переходы между первым цветом (код 000), вторым (001) и всеми остальными. А на оригинальной картинке цвет очень плавно переходит от темного к светлому.

Решить эту проблему очень легко. Достаточно увеличить глубину цвета с 3 бит до 8! Теперь от самого темного оттенка к светлому будет 256 градаций. Можно ли в этом случае увидеть разницу между двумя соседними цветами? Возможно, кто-то и увидит, но далеко не всегда.

Если же использовать 10-битный экран, который сможет отобразить 1024 оттенка красного цвета, тогда ни один человек не заметит разницу между двумя соседними цветами, так как она будет ничтожно мала. Другими словами, глубина 10 бит и выше является уже избыточной. Наше зрение не способно различать столь незначительные изменения яркости.

Но зачем тогда HDR использует 10 бит? Этот вопрос приводит нас ко второму важному определению HDR, так как изначально было сказано, что здесь используется очень широкий цветовой охват.

HDR-видео и широкий цветовой охват

Представьте, что на следующей картинке показаны все возможные цвета, которые способен различить человеческий глаз:

А теперь посмотрите, какую часть из этих цветов реально способен отобразить экран недорогого смартфона (все, что находится внутри белого треугольника):

Это всего лишь около 36% от того количества цвета, что мы способны увидеть!

Белый треугольник из нашего примера называется цветовым пространством (или цветовым охватом) и означает определенный набор возможных цветов. Если устройство имеет цветовой охват sRGB, значит оно способно отображать только те цвета, что находятся внутри этого набора.

И какую бы глубину цвета мы ни использовали, кодироваться будут только эти цвета. Соответственно, для пространства sRGB вполне достаточно 8 бит. Цвета при таком количестве оттенков будут иметь весьма плавные переходы.

Однако, современные топовые смартфоны способы отображать гораздо больше цветов, чем то количество, что входит в цветовое пространство sRGB. Соответственно, были стандартизированы и другие пространства: DCI-P3 и Rec.2020. Вот как они выглядят в сравнении с sRGB:

Несмотря на то, что в цветовое пространство Rec.2020 входит гораздо больше цветов, оно все еще не способно покрыть весь видимый нами спектр (если быть более точным, Rec.2020 покрывает 75.8% видимых цветов). Но, в любом случае, такой экран будет отображать гораздо более реалистичную картинку. Заметьте, не более насыщенную, а именно реалистичную.

И вот теперь, когда экран способен отобразить больше цветов, нам, соответственно, нужна и большая глубина цвета. Привычных 8 бит уже не будет достаточно. Чтобы это лучше представить, вернемся на секунду к примеру с красным цветом:

Теперь нам нужно отображать не этот диапазон цветов, а уже более широкий:

И чем шире будет цветовое пространство экрана (чем больше цветов он способен отобразить), тем больше нужно бит для передачи всех оттенков с плавным переходом от одного к другому.

То есть, можно сделать такой вывод: цветовое пространство (охват) говорит о том, какое количество цветов способен отобразить экран, а битность (глубина) цвета показывает количество градаций между этими цветами и влияет на плавность перехода одного цвета в другой.

Второе требование HDR: стандарт HDR (HDR10/HDR10+/Dolby Vision) использует цветовое пространство Rec.2020.

Проблема заключается лишь в том, что на текущий момент не существует в природе смартфона, экран которого поддерживал бы такое же цветовое пространство (Rec.2020). Самые дорогие смартфоны (iPhone 11 Pro Max, Samsung Galaxy S20 Ultra и прочие флагманы) в лучшем случае поддерживают чуть больше цветов, чем входит в пространство DCI-P3.

Для примера, экран Samsung Galaxy Note10 покрывает около 113% пространства DCI-P3.

Теперь подведем небольшие итоги. Как я уже сказал в самом начале, HDR — это стандарт, позволяющий отображать видео с высокой битностью, широким цветовым охватом и расширенным динамическим диапазоном. К этому моменту два первых пункта уже должны быть понятны (битность и цветовой охват). Осталось лишь разобраться с динамическим диапазоном.

У кого-то, возможно, уже возник вопрос — так что же делать с тем фактом, что на рынке нет смартфонов, поддерживающих цветовое пространство Rec.2020, как тогда они отображают HDR-видео? На самом деле, на рынке нет и смартфонов с настоящим 10-битным экраном. Более того, сейчас мы поговорим о динамическом диапазоне и выясним, что самый лучший экран совершенно не соответствует и третьему требованию.

Значит ли все это, что никакого HDR на смартфонах в действительности нет? Об этом поговорим чуть ниже.

HDR-видео и широкий динамический диапазон

Динамический диапазон — это разница между самым темным и самым ярким пикселем. Широкий динамический диапазон означает то, что экран способен показать в одном кадре как очень яркие объекты, так и темные. Причем, везде должны быть видны детали, а не просто белые и черные пятна.

Вот, для примера кадр из фильма с очень низким динамическим диапазоном (кадр специально испорчен для демонстрации эффекта):

Как видим, на рубашках и на фоне неба нет никаких деталей — просто белые пятна. Также здесь наблюдается проблема с отображением деталей в тенях — на штанах и костюме снова пятна, только уже черного цвета.

Если бы экран имел более высокий динамический диапазон, этот кадр выглядел бы совершенно по-другому:

Теперь здесь появились все детали на тех участках, где были лишь белые и черные пятна, да и в целом картинка смотрится более естественно и приятно.

Так вот, способность отображать очень яркие и контрастные цвета зависит от максимальной яркости дисплея нашего устройства. Чем выше яркость — тем более широкий динамический диапазон поддерживается.

С черным цветом проблем на AMOLED-экранах нет, так как на минимальной яркости пиксель просто отключается и мы имеем максимально глубокий черный цвет. А вот с максимальной яркостью все не так просто.

Яркость измеряется в канделах или точнее канделах на квадратный метр (от лат. candela — свеча). То есть, сила света, излучаемая одной свечой, равняется 1 канделе (кд). Также иногда применяется другая единица измерения под названием нит (сокращенно нт). Это ровно то же, что и кд/м² только называется по-другому. Соответственно, 1 нт = 1 кд/м².

Яркость экрана каждого смартфона отличается. К примеру, максимальная яркость дисплея Samsung Galaxy A51 равняется около 400 нит (в автоматическом режиме на солнце может доходить до 636 нит), у Redmi Note 8 Pro — 460 нит или 640 нит в авто-режиме на ярком солнце).

Но дорогие флагманские модели имеют дисплеи еще ярче. Причем, они способны выдавать пиковую яркость в режиме HDR, не доступную при обычном использовании. Для iPhone 11 Pro пиковая яркость в HDR доходит до 1300 нит, а для Galaxy S20 — 1342 нит!

Однако не следует обольщаться такими высокими значениями. Дело в том, что в AMOLED-экранах каждый пиксель сам излучает свет, когда на него подается напряжение. Чтобы отобразить белую картинку, каждый пиксель, состоящий из 3 субпикселей (красного, зеленого и синего), должен ярко светиться. Если мы хотим отобразить черную картинку, все пиксели должны быть выключены.

Учитывая то, что потребляемая дисплеем максимальная мощность ограничена, можно выделить больше мощности на подсветку конкретного пикселя, отключив другие. Соответственно, пиковая яркость HDR-дисплеев перечисленных смартфонов достигается только при отображении небольшого участка изображения (не более 10-20% экрана) на короткий отрезок времени.

Скажем, можно отобразить звезды на ночном небе с очень высокой яркостью (до 1300 нит) или вспышку света. И этого достаточно для HDR, но при обычном использовании такая яркость недостижима физически.

Поэтому, при выборе смартфона, если вы хотите насладиться HDR-контентом, обязательно следует обращать внимание на пиковую яркость в режиме HDR. Многие производители предоставляют такие данные о своих смартфонах.

Третье требование HDR: при мастеринге HDR-контента используются значения яркости от 1000 нит (HDR10) до 4000 нит (HDR10+ и Dolby Vision), причем, Dolby Vision поддерживает пиковую яркость до 10000 нит.

Говоря о яркости, стоит еще указать очень важное отличие обычного видео от HDR-контента.

Что с яркостью HDR-видео!? Или о том, как правильно смотреть HDR-контент

Дело в том, что в обычном видео сигнал интерпретируется в относительных значениях. Например, яркость взрыва нужно отображать на 90% от максимальной яркости экрана, а яркость звезд на ночном небе — на 10% от максимальной.

В принципе, когда-то с этим не было никаких проблем, так как за максимальное значение бралось 100 нит и производитель примерно понимал, как будет выглядеть картинка на любом экране.

Но затем технологии ушли далеко вперед и те самые 10% от максимальной яркости на экране с яркостью 600 нит выглядели уже совершенно не так, как планировалось.

Можно в качестве аналогии привести пример с транспортом. Будете ли вы испытывать одни и те же ощущения при езде со скоростью 90% от максимальной на автобусе и спортивном автомобиле? Конечно нет, так как максимальная скорость спорткара и автобуса совершенно разная. То же и с яркостью видео.

В HDR применяется совсем другая концепция. Здесь производитель работает не с относительными значениями, а прямо устанавливает яркость в нитах. К примеру, вместо яркости свечи на 1% от максимальной, производитель устанавливает яркость 1 нит. И каким бы ярким ни был экран вашего смартфона, сцена, в которой горит свеча, будет всегда иметь яркость 1 нит.

Если мы берем 10-битный цвет (то есть, каждый цвет имеет 1024 значения яркости), тогда в случае с HDR число 100 будет означать не 10% от максимальной яркости, а конкретное значение, скажем, 0.3 нита. Число 300 будет уже означать 9 нит, а 500 — 82 нита. И так до последнего значения, где 1024 будет означать максимальную яркость = 1000 нит (или 4000 нит, в зависимости от стандарта HDR).

Вы, возможно, обратили внимание на то, что числа как-то нелинейно распределяют яркость. По логике, если число 1024 означает максимальную яркость (1000 нит), тогда число 300 должно соответствовать 300 нитам, но в реальности соответствует только 9 нитам. Действительно, около 50% от 10-бит используется для кодирования первых 100 нит яркости, а вторая половина — для остальных 900 нит. Связано это с особенностью нашего зрения. Мы гораздо лучше различаем оттенки именно на нижней границе восприятия. Поэтому для лучшей детализации изображения более 50% всех бит используется для кодирования первых 10% яркости (от нуля до 100 нит).

А для того, чтобы зритель ничего не испортил, при воспроизведении HDR-контента, смартфон включает максимальную яркость и блокирует ее ручное изменение. То есть, вы не сможете сдвинуть с места привычный ползунок яркости в шторке уведомлений.

Поэтому, для максимально реалистичного изображения желательно вообще перед просмотром видео отключать автояркость и устанавливать яркость экрана на 100%.

А теперь еще один важный момент. Возвращаясь к нашей вымышленной сцене со свечой, которая светится с яркостью 1 нит, скажите, сможете ли вы увидеть хоть что-то на экране, если будете смотреть видео в ярко освещенной комнате?

Посмотрите на два квадрата одного и того же цвета:

Нам кажется, что квадрат слева более яркий и светлый, нежели квадрат справа. В реальности это один и тот же цвет, просто отличается фон, на котором эти квадраты расположены. Если убрать этот градиент, чтобы фон остался белым, разницы уже никакой не будет:

Или вот еще лучший пример, где клетки A и B — одного цвета:

То же происходит и с видео. Если смотреть на экран при максимальной яркости в полной темноте, этот свет будет просто «выжигать» глаза. Но если посмотреть на тот же экран с такой же яркостью, но уже при свете дня (или еще лучше — на ярком солнце), тогда мы не ощутим никакого дискомфорта, более того, нам захочется сделать экран даже поярче.

Так вот, по задумке производителя, все HDR-видео нужно смотреть практически в полной темноте. То есть, яркость на момент производства выставляется с расчетом на отсутствие окружающего света.

Именно по этой причине многие пользователи жалуются на низкую яркость HDR-контента.

Так может ли мой смартфон воспроизводить HDR-видео?

Как мы уже разобрались, на рынке нет ни одного смартфона, который бы:

• Поддерживал цветовой охват Rec.2020
• Имел настоящий 10-битный экран
• Поддерживал пиковую яркость 4000 нит и выше

Более того, есть смартфоны с поддержкой HDR, у которых пиковая яркость не превышает 500-600 нит! И, тем не менее, все они гордо заявляют о поддержке HDR, HDR10+ или даже Dolby Vision.

Прежде всего, некоторые смартфоны, все же, способны достаточно точно воспроизводить HDR-контент, особенно в формате HDR10, который ориентируется на максимальную яркость = 1000 нит.

Но что делать, если на видео в формате Dolby Vision присутствуют сцены с яркостью 2000 нит и выше? Нужно как-то поместить в диапазон яркости смартфона 1-1000 нит те детали, что видны на видео при яркости в 2000 нит. Это как попытаться перелить жидкость из 3-литровой банки в литровую, не потеряв при этом ни капли.

На первый взгляд задача кажется невыполнимой, но на помощь приходит математика и алгоритмы, в частности, тональная компрессия. Именно этот алгоритм пытается преобразовать яркость сигнала в то, что может быть отображено конкретным экраном.

В общих чертах работает это следующим образом. Вместе с каждым HDR-видео обязательно идут «в комплекте» метаданные. Это как информация о дате и месте съемки на ваших фотографиях. Только в случае с HDR-видео в метаданных находится гораздо больше полезной информации.

В частности, когда видео готово, в метаданные прописывается максимальная яркость и средняя яркость кадра. Когда смартфон открывает определенное видео, он сразу же считывает метаданные, чтобы понять, хватает ли его возможностей для отображения контента. И если, к примеру, видео было сделано с максимальной яркостью 1000 нит, а открывается оно на iPhone 11 Pro (с пиковой яркостью ~1300 нит), тогда никакой тональной компрессии делать не нужно и мы получим максимально приближенную к оригиналу картинку.

Конечно, нужно еще решить проблему с 10-битами и широким цветовым охватом, но в плане динамического диапазона никаких проблем не будет.

Если же телефон встречает видео с максимальной яркостью в 4000 нит, включается тональная компрессия, которая частично понижает яркость и пытается восстановить некоторые детали в светлых участках. Но, при этом, качество картинки будет уже заметно ниже (потери деталей в тенях и даже частичное искажение цвета).

Но согласитесь, было бы глупо применять тональную компрессию ко всему видео, если только одна сцена содержит очень яркую вспышку света на 4000 нит. Из-за этой сцены портить качество всего фильма крайне неразумно. Но, именно так и происходит, если метаданные у нас статические. То есть, они просто отображают «среднюю температуру по больнице».

Для этого придумали динамические метаданные. В таких метаданных отображается не максимальная яркость фильма, а максимальная яркости каждой конкретной сцены или даже каждого кадра! Например, если на видео, которое было сделано с максимальной яркостью 4000 нит, идет сцена в темном помещении, освещенном свечой, метаданные сообщают о том, что с этой секунды максимальная яркость не превышает 2-5 нит. Соответственно, никакой тональной компрессии делать не нужно и можно отображать больше деталей в тенях.

Однако, к сожалению, не все HDR стандарты поддерживают динамические метаданные.

В чем разница между HDR, HDR10, HDR10+ и Dolby Vision?

Прежде, чем вы посмотрите таблицу с перечнем «характеристик» каждого стандарта, важно знать следующее. Если вы встречаете устройство с поддержкой HDR (без дополнительных цифр), это значит, что речь идет об HDR10. То есть, любой смартфон с поддержкой HDR — это смартфон с поддержкой HDR10.

То же касается и любого видео. Если не указано, что видео поддерживает HDR10+ или Dolby Vision, значит, оно создано в формате HDR10. Другими словами, HDR10 — это базовый набор рекомендаций, который используется всегда, если не указано обратное. Поэтому сравнивать нужно HDR10, HDR10+ и Dolby Vision.

На самом деле, существует больше стандартов, но на смартфонах они не встречаются.

HDR10+ это стандарт от компании Samsung, разработанный совместно с Panasonic и 20th Century Fox.

Dolby Vision — более продвинутый стандарт от компании Dolby. В отличие от HDR10 и HDR10+ этот стандарт требует лицензирования, то есть, компании, желающие добавить его поддержку в свои смартфоны, должны платить лицензионные отчисления компании Dolby. На сегодняшний день, только смартфоны Apple поддерживают Dolby Vision.

HDR10+ поначалу встречался только на флагманах Samsung, начиная с Galaxy S10+. Но сейчас к этому стандарту подключились Xiaomi, OPPO, OnePlus, Realme и Vivo.

Во всех остальных аппаратах используется HDR10. Но, так как это даже не совсем стандарт, а, скорее, набор рекомендаций, HDR10-видео могут выглядеть по-разному на многих устройствах.

Основные отличия HDR10, HDR10+ и Dolby Vision перечислены в таблице ниже:

Как видим, главным преимуществом HDR10+ перед HDR10 является поддержка динамических метаданных. То есть, видео с HDR10+ будет выглядеть заметно лучше на устройствах, максимальная яркость которых не отвечает заявленным требованиям.

Кроме того, видео в HDR интересны еще и тем, что они имеют отличный запас на будущее. Чем более качественные экраны будут появляться в будущем, тем более красочно и реалистично будут выглядеть «старые» фильмы. К примеру, уже сегодня выпускаются фильмы с поддержкой пиковой яркости до 4000 нит и, естественно, 10-битным цветом + широчайшим цветовым охватом. Это видео будет выглядеть совершенно по-другому на будущих смартфонах.

Где же брать контент в формате HDR?

Многие стриминговые сервисы поддерживают HDR-видео. То есть, для оценки HDR можно смело воспользоваться одним из следующих сервисов: ivi, Okko, Megogo или Netflix. Практически все они предоставляют бесплатный тестовый период.

Что касается Dolby Vision, пока только один Netflix поддерживает этот стандарт. К слову, мы уже выпускали подробный обзор этого сервиса.