InicioDivulgaciónUHD, mucho más que 4K (III). El HDR y los Estándares.

UHD, mucho más que 4K (III). El HDR y los Estándares.

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Cuando hablamos de Ultra Alta definición, o UHD, tendemos a quedarnos sólo con el aumento de definición que esto supone. Pero UHD no es sólo más píxeles, es mejores píxeles. En esta serie de artículos TM Broadcast ahondará en lo que realmente significa UHD y los aspectos más importantes de esta nueva tecnología. En esta última entrega abordamos el tema estrella del UHD, el HDR, y la amalgama de estándares que todo esto nos arroja.

 

Texto: Yeray Alfageme, Business Technology Manager en Olympic Channel

HDR es el acrónimo de High Dynamic Range, Alto Rango Dinámico. El rango dinámico de una imagen es la diferencia entre la parte más oscura de la escena y la parte más brillante de la misma. El rango dinámico se mide en pasos de diafragma, stops, dándonos una idea de la diferencia existente en la imagen entre lo más oscuro y lo más brillante. El ojo humano dispone de un rango dinámico de 14 stops, lo cual hace que podamos ver una gran amplitud de luminosidades en la misma escena. Además, la adaptabilidad del ojo humano es muy amplia y rápida entre escenas que queden fuera de esos 14 stops.

 

Hasta ahora, dentro del estándar BT.709 el rango dinámico abarcaba 6 stops, algo realmente limitado en comparación con nuestros ojos. Esto era debido a las limitaciones existentes en el momento de la definición del estándar, las cuales llevaron a definir un rango dinámico limitado. De hecho, más allá de la colorimetría o la definición, es quizá el rango dinámico la parte más limitante de los equipos técnicos a la hora de capturar y reproducir imágenes.

 

Sin embargo, los nuevos estándares HDR que luego veremos llegan a darnos una capacidad de hasta 17 stops, más allá de la capacidad visual humana. Esto no quiere decir que los equipos disponibles sean capaces de trabajar con un rango dinámico tan amplio, pero en previsión de que esto ocurra en un futuro los estándares ya cubren capacidades futuras del equipamiento.

 

Para delimitar cuanto debemos aumentar el rango dinámico de una imagen y que este aumento sea perceptible se definió el límite Barten o la rampa de Barten (Gráfico 1).

 

Este gráfico enfrenta la luminosidad presente en una imagen respecto a los saltos de contraste necesarios para que dicha diferencia de luminosidad sea visible. A más contraste más fácil es distinguir entre las diferencias de luminosidad en la escena. Sin embargo, existe un límite por encima del cual el aumento de contraste no aporta ningún cambio en la percepción visual y esto se da en luminancias altas de la imagen.

 

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Gráfico 1

Gráfico 1

 

Por debajo de la rampa Barten, aumentar el contraste implica un cambio visual de luminancia mientras que por encima de esta rampa aportar más contraste no implica que podamos apreciar un cambio en la luminancia.

 

Otra herramienta que nos permite explicar la importancia del rango dinámico en la imagen es el hecho de que la luz captada por la cámara no es representada de la misma manera en la pantalla posteriormente. Para definir cómo la imagen se capta o representa tanto en el extremo de la cámara como en el de la pantalla al final de la cadena hablamos de la EOTF, Electro-Optical Transfer Function, o función de transferencia electroóptica. Es decir, cómo pasamos de la imagen óptica presente en la escena a la señal electrónica en el caso de la cámara, y viceversa en el caso de la pantalla.

 

Debido a esta diferencia no lineal a la hora de capturar y representar la imagen se definieron las curvas Gamma, que definen la diferencia en luminosidad entre la captura y la representación de la imagen.

 

Si consideramos toda la cadena, es decir, desde la cámara hasta la pantalla final, esto se define como OOTF, Opto-Optic Transfer Function, función de transferencia óptica-óptica, y el objetivo es que la escena reproducida en la pantalla sea lo más fiel posible a la capturada por la cámara originalmente.

 

Después de introducir todos estos conceptos teóricos vayamos a ponerlos en práctica estudiando los diferentes estándares que aparecieron con el objetivo de ampliar el rango dinámico y aproximarse lo máximo posible, pero sin pasarse, a la rampa Barten.

 

Y como suele ocurrir originalmente cada fabricante o institución se lanzó a proponer su propio estándar.

  • SMPTE 2084 (PQ – Dolby Vision).
  • SMPTE 2086.
  • SMPTE 2094.
  • ITU-R BT2100 (HLG – Hybrid Log Gamma).
  • Sony S-Log 3.
  • HDR 10.
  • Technicolor HDR.

 

Como se puede apreciar abordar todos estos estándares seria inmanejable y es por ello que tan solo ahondaremos en los cuatro más influyentes en la industria.

  • SMPTE 2084 (PQ – Dolby Vision).
  • ITU-R BT2100 (HLG – Hybrid Log Gamma).
  • Sony S-Log 3.
  • HDR 10.
  • SMPTE 2084 (PQ – Dolby Vision).

 

Gráfico 2

Gráfico 2

 

Los laboratorios Dolby han definido su propia curva Gamma para representar imágenes HDR con la consideración de que debe controlarse toda la cadena de transmisión para que ello sea efectivo. Es decir, tanto la cámara como la pantalla tienen que ser capaces de representar y de transformar la imagen electrónica en óptica mediante la curva PQ que el estándar define. En concreto establece una referencia de luminosidad absoluta en referencia a la pantalla final en la que se va a definir, algo poco realista en entornos de consumo, pero sin embargo muy factible en entornos cinematográficos en los que el método de representación de la imagen está perfectamente controlado en las salas de cine (Gráfico 2).

 

Con un límite superior de 10.000 nits, altísimo, se trata de uno de los estándares más completos y que mayor calidad de imagen que arroja.

 

Como vemos en el esquema (Gráfico 3) la curva se aplica a la hora de la captura, OOTF, y se adapta en la captura a su transmisión eléctrica, Inverse EOTF, aplicando solo la conversión electroóptica, EOTF, en la reproducción de la misma. Es decir, la complejidad reside en la captura mientras que se estandariza la visualización asumiendo que todas las pantallas representaran la imagen de la misma manera.

 

Gráfico 3

Gráfico 3

 

ITU-R BT2100 (HLG Hybrid Log Gamma)

El HLG surge de la colaboración en el desarrollo de estándares HDR por parte de BBC y NHK, los cuales siempre son punteros en nuevos estándares y desarrollos. Un cambio fundamental respecto a la curva PQ de Dolby es que HLG define una luminosidad relativa que tiene en cuenta la luminosidad máxima de la escena y no un valor absoluto de la misma. Lo bueno de esta definición relativa es que el estándar HLG soporta un gran rango de cámaras y pantallas en las que se puede representar, o pueden ser adaptadas para representar imágenes HDR bajo el estándar HLG.

 

Una de las grandes ventajas de HLG es que es retro-compatible con sistemas SDR, Standard Dynamic Range. Lo que implica es que una señal HDR-HLG puede ser representada sin ser tratada en sistemas SDR tradicionales. Esto es muy importante a la hora de realizar nuestra producción HDR ya que en otro estándar nos obligaría a producir dos señales diferentes, una SDR y otra HDR, con las complicaciones que esto implica.

 

Esto es debido a que, a diferencia del PQ, el HLG tan solo necesita una señal de 10 bits para representar imágenes HDR mientras que PQ necesita 12 bits. Esto es debido a que PQ es capaz de representar un mayor rango dinámico sacrificando retro-compatibilidad a favor de una mejor imagen, sin embargo, en ocasiones, esto no es lo primordial y muchos broadcasters ven mucho más interesante el HLG, debido a su retro-compatibilidad y facilidad de implementación, que el PQ, aunque este último permite una mejor calidad de imagen.

 

En este caso (Gráfico 4) tan solo la parte final de la pantalla es la que se adapta a la señal HDR mientras que el resto de la cadena permanece intacta.

 

Gráfico 4

Gráfico 4

 

Sony S-Log 3

Sony introdujo su estándar S-Log 3 en todos sus sistemas HDR por defecto aportando una estandarización parcial entre todos sus productos y los compatibles con S-Log 3, sin embargo, no se trata de un estándar ITU ni SMPTE sino propietario de Sony, frenando en gran medida su implementación en sus competidores.

 

Sin embargo, ha conseguido cierta implementación y Sony ha implementado incluso conversores de S-Log 3, otros estándares como HLG, permitiendo adoptar este estándar y poder emitir en otro más compatible y estandarizado. S-Log 3 solo utiliza una señal de 10 bits. Sin embargo, dispone de un mayor rango dinámico que HLG, siendo un buen balance entre PQ y HLG.

 

HDR 10

Fabricantes como Samsung, LG e incluso Sony se unieron ya que querían implementar una plataforma más abierta que el PQ de Dolby, probablemente para evitar pagar los altos royalties que Dolby impone en su Dolby Vision. Por ello crearon en 2015 la Consumer Technology Association y nació HDR 10.

 

Está basado en SMPTE ST 2084 EOTF (PQ) y tiene especificaciones similares en cuanto a colorimetría y luminancia, pero en señales de tan solo 10 bits, y la principal diferencia entre HDR y Dolby Vision reside en la manera en la que la imagen es tratada en la parte final de representación en pantalla.

 

Como se ve en el Cuadro 1 entraron diferentes fabricantes e incluso estudios de Hollywood entraron en la guerra de establecer uno de estos dos estándares como predominante respecto a otro, y la guerra ahí sigue. Esto implica tan solo a la parte cinematográfica de la industria mientras que la parte televisiva y de retransmisiones se decanta claramente por el HLG.

 

Los estándares

Después de hablar de HDR, alto rango dinámico, HFR, alta velocidad de fotogramas, WCG, rango de color ampliado y resolución, queda aunar todos estos conceptos en los diferentes estándares.

 

Vamos a comparar (Cuadro 2) el anterior BT.709 con BT.2020 y BT.2100, los cuales implementan tanto nuevas definiciones como WCG y HDR dentro de ellos.

 

El BT.709 tan solo contemplaba resolución HD y métodos de escaneo tanto entrelazados como progresivos, manteniendo un rango de color y dinámicos estándar. Pueden usarse señales de 8 y 10 bits dependiendo del número de imágenes representadas por segundo y si se trata de imágenes progresivas o entrelazadas.

 

El BT.2020 contempla hasta resoluciones 8K, sin embargo, no contempla que sea retrocompatible con HD. Descarta señales entrelazadas e implementa el espacio de color BT.2020 no aportando capacidad HDR. Sin embargo, debido a que contempla aumentar el número de imágenes por segundo hasta las 120, lo cual entra ya dentro del HFR, High Frame Rate, obliga a soportar señales de 10 y 12 bits.

 

Por último, el estándar BT.2100 se trata del más amplio. Incluye todos los conceptos estudiados durante las tres entregas de esta serie sobre UHD. Definiciones entre HD y 8K, velocidad de fotogramas desde 24 a 120 imágenes por segundo tan solo en escaneo progresivo, WCG mediante el estándar BT.2020, HDR tanto en curvas HLG como PQ y señales de 10 y 12 bits lo hacen como el estándar definitivo. Se prevé que se implemente en la industria, al menos televisiva, ya que en la cinematográfica las cosas pueden ser diferentes.

 

Desde TM Broadcast esperamos que estas tres entregas ahondando de una manera compresiva en el mundo del UHD hayan aportado algo de luz a una tecnología que no es futura sino presente, pero que sin duda contempla grandes retos para la industria y los profesionales que trabajamos en ella.

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