Каждый, кто хоть немного интересовался современными телевизорами, по всей вероятности, встречался с аббревиатурой HDR. В маркетинговых сообщениях «HDR TV» – это устройство, которое позволит вам увидеть прекрасную и чрезвычайно естественную картинку. Всё замечательно, но что конкретно представляет собой этот HDR? Мы объясним не только это, но и какие преимущества HDR даёт зрителю.
HDR – это аббревиатура от англоязычного термина High Dynamic Range, что можно перевести как «широкий динамический диапазон». Этот термин относится к относительно новому – доступно в течение нескольких лет – способу представления изображения на различных дисплеях и чаще всего относится к телевизорам, но также касается мониторов или контента.
Главная задача HDR – это представление изображения как можно ближе к тому, как воспринимает окружающую среду человеческий глаз. Однако, это не так просто, как может показаться.
Содержание
HDR – что это такое
В очень большом упрощении, HDR – это способ воспроизведения изображения, которое будет ближе к тому, как мы воспринимаем окружающий мир через зрение. В ходе эволюции наши глаза стали очень чувствительным органом, реагирующим на свет. С одной стороны, видеть звезды в безлунную ночь для нас не проблема, с другой – мы можем смотреть на небо при ярком солнце без каких-либо препятствий (но, напомним, что смотреть прямо на солнце нельзя).
Ещё не так давно – в первом десятилетии XXI века – видео или любые другие материалы HDR практически не были доступны, тем не менее стоит указать, что первый кадр HDR, зарегистрированный видеокамерой, был представлен уже в 1990 году Жоржем Корнуэйольсом.
В любом случае, в начале XXI века все телевизоры показывали изображение с гораздо более узким динамическим диапазоном тонов, в результате чего многие сцены не были представлены так, как это задумывали создатели фильмов. В сцене, в которой в одном кадре были очень светлые участки (например небо в солнечный день) и очень темные (например, вход в пещеру) не было способа демонстрации кадра на домашнем телевизоре, чтобы можно было увидеть все детали сцены. Разрешение изображения здесь ни при чем – речь идёт о яркости и цветах, а также об их диапазоне, то есть диапазоне тонов кадра.
Ситуацию изменила технология HDR, благодаря которой изображение на экране характеризуется значительно более высокой динамикой тонов. Изображение с расширенным динамическим диапазоном отличается очень большим шагом между темными и светлыми областями, в которых зритель не в состоянии распознать важные детали кадра (в недоэкспонированных областей ничего не видно, в переэкспонированных – белое пятно).
Изображение HDR характеризуется, кроме того, точным отображением всех полутонов в кадре. Цель технологии HDR очевидна – повышение реальности текущей сцены на экране современного телевизора. В сочетании с доступным сегодня очень высоким разрешением 4K, HDR позволяет получить очень высокое качество изображения, которое ещё несколько лет назад было вне досягаемости даже самых дорогих телевизоров. В результате мы можем наблюдать естественные восходы и закаты солнца или световые эффекты идентичные тем, которые мы видим каждый день в доме или на улице.
Основные типы технологии HDR
В настоящее время функционируют четыре – в значительной степени совместимых друг с другом – стандарта HDR-изображения: HDR10, HDR10+, Dolby Vision и HLG. И ничего больше – если вы увидите где-то надпись «HDR1000» или «DisplayHDR 600», это не имеет ничего общего со спецификацией HDR. Для нас, потребителей, наиболее важными являются эти четыре стандарты.
Чем они отличаются?
- HDR10 – базовый стандарт изображения HDR с 10-битной обработкой цвета. В этом стандарте кодирования метаданных о динамике тонов, одно и то же содержание (видео) хранит усредненные метаданные (статические) о расширенной динамике для всего зарегистрированного в HDR материала. Стандартный, самый распространенный, но – с точки зрения возможностей и качества изображения – это самый слабый вариант.
- HDR10+ – обновленная форма стандарта HDR10. Кодирование изображения по-прежнему 10-битное, но главное отличие заключается в том, что метаданные об изображении закодированы динамически, а не статически, благодаря чему телевизор интерпретирует их в процессе просмотра фильма, отображая расширенную динамику тонов с разными характеристиками, в зависимости от сцены.
- Dolby Vision – самый совершенный с точки зрения возможностей стандарт качества изображения HDR; в этом случае мы получаем не только динамически кодированные метаданные независимо для каждой отображаемой сцены, но, кроме того, обработка данных осуществляется по 12 битам, благодаря чему телевизор может получить больше данных о тональном диапазоне сцены и лучше представить окончательную картинку на экране.
- HLG – сокращение от Hybrid Log Gamma – этот стандарт был создан, в первую очередь, для телевизионного контента, транслируемого в прямом эфире.
HDR – какое нужно оборудование
Если, в первую очередь, мы заботимся о качестве HDR-фильмов и имеем доступ к контенту, закодированному с использованием стандарта Dolby Vision, лучше всего выбрать телевизор с поддержкой Dolby Vision. В недавнем «слепом» тесте, проведенном в рамках мероприятия HDTVTest TV Shootout 2019, организованного в Великобритании, во главе со всемирно известным телевизионным экспертом Винсентом Тео, победителем стал телевизор LG OLED C9, набравший максимальное количество баллов.
Стоит отметить, что в соответствии с принципами слепого теста – оценщики изображение не имели понятия, какие модели телевизора в данный момент оценивают. На втором месте находится модель Panasonic OLED GZ2000. Это также отличное оборудование, но. в два раза дороже указанной модели LG OLED C9. Следовательно, именно C9 (а также модель-близнец LG OLED E9) на сегодняшний день – самый лучший выбор телевизора (и оправдан экономически), способного отображать контент HDR.
Современное искусство фотографии заключается не только в том, чтобы удачно запечатлеть красоту момента либо захватить объект в наилучшем ракурсе. Сегодня многие фотографы стремятся улучшить свои фото путем пропускания их через различные фильтры, а также добавления специальных эффектов. Об одном из таких эффектов и пойдёт сегодня речь. Называется он High Dynamic Range (сокращённо HDR) или высокий динамический диапазон.
Немного о технологии
О технологии HDR слышали многие владельцы цифровых камер, но далеко не все из них понимают, как она работает. Так что же это такое HDR? Глаз человека поистине является чудом техники. В отличие от фотокамер, он легко приспосабливается к изменению освещения до 24 ступеней экспозиции, благодаря чему мы можем одинаково хорошо различать мелкие детали и на тёмном, и на светлом фоне. Динамический диапазон большинства цифровых камер значительно ниже, им трудно приспосабливаться к свету, поэтому они хорошо фиксируют только участки с определённым уровнем освещённости.
Так, если у нас получается хорошо запечатлеть тёмное здание на фоне светлого неба, последнее нередко превращается в размытое белёсое пятно и наоборот, если хорошо выходит светлое небо, теряется детализация тёмного здания, а сам участок фото, на котором оно располагается, оказывается зашумленным. Эти огрехи особенно хорошо видны на фотографиях, сделанных несовершенными камерами мобильных телефонов. На устранение этого недостатка как раз и направлена технология HDR. При использовании режима HDR камера делает серию снимков с разной выдержкой и экспозицией, при этом автофокус в процессе съемки поочерёдно концентрируется на участках с разным уровнем освещённости и удалённости от объектива.
Создав несколько кадров, камера затем соединяет их программным методом в одно насыщенное и детализированное в тёмных и светлых участках изображение. Это ключевое отличие HDR-снимков от обычных фотографий. Насколько качественным будет полученное изображение, зависит от используемого алгоритма. Менее качественными получаются фото, в которых снимки просто накладываются друг на друга и слегка растушёвываются. Для получения HDR-фотографий более высокого качества дополнительно анализируются различные участки кадров с целью выявления наиболее удачных.
Режим HDR в камере телефона и фотоаппарата
При работе с камерой существует два способа создания фото с расширенным динамическим диапазоном. Первый является более сложным, длительным и используется в основном при съёмке профессиональными цифровыми фотокамерами. Суть его заключается в следующем. Фотограф делает от трёх до пяти снимков в режиме Bracketing, а затем склеивает полученные кадры на компьютере, используя Photomatix или другую аналогичную программу. Затем полученное изображение оптимизируется для корректного отображения на дисплеях.
Но есть и более простой способ получить HDR-фото. Многие современные фотокамеры, в том числе встроенные в телефоны, позволяют снимать HDR в автоматическом режиме. При этом камера делает всё за вас. Она сама выставляет нужную экспозицию, сама производит серийную съёмку, сама склеивает и обрабатывает полученные кадры. В фотокамерах Nikon, к примеру, включить опцию HDR можно в настройках Photo Shooting Menu – HDR – HDR mode – On.
По тому же принципу работает автоматический режим HDR в смартфоне. Встроенная камера телефона делает два или три кадра и тут же сохраняет их в единое JPEG-изображение. Как правило, HDR в камере телефона включается в её же настройках. В одних моделях девайсов опция располагается в подразделе эффектов, в других для её активации предусмотрена отдельная иконка рядом со вспышкой. Нередко в параметрах доступна возможность ручной настройки экспозиции.
Телевизоры с поддержкой HDR
Технологию HDR сегодня поддерживают не только фотокамеры, но и некоторые телевизоры с разрешением 4K, например, Vizio P50-C1, Sony XD8005 или Samsung KU7000. Картинка в таких телевизорах имеет более насыщенные цвета, тёмные участки выглядят ещё более тёмными, а светлые – ещё более светлыми, благодаря чему достигается большая детализация.
Однако, поддержка HDR в телевизоре это вовсе не то, что поддержка HDR в фотокамерах. Если в камерах эффект применяется в момент создания фото, то в ТВ – в момент показа картинки. Фактически это означает, что для получения эффекта HDR изначально должен поддерживать сам контент, которого сейчас пока что очень мало.
Что нужно знать, снимая HDR
Использование режима HDR оправдано при съемке пейзажей, одиночных объектов, а также для получения детализации в условиях недостаточного освещения. Во избежание сдвигов и, как следствие, несовпадений кадров при съёмке настоятельно рекомендуется использовать штатив. А вот для фотографирования движущихся объектов съёмка HDR не подходит, так как фото получатся размытыми.
Создавать HDR-фото предпочтительнее классическим способом с использованием ручных настроек и сторонних десктопных программ, в этом случае фото получается более качественным. При этом, если исходные снимки создавались в формате RAW, потребуется тоновая компрессия, в противном случае на мониторах компьютеров фото HDR будет выглядеть несколько неестественно.
Программы для создания изображений HDR
Важно понимать, что получить настоящие фотографии HDR можно только путем слияния и обработки нескольких кадров, отснятых с разной экспозицией, причём не имеет значения, будут ли фото создаваться вручную или в автоматическом режиме камерой устройства. Что же касается создания HDR-изображений из обычных файлов JPEG или даже RAW с помощью программ вроде Dynamic photo HDR или Photomatix Pro, то в данном случае речь может идти только о придании эффекта высокого динамического диапазона, но никак не о создании полноценного HDR.
Создать HDR-фото из 8-битных изображений, с которыми обычно приходится иметь дело в интернете, нельзя, равно как нельзя его создать путём осветления теней и затемнения светлых участков из одного RAW-файла. И в том, и в другом случае полученный файл будет являться псевдо HDR-изображением. Тем не менее, используя такие приложения как EasyHDR, Photomatix Pro, HDR Efex Pro, Adobe Photoshop, Dynamic photo HDR, Corel PaintShop Pro и им подобные, можно придать обычным изображениям подобие HDR, улучшить цветность, привнести в них эффект сюрреализма.
Содержание статьи
Что такое HDR
Для полного понимания принципа работы HDR+ придется для начала разобраться с обычным HDR.
Основная проблема всех камер смартфонов — маленький размер матрицы (а точнее — фотоячеек) и, как следствие, недостаточный охват динамического диапазона. Чтобы исправить этот недостаток, был разработан алгоритм HDR (High-Dynamic Range), принцип работы которого следующий: камера делает кадр со стандартным для данной сцены уровнем экспозиции, затем делает недоэкспонированный кадр, на котором будут четко видны лишь пересвеченные области изначального снимка, далее выполняется переэкспонированный снимок, на котором видны только затемненные детали изначального снимка, а все остальное пересвечено. Далее снимки накладываются друг на друга и объединяются при помощи специальных алгоритмов, качество которых зависит от производителя софта камеры. В результате получается снимок с хорошей проработкой деталей как в тенях, так и в более светлых местах.
Недостатки HDR очевидны: долгое время съемки приводит к тому, что попавшие в кадр движущиеся объекты будут двоиться, а даже небольшая тряска смажет картинку.
Что такое HDR+
Умные головы придумали алгоритм, лишенный недостатков HDR. Впрочем, общее с HDR у него одно лишь название.
HDR+ расшифровывается как High-Dynamic Range + Low Noise. Свою известность он получил за ряд выдающихся возможностей: алгоритм способен устранять шумы практически без потери детализации, повышать качество цветопередачи, что крайне важно при плохом освещении и по краям кадра, вместе с этим он сильно расширяет динамический диапазон фотографии. HDR+, в отличие от стандартного HDR, почти не боится тряски смартфона и движения в кадре.
Первым смартфоном с поддержкой HDR+ стал Nexus 5. Из-за не самого лучшего баланса белого и маленького отверстия диафрагмы (f2.4) камера этого смартфона считалась не более чем крепким середнячком. Все изменилось с выходом обновления Android 4.4.2. Именно оно принесло с собой поддержку режима HDR+ и изумительное качество ночных снимков. Они хоть и не отличались большой яркостью по всему полю кадра, но благодаря HDR+ практически не содержали шума при сохранении мелких деталей и обладали превосходной (для смартфонов 2013 года) передачей цветов.
Nexus 5 + HDR+
История создания HDR+
Как же компания, никогда не занимавшаяся камерами, создала алгоритм, который творит чудеса, используя обычные, по меркам флагманов, камеры Nexus и Pixel?
Все началось в 2011 году, когда Себастьян Трун (Sebastian Thrun), глава компании Google X (теперь уже просто X), подыскивал камеру для очков дополненной реальности Google Glass. Массогабаритные требования предъявлялись очень жесткие. Размер матрицы камеры должен был быть еще меньше, чем в смартфонах, что крайне плохо сказывалось бы на динамическом диапазоне и приводило бы к появлению множества шумов на фотографии.
Выход оставался один — попытаться улучшить фотографию программно, с помощью алгоритмов. Эту задачу должен был решить Марк Левой (Marc Levoy), преподаватель факультета информатики Стэнфордского университета, эксперт в области вычислительной фотографии. Он занимался технологией захвата и обработки изображений на базе программного обеспечения.
Марк сформировал команду, известную как Gcam, которая занялась изучением метода Image Fusion (сплавление изображений), основанного на объединении серии снимков в один кадр. Фотографии, обработанные при помощи этого метода, получались более яркими и резкими, имели малое количество шумов. В 2013 году технология дебютировала в Google Glass, а затем, в этом же году, переименованная в HDR+, появилась в Nexus 5.
Еще один ночной снимок с Nexus 5
Как работает HDR+
HDR+ — чрезвычайно сложная технология, детально разобрать которую в рамках данной статьи невозможно. Поэтому мы рассмотрим общий принцип работы, не останавливаясь на деталях.
Фундаментальный принцип
После нажатия кнопки спуска затвора камера захватывает серию недоэкспонированных (с короткой выдержкой) кадров (это нужно для сохранения максимального количества деталей на снимке). Количество кадров зависит от сложности условий освещения. Чем темнее сцена или чем больше деталей в тени нужно осветить, тем больше кадров выполняет смартфон.
Когда серия снимков будет сделана, она объединяется в один снимок. Тут выручает заниженная выдержка, благодаря которой каждая фотография в серии выглядит относительно четко. Из трех первых кадров выбирается самый приемлемый в плане как резкости, так и детализации для использования в качестве основы. Затем полученные снимки разделяются на фрагменты и система проверяет, можно ли совместить соседние фрагменты и как это сделать. Обнаружив лишние предметы в одном из фрагментов, алгоритм удаляет этот фрагмент и выбирает похожий с другого кадра. Полученные снимки обрабатываются с помощью специального алгоритма, основанного на методе удачных экспозиций (в основном он применяется в астрофотографии для уменьшения размытости изображений, вызванной мерцающей атмосферой Земли).
Далее в дело вступает сложная система подавления шумов, которая включает в себя как простой метод усреднения цвета пикселей на основе нескольких снимков, так и систему предсказания появления шумов. Алгоритм работает очень мягко на границах переходов тональностей, чтобы минимизировать потерю детализации, пусть даже и ценой наличия небольшого количества шума в таких местах. А вот на участках с равномерной текстурой «шумодав» выравнивает картинку вплоть до почти идеально равномерного тона с сохранением перехода оттенков.
Работа шумодава в сложных условиях. Слева до обработки, а справа — после
А как же расширение динамического диапазона? Как мы уже знаем, использование короткой выдержки избавляет нас от пересвеченных мест. Осталось только удалить шумы на темном участке ранее описанным алгоритмом.
На завершающем этапе выполняется постобработка полученного изображения: алгоритм делает минимизацию виньетирования, обусловленного попаданием света на матрицу под наклонным углом, корректирует хроматическую аберрацию заменой пикселей у высококонтрастных краев на соседние, увеличивает насыщенность зелени, синие и пурпурные оттенки смещает в сторону голубого, усиливает резкость (шарпинг) и выполняет ряд других шагов, повышающих качество фотографии.
Иллюстрация работы конвейерного алгоритма HDR+ из доклада разработчиков
Слева фотография из стоковой камеры Samsung в HDR, а справа фотография, созданная в Gcam в HDR+. Видно, что алгоритм принес в жертву детализацию неба для прорисовки объектов на земле.
Обновление HDR+ в Google Pixel
В Google Pixel алгоритм претерпел существенные изменения. Теперь смартфон начинает снимать сразу после запуска камеры и в зависимости от степени освещения делает от 15 до 30 кадров в секунду. Эта технология называется ZSL (Zero Shutting Lag) и была придумана для того, чтобы делать моментальные снимки. Но Pixel использует ее для работы HDR+: при нажатии на кнопку спуска смартфон выбирает от 2 до 10 кадров из буфера ZSL (в зависимости от условий освещения и наличия движущихся объектов). Затем из первых двух-трех кадров выбирается лучший, а остальные, как и в предыдущей версии алгоритма, слоями накладываются на основной.
Наряду с этим появилось разделение на два режима: HDR+ Auto и HDR+. Последний берет максимально большое количество снимков для создания итоговой фотографии. Она получается более сочной и яркой.
Продолжение доступно только участникам
Вариант 1. Присоединись к сообществу «Xakep.ru», чтобы читать все материалы на сайте
Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», увеличит личную накопительную скидку и позволит накапливать профессиональный рейтинг Xakep Score! Подробнее
