Luis Ochoa y Francisco Utray, 29 de marzo de 2016.

HDR: una nueva generación de pantallas

 

El objetivo de esta guía sobre ‘alto rango dinámico para video’ (High-Dynamic-Range, HDR), es presentar en un formato didáctico y divulgativo, el estado de la cuestión del HDR en este momento (marzo 2016) y el reto que supone la aparición de una nueva generación de pantallas y monitores con mayor capacidad de reproducción de la luminosidad de las imágenes.

En esta primera parte nos centramos en las características de las pantallas HDR y en la segunda entrega no acercamos a las funciones de transferencia (EOTF), la corrección de gamma y las normas técnicas que la industria está adoptando.

Las imágenes con alto rango dinámico tienen más detalle en las altas luces y en las sombras. Sus valores máximos de luminancia son más brillantes y los mínimos más oscuros. Con esta tecnología se persigue una nueva experiencia de usuario con una representación en pantalla más cercana a la visión directa de la realidad.

HDR está vinculado con la ‘Ultra Alta Definición’ (Ultra-High-Definition, Ultra HD o UHD). Los televisores 4K se están comercializando ya con buenas perspectivas, pero para que realmente se aprecie la diferencia entre Ultra HD y ‘Alta Definición’ (High-Definition, HD) es necesario que la resolución 4K vaya acompañada de un incremento del rango dinámico (HDR), un gamut de color más amplio (Wide-Color-Gamut, WCG) y de una profundidad de color (bit-depth) de al menos 10 bits. Sin embargo, los televisores 4K actuales son una primera generación híbrida, todavía anclada en las limitaciones de la norma de televisión de alta definición BT-709.

Para HDR existen distintos estándares y soluciones propietarias de empresas y aún no se sabe cuál será capaz de imponerse en el mercado.

• SMPTE publicó en 2014 la norma ST-2084, el primer estándar internacional de HDR.
• Por otra parte la BBC y la NHK han propuesto la ‘Hibryd Log Gamma’ (HLG) que ha sido publicada en 2015 como estándar por ARIB, la agencia japonesa de normalización (ARIB STD-B67).

La Unión Internacional de la las Telecomunicaciones (ITU) está evaluando estas dos propuestas para ver si definitivamente se opta por una de ellas, o lo más probable, por estandarizar las dos, ya que cubren necesidades distintas.

Las empresas del sector también están aportando sus soluciones propietarias intentando posicionarse en este nuevo mercado.

• Cabe destacar el sistema ‘Dolby-Visión’, pionero del HDR. Dolby has sido la primera empresa que ha ofrecido una solución completa que cubre toda la cadena de producción, distribución y exhibición con alto rango dinámico. El modelo de Dolby, “Dolby Perceptual Quantizer (PQ)”, está recogido en la norma SMPTE ST-2084.
• Otras empresas como Philips conjuntamente con Thomson (SMPTE 2015: 35) o la asociación Blu-ray Disc (2015) también han avanzado en este campo.

HDR es una tecnología para una nueva generación de monitores y pantallas con mayores prestaciones que las actuales y afecta a toda la cadena de producción y distribución de contenidos audiovisuales. Tiene implicaciones en las cámaras de cine y televisión, en la masterización de los contenidos, en las redes de distribución y finalmente a las pantallas donde se presentan las imágenes.

 

HDR en televisión y cine digital

HDR en televisión y cine digital es una tecnología que permite presentar imágenes con mayor latitud, un gamut de color más amplio y mayor contraste. El resultado es una representación visual más realista.

 

 

SMPTE (2015: 4) propone una definición para un sistema de alto rango dinámico como aquel que “está especificado y diseñado para capturar, procesar y reproducir una escena, cubriendo todo el rango perceptible de detalle en las sombras y las altas luces, con suficiente precisión y un nivel aceptable de artefactos, incluyendo una separación suficiente entre el blanco difuso y las altas luces especulares”.

Conviene no confundir la tecnología HDR con lo que en fotografía de imágenes fijas se llama también HDR. Una técnica por la cual se mezclan en una sola imagen, distintas exposiciones para conseguir más detalle en las sombras y las altas luces (Tone Mapping). El objetivo final es similar pero la técnica es completamente distinta para la televisión y el cine.

“Although it’s using rather different techniques, HDR video is often likened to HDR photography as their aims are similar: to capture and reproduce scenes with a greater dynamic range than traditional technology can, in order to offer a more true-to-life experience. With HDR, more detail is visible in images that would otherwise look either overexposed, showing too little detail in bright areas, or underexposed, showing too little detail in dark areas.” (Geutskens 2016)

Esta técnica de múltiples exposiciones para maximizar el rango dinámico también la implementó Red en sus cámaras de cine bajo el nombre de HDRx.

Pero el ecosistema del cine y la televisión es un escenario complejo que requiere una normalización técnica internacional (estandarización) para que los distintos actores de la industria -productores, distribuidores y fabricantes de pantallas- puedan interoperar.

La normalización técnica empieza por los equipos de recepción, es decir por los monitores profesionales, los televisores y los proyectores de cine. Una vez definido el estándar de los dispositivos de consumo, los fabricantes de cámaras y proveedores de contenido pueden preparar el material HDR y su distribución para una correcta recepción por parte del usuario final.

También conviene señalar que las condiciones de visionado de una sala de cine y de un televisor en un hogar son muy distintas. La sala oscura favorece la representación de las sombras, pero si se aumenta demasiado el brillo de las altas luces, surge un problema con la reflexión de luz en la sala -en las paredes, en el mobiliario y en los rostros de los espectadores- que afecta a la profundidad de los negros.

Hay dos parámetros clave que condicionan la producción en HDR: la función de transferencia Electro-Optical de las pantallas (EOTF) y el nivel máximo de brillo de las pantallas. Para adentrarnos en este asunto vamos a comenzar por la definición del ‘ratio de contraste’ de un monitor y las métricas que se utilizan en este campo.

 

Ratio de contraste de las pantallas

La unidad que se utiliza para medir el brillo de una pantalla es el ‘nit’, o lo que es lo mismo, la ‘candela por metro cuadrado’ (cd/m2). En nits se mide el nivel máximo de brillo, que se corresponde con el blanco puro, y el mínimo que representa el negro.

El ‘ratio de contraste’ es el valor que expresa la capacidad de una pantalla para la reproducción del contraste. Es la división entre el nivel máximo y mínimo de brillo que puede reproducir.

Por ejemplo un televisor cuya capacidad máxima de brillo es de 100 nits y la mínima de 0,1nits tiene un ratio de contraste de 100/0,1 es decir de 1000:1. Este es el estándar actual para los televisores HD. Si aumentamos el brillo máximo a 400 nits manteniendo el nivel de negro en 0,1 nits, obtendremos un ratio de contraste de 4000:1. Es decir se ha incrementado el ratio de contraste y por lo tanto el rango dinámico.

En proyección de cine digital los picos de brillo se sitúan en 48 nits (14 FtL) pero los niveles mínimos para los negros son inferiores alcanzándose un ratio de contraste de 2000:1.

 

Pantallas de alto rango dinámico

Como hemos señalado en la introducción, la mayoría de los televisores 4K que se están comercializando estos días en las grandes superficies cumplen los requisitos de resolución espacial de Ultra HD pero todavía funcionan con el rango dinámico y el espacio de color BT-709, es decir con las características convencionales de las pantallas de alta definición (HD).

En el siguiente gráfico podemos comparar la diferencia de capacidad de la visión humana con las pantallas convencionales y las nuevas de alto rango dinámico.

 

 

La visión humana tiene mucha capacidad para ajustarse a los distintos niveles de luminosidad de una escena porque dispone de unos mecanismos muy complejos y eficientes de micro-adaptación. Así que resulta muy difícil comparar el ojo humano con una cámara o una pantalla. Barten (2004) ha propuesto una ‘fórmula’ para evaluar la sensibilidad al contraste del ojo humano que indica una capacidad de percepción de un ratio de contraste de 10.000:1 que se corresponde con unos 15 f-stops de rango dinámico (Borer 2014: 1)[1].

Las cámaras de cine tradicionales para película fotoquímica y las nuevas cámaras digitales son perfectamente capaces de captar este rango dinámico. El problema está en las pantallas que han tenido hasta ahora una capacidad muy limitada de contraste y rango dinámico, aproximadamente entre 6 y 9 f-stops con un ratio de contraste de 1000:1.

Por lo tanto, el centro de atención actualmente está en la fabricación de una nueva generación de pantallas con mayores prestaciones para la representación del contraste.

La idea de producir pantallas de televisión HDR surgió hace unos cuatro años cuando los fabricantes empezaron a utilizar LEDs (Light Emitting Diodes) con mejores respuestas en términos de color y brillo. El desarrollo de pantallas OLED con ‘semiconductores orgánicos’ y sin necesidad de retroiluminación ha mejorado aún más estas prestaciones.

Con esta nueva tecnología, los fabricantes han sido capaces de crear pantallas más brillantes, manteniendo muy bajos los niveles de las sombras. Es decir pantallas con un contraste más amplio. Muchas pantallas HDR son capaces de alcanzar un nivel máximo de brillo de 1.000 nits, pero los estándares prevén para el futuro hasta 10.000 nits. De esta forma la industria está sentando las bases para un gran paso adelante en la representación de imágenes: el paso de la televisión HD con rango dinámico estándar (SDR, Standard Dynamic Range), y un valor máximo de brillo de 100 nits, hacia la Ultra HD con alto rango dinámico.

HDR también podría encontrar su cancha en las pantallas HD, aunque para los fabricantes resulte más interesante a nivel comercial vincularlo exclusivamente a las nuevas pantallas de Ultra HD.

Para el cine en salas se está trabajando con proyectores laser capaces de mantener los negros en niveles muy bajos aumentando el ratio de contraste y el rango dinámico y minimizando el impacto en la luz ambiente.

El rango dinámico está también en relación directa con los espacios de color. En el siguiente gráfico se pone en relación el nivel de brillo con la representación de color. Se puede apreciar como el gamut de color ampliado de la norma de Ultra HD (BT-2020), no tiene sentido si no viene acompañado de un incremento del rango dinámico. Para presentar todos los niveles de brillo del color de Ultra HD hace falta un monitor HDR.

 

 

Cabe señalar que estos valores de rango dinámico no se pueden conseguir con una profundidad de color de 8 bit por canal. Son necesarios 10, 12 o 16 bits para registrar toda esta información.

Resumiendo, las imágenes Ultra HD de ‘alto rango dinámico’ (HDR) contienen mucha más información de brillo y color para cada pixel que las HD con ‘rango dinámico estándar’ (SDR). Esto afecta no solamente a los valores de luminosidad máxima y mínima sino también al espacio de color.

 

 

Conviene puntualizar que el propósito del alto rango dinámico no es crear imágenes más brillantes y con más color, sino presentar en la pantalla mayor nivel de detalle sobre todo en las altas luces. Una información que normalmente se pierde al quedar quemada o ‘clipeada’. También se persigue conseguir colores más realistas y cercanos a la visión directa de la realidad (life-like).

En una segunda parte de esta guía nos detendremos en la corrección de gamma en HDR y las distintas soluciones técnicas que se están debatiendo en las organizaciones internacionales de normalización.

 

Luis Ochoa y Francisco Utray, 29 de marzo de 2016, 709 MediaRoom.

 

 

[1] (…). This dynamic range is similar to the simultaneous dynamic range of the human visual system, which is about 10.000:1. Humans can simultaneously in the same scene, see brightness variations of this range, for example between shadows and highlights (Borer 2014: 1).