Luis Ochoa y Francisco Utray, 5 de abril de 2016.

Soluciones técnicas para el Alto Rango Dinámico

 

En esta segunda parte de la guía HDR vamos a hacer un breve repaso de las soluciones que se están planteando en la industria y las entidades de normalización para el alto rango dinámico y las curvas de gamma para la producción y exhibición de imágenes de Ultra HD-HDR.

El reto que se plantea es aumentar el nivel máximo de brillo y a la vez, bajar el nivel de negros. Se está avanzando en las dos direcciones. Las nuevas pantallas de alto rango dinámico (HDR), podrán así presentar imágenes con más detalle en las altas luces y las sombras profundas. El objetivo es, sobre todo, conseguir más capacidad de representación en las altas luces. Cuanto mayor sea el rango dinámico de un monitor más capacidad tendrá de presentar detalle en las altas luces.

Otra cosa importante a tener en cuenta es que no todas las imágenes requieren estos niveles de rango dinámico. Si la escena que se está representando no tiene ratios de contraste lumínicos muy altos, no será necesario aprovechar toda la capacidad que ofrece un monitor HDR. Se notará la diferencia solo en aquellos planos que lo precisen. Por ejemplo una escena grabada en interiores con iluminación controlada no necesita el mismo nivel de contraste que un contraluz en exteriores un día soleado.

En captación, para conseguir alcanzar 14 o 15 f-stops de rango dinámico, los fabricantes de cámaras utilizan una curva de gamma logarítmica. No hay un estándar, cada fabricante tiene su propia curva de gamma logarítmica (Arri, Red, Sony, Canon, Panasonic, etc.), aunque todas están más o menos basadas en la curva de CINEON de Kodak. Para ver correctamente estas imágenes en los monitores actuales se hace una conversión -mediante una LUT o un proceso de corrección de color- para adaptar la señal a la norma BT-709. Pero en ese momento, ya estamos en el entorno BT-709, y se han perdido el alto rango dinámico y gamut de color ampliado (Wide Color Gamut, WCG).

Es por lo tanto necesario que se estandarice una curva de corrección de gamma para los nuevos monitores y televisores HDR para que los fabricantes de cámaras, los coloristas y los responsables de la masterización sepan con exactitud en qué condiciones que van a reproducir los contenidos.

 

Las curvas de gamma captación y en monitorización

El proceso de corrección de gamma en monitorización se denomina Electro-Optical Transfer Function (EOTF) y proviene de los tiempos de los televisores de tubo (CTR). Todas las pantallas actuales siguen las recomendaciones BT-709 y aplican una corrección de gamma de 2.4. Un procedimiento con muchas limitaciones que ya no tiene cabida en el mundo de la Ultra Alta Definición y el HDR.

En captación se utiliza una curva inversa, la Opto-Electronic Transfer Function (OETF). Son las curvas de gamma que utilizan los fabricantes de cámara para maximizar el rango dinámico en captación (curvas log) o para generar directamente imágenes procesadas listas para la emisión (curva de gamma estándar BT-709).

 

Corrección de gamma en captación y en monitorización
EOTF	Electro-Optical Transfer Function	Corrección de gama en monitorización. Es una función que asigna un nivel de brillo en el monitor a cada valor de codificación digital.
OETF	Opto-Electronic Transfer Function	Curva de gamma que se aplica en el cámara. Es una función que asigna un valor de codificación digital a los distintos niveles de brillo de la escena que la cámara está captando.

Fuente: 709 MediaRoom (SMPTE 2015: 4)

 

En el siguiente gráfico se pueden comparar las propuestas de OETF que han planteado Dolby (Dolby-Visión) y la BBC (HLG HDR) con la curva BT-709. Se puede observar como la curva BT-709 se rompe en las altas luces y como las nuevas propuestas corrigen este problema.

 

 

La cuestión que se plantea para las nuevas pantallas HDR es definir una curva estándar EOTF que aproveche toda la capacidad de representación del alto rango dinámico y deje atrás las limitaciones de la norma BT-709 (Borer 2014). Esta tarea se está abordando en las organizaciones internacionales de normalización técnica como SMPTE, ISO o ITU entre otras.

La estandarización de una curva EOTF que se integre en todas las pantallas HDR es un paso previo fundamental para el desarrollo de esta nueva tecnología. Todas las pantallas se han de comportar igual independientemente de la marca y el fabricante. De esta forma los proveedores de contenido y los fabricantes de cámaras pueden preparar el material para estos dispositivos.

En la actualidad, por ejemplo, existe un monitor de campo HDR de la marca Canon. Si estamos haciendo una grabación con una cámara Canon, el monitor podrá presentar las imágenes en alto rango dinámico sin necesidad de procesado la señal, puesto que es el mismo fabricante quien ha diseñado la cámara y el monitor. La estandarización de una curva EOTF permitirá que las imágenes de cualquier cámara se puedan ver en HDR en cualquier pantalla. La estandarización de una curva EOTF permitirá igualmente establecer los criterios de masterización de los contenidos HDR para su difusión.

 

La norma SMPTE ST-2084

La norma técnica SMPTE ST-2084, por el momento, está ganando la carrera para ser la forma más aceptada para masterizar, distribuir y consumir contenidos en HDR. Muchos fabricantes, como Sony, Panasonic o Samsung, están adoptando esta norma para sus nuevas pantallas HDR.

SMPTE ha adoptado para esta norma una parte de la solución de Doby-Vision, “Dolby Perceptual Quantizer (PQ)”, que se ofrece como estándar libre de royalties.

La norma propone un estándar de curva EOFT para pantallas de 10.000 nits que consigue incrementar el detalle en las altas luces. Esto puede apreciarse en la siguiente imagen con los histogramas de una imagen en SDR y HDR. Se ve el ‘clipeo’ en la señal SDR en el nivel de 100 nits y el detalle en HDR hasta los 10.000 nits.

 

Hybrid Log-Gamma (HLG) (ARIB STD-B67)

Hybrid Log-Gamma (HLG) es un estándar para alto rango dinámico desarrollado conjuntamente por la BBC y la NHK japonesa. Se ha publicado en 2015 en ARIB, la agencia japonesa de normalización técnica (Association of Radio Industries and Businesses) (ARIB STD-B67). La HLG tiene en consideración la compatibilidad con las pantallas de rango dinámico estándar (SDR) y no utiliza metadatos.

Propone una curva diferente para los distintos niveles de brillo máximo de las pantallas con un límite en los 5.000 nits. Una cuestión interesante de esta solución es que tiene en consideración la luminosidad ambiental que también afectará a la curva. En el siguiente gráfico se puede ver un ejemplo de como la curva cambia en función de los cambios de luz ambiente.

 

Conclusiones

Hemos podido comprobar al hacer esta guía que la tecnología del HDR para televisión está todavía en una fase inicial de desarrollo.

El salto que se persigue es la sustitución de la actual EOTF de la norma de televisión de alta definición (BT-709) por un nuevo conjunto de funciones de transferencia electro-ópticas de mayores prestaciones.

La gran industria de la electrónica de consumo necesita un nuevo producto, una vez que se han estabilizado las ventas de las pantallas ‘Full HD’. El relevo lo tiene que tomar el ‘Ultra HD’ que implica, no solamente 4K, sino también HDR y gamut de color ampliado (WCG). Veamos las expectativas que plantea Paul Erickson, Senior Analyst en IHS Technology.

“Ever-rising consumer adoption of Ultra HD TV sets will fuel strong growth for the entire Ultra HD ecosystem over the next few years. Annual worldwide shipments of Ultra HD TVs are expected to grow nearly 719% over the next several years according to IHS’ forecasts, from nearly 12 million in 2014 to nearly 96 million in 2019, with over 300 million in use by the end of 2019.” (UHD Alliance, 2016).  

Desde el punto de vista de la industria parece haber intereses irrenunciables para empujar esta nueva tecnología.

HDR una tecnología más orientada a la televisión que a la proyección de cine en salas. El aumento de la luminosidad de las altas luces en la pantalla grande genera reflexión en la sala y por lo tanto incrementa la luz ambiental. Dobly-Cinema es un diseño completo de sala de exhibición que intenta paliar este efecto, preservando las condiciones de ‘sala oscura’ pero aumentando el rango dinámico y los niveles de los picos de brillo.

Como profesionales de la creación de imágenes la pregunta que nos surge es si es realmente necesario dar este salto y la aceptación que tendrán estas nuevas imágenes en los públicos del cine y la televisión. Estamos ante ‘lo nunca visto’. El cine, la televisión, la fotografía, la pintura, etc. han creado los cánones estéticos vigentes en nuestra cultura. El aumento de los ratios de contraste de la representación puede suponer un cambio de paradigma desde la perspectiva de la creación artística. No es un reto sencillo para directores de fotografía y coloristas.

Las primeras experiencias que hemos tenido con el monitor de masterización HDR de Canon es que unos brillos sutiles en el rostro de un personaje se pueden convertir en un defecto grave difícil de corregir en una pantalla HDR más brillante. También es cierto que los planos generales exteriores con detalle en las altas luces darán unas imágenes magnificas. En este sentido se pronuncia el colorista Dado Valentic entusiasta de esta nueva tecnología:

“It is refreshing to see that HDR is one of those technologies and innovations that won’t require any heavy marketing for it to be accepted by the end user. Once you glance at an HDR TV screen you won’t need any convincing – images look much better, fresher, and more exciting. If 3D was interesting for its novelty and the 4K advantages were not visible to all, it is clear to see that HDR is not going to fall into any of these two categories.” (Valentic 2016)

Será necesario también un proceso de adaptación del público, acostumbrado tradicionalmente a las limitaciones del SDR que se va a encontrar con nuevas imágenes ‘distintas’ a las que se han producido con anterioridad y que no tienen por qué agradarle desde el primer momento.

Por último, cabe plantearse cuál es el impacto para la salud de observar imágenes más brillantes, en pantallas más grandes y desde más cerca.

Luis Ochoa y Francisco Utray, 5 de abril de 2016.

 

Referencias citadas

ARIB (2015) «Essential parameter values for the Extended Image Dynamic Range Television (EIDRTV) system for programme production» ARIB STD-B67 Version 1.0. Dsiponible para desgarga en http://www.arib.or.jp/english/html/overview/doc/2-STD-B67v1_0.pdf

Blu-ray (2015),»White Paper Blu-ray Disc™ Read-Only Format (Ultra HD Blu-ray™). Audio Visual Application Format Specifications for BD-ROM Version 3.0″. Blu-ray Disc Association. Disponible para descarga en: http://www.blu-raydisc.com/assets/Downloadablefile/BD-ROM_Part3_V3.0_WhitePaper_150724.pdf

Borer, T. (2014) “Non-linear Opto-Electrical Transfer Functions for HDR TV” BBC White Paper WHP 283.

Barten, P.G.J. (2004) “Formula for the Contrast Sensitivity of the Human Eye”, Proc. SPIE-IS&T, 5294:231–238, Jan. 2004.

Geutskens, Yoeri (2016) «The State of #HDR in Broadcast and OTT – CES 2016 update» Disponible en linea en http://www.ctoic.net/blog/the-state-of-hdr-in-broadcast-and-ott-at-year-end-2015/

SMPTE (2015) “Study Group Report High-Dynamic-Range (HDR) Imaging Ecosystem” Society of Motion Picture and Television Engineers ®, Inc. (SMPTE ®)

UHD Alliance (2016) “UHD alliance defines premium home entertainment experience” Press release. Disponible en línea en: http://www.uhdalliance.org/uhd-alliance-press-releasejanuary-4-2016/#more-1227

Valentic, Dado (2016) “HDR SURVIVAL GUIDE – Next Generation Home Entertainment”. Disponible en línea en: https://www.linkedin.com/pulse/hdr-survival-guide-next-generation-home-dado-valentic