Inleiding
Het is alweer vier jaar geleden dat er voor het eerst uhd-televisies op de markt kwamen. De eerste modellen waren schreeuwend duur, maar inmiddels is de prijs van een uhdtv, met vier keer zoveel pixels als een hdtv, onder de vijfhonderd euro gedoken. Het is nu een betaalbaar mainstreamproduct geworden, als je tenminste genoegen neemt met een (te) kleine beeldmaat, waar je erg dicht bij moet gaan zitten om het verschil met een hdtv te kunnen zien.
/i/2001252799.jpeg?f=imagenormal)
Scène met zeer groot dynamisch bereik.
Hoewel uhd-televisies inmiddels goed worden verkocht, is er nog een lange weg te gaan voordat de vertrouwde hdtv is vervangen en we volledig over zijn op uhd. Zo is er via de Astra-satelliet inmiddels het een en ander te ontvangen in uhd, maar het aanbod stelt niet veel voor; het zijn vooral demokanalen en de enige continue uhd-zender is het Duitse homeshopping-kanaal Pearl TV. Reguliere uhd-uitzendingen via de kabel zijn nog vele jaren van ons verwijderd. Online streamingdiensten, zoals YouTube en Netflix, innoveren veel sneller en bieden al jaren uhd-materiaal aan, maar het hd-aanbod is ook hier nog altijd vele malen groter.
Televisiefabrikanten lopen altijd ver voor op de contentindustrie; jaren voordat er wat te kijken viel in hd, werden er al hd-televisies verkocht. Ze kunnen ook niet veel anders, want hoewel veel elektronica tegenwoordig al binnen een paar jaar wordt vervangen, verwachten de meeste mensen van een televisie dat hij vele jaren meegaat. Zeker als het dure high-end modellen betreft, moeten televisies voorbereid zijn op de toekomst. Omdat verdere verhoging van de resolutie bij normale beeldmaten en kijkafstanden zinloos is, zetten alle grote merken nu vol in op the next big thing in televisieland: high dynamic range.
In dit artikel gaan we dieper in op de techniek achter hdr. Waarom zou je een hdr-televisie willen hebben? Het is immers nog niet zo lang geleden dat alle fabrikanten 3d aanprezen als een onmisbare functie, terwijl je ze er nu niet meer over hoort. We bespreken de diverse hdr-standaarden en gaan in op de technische verschillen. Ook proberen we antwoord te geven op de vraag of dit wel het juiste moment is om te investeren in hdr of dat je beter nog even kunt wachten met het aanschaffen van een nieuwe tv.
Waarom hdr?
Het dynamisch bereik is de verhouding tussen de hoogste en de laagste waarde van een variabele. Camera's en beeldschermen hebben het registreren en weergeven van licht tot doel, en het dynamisch bereik van deze apparaten gaat dus over de verhouding tussen de maximale en de minimale helderheid die opgenomen en weergegeven kan worden. Bij beeldschermen noemen we dit meestal de 'contrastverhouding', maar in de film- en fotowereld wordt over 'dynamisch bereik' gesproken. Het wordt meestal uitgedrukt in stops, waarbij elke stop staat voor voor een verdubbeling van de hoeveelheid licht.
Het dynamisch bereik dat we in de echte wereld tegenkomen, is veel groter dan wat een televisie kan weergeven. Dit is een van de belangrijkste redenen waarom beelden er op een televisie anders uitzien dan in het echt. Om televisiebeelden er realistischer uit te laten zien valt er op dit gebied dan ook veel winst te halen. Hoe groot zou het dynamisch bereik van een televisie dan moeten zijn? Voor het antwoord op deze vraag moeten we kijken naar het menselijk oog. Idealiter heeft een scherm een dynamisch bereik dat een beetje groter is dan dat van onze ogen, want dan is er op dit vlak geen verschil meer te zien met de echte wereld. Dit is een flinke uitdaging, want het dynamisch bereik van het menselijk oog is zeer groot.
/i/2001252809.png?f=imagenormal)
We kunnen goed zien in fel zonlicht op een heldere zomerdag, maar ook zijn we in staat om objecten 's nachts waar te nemen als de maan onder de horizon staat. Het verschil in helderheid bedraagt een factor miljard, oftewel dertig stops. Het is technisch haast niet te doen om camera's en schermen te maken die een dergelijk groot bereik hebben tegen een aanvaardbare prijs. Gelukkig is dit ook niet nodig, want we kunnen het enorme bereik van dertig stops niet in een enkel beeld waarnemen.
Onze ogen hebben zo'n hoog dynamisch bereik dankzij de iris, die de hoeveelheid licht die de oogbol binnentreedt, laat variëren. In een enkele scène zien mensen met goede ogen maximaal zo'n veertien stops aan dynamisch bereik. Dit is met de huidige stand van de techniek haalbaar voor zowel camera's als beeldschermen en veertien stops is dan ook een mooie streefwaarde voor hdr-weergave. Deze waarde ligt een flink stuk hoger dan tot nu toe mogelijk was met gewone, niet-hdr- ofwel sdr-televisies, want die halen in de praktijk een dynamisch bereik van ongeveer zes stops.
Bijkomend voordeel van schermen met een groter dynamisch bereik is dat de ervaren scherpte flink toeneemt. Vooral als beelden een hoog lokaal contrast hebben, zien ze er scherper uit zonder dat er een hogere resolutie nodig is. Dit effect kennen we van diverse verscherpingsalgoritmen, zoals die worden gebruikt in beeldbewerkingsprogramma's als Photoshop. De scherpteregeling van onze bestaande televisies heeft een vergelijkbare werking. Het mooie van dit effect is dat het onafhankelijk werkt van de beeldmaat en kijkafstand. Het verschil in scherpte tussen een hd- en een uhdtv kun je alleen zien als het scherm groot genoeg is en je dicht genoeg bij de tv zit. Een groter dynamisch bereik levert bij elke beeldmaat en kijkafstand een mooier beeld op.
Verschillende standaarden
Aan de opnamekant worden al jaren camera's gebruikt die een veel groter dynamisch bereik hebben dan we met bestaande beeldschermen kunnen weergeven. Maar ook als onze schermen daar technisch wel toe in staat zouden zijn, lukt het alleen maar als alle apparatuur aan dezelfde standaard voldoet. Zonder een goede standaard weet je nooit zeker of iemand die naar een film kijkt, daadwerkelijk krijgt te zien wat een filmmaker voor ogen had. De geschiedenis leert ons dat de elektronica-industrie nieuwe standaarden aangrijpt om een zo groot mogelijk marktaandeel te verwerven of om op een andere manier macht uit te oefenen. Hierdoor ontstaan er vrijwel altijd verschillende standaarden, waarbij de markt uiteindelijk bepaalt welke belangrijk wordt en welke na verloop van tijd weer verdwijnen.
De Arri Alexa XT-camera heeft een dynamisch bereik van meer dan veertien stops
Ook voor hdr-weergave zijn er inmiddels drie standaarden, waarvan we nu nog niet weten of ze allemaal blijven bestaan. Op dit moment is hdr10 de belangrijkste standaard, die door alle televisiemakers wordt ondersteund. Hij is verplicht voor ultra-hd-blu-rays en ook via Netflix is er, zij het mondjesmaat, content in dit formaat te vinden. Dolby Vision wordt op dit moment in België en Nederland alleen ondersteund door LG en Netflix. Ook ultra-hd-blu-rayschijfjes kunnen dit formaat aan, maar ondersteuning hiervoor is niet verplicht en er zijn op dit moment nog geen films en spelers die er gebruik van maken.
De nieuwste standaard voor hdr heet 'hybrid log-gamma' en komt uit de broadcast-wereld. Voor de ontwikkeling werkte de Britse publieke omroep BBC samen met de Japanse publieke omroeporganisatie NHK. Op dit moment zijn er nog geen televisies die deze standaard ondersteunen, maar diverse merken, waaronder Samsung en LG, hebben aangegeven dit te gaan doen. Hierbij krijgen sommige recente televisies ondersteuning door middel van een firmware-update.
Alle hdr-formaten maken gebruik van de hevc-codec, die nu ook al voor uhd-beeldmateriaal wordt gebruikt op ultra-hd-blu-rays en voor uhd-distributie op Netflix. Ook maken ze allemaal gebruik van een kleurendiepte van 10bit per kleurkanaal. Dit levert een theoretisch maximum op van 672.221.376 verschillende kleuren. Ter vergelijking, bij een kleurendiepte van 8bit, zoals tot nu toe gebruikelijk was bij televisies, zijn er 10.648.000 verschillende kleuren mogelijk.
De oplettende lezer vraagt zich wellicht af waarom er met 10bit-kleurendiepte niet meer kleuren mogelijk zijn, want 1024*1024*1024 is immers 1.073.741.824. Dit komt doordat bij digitale video niet alle waarden zijn toegestaan. Bij 8bit zijn er 2⁸ = 256 verschillende stappen mogelijk, maar alleen waarden tussen de 16 en 235 mogen worden gebruikt, zodat er maar 220 grijsstappen zijn. De waarden die niet voor het beeld mogen worden ingezet, zijn bedoeld voor de synchronisatie van het beeld. Om een eenvoudige conversieslag te kunnen maken mogen bij 10bit-video alleen de waarden tussen 64 en 940 worden ingezet. Hierdoor ontstaan er 876 verschillende stappen wat helderheid betreft.
Het grotere aantal stappen maakt het mogelijk om een groter kleurbereik in te zetten, waardoor kleuren met meer verzadiging kunnen worden getoond. De nieuwe hdr-formaten maken allemaal gebruik van het rec.2020-kleurbereik, wat ongeveer twee keer zo groot is als het bij hdtv gebruikte rec.709-bereik. Hiermee kan ruwweg driekwart van de kleuren die het menselijk oog kan zien, worden weergegeven. De primaire kleuren zijn nu gedefinieerd als monochromatische en dus pure kleuren, zoals we die kennen van laserlicht. Dit grote kleurbereik is op de groei gekozen, want in de komende jaren zal geen enkele televisie in staat zijn om dit volledige kleurbereik weer te geven.
Dolby Vision
De meeste mensen kennen Dolby van de audiosystemen bij films, waarvan het objectgebaseerde Atmos de recentste versie is. Het Amerikaanse bedrijf is al jaren bezig om naast een goed geluid ook een beter beeld naar de bioscoop en de huiskamer te brengen. Hiermee is het een van de voorvechters van hdr. In de afgelopen jaren werden diverse prototypes van hdr-schermen onder de naam Dolby Vision op beurzen getoond. Dolby Vision is inmiddels naar de bioscoop gebracht, en is tegenwoordig ook verkrijgbaar op televisies van LG en Vizio. Hoewel Vizio een zeer populair merk is in Amerika, is het bij ons niet te koop en dus heeft LG hier voorlopig het alleenrecht op Dolby Vision-televisies.
/i/2001252819.jpeg?f=imagenormal)
Volgens Dolby moet de helderheid van televisies flink omhoog en kan een hdr-tv idealiter een helderheid tussen de 0 en 10.000cd/m² weergeven. Een dergelijke hoge helderheid is nu nog toekomstmuziek, maar de Dolby Vision-standaard is er nu al voor geschikt. Als hdr-video op dezelfde manier, door middel van gammacorrectie, wordt gecodeerd als sdr-video, zou hiervoor een kleurdiepte van 14bit per kanaal nodig zijn. Bij een kleinere kleurdiepte worden de afzonderlijke niveaus zichtbaar in beeld en krijg je color banding. Dolby heeft een methode ontwikkeld om een helderheid te coderen die rekening houdt met de eigenschappen van het menselijk oog. Die helderheid wordt Perceptual Quantizer genoemd en hierdoor zijn er nog maar 12bit per kanaal nodig.
Het menselijk oog is veel gevoeliger voor kleine niveauverschillen bij een lage helderheid dan bij een hoge. Dolby's PQ maakt dankbaar gebruik van deze eigenschap. Dat deed het oude gamma in zekere mate ook al, maar bij een zeer hoge helderheid springt de oude manier van coderen niet efficiënt om met bandbreedte. De functie die gebruikt wordt om de videosignalen om te zetten in de lineaire helderheidssignalen, waarmee het scherm wordt aangestuurd, heet een electro-optical transfer function. Bij de opnamen word een opto-electronic transfer function ingezet, die de lineaire helderheidssignalen van de camera converteert naar het videosignaal.
In elk televisiesysteem is de relatie tussen de hoeveelheid licht die de camera registreert en de hoeveelheid die uiteindelijk door het scherm wordt weergegeven non-lineair. Dit is nodig omdat het dynamisch bereik van het weergavescherm anders is dan dat van de camera, maar ook omdat de omstandigheden waarin het beeld wordt bekeken bijna altijd verschillen van de opnameomstandigheden. Daarom is er een derde functie, de opto-optical transfer function genaamd, die ervoor zorgt dat de helderheid van het beeld wordt aangepast aan het scherm waarop wordt gekeken en de omstandigheden waarin wordt gekeken.
Het aansturen van de ootf gebeurt bij Dolby Vision aan de hand van dynamische metadata, die als afzonderlijke stream naast de videostream bestaat. Zo kunnen er voor iedere verschillende scène aanpassingen worden gemaakt en, indien nodig, kunnen er zelfs voor afzonderlijke frames aanpassingen worden gedaan. Het aanpassen van de ootf gebeurt door de 'Dolby Vision display manager': een stuk hard- en software dat in de televisie aanwezig is. De displaymanager is volgens Dolby ook in staat om 12bit-kleurinformatie uit een 10bit-distributiestream te halen, maar hoe dat precies in z'n werk gaat, vertelt het bedrijf niet.
Hdr10
Om een Dolby Vision-televisie te maken moet de fabrikant speciale hardware inbouwen en moet de tv een speciaal certificeringsprogramma doorlopen, waarvoor uiteraard betaald moet worden. Daarnaast moet er ongeveer vijf dollar per verkochte televisie aan Dolby worden afgedragen. De meeste fabrikanten zitten niet te wachten op deze extra kostenpost, omdat de marges op televisies al jaren onder druk staan. Zo heeft Samsung, 's werelds grootste televisiefabrikant, laten weten Dolby Vision-ondersteuning bewust achterwege te laten. Niet alleen vanwege de extra kosten, die naar schatting een 20 tot 50 dollar hogere consumentenprijs op zouden leveren, maar ook vanuit strategisch oogpunt. Samsung zegt dat de consument beter geholpen is met een open standaard en kiest daarom voor hdr10.
Het hdr10 media profile is een open standaard, die als alternatief voor Dolby Vision is ontwikkeld. Elke recente televisie die hdr-beelden kan weergeven, ondersteunt het formaat. Dat moet ook wel, want het leeuwendeel van alle hdr-content die op dit moment beschikbaar is, maakt er gebruik van. Zo is hdr10 de standaard op ultra-hd-blu-ray en biedt ook Netflix content in dit formaat aan. Ook hebben Microsoft en Sony ondersteuning ingebouwd in respectievelijk de Xbox One S en de PlayStation 4.
/i/2001252817.png?f=imagenormal)
Op de Xbox One S kun je nu Forza Horizon 3 in hdr spelen
Technisch gezien bestaan er grote overeenkomsten tussen Dolby Vision en hdr10. Zo maken beide standaarden gebruik van hevc als distributiecodec en worden de primaire kleuren van rec.2020 aangehouden. Ook maakt hdr10 gebruik van de door Dolby ontwikkelde perceptual quantizer eotf, die door de SMPTE in 2014 is aangenomen als standaard ST.2084. Het belangrijkste verschil tussen Dolby Vision en hdr10 is het gebruik van metadata.
Bij hdr10 wordt alleen gebruikgemaakt van statische metadata die een aantal eigenschappen beschrijft van de monitor die tijdens de productie is gebruikt voor de color grading. Denk hierbij aan zaken zoals het maximale en het gemiddelde helderheidsniveau. Er zijn plannen om de hdr10-standaard, net als bij Dolby Vision, ook van dynamische metadata te voorzien. Er wordt op dit moment gewerkt aan een standaard hiervoor: ST.2094. Of deze standaard ook naar de huidige televisies komt, is nog maar de vraag.
Zo is er een nieuwe versie van hdmi nodig om de extra metadata te vervoeren tussen bijvoorbeeld een ultra-hd-blu-rayspeler en een televisie. Hiervoor is versienummer 2.1 gereserveerd, maar wanneer deze beschikbaar zal zijn, is op dit moment nog niet bekend. Zowel Samsung als LG heeft al aangegeven dat de huidige modellen door middel van een firmware-update worden aangepast, maar dit betreft waarschijnlijk alleen modellen uit het huidige modeljaar.
Hybrid-log gamma
Hoewel hdr10 op dit ogenblik de meest wijdverspreide standaard voor hdr-weergave is, kleven er belangrijke nadelen aan, die een verdere groei in de weg kunnen staan. Zo is hij niet compatibel met bestaande apparatuur. Dit maakt het bijzonder kostbaar voor televisieproducenten om op hdr over te stappen. Bovendien zal het nog veel tijd kosten voordat in alle huiskamers een hdr-televisie staat, en dus blijft het nog jaren nodig om ook sdr-televisies van een geschikt signaal te blijven voorzien. Om deze redenen vonden de BBC en NHK hdr10 niet erg geschikt voor televisieproductie.
Samen hebben ze een nieuwe hdr-standaard bedacht, die zich veel gemakkelijker en goedkoper laat inzetten voor televisieproductie. Bovendien is deze tegelijk in te zetten voor sdr-televisieproductie. De nieuwe standaard heet hybrid-log gamma en de naam geeft meteen het belangrijkste verschil met hdr10 aan, want deze standaard maakt geen gebruik van de Perceptual Quantizer als eotf, maar combineert een logaritmische curve met de traditionele gammacurve.
De hlg-eotf is opgedeeld in twee stukken. De onderste helft van de functie, die dus donkere partijen in beeld beschrijft, is gecodeerd volgens dezelfde gammacurve als bij sdr-beelden gebruikelijk is. De bovenste helft gaat over in een logaritmische curve, waardoor er veel efficiënter met de beschikbare bandbreedte wordt omgesprongen en een veel hogere helderheid kan worden beschreven. Moderne videocamera's met een groot dynamisch bereik maken al een tijdje gebruik van een vergelijkbare oetf met een soort 'knik' erin. Hierdoor ontstaat een vorm van compressie van de heldere delen in beeld en blijft er op een sdr-scherm doortekening zichtbaar in de delen van het scherm die anders overbelicht zouden zijn. Deze manier van registreren lijkt sterk op de manier waarop analoge film hooglichten vastlegt.
Met hlg gecodeerde beelden zien er op een sdr-televisie prima uit en lijken dus op beelden die op film zijn opgenomen. Als dezelfde beelden op een televisie worden weergegeven die hlg-ondersteuning heeft, krijg je het volledige dynamische bereik te zien. In het geval van een (toekomstig) scherm dat 2000cd/m² kan weergeven, komt het dynamisch bereik van dit systeem uit op meer dan zeventien stops. Ruimschoots voldoende dus om het dynamisch bereik van veertien stops van onze ogen te overtreffen.
In tegenstelling tot hdr10 en Dolby Vision maakt hlg geen gebruik van metadata. Dit is een belangrijk voordeel bij het produceren van televisieprogramma's, want hierdoor kan bestaande infrastructuur worden gebruikt. Professionele apparatuur maakte namelijk al gebruik van een 10bit-pijplijn, waarbij alleen naar 8bit-kleurdiepte werd geconverteerd voor de distributie naar de huiskamers.
Omdat er geen rekening hoeft te worden gehouden met aparte metadata, is de bestaande apparatuur in te zetten om hdr-beelden te mixen, schalen, van titels te voorzien, enzovoort. Alleen voor de opnamen zijn camera's nodig die hlg ondersteunen en ook bij het kritisch beoordelen van het beeld moeten er nieuwe hdr-monitoren worden gebruikt. Uiteraard kan er bij hlg ook gebruik worden gemaakt van het grotere rec.2020-kleurbereik, maar voor weergave op sdr-tv's zal dan wel een extra kleurconversie nodig zijn.
Tot slot
Beelden met een groot dynamisch bereik voegen veel toe aan de beleving bij het televisiekijken, doordat het beeld er scherper en realistischer van wordt. Als je genoeg geld hebt, kun je vandaag nog een televisie kopen waarmee je direct via Netflix of ultra-hd-blu-ray kunt beginnen met kijken naar hdr. Let daarbij op, want er zijn grote verschillen in de kwaliteit waarmee hdr-beelden worden weergegeven. Bij veel lcdtv's zien hdr-beelden er nauwelijks beter uit dan de beelden op je oude tv. Voor de beste weergave heb je een lcdtv met een groot aantal local-dimmingzones nodig óf een recente oled-tv.
Op dit moment is hdr-techniek echter nog volop in ontwikkeling en dat geldt ook voor de daarbij horende standaarden. Dat betekent dat als je nu een hdr-televisie koopt, je het risico loopt dat hij al achterhaald is voordat hdr goed en wel is ingeburgerd. Op dit moment is de hdr10-standaard de belangrijkste, maar we weten nu al dat daar in de nabije toekomst dynamische metadata aan wordt toegevoegd. Hoewel Samsung en LG toegezegd hebben dat de huidige modellen een firmware-update zullen krijgen, is dat lang niet voor alle merken duidelijk. Ook is nog niet bekend of de hdr-modellen van vorig jaar worden meegenomen.
Dolby Vision wordt op dit moment alleen ondersteund door de oledtelevisies van LG. Hoewel deze standaard op papier de beste beeldkwaliteit biedt, lijkt ondersteuning ervan niet heel belangrijk, omdat er nauwelijks content voor beschikbaar is. We achten het niet waarschijnlijk, maar in de toekomst kan die situatie veranderen. In dat geval zou het toch jammer zijn als jouw dure tv geen ondersteuning biedt. Ook hlg is nu niet belangrijk, maar in de toekomst wellicht onmisbaar als je naar hdr-uitzendingen wil kijken.
In dit artikel hebben we alleen gekeken naar de hdr-standaarden die op dit moment door televisiefabrikanten worden ondersteund of binnenkort ondersteund worden. Er is echter al sprake van een toekomstige standaard, waarvoor nog geen enkele televisiefabrikant concrete ondersteuning heeft aangekondigd: sl-hdr1. Deze nieuwe Europese standaard maakt het voor een tv mogelijk om een sdr-stream te converteren naar hdr-beelden door middel van metadata. Deze metadata wordt door sdr-televisies genegeerd. Op deze manier kan er veel bandbreedte bij de distributie van televisie worden bespaard. Deze standaard zou in de toekomst zomaar de belangrijkste kunnen worden. Wil je dus niet voor verrassingen komen te staan, dan kun je maar beter even wachten met de aanschaf van een hdr-tv.