منظور از HDR در مانیتور و تلویزیون چیست؟

منظور از HDR در مانیتور و تلویزیون چیست؟

نوشته‌ی
avatar
1 سال و 7 ماه و 28 روز پیش

فهرست مطالب

اخیراً یک کلمه کلیدی جدید در فناوری نظر عموم را به خود جلب کرده است؛ که البته می‌توان گفت معنای آن جدید است: «محدوده دینامیکی بالا» یا High Dynamic Range (HDR).
HDR یک فناوری نمایشگر جدید است که در وهله اول نیاز به نوع جدیدی از نمایشگر و همچنین محتوای جدید ویژه HDR را برای شما ضروری می‌کند. اما واقعاً این فناوری چیست؟

بیایید در مورد رنگ صحبت کنیم

باید در ابتدا به این مساله که انسان‌ها چگونه رنگ را درک می‌کنند توجه کنیم و سپس به این بپردازیم که چگونه رنگ HDR با محدوده دینامیکی استاندارد (SDR) که امروزه استفاده می‌شود متفاوت است. در فیزیک، رنگ از طول موج نور گرفته می‌شود، از رنگ قرمز به عنوان کم‌ترین طول موج نوری که می‌توانیم ببینیم، تا بنفش به عنوان بالاترین. طول موج یا فرکانس نور در این موضوع مستقیماً مشابه فرکانس صداهای مختلف است.

اما اگرچه گوش‌های ما می‌توانند بین فرکانس‌های صوت تمایز قائل شوند، چشم‌های ما یا گیرنده‌های موجود در آن‌ها نمی‌توانند بین فرکانس‌های نور تمایز قائل شوند، حداقل، نه بدون هیچ ترفند خاصی! هر گیرنده در چشم شما تقریباً معادل یک پیکسل در «صفحه‌ای» است که شما می‌توانید ببینید، و هر یک از این گیرنده‌ها پاسخ متفاوتی به طول موج‌های خاص (رنگ) نور دارند.

گیرنده‌های شما تقسیم شده‌اند و می‌توانند (در درجه اول) یکی از سه رنگ مختلف را ببینند: قرمز، سبز یا آبی. پس برای دیدن طیف کامل رنگ‌ها، چشمان شما اطلاعاتی را استنباط می‌کنند. اگر یک گیرنده سبز سیگنال ضعیفی را دریافت کند که دقیقاً در کنار گیرنده قرمز است که سیگنال قوی را دریافت می‌کند، چشمان شما اینطور استنباط می‌کنند که باید چیزی شبیه به نارنجی تیره در اطراف محلی بین این دو گیرنده وجود داشته باشد.

این مقوله به نوبه خود راهی خوب و ارزان برای مهندسی رنگ در صفحه نمایش ارائه می‌دهد. امروزه صفحه نمایش‌ها به جای تولید هر طول موج واقعی رنگ، از ترکیبی از زیرپیکسل‌های قرمز، سبز و آبی استفاده می‌کنند. نمایشگرها به سادگی می‌توانند مقدار نور را تغییر دهند و بنابراین سیگنال‌هایی را از هر یک از این رنگ‌های زیرپیکسلی برای تولید رنگ واقعی، حداقل تا آنجایی که به چشمان شما مربوط می‌شود، تولید کنند.

رنگ چه ربطی به HDR دارد؟

پس این مقوله چه ربطی به SDR در مقابل HDR دارد؟ در این مورد وسعت رنگ اهمیت پیدا می‌کند. یک گستره رنگی، طیف رنگ‌هایی است که شما می‌توانید با رنگ‌های زیر پیکسلی قرمز، سبز و آبی که در دسترس دارید تولید کنید. هر رنگی در بین این سه رنگ اصلی قابل تولید است، اما شما نمی‌توانید رنگی را که در داخل این مثلث نیست بازتولید کنید.

یکی از دو مفهوم پشت HDR این است که مثلث قرمز، سبز و آبی را از مثلث کوچک فعلی با نام «BT.709» به چیزی که به پرکردن کل طیف رنگ‌هایی که انسان می‌تواند ببیند نزدیک‌تر است گسترش دهد (نمودار بالا را بررسی کنید). هدف نهایی در اینجا مثلثی است که «BT.2020» نام دارد. مشکل این است که در حال حاضر، تنها راه برای تولید رنگ‌های قرمز، سبز و آبی مورد نیاز برای این طیف استفاده از لیزر است (که می‌دانیم جالب است، اما کارایی ندارد). این بدان معناست که پروژکتورهای لیزری گران قیمت تنها دستگاه‌های نمایشگر هستند که در حال حاضر قادر به نمایش همه رنگ‌های درگیر هستند، و فقط پروژکتورهای لیزری خاصی با لیزرهایی در طول موج مناسب می‌توانند چنین چیزی را ارائه دهند.

در عوض، نمایشگرهای مجهز به HDR امروزی به وسعت کوچک‌تر DCI-P3 رضایت می‌دهند که می‌تواند توسط OLED و LCD و همچنین پروژکتورها بازتولید شود. اگرچه کمی کوچک‌تر از وسعت کامل BT.2020 است، اما همچنان دارای رنگ‌های بسیار بیشتری نسبت به وسعت SDR است. به علاوه، این همان طیف رنگی است که برای مدتی طولانی توسط فیلم‌ها استفاده شده است، به این معنی که تجهیزات و محتوایی در حال حاضر وجود دارد که از آن پشتیبانی و استفاده می‌کند.

با این حال، در مقطعی در آینده، BT.2020 باید توسط همه پذیرفته شود، اما باید منتظر ماند تا فناوری‌های رایج نمایشگر بتوانند واقعاً از آن پشتیبانی کنند؛ و این فقط نیمی از قابلیت‌های HDR است. نیمه دیگر شامل نقاط برجسته روشن و تاریکی است ... یا به عبارتی دیگر، تاریکی.

روشنایی و ادراک

نکته بعدی که باید به آن توجه کرد این است که انسان‌ها چگونه روشنایی را درک می‌کنند، این درک برای انسان‌ها در مقیاس log2 صورت می‌گیرد. این بدان معناست که هر بار که روشنایی (یا مقدار فوتون‌هایی که به چشم شما برخورد می‌کنند) دو برابر می‌شود، شما آن را به عنوان بالا رفتن تنها یک نقطه در مقیاس خطی (یا افزایش یک «استاپ») درک می‌کنید. به عنوان مثال، هنگامی که به یک صحنه با نور و یک تکه کاغذ نگاه می‌کنید، نور می‌تواند 32 برابر بیشتر از کاغذ زیر آن فوتون به چشم شما شلیک کند، اما برای شما نور پنج برابر روشن‌تر از کاغذ به نظر می‌رسد.

شما می‌توانید روشنایی این نور و کاغذ نظری را با استفاده از یک اندازه گیری استاندارد توصیف کنید: «nit». یک نیت برابر با یک کاندلا در هر متر مربع است. روشنایی یک کاندلا برابر است با روشنایی یک شمع مومی روشن، بنابراین 1 کاندلا = 1 نیت. در همین حال، یک تکه کاغذ سفید زیر یک خورشید درخشان می‌تواند حدود 40000 نیت یا بهتر است بگوییم 40000 برابر روشن‌تر از یک شمع باشد.

اگرچه کاغذ زیر نور خورشید 40 هزار نیت دارد، اما فضای داخلی یک دفتر درست در کنار کاغذ می‌تواند تنها 500 نیت روشن باشد. انسان‌ها می‌توانند همه این‌ها را یکباره درک کنند. در واقع، انسان‌ها می‌توانند تا 20 استاپ روشنایی را در یک صحنه «درک» کنند. به یاد داشته باشید که یک «استاپ» به سادگی یک نقطه در مقیاس log2 است، به این معنی که انسان‌ها می‌توانند به طور همزمان در یک صحنه چیزی را میلیون‌ها بار روشن‌تر از تاریک‌ترین قسمت آن صحنه درک کنند.

روشنایی و HDR

پس چگونه همه این‌ها به HDR مربوط می‌شود؟ اول باید گفت که هدف HDR ساده است: ایجاد تقریبی از یک صحنه بسیار روشن بر روی یک صفحه نمایش. دالبی، اولین شرکتی که آزمایشی برای یافتن استانداردی برای HDR را آغاز کرد، دریافت که 10000 نیت نقطه مناسبی برای راه اندازی استاندارد خود است. به همین دلیل است که عملکرد رایج انتقال الکترواپتیکال یا EOTF که توسط تمام استانداردهای HDR استفاده می‌شود، با روشنایی 10 هزار نیت محدود می‌شود. EOTF تابع ریاضی برای انتقال یک سیگنال الکترونیکی به سیگنال نوری مورد نظر است؛ به عنوان مثال، عملکرد دیجیتال به آنالوگ.

برای مقایسه، مرجع BT.709 در 100 نیت است، به این معنی که در مقیاس ما، HDR شش و نیم استاپ بیشتر از SDR دارد. برای مقایسه بهتر باید اشاره کرد که SDR، 1-100 نیت یا حدود شش و نیم استاپ روشنایی را پوشش می‌دهد. در همین حال، HDR، در حالت ایده آل، 13.5 استاپ را پوشش می‌دهد (در ادامه در مورد آن بیشتر توضیح خواهیم داد). بنابراین، تا آنجایی که به درک ما از آن مربوط می‌شود، محدوده روشنایی قابل نمایش توسط HDR دو برابر SDR است.

عملی کردن اطلاعات

تمام این اطلاعات اضافی در روشنایی و رنگ باید برای خروجی در صفحه نمایش شما ذخیره شود. اطلاعات مربوط به رنگ و روشنایی به صورت دیجیتالی به صورت باینری و خروجی در هر رنگ ذخیره می‌شود. بنابراین، تعداد X بیت در هر رنگ، مقدار Y از اطلاعات را به شما می‌دهد (یک «بیت» دیجیتال 1 یا 0 است).

ملاحظات برای تعداد بیت‌های مورد نیاز دو مورد است: هر چه بیت‌های بیشتری داشته باشید، نواربندی کم‌تری را درک خواهید کرد. نواربندی یک «پرش» در رنگ یا روشنایی است که به این دلیل رخ می‌دهد که اطلاعات کافی در مورد رنگ‌ها / روشنایی مداخله‌ای برای ارائه یک انتقال روان وجود ندارد. این مقوله اغلب در فرمت GIF اصلی (امروزه استفاده نمی‌شود) دیده می‌شود که می‌تواند تنها 8 بیت را در کل تصویر ذخیره کند، بنابراین منجر به نوارهایی با قابلیت مشاهده بالا می‌شود (فقط 256 رنگ در هر فریم!). نقطه ضعف استفاده از بیت‌های بیشتر در هر پیکسل این است که تصویر فضای بیشتری را اشغال می‌کند و بنابراین به زمان بیشتری برای انتقال و بارگذاری روی هر دستگاهی نیاز دارد.

بنابراین، هدف این است که رنگ و روشنایی مورد نظر را با کم‌ترین بیت ممکن نشان دهیم و در عین حال از نواربندی نیز اجتناب کنیم. برای SDR این مقدار برابر با 8 بیت در هر رنگ است، در مجموع 24 بیت در هر پیکسل از هر تصویر حاصل. خوشبختانه برای ما، باینری نیز log2 است، بنابراین هر بیتی که اضافه می‌کنید به طور موثر اطلاعاتی را که می‌توانید ذخیره کنید دو برابر می‌کند.

در این مورد، اینکه سطح واقعی روشنایی ارسالی چقدر است (به عبارت دیگر، نیت‌ها) اهمیت بیشتری دارد. ده بیت اطلاعات کافی را برای رسیدن به سطحی بالاتر از به اصطلاح «آستانه بارتن» (که آستانه اندازه گیری شده‌ای است که در آن نواربندی می‌تواند قابل مشاهده باشد) را پوشش نمی‌دهد. از سوی دیگر، 12 بیت می‌تواند بیش از اندازه کافی برای نمایش سیگنال‌های HDR بدون باند پوشش دهد و همچنین باید بتواند وسعت REC 2020 را نیز به راحتی پوشش دهد. این مورد به طور کامل به موضوع دیگری می‌پردازد: استانداردهای رقابتی HDR برای سخت افزار، برای نرم افزار، و نحوه پیاده سازی آن‌ها در دنیای واقعی. اما باید به این موضوع در زمان دیگری پرداخته شود.

منبع: TomsHardware

logo
امتیاز این مطلب: 3
امتیاز شما:
مقالات مرتبط
برای ارسال دیدگاه ابتدا باید وارد شوید.
محصولات مرتبط