Что именно представляет собой формат Ultra HD? На этот вопрос не так уж просто ответить. Ultra HD скорее похож на набор инструментов, которые можно использовать в разных сочетаниях. При этом организации расходятся во мнениях о том, какие комбинации считать Ultra HD. А споры на эту тему ведутся даже на форуме Ultra HD.

Впрочем, основные элементы формата UHD определены весьма четко. Вот они:

1. Пространственное разрешение 4K или 8K.

2. HDR или расширенный динамический диапазон.

3. WCG или широкая цветовая гамма.

4. Большее цветовое разрешение в битах.

5. HFR или высокая частота кадров.

6. Аудио следующего поколения.

Как видите, все параметры касаются видео. Кроме одного — аудио следующего поколения в этом списке выглядит довольно необычно. Давайте рассмотрим каждый пункт один за другим.

Пространственное разрешение

Разрешение видео — наиболее понятный аспект, хотя путаница в отношении терминов по-прежнему существует. Обычно его называют 4K — и именно так на него ссылались компании вроде Sony при анонсе своих первых UHD-продуктов в 2012 году.

В том же году Ассоциация потребительской электроники или CEA (ныне Ассоциация потребительских технологий или CTA) предложила термин Ultra HD для обозначения разрешения 3840 × 2160, что не случайно созвучно с Full HD, так как оно вдвое больше по горизонтали и вертикали, чем разрешение HDTV 1920 × 1080 с тем же соотношением сторон 16:9 (1,78:1).

Возможно, CEA выбрало название Ultra HD, чтобы отличать его от термина 4K DCI (Digital Cinema Initiative), которое подразумевает разрешение 4096 × 2160, что соответствует соотношению сторон 17:9 или 1,90:1. Однако этот формат часто понимают неправильно.

Как правило, фильмы не делаются с разрешением 4096 × 2160. Это, так сказать, «контейнерный» формат. Изображение в нем обычно имеет реальное разрешение 4096 × 1716 (2,35:1 или CinemaScope) или 3996 × 2160 (1,85:1 или Vista Vision). То есть, чтобы подогнать его под формат экрана телевизора, требуется некоторая обрезка видео по ширине.

Впрочем, формат Ultra HD лишь поначалу описывался одним разрешением. Теперь у него гораздо больше параметров, поэтому организации вроде Ultra HD Forum стали обозначать разрешение 3840 × 2160, как 4K. Остальные составляющие данного стандарта — это другие пять упомянутых выше столпов. Какие из них можно назвать определяющими, чтобы видео квалифицировалось как Ultra HD? Споры на эту тему еще не закончились, хотя вкратце точно определено следующее:

— Ultra HD — это разрешение 4K и выше;

— 1080p-видео с HDR — это тоже Ultra HD;

— наличие одного лишь звука следующего поколения из приведенного выше списка не делает видео соответствующим формату Ultra HD.

При этом не исключается множество иных комбинаций. Например, HD-видео c разрешением 1080p, но с HFR 100 кадров в секунду — это тоже Ultra HD? Нам еще предстоит это выяснить.

Не забывайте при этом, что 8K тоже называется Ultra HD. CEA/CTA выбрала это название для разрешений 4K и 8K, а DVB Project называет 8K термином UHD2. Для телевизоров это означает разрешение 7680 × 4320, что опять же вдвое больше, чем разрешение 4K — и по горизонтали, и по вертикали.

В кинематографическом производстве 8К означает разрешение 8192 × 4320. Некоторые фильмы уже (частично) сняты в этом разрешении, но не закончены в нем. Вместо 8К их сохраняют в формате 2К Digital Intermediate или, в лучшем случае, в 4K из-за высокой стоимости и времени проработки визуальных эффектов.

Но ситуация меняется. Если телевизионный контент в 4К — за исключением некоторых тематических каналов вроде Insight TV и Travel XP — по-прежнему встречается редко, то в Голливуде производство в 4K постепенно становится все более распространенным.

Правда, в поисках богатого выбора 4K-контента вы неизбежно столкнетесь со стриминговыми платформами вроде Netflix, Amazon и Disney+. Причем Disney сейчас находится в процессе ремастеринга своего бэк-каталога в 4K, чтобы сделать его доступным через OTT, а Netflix настаивает на том, что весь его контент изначально делается в 4K и с HDR.

С дисками Ultra HD Blu-ray все сложнее. Они могут делаться как из материалов, полностью снятых и законченных в 4К или из 4К-сканов кинопленки, так и из 2К-трансферов, когда фильм был закончен в этом разрешении. Либо потому, что был снят в этом разрешении, либо потому, что визуальные эффекты были отрисованы с этим разрешением.

Начнут ли в ближайшее время такие компании, как Netflix, производить контент в формате 8K? Возможно. Они — наиболее вероятные поставщики 8К-контента, ведь всего несколько лет назад именно они стали пионерами в сфере 4K. Но маловероятно, что мы когда-либо увидим диски формата 8K — подробнее об этом читайте здесь.

Вам наверняка известно, что на рынке конкурируют различные технологии отображения — особенно это касается OLED и ЖК-дисплеев (часто ошибочно называемых LED-телевизорами и мониторами). Они не связаны с конкретными форматами Ultra HD — они агностики.

Существует множество статей, в которых подробно рассматриваются отличия между ними, плюсы и минусы, поэтому в этой статье мы не будем касаться этого подробно. Нам важно лишь то, что в целом ЖК-дисплеи могут обладать более высокой пиковой яркостью, а OLED — большей контрастностью, благодаря более глубокому черному цвету.

Расширенный динамический диапазон

Сначала стоит развеять одно распространенное заблуждение: HDR-видео — это нечто совершенно иное, нежели HDR-фотография. Фотография — это некий «синтез экспозиции», когда два изображения, снятые с разной экспозицией, объединяются в одно.

Полученное изображение обычно предназначено для отображения на дисплее со стандартным диапазоном или для печати на бумаге, поэтому легко увидеть, что это неправильный HDR. Единственное, что имеет высокий динамический диапазон в HDR-фотографии, — это сама снимаемая сцена.

То, что мы называем HDR в видео, включает в себя больший динамический диапазон между самой темной и самой яркой частью изображения, выраженный в F-ступенях или стопах. Стандартный динамический диапазон охватывает семь ступеней, а расширенный — около 14 ступеней. Захват такого динамического диапазона выполняется и в фотосъемке — обычно в формате RAW, файлы которого нуждаются в предварительной обработке для отображения на дисплеях.

Одним из немногих случаев, когда фото и видео могут сходиться в данном вопросе, являются неподвижные изображения в формате HLG HDR, которые могут получаться с новейшими камерами Panasonic Lumix и без предварительных преобразований отображаться в HDR на телевизорах Panasonic. Вообще, формат HLG или Hybrid Log Gamma заслуживает особого внимания — как и иные, входящие в семейство стандартов Perceptual Quantizer (PQ).

HLG — это так называемый формат HDR с привязкой к сцене, то есть в нем не используется никаких метаданных. Он был разработан вещательными компаниями BBC и NHK с целью доставки сигнала, совместимого с HDR, а также с телевизорами SDR (последние должны работать с широкой цветовой гаммой для воспроизведения правильного изображения). Кроме того, он должен был предложить высокий уровень совместимости с существующими производственными процессами и оборудованием. Этого они и достигли. Как уже было сказано, не так уж много ТВ-трансляций сегодня идет в HDR — но те, что есть, в основном используют HLG.

Формат PQ, разработанный Dolby и описанный SMPTE в стандарте ST.2084, может использовать метаданные — но это необязательно. Вариант со статическими метаданными указан в стандарте ST.2086 — он называется HDR10. Вариант HDR ST.2084 без метаданных упоминается как PQ10. Разница между ними не так значительна, как кажется.

Например, хотя ST2086 и определяет, чему должны соответствовать метаданные, он не дает строгих указаний, как их следует использовать. Поэтому производители телевизоров могут делать свои собственные поправки при декодировании, а некоторые предпочитают просто игнорировать метаданные и применять свою собственную секретную обработку — что, естественно, приводит к различным результатам.

В дополнение к статическим метаданным видео с HDR может снабжаться и динамическими метаданными, что дает создателям контента возможность изменять параметры от сцены к сцене (и даже от кадра к кадру — прим. переводчика). Существует три разновидности такого HDR, указанные в наборе стандартов, объединенных SMPTE ST.2094:

1. Dolby Vision (ST.2094-10).

2. Advanced HDR от Technicolor.

3. HDR10+ (ST.2094-40), разработанный Samsung и Panasonic.

На сегодняшний день формат Dolby Vision наиболее распространен. Technicolor HDR — темная лошадка в этой гонке. Он был выбран в качестве формата HDR для Бразилии, а недавно был реализован в трансляциях ATSC 3.0 в США, и рассматривается властями Китая в качестве основы для вещательного HDR-формата.

Если не брать в расчет ТВ-трансляции, в остальных сферах бал правит HDR10. Его поддерживают все телевизоры с поддержкой HDR — равно как и все потребительские HDR-мониторы для ПК. В сфере PC-игр, когда заявлена поддержка HDR, имеется в виду HDR10.

Все потоковые сервисы, которые предлагают HDR, поддерживают как минимум HDR10 — и это обязательный формат HDR для UHD Blu-ray (это означает, что все проигрыватели должны иметь возможность декодировать его, а стандарты Dolby Vision, HDR10+ и ST-2094-20 не являются обязательными для них).

Широкая цветовая гамма

Примерно в то же время, когда утверждались стандарты для разрешения 4K, в телевизионной индустрии было принято новое цветовое пространство с охватом более широкой цветовой гаммы, которую уже тогда потенциально могли генерировать плоскопанельные дисплеи (ЖК и OLED).

Во времена аналогового телевидения стандартного разрешения, когда все мы использовали кинескопы с электронно-лучевыми трубками, цветовое пространство (в PAL и SECAM, а также NTSC) описывалось стандартом Rec.601. Для HDTV, появившегося сразу после перехода на цифровое телевидение, это цветовое пространство было немного расширено до Rec.709.

Возможности современных дисплеев в плане охвата могут сильно отличаться, но они значительно шире и обычно соответствуют так называемому DCI-P3 — формату, так же определенному Digital Cinema Initiative, как и разрешение DCI-4K. Цветовое пространство Rec.2020, определенное для UHD TV, намного превосходит возможности большинства выпускаемых дисплеев. И не факт, что полное покрытие Rec.2020 когда-либо будет достигнуто в коммерческих продуктах.

Практически все предлагаемые в настоящее время UHD-телевизоры, за исключением самых первых поколений 4K-моделей 2012/2013 годов, могут поддерживать Rec.2020 в том смысле, что они принимают такие сигналы и обрабатывают их соответствующим образом. Ни один из них не предлагает 100% покрытие данного цветового пространства. Реальное же покрытие у разных моделей может отличаться весьма значительно — и чаще всего оно зависит от цены.

Более новый стандарт Rec.2100 подразумевает не большее цветовое пространство, чем у Rec.2020, а такое же по площади со спецификациями для HDR (как PQ, так и HLG), разрешения (Full HD, 4K или 8K) и частоты кадров (все стандарты — от 24 до 120 кадров в секунду, включая дробную частоту кадров). То есть, по сути, это суммирующий стандарт.

Глубина цвета

Глубина цвета выражается по количеству битов, приходящихся на каждый субпиксель. Каждый пиксель изображения состоит из трех субпикселей: красного, зеленого и синего. Таким образом, так называемое 8-битное видео фактически использует 24 бита на пиксель.

Формат HDTV (и цифровой SDTV до него) использует 8 бит, что позволяет использовать 2^8 степени градаций или 256 вариантов цвета (оттенки красного, зеленого и синего — так что 24 бита на пиксель дают 2^24 степени или 256^3 — 16,8 млн цветов. Кажется, что это очень много, но сегодня этого уже недостаточно.

Почему? Из-за HDR. Это не наши глаза стали лучше, а наши дисплеи. Они могут отображать гораздо больший объем цветов — и если мы продолжим использовать то же количество битов, им нужно будет покрыть больший цветовой диапазон, где различия между пограничными оттенками будут больше и станут легко различимы. В результате чего появится эффект, известный как «цветовые полосы» (ступенчатые цветовые переходы).

Когда вы видите иллюстрацию этого эффекта, на картинке он обычно сильно преувеличен. Если угодно, это своего рода подделка. Дело в том, что, скорее всего, вы читаете данную статью на дисплее с SDR (стандартным динамическим диапазоном). По-другому и нельзя, потому что пытаться показать разницу между SDR и HDR на дисплее с SDR — все равно, что пытаться показать разницу между цветным и черно-белым изображением на черно-белом телевизоре.

Вот почему большинство материалов, пытающихся сравнить SDR и HDR, иллюстрируют картинками, в которых контраст одного изображения был искусственно занижен. Некоторые идут еще дальше, показывая три изображения с пониженными уровнями яркости, предполагая, что они изображают SDR, HDR со статическими метаданными и HDR с динамическими метаданными.

Например, это изображение (из другой отличной статьи) в верхней части показывает спектр из 32 цветов, включая черный и белый, который вы можете построить с 5 битами на пиксель (2^5 = 32). Таким образом, с 2 битами на субпиксель у вас уже будет 64 цвета — вдвое больше, чем на этом рисунке. 8-битный цвет дает в 2^18 = в 262 144 раз больше цветов.

Количество цветов на рисунке в нижней части, которая в SDR выглядит как довольно плавный градиент, составляет около 1 300 — то есть значительно меньше 2 048, чего можно достичь с 11 битами на пиксель или 4 битами на субпиксель. Фактически, 4-битный цвет дает 4 096 цветов — это в три с лишним раза больше, чем изображено здесь.

Теперь вернемся к реальным числам: 10-битный цвет дает нам 2^10 = 1 024 оттенка на субпиксель, поэтому 2^30 = 1 024^3 = более 1 миллиарда цветов. К сожалению, я не могу показать вам разницу между 8-битным и 10-битным цветом на 8-битной панели, на которую вы, вероятно, смотрите в данный момент, но вы сможете увидеть ее на HDR-телевизоре с 10-битной панелью. И чтобы это заметить, не нужны хорошо натренированные глаза.

Обратите внимание, что не все телевизоры HDR используют 10-битные панели. 8-битные в них по-прежнему слишком распространены, а в компьютерных мониторах — тем более. Скорее вы найдете панели, использующие 8-битное преобразование + FRC или Frame Rate Control — метод имитации 10-битных цветов.

12-битный цвет с двумя дополнительными битами дает в четыре раза больше оттенков на подпиксель, поэтому 4 096 градаций и 2^36 = более 68 миллиардов цветов. Неясно, когда мы увидим 12-битные панели в телевизорах, но сигнал для них у нас уже есть. Например, Dolby Vision дает на выходе 12-битный цвет на дисках UHD Blu-ray.

Японская государственная телекомпания NHK, транслирующая программы в формате 8K с ноября 2018 года, выступает за 12-битный цвет, тогда как Ассоциация 8K придерживается 10-битного цвета. При этом они предлагают разную частоту кадров. Подробнее об этом ниже.

По большому счету, на данный момент Ultra HD Blu-ray — это единственная форма потребительских медиа, поддерживающая 12-битный цвет. Диски без Dolby Vision используют 10-битный цвет и цветовое пространство Rec.2020, а обычные 1080p Blu-ray-диски используют 8-битный цвет и цветовое пространство Rec.709.

HDR + WCG + расширенная глубина цвета

Распространено мнение, что HDR изначально имеет широкую цветовую гамму и глубину цвета не менее 10 бит. На практике эти три технологии обычно сочетаются друг с другом, и на то есть веская причина — их сочетание обеспечивает значительное улучшение цвета. Например, большее количество битов помогает предотвратить огрубление цветовых переходов, которые в противном случае могут легко возникнуть при расширении динамического диапазона.

На самом деле все три технологии могут существовать независимо друг от друга и могут дать некоторые преимущества. 10-битный и 12-битный цвет уже были опробованы на Full HD Blu-ray в Японии. Несколько лет назад Panasonic запустила формат Master Grade Video Coding (MGVC), содержащий своего рода улучшающий слой с двумя или четырьмя дополнительными битами для достижения 10 или 12-битного цвета. При этом только специальные проигрыватели Panasonic BD могли декодировать добавленные биты. В этом формате было выпущено несколько анимационных фильмов Studio Ghibli.

HDR без WCG и без глубокого цветового разрешения используется в проприетарном формате HDR Бразилии. Несколько компаний, объединившихся в SBTVD (Sistema Brasileiro de Televisão Digital), включая Globo, договорились о промежуточном формате вещания, который использует SL-HDR1 (Technicolor Advanced HDR) с цветовым пространством Rec.709, 8-битным цветом и звуком в MPEG-H. Его можно передавать в формате AVC (H.264) через ISDB-Tb или в HEVC через 5G. Правда, нам придется подождать и посмотреть, как это будет работать, но то, что такое вещание существует, показывает, что у HDR есть множество вариантов реализации.

Поскольку три перечисленных технологии так хорошо сочетаются друг с другом, они обычно объединяются. И многие, вероятно, предполагают, что 10-битное видео и WCG являются неотъемлемой частью HDR, хотя это не так. Возможно, для этого пакета функций лучше было бы использовать другое имя, нежели HDR — скажем, «Ultra Color». Тогда у нас были бы созвучные Ultra High Definition и Ultra Color, но сейчас уже слишком поздно рассуждать на эту тему — названия устоялись и используются по всему миру.

Высокая частота кадров

Это сбивает с толку, но высокая частота кадров означает разные вещи в разных областях. В фильмах все, что выше 24 кадров в секунду, считается HFR. Примеры редки. Большинство людей вспомнят такие фильмы, как трилогия «Хоббита» (снятая с частотой 48 кадров в секунду), «Долгая прогулка Билли Линна в перерыве футбольного матча» и «Гемини» (оба сняты с частотой 120 кадров в секунду, а показывались с частотой 60 или 120 кадров в секунду).

Но на самом деле других полнометражных лент с HFR и не существует, потому что частота кадров, отклоняющаяся от 100-летней нормы в 24 кадра в секунду, воспринимается слишком неоднозначно. Некоторым это нравится, но многих это сильно раздражает — вероятно, потому, что на протяжении многих десятилетий мы привыкли воспринимать изображения, снятые с такой не стандартной частотой кадров, только в жанре эпического кино.

Это чем-то похоже на зернистость пленки: можно утверждать, что это артефакт, которого следует избегать, но большинству людей он помогает избавиться от недоверия. Он приказывает мозгу перейти в режим просмотра кино. Более высокая степень реализма бесполезна — напротив, она разрушает магию.

Множество вопросов о том, как эти механизмы работают в мозге, остаются без ответа. Возможно, норма не будет с нами вечно, но может потребоваться много времени, чтобы более высокая частота кадров стала обычным явлением и получила широкое признание.

Между тем, на телевидении частота кадров 50 и 60 Гц была нормой с момента своего появления в середине прошлого века. В последние годы мы подошли к моменту, когда чересстрочное видео (50i, 60i) постепенно заменяется прогрессивным (50p, 60p). Однако от этого оно не становится HFR — ведь в ТВ это означает более высокую частоту кадров, которая составляет 100p или 120p. Как вы уже догадались, в фильмах такая частота используется редко. С другой стороны, спорт — это тот жанр видео, который от наличия HFR выиграет больше всего.

В настоящее время ТВ-трансляции в формате 1080p50 (в Европе) и 1080p60 (в Северной Америке) довольно распространены, особенно спортивные. Кроме того, для трансляций в 2160p (4K) такие частоты кадров является нормой. Но HFR еще не использовалась — за исключением нескольких пробных трансляций.

Вероятно, потому, что очень не многие телевизоры в настоящий момент могут поддерживать HFR. Лишь линейка OLED-телевизоров LG 2020 года и несколько других моделей подготовлены для HFR, потому что новое поколение игровых консолей смогут выводить видео HFR.

Это подводит нас к третьей области применения — видеоиграм. Что в них считается HFR — четко не определено. Но можно с уверенностью сказать, что это больше 60 кадров в секунду. Сегодня в компьютерных игровых мониторах происходит что-то вроде гонки частоты обновления, где обычными считаются 144 Гц, а выдающимися — 240 Гц.

Аудио нового поколения

Единственным не связанным с видео условием для UHD является звук. Аудио следующего поколения (Next-Gen Audio или NGA) считается звук, выходящий за рамки традиционных многоканальных форматов вроде Dolby Digital, DTS-HD и подобных. В частности, речь идет о системах объемного объектно-ориентированного звука, которые могут использовать верхние каналы, что делает звук действительно трехмерным. В этой области конкурируют три формата: Dolby Atmos, DTS:X и MPEG-H (на самом деле четыре, включая Auro-3D — прим. переводчика).

Dolby Atmos для дома работает несколько иначе, чем в кинотеатрах, но направлен на достижение тех же целей: точное размещение звуков в любом месте трехмерного пространства, в котором вы смотрите фильмы. Где система кинотеатра может обрабатывать до 128 аудиообъектов и адресовать 64 различных канала (громкоговорители), домашняя система добавляет пространственно кодированный субпоток к сигналу Dolby Digital Plus и Dolby TrueHD или распознается в виде метаданных в формате Dolby MAT 2.0 (передача звука с улучшенными метаданными). Стриминговые сервисы используют формат Dolby Digital Plus с потерями. Диски Ultra HD Blu-ray и платформа Kaleidescape, которая позволяет загружать фильмы в Ultra HD, используют формат Dolby TrueHD без потерь.

Более подробное описание того, как это работает, выходит за рамки данной статьи, но Dolby Atmos нашел свой путь в домашние системы, в основном, через платформы потокового видео, загрузку фильмов, Blu-ray и Ultra HD Blu-ray — и в меньшей степени через вещательное телевидение. BT TV в Великобритании — один из очень немногих операторов, использующих Dolby Atmos в прямых телетрансляциях футбольных матчей. Причем они занимаются этим с 2017 года.

Еще одним важным источником звука Dolby Atmos служат видеоигры. Xbox One уже поддерживает Atmos в играх — Xbox Series S/X тоже. С другой стороны, PS5 использует проприетарную объектно-ориентированную 3D-аудиосистему Sony под названием «Tempest Engine».

Что касается практического использования, конечно, вам не нужно устанавливать 64 динамика в гостиной, как в кинотеатре. У вас может быть ряд обычных напольных динамиков, которые составляют 7.1- или 9.1-канальную конфигурацию с добавлением двух или четырех верхних каналов — это даст вам то, что называется 9.1.4.

Существуют более практичные альтернативы, включая колонки с направленными вверх динамиками, которые делают ненужными потолочные спикеры. А так как каждый звук, по сути, создается с помощью вычислительной математики, известной как психоакустика, теперь получить поддержку Atmos можно даже в телевизорах, саундбарах и умных колонках.

DTS:X — аналогичная система от компании Xperi, стоящей за DTS. Он поддерживается всеми современными AV-ресиверами, а также телевизорами и саундбарами. Как и Atmos, DTS:X доступен на Blu-ray и UHD Blu-ray-дисках. Однако вы не найдете его в потоковых сервисах — и он не используется для ТВ-трансляций.

Широковещательное телевидение, вероятно, станет основным ресурсом, на которое нацелен MPEG-H. Этот формат с наименее запоминающимся названием был разработан Институтом Фраунгофера, который сыграл ключевую роль во многих стандартах сжатия вплоть до MP3. Он используется различными UHD-вещателями в Южной Корее в сочетании с видео ATSC 3.0.

Вывод

Несколько лет назад, когда Ultra HD только начинал разворачиваться, стало очевидно, что многие технологии, которые должны были реализоваться, не будут введены одновременно. Теперь все составляющие данного формата на месте. Стало также ясно, что вещательное телевидение будет использовать эти новые функции лишь отчасти.

К счастью, у нас есть множество других источников, в которых они используются, включая потоковое видео, физические носители, игры и пользовательский контент. Поэтому вам не нужно больше ждать, чтобы наслаждаться ими.

Оригинал: The Six Pillars of Ultra HD