Dossier : Tout comprendre de l’Ultra HD/4K
Le High Dynamic Range (HDR)
Rappel
L’imagerie à grande gamme dynamique (high dynamic range ou HDR) regroupe un ensemble de techniques numériques permettant de représenter ou de mémoriser de nombreux niveaux d’intensité lumineuse dans une image. D’abord développée pour les images générées par ordinateur, la technique s’est ensuite adaptée à la photographie numérique et concerne désormais aussi la vidéo. Que ce soit pour un appareil photo ou pour une caméra vidéo, la problématique reste la même : différents paramètres ( temps d’exposition, ouverture, sensibilité ) sont ajustés ( automatiquement ou par l’utilisateur ) au moment de la captation d’image pour obtenir une photo/vidéo. Ces paramètres ne permettent jamais aux capteurs numériques de mémoriser la pleine échelle de lumière d’une scène/paysage.
L’obtention d’une photographie HDR peut se faire avec un appareil traditionnel en prenant plusieurs photos LDR (Low Dynamic Range) d’une même scène/paysage puis en les fusionnant avec un logiciel. Si la technique est bien réalisée, on obtient alors une image aussi bien détaillée dans ses zones claires que sombres. La photo ( prise en HDR ) ci dessus montre qu’il y a un rapport de 5000 entre la partie la plus sombre et la partie la plus claire de l’image, ce qu’aucun capteur numérique n’est capable de retranscrire de façon lisible en une seule prise de vue.
HDR en vidéo
Bénéficier des effets de la technologie HDR implique certaines conditions :
1 – Une vidéo classique ne peut pas être transformée en vidéo HDR ( en tout cas pas pour le moment ). Il faut donc réaliser la captation en HDR ( et en une seule prise de vue contrairement à la photographie ) à l’aide d’un jeux de deux caméras, d’un miroir et de filtre assurant la captation en sous exposition et en sur exposition en même temps. Il est impératif d’utiliser des caméras vidéos capable d’exploiter une profondeur de couleur d’au moins 10 bits sous peine de ne pas pouvoir extraire des informations utiles pour la partie HDR.
2 – La seconde condition concerne l’obligation d’un traitement spécifique des deux flux vidéos afin d’obtenir une vidéo « classique » accompagnée de ses données HDR. On commence par apporter des corrections géométriques aux deux vidéos ( celle surexposée et celle sous-exposée ) pour être en mesure de les fusionner. Puis, on va analyser les composantes Y ( luminance ) de chacune des deux vidéos pour séparer les informations communes à celles spécifiques à chaque vidéo. Les informations communes de luminance sont fusionnées dans un 1er canal ( LDR ) qui deviendra la composante de luminance Y de la vidéo finale. Les informations de luminance spécifiques aux deux vidéos sont fusionnées dans un 2nd canal ( lui aussi LDR ). Enfin des informations de synchronisation utiles pour la colorimétrie en cas d’affichage HDR sont extraites en métadonnées. Les deux canaux de luminance sont encodés et compressés puis fusionnées avec les données de couleur pour obtenir un seul flux vidéo ( intégrant les métadonnées HDR ). Il ne reste plus qu’à convertir la vidéo finale ( choix de la résolution, de la profondeur de couleur, de l’espace colorimétrique ) puis la stocker avant de pouvoir la distribuer.
Les données HDR sont donc composées d’un canal de luminance spécifique ainsi que de métas-données entourant le flux vidéo « classique ». Cette séparation de la luminance permet de garantir une compatibilité descendante. Ainsi, un diffuseur LDR ( Low Dynamic Range ) ne peut pas être upgradé en HDR ( High Dynamic Range ) mais il pourra afficher ( de façon non HDR ) un média encodé en HDR.
3 – Le diffuseur ( téléviseur ou vidéo-projecteur ) doit satisfaire des caractéristiques minimales ( non standardisées à ce jour ) pour être compatible HDR.
Ce document ci-dessous permet de comparer la pleine échelle de lumière mesurable, celle visible par le système visuel humain et celle capable d’être reproduite par des diffuseurs LDR ( Low Dynamic Range ) actuels ( téléviseurs et vidéo projecteurs de cinéma ). Un moniteur LCD affiche au mieux 300cd/m2 ( ou 300 nits ), les meilleurs téléviseurs actuels ( non HDR ) vont jusqu’à 900 cd/m2.
Augmenter la dynamique des images visible à l’écran fait partit des nouveaux aspects que l’industrie de l’audiovisuel à tenu à prendre en considération lors des spécifications de l’ultra HD. Il s’agit ici d’augmenter le réalisme des images et donc l’immersion du spectateur en définissant de nouvelles valeurs normés pour les valeurs crêtes de blanc et noir affichable. L’accroissement de ces valeurs augmentera ainsi le contraste du diffuseur qui reposait jusqu’alors sur des normes vieillissantes.
Voici une image extraite d’une séquence filmée et encodé en HDR ( caméra F65 Sony, 1080p à 25 images/s, Rec.709 ) et diffusée depuis un moniteur professionnel SIM2 HDR47E S 4K équipé d’un système HDR.
Problématiques liées aux diffuseurs
En pratique, augmenter la gamme dynamique de nos diffuseurs implique des problématiques différentes entre téléviseurs et vidéos projecteurs :
- pour les téléviseurs, on sait que seule la technologie OLED pourrait permettre de tels niveaux de contraste. Le problème c’est que l’OLED vieillit mal et rapidement ce qui génère une instabilité en matière de colorimétrie. Les laboratoires chimiques comme BASF cherchent des matières organiques de substitution afin de réduire les coûts de fabrication et de maîtriser les dérives temporelles en matières de colorimétrie mais du coup, ces nouveaux composés organiques s’avèrent moins intenses en luminosité. Le HDR aura donc un effet maximum sur des téléviseurs Oled première génération, puis viennent ensuite les téléviseurs Oled avec des composés organiques de substitutions et enfin les téléviseurs LED dont l’effet HDR est sensiblement diminué par rapport à l’Oled. Autrement dit, préférer un téléviseur OLED si le HDR vous est primordial.
- En vidéo projection, aucune technologie existante ne permet de diffuser de l’HDR correctement. Il faudra attendre la généralisation de la technologie full laser avec des niveaux de luminosité fantastique pour égaler ce que l’on verra sur un téléviseur OLED.
- Dernière chose, le HDR ne marche que sur des médias encodés en 10 bits. Si les électroniques des vidéos projecteurs supportent le 10 bits voir le 12 bits pour les haut de gamme, ce n’est pas le cas des téléviseurs dont + de 95% sont équipées de dalles adressables qu’en 8 bits.
L’autre partie du problème est la fonction de transfert opto- électronique ( OETF ) utilisée pour convertir des images optiques de la caméra en signaux électroniques et la fonction ( inverse ) de transfert électro-optique ( EOTF ) utilisée pour convertir les signaux électronique en image à l’écran. Toutes deux sont actuellement basées sur la notion de gamma utilisée dans tous les téléviseurs. Nos diffuseurs se comportent de telle manière que lorsque l’amplitude du signal d’entrée est faible, il ne réagissent que très peu à ce signal ou à ses variations de faibles amplitudes et ne les reproduisent pas. Le gamma est une correction mathématique opérée pour relier l’amplitude de la luminance (en volt) d’un signal de télévision et la luminance (en cd/m²) réelle de l’image sur un diffuseur. Cette correction a néanmoins des inconvénients car, si le gamma est réglé trop haut ( > 2,4 ), les détails des scènes sombres ne seront pas affichés. A contrario, un gamma réglé trop bas ( <1,8 ) et l’on perdra la densité des noirs affichés. De plus, un gamma mal réglé peut intensifier le phénomène de banding visible sur les parties lumineuse d’une scène à fort contraste ; ce phénomène étant en majeure partie liée à la profondeur de bit utilisé pour encoder un signal vidéo. Les questions liées à la profondeur de bit et au Banding dépendent donc du gamma utilisé sur l’afficheur. Malgré la possibilité de modifier manuellement le gamma de nos diffuseurs, il n’y a pas de réglage standard ( ou recommandé ) en fonction de l’espace colorimétrique exploité par la vidéo que l’on regarde. Ni l’espace colorimétrique Rec.709, ni le Rec.2020 ne spécifient un EOTF. Un gamma de 2.4 est spécifié dans le Rec.1886, et le Rec.2020 l’utilise pour l’instant.
Le Dolby vision
Afin de réduire le Banding, notamment lors des valeurs élevées de luminance, la société Dolby développe une nouvelle EOTF appelée quantification Perceptuelle (PQ). Dolby affirme que ce système peut améliorer les dégradés de couleurs dans l’affichage des hautes lumières, des reflets du soleil ou des feux d’artifice, ainsi que les détails à bas niveaux de lumière. En fait, la société affirme qu’une profondeur de couleur de 12 bits en PQ équivaut à une profondeur de couleur de 14 bits en EOTF basé sur le gamma.
Basé sur les travaux expérimentaux de Dolby et de l’EBU ( publiés en juin 2013 ) et des nombreuses présentations du système Dolby Vision, le SMPTE a décidé de formaliser trois spécifications qui permettront l’exploitation de ce nouveau standard HDR ( SMPTE-2084,2085,2086 ). Cela impacte d’abord les diffuseurs qui devront avoir les capacités d’afficher les nouvelles valeurs crêtes de blanc et de noir attendues. Cela affecte ensuite la façon dont les signaux vidéos UHD et UHDTV sont préparés ( masterisés ) avant d’être distribués. Enfin cela affecte la captation d’image vidéo.
Pour les vidéos (films, concerts, documentaires) stockés sur support physique (remplaçant du Bluray, …)
Janvier 2014 : les studios Hollywoodiens, partit prenante dans les spécifications du futur Bluray, souhaitent que le futur support puisse accepter le HDR et que les lecteurs puissent transformer le signal en conséquence quand ils sont raccordés à un diffuseurs HDR. La cible maximale définie par les studios est de 10 000 cd/m2 pour la pleine luminosité et 0,005 cd/m2 pour l’image la plus noire possible. Ceci donnerait alors un taux de contraste de 2 000 000:1 ! Nos téléviseurs vont devenir de vrais lampes halogènes …
Pour la diffusion TV (Broadcasting c’est à dire via satellite ou TNT, Broadbanding c’est à dire via boîtier internet ou live via site internet)
Le consortium DVB, qui spécifie les paramètres type des signaux UHD télévisé exploitable en Europe, a fixé en janvier 2014 que l’HDR ne ferait pas partit des paramètres figés lors de la phase d’introduction de l’UHD-1. En revanche, l’HDR est d’ors et déjà officialisé pour que l’UHD-1 ( 2ème phase qui devrait voir le jour à partir de 2017 ) puisse être distribué avec des signaux compatible avec cette fonctionnalité.
Pour les vidéos (films, concerts, documentaires) disponible en streaming ou via des sites de vidéo à la demande
Il est vraisemblable de penser que nos moniteurs informatique ( comme nos autres diffuseurs ) seront équipés petit à petit de la fonctionnalité HDR et donc équipés d’électroniques pouvant afficher des vidéos encodés sur 10 bits. On peut supposer que des vidéos HDR seront aussi disponible en téléchargement sans difficulté majeures pour les diffuseurs.
Si vous avez des questions, n’hésitez pas à vous rendre directement sur le topic du forum dédié !
