Questo testo è una traduzione di un articolo pubblicato in data 22 agosto 2017 da Itmedia. Copyright 2017 Itmedia Inc. Tutti i diritti sono riservati.

High Dynamic Range, ossia HDR - di che cosa si tratta?

Monitor di riferimento HDR, ColorEdge PROMINENCE CG3145

Ultimamente si sente sempre più spesso parlare di HDR nel contesto televisivo, ma il concetto sembra non essere ancora molto chiaro. HDR è l'acronimo di High Dynamic Range.  Forse avete già notato questo termine nelle specifiche di nuovi televisori o nella pubblicità - si tratta di una tecnologia di ultima generazione presente nei modelli a 4K che offre un intervallo dinamico più esteso rispetto ad altri televisori.

Se vi intendete di fotografia vi siete sicuramente già imbattuti nel termine HDR in ambito fotografico, l'uso della tecnologia HDR è conosciuta anche negli smartphone e utilizza una tecnica di scatto multiplo di fotografie con differenti esposizioni che consente di ottenere un'immagine di qualità ottimale.  Ma quando si parla dell'HDR video ci troviamo di fronte ad un approccio completamente diverso rispetto all'HDR fotografico.

La differenza fra HDR fotografico e HDR video

Cosa è la modalità HDR dell'iPhone?

"La gamma dinamica" definisce l'intervallo dinamico tra le sezioni più chiare e quelle più scure dell'immagine che il dispositivo è in grado di riprodurre, preservando la capacità di differenziazione delle tonalità. Se, per esempio, si scatta una foto in una stanza con una forte sorgente luminosa come una finestra illuminata dal sole si noterà che i dettagli, in ombra o in luce, andranno a perdersi. Nonostante la stanza sia esposta correttamente, il panorama che si osserva dalla finestra è sovraesposto. Oppure, il panorama che si osserva dalla finestra è correttamente esposto,  ma gli oggetti in ombra nella stanza saranno sottoesposti. Un problema incontrato molto spesso.

Ciò è dovuto al fatto che la differenza tra l'area più chiara (la finestra illuminata dal sole) e l'area più scura (l'interno della stanza) è troppo grande. Supponiamo in questo esempio, di essere in grado di estendere la gamma fra nero e bianco a piacere, e di poter fare in modo che le aree chiare non appaiano slavate o addirittura bianche e le aree scure non presentino granulosità, ma un livello di nero saturo. Più si estente questa gamma dinamica, più fedele risulterà l'immagine al reale e le sfumature molto più vicine a quelle percepibili dagli occhi dello spettatore.

La gamma dinamica di oggetti reali è estremamente vasta. Se si osserva il sole, per esempio, avremo una luminosità di oltre 16 miliardi candela per metro quadrato, mentre una luminosità tipica all'aperto raggiunge valori di 2000 cd/mq. Dal punto di vista percettivo, l’apparato visivo dell’uomo è per natura in grado di distinguere poco più del 30% della gamma dinamica visibile. Grazie alla capacità adattiva, i nostri occhi sono però  in grado di adeguarsi piuttosto rapidamente alle condizioni ambientali e a percepire  le enormi differenze di luminosità che ci sono intorno a noi.

In realtà i contenuti video di oggi vengono ancora masterizzati in produzione basandosi sullo standard di riferimento SDR (Standard Dynamic Range) tenendo come riferimento le caratteristiche che risalgono ai tempi dei  televisori CRT (a raggi catodici) che forniscono una luminosità massima tra 0,05 e 100 cd/mq. In poche parole: è un fatto certo che lo standard SDR sia in grado di riprodurre solo una piccola parte della gamma dinamica percepibile dai nostri occhi.

Age of HDR_SDR Display
La gamma dinamica del sistema SDR è ristretto entro i limiti dei valori tra 0,05 a 100 cd/mq e a causa di ciò la resa fra il bianco e il nero risulta alterata rispetto alle immagini originali. Contenuti SDR sono stati creati in base alle caratteristiche dei televisori CRT (tubo a raggi catodici).

La modalità HDR disponibile nell'iPhone ed in altri smartphone scatta due o più foto (una con esposizione normale, una più luminosa e una più scura della stessa scena), fondendole automaticamente in una sola immagine  per ottenere un'unica foto dalle caratteristiche bilanciate, senza parti sovraesposte o sottoesposte. Ne deriva un impatto fortemente realistico - simile a quello offetto dalla percezione dell'occhio umano. Purtroppo questa compressione delle tonalità avviene ancora nell'ambito della gamma SDR. Sebbene di fatto le perdite di dettaglio nelle aree più chiare e più scure vengono evitate,  la gamma dinamica effettiva dell'immagine non risulterà ampliata, poiché lavora con una gamma dinamica ancora limitata.

HDR Smartphones
La modalità HDR dei smartphone combina più scatti di una foto con un'esposizione differente e le combina ottenendo un'unica foto HDR che però rimane entro i limiti dell'intervallo dinamico dello standard SDR.

La nuova tecnologia video HDR delle moderne videocamere cinetelevisive è invece in grado di rappresentare l'intera gamma dinamica del visibile tra 0,00005 a 10.000 cd/mq senza necessità di compressione, un valore cento volte superiore alle prestazioni della tecnologia SDR.  Naturalmente i moderni televisori compatibili con la tecnologia HDR non raggiungono queste caratteristiche. I parametri di riferimento per la produzione video /ITU-R BT.2100) si orientano a livelli di luminosità tra 0,005 e 1000 cd/mq. Indubbiamente, contenuti HDR possono essere rappresentati in maniera oltremodo realistica. Scene con forti contrasti risulteranno ancora più incisive; per esempio, i raggi di sole che penetrano in una stanza buia offriranno un effetto davvero spettacolare anche sul vostro televisore a casa.

HDR Display
Con HDR la gamma dinamica della luminosità viene ampliata a valori tra 0,00005 e 10.000 cd/mq. In tal modo è possibile esprimere una gamma di luminosità molto estesa che consente di creare un contrasto simile alla percezione dell'occhio umano.
HDR Photo Video
La differenza tra HDR fotografico (curva luminosa compressa) e HDR video (gamma luminosa estesa).

Un'ulteriore diffusione della tecnologia HDR è strettamenta legata allo sviluppo dell'hardware. Videocamere hanno già raggiunto una sensibilità che supera i requisiti dello standard SDR (0,05 a 100 cd/mq) e i monitor dispongono di pannelli LCD con una retroilluminazione in grado di fornire una luminosità ben superiore a quella richiesta dallo standard SDR. E questi limiti verranno sicuramente presto oltrepassati senza difficoltà dalla tecnologia OLED.

Da tutto ciò risulta una richiesta sempre crescente di videocamere e display che - contrariamente alla vecchia tecnologia SDR - permettono una visione di massimo realismo. Televisori HDR ed elettronica di intrattenimento in HDR sono già disponibili ovunque. Ma quali vantaggi visivi propone davvero la tecnologia HDR video?

HDR video: una rivoluzione nel campo video ancora più spettacolare che l'avvento della risoluzione video a 4K o 8K.

ColorEdge PROMINENCE CG3145

Anche se sul tema HDR è stato scritto molto, a differenza della tecnologia 4K e 8K che si lascia facilmente quantificare in cifre, ci sono in realtà pochi fatti che descrivono nel dettaglio come agisce. L'unica cosa certa è: una volta constatate di persona, le differenze di visione vi salteranno letteralmente all'occhio. E se non avete ancora avuto l'opportunità di vedere la tecnologia video HDR in azione, desidero condividere in questo contesto le mie idee sul monitor HDR EIZO PROMINENCE ColorEdge CG3145.

La prima impressione delle immagini proposte dal monitor ColorEdge PROMINENCE CG3145 è che hanno un aspetto incredibilmente realistico. Prima di averlo visto in azione, la mia idea sulla tecnologia HDR era influenzata dalla mia esperienza con la tecnologia HDR in ambito fotografico e che consiste nella sovvraposizione di due o più scatti con diverse condizioni di illuminazioni, al fine di garantire la riproduzione di un'unica foto con valori ottimali. Proprio per questo mi aspettavo colori alquanto saturi ed effetti simili - la tecnologia HDR video, al contrario, offre una dinamica estremamente estesa che consente di percepire i più piccoli dettagli con grande precisione e che rende la riproduzione incredibilmente avvolgente e immersiva, in maniera tale che gli oggetti ripresi sembrano davvero reali e presenti.

Sono già a conoscenza del fatto che l'occhio umano è in grado di percepire con massima precisione le differenze di tonalità delle aree scure dell'immagine, ma l'esperienza diretta mi ha lasciato totalmente sorpreso. Nell'esempio ho esaminato una scena notturna in città, nella quale le luci si riflettono su una superficie d'acqua, il cui lieve movimento è visibile solo nelle aree d'ombra, mentre i riflessi adiacenti delle luci risultano vividi e contrastati e non slavati o biancastri. Scene come queste che uniscono aree buie e forti contrasti sono normalmente piuttosto difficili da restituire. Ma non per il modello ColorEdge PROMINENCE CG3145 che ci riesce con grande maestria.

Televisori con tecnologia HDR disponibili sul mercato

La differenza alla tecnologia SDR si rivela più che lampante (anche se in effetti avevo la possibilità di un diretto confronto). Per quanto riguarda il monitor EIZO ColorEdge CG3145 che ho avuto modo di valutare, si trattava di un prototipo: un monitor di riferimento per uso professionali di chi desidera creare contenuti in HDR. Forse per questo si trattava di un esempio estremo se paragonato ad un televisore compatibile con la tecnologia HDR. In ogni caso, vale la pena visitare il rivenditore locale se si desidera sperimentare di prima persona la qualità visiva della tecnologia HDR.

Cosa serve per beneficiare della qualità HDR?

Ormai è un fatto sicuro e incontenstabile che la tecnologia HDR propone un'esperienza visiva unica e straordinaria. Ma di quali requisiti necessita la tecnologia HDR per poterne godere in tutta la sua magnificenza? La prima ed evidente premessa è possedere un televisore compatibile con segnali HDR 10 . Vi consigliamo caldamente di verificare in ogni caso se il televisore 4K dispone di questa compatibilità. 

In aggiunta ci sono televisori che nonostante siano in grado di elaborare tali segnali dispongono di valori di luminosità e contrasto relativamente bassi.  Anche se è innegabile che la qualità visiva ricavi grandi benefici da caratteristiche elevate, per motivi del tutto incomprensibili queste caratteristiche molto spesso non vengono comunicate in modo trasparente.Proprio per questo si dovrà quindi far bene attenzione che il televisore riporti la certificazione Ultra HD Premium, un'etichetta creata dall'UHD Alliance, consorzio nato per promuovere prodotti e contenuti Ultra HD e con lo scopo di dare ai consumatori un marchio di fiducia che certifichi la verifica degli standard dalla UHD Alliance stessa.

Ultra HD Logo
Logo di UHD Alliance
4K HDR Logo
Logo 4K HDR di Sony

Senza scendere troppo nel dettaglio di queste specifiche, i display certificati devono raggiungere un livello di luminosità di almeno 1.000 cd/mq e un livello del nero inferiore a 0,05 cd/mq o alternativamente una luminosità di picco di almeno 540 cd/mq e meno di 0,0005 cd/mq per il livello del nero. La difficoltà sta nel fatto che con tutta probabilità tali specifiche sono reperibili solo in modelli di alta fascia e quindi decisamente più costosi.

Se si dispone di un display compatibile con HDR come passo successivo sarà necessario disporre di materiale da riprodurre. Due sono gli standard o formati rilevanti: HDR10 e Dolby Vision. HDR10 è il formato standardizzato per contenuti HDR e per contenuti compatibili. Dolby Vision invece è una variante proprietaria che in sostanza estende la profondità colore fino a 12 bit (rispetto ai 10 bit dello standard HDR10) e che persegue lo scopo di fornire immagini e contenuti di massimo realismo e coninvolgenza.

La differenza principale di Dolby Vision risiede nell'impiego della  codifica dinamica dei metadati di luminosità che, al contrario all'HDR, consente di ottimizzare i video intervenendo sui livelli di luminosità di  ogni fotogramma. Questo vuol dire che si può intervenire fotogramma per fotogramma, andando quindi a bilanciare i valori della luminosità secondo il contenuto della specifica scena.

Servizi streaming offrono contenuti 4K/HDR (immagine: Netflix)

L'attuale sviluppo in Giappone mostra che Neflix, Hikari TV e altri servizi streaming tendono a supportare lo standard Dolby Vision e offrire contenuti che supportano questo formato. Naturalmente anche i dispositivi devono supportare Dolby Vision ed esistono sempre più televisiori che supportano questo formato ed è difficile dire  quale standard si affermerà e verrà abbracciato dal mercato, ma il catalogo è in crescita.

Consolle di videogiochi compatibili con HDR (foto Microsoft Xbox One X)

Oltre ai televisori, anche le console di intrattenimento come PlayStation 4 e Xbox One S sono in grado di sfruttare la tecnologia HDR. Per quanto riguarda il mondo dei videogiochi si può affermare che momentaneamento non sono presenti giochi che supportino l'HDR.  La rappresentazione raggiunta con HDR può essere utilizzata sia in riprese grafiche generate dal computer che da trasmissioni dal vivo. Nonostante sia ancora valido lo standard SDR con gamma dinamica ridotta, già nell'estate 2017 sono comparsi i primi PC compatibili con HRD. Anche questo fattore potrebbe influenzare positivamenteuna diffusione ancora più rapida dello standard HDR.

Ancora più bella e realistica - 5 punti cardine per una migliore qualità visiva

Parliamo degli ultimi sviluppi tecnogici in merito alla qualità visiva. Sostanzialmente esistono cinque elementi determinanti: risoluzione, profondità colore, frequenza di scansione, spazio cromatico e luminanza. I primi tre fattori dipendono dalla densità di pixel e si sono sviluppati con il passare del tempo. Per quanto riguarda lo spazio cromatico non ci sono state molte novità fino all'introduzione del nuovo standard Rec. 2020. Rimane il fattore luminanza, da cui si è evoluta la tecnologia HDR che rappresenta la rivoluzione più interessante dopo lo sviluppo della definizione a 4K.

HDR Factors
I 5 elementi decisivi per una migliore qualità visiva. HDR è il nuovo standard di riferimento se si parla di luminosità

Grazie al progresso tecnologico delle componenti hardware nei televisori e display, è possibile visualizzare i contenuti video senza perdite di qualità, al fine di ottenere una riproduzione di grande impatto. EIZO e il suo monitor ColorEdge PROMINENCE CG3415 è una parteintegrante di questo sviluppo e si propone come soluzione di altissimo livello per tutti colori che operano nel processo di montaggio video secondo lo standard HDR.

ColorEdge PROMINENCE CG3145: concepito per la produzione cine-televisiva HDR

Il monitor ColorEdge PROMINENCE CG3145 integra un pannello con tecnologia IPS. Questa tecnologia principalmente non è in grado di restituire dei livelli del nero davvero intensi e presentano un contrasto relativamente basso. Esiste comunque una tecnologia di nuova generazione che riesce a raggiungere anche con la tecnologia LCD un alto rapporto di contrasto: il Local Dimming. Grazie a questa tecnologia la retroilluminazione LED viene suddivisa in diversi segment e ciò consente un migliore adeguamento della luminosità della retroilluminazione in segmenti specifici per poterla regolare a seconda dei contenuti dell'immagine. Tuttavia ciò può talvolta causare oscillazioni della luminosità e della cromaticità.

HDR Local Dimming
Local dimming consente di pilotare in modo più raffinato la luminosità della retroilluminazione e quindi di riprodurre con maggiore contrasto le scene (a sinistra: visione con local dimming, a destra: visione senza local dimming). Questa tecnologia tende comunque a creare effetti slavati o di ombreggiature nelle sezioni molto contrastate dell'immagine, come visibile nell'immagine a sinistra.

In aggiunta, quando si riproducono elementi molto luminosi in porzioni scure dell'immagine o se un'area molto luminosa è contigua ad una scura  può succedere che l'utente percepisca una sorta di alone intorno agli elementi luminosi, oppure una sorta di luce spuria che filtra dalle zone luminose in quelle buie. L'effetto è particolarmente visibile quando l'intervento del local dimming è troppo aggressivo. Per un monitor di riferimento per la produzione si tratta ovviamente di un effetto alquanto indesiderato.

EIZO utilizza un pannello IPS LCD di nuova generazione capace di oscurare la luminosità in modo ottimale e restituire livelli di nero inferiori a 0,005 cd/m2. Come risultato il contrasto nativo del monitor ColorEdge PROMINENCE CG3145 raggiunge 1.000.000:1. Un altro vantaggio di cui dispone è la sua capacità di mantenere una luminosità e cromaticità stabile di qualunque materiale da elaborare. Molti monitor di riferimento sfruttano na funzione che durante la visione di scene chiare limita e riduce il livello di luminosità temporaneamente, al fine di prolungare la vita della retroilluminazione.

ColorEdge PROMONINENCE CG3145 è stato espressamente concepito per il color grading di alta fascia. Naturalmente esistono nel processo di post-produzione dalla riprese fino al taglio e compositing anche procedimenti che non richiedono una tale precisione ed accuratezza. Per queste operazioni, EIZO offre un servizio di upgrade che consente un pseudo-supporto della tecnologia HDR dei modelli della serie CG della linea ColorEdge, con la quale sono state aggiunte le modalità colore PQ (PQ1000 e PQ3000) e HLG (Hybrid Log Gamma). Questa soluzione HDR è ideale per la post-produzione di contenuti streaming e di film. Questo particolare servizio viene consigliato per produttori che desiderano consentire un'anteprima dell'esito in HDR ad un costo moderato e che può essere facilmente integrato in un futuro processo HDR.