Высокий динамический диапазон

Улучшенное представление сигнала в изображениях, видео, аудио или радио

Высокий динамический диапазон ( HDR ), также известный как широкий динамический диапазон , расширенный динамический диапазон или расширенный динамический диапазон , представляет собой сигнал с более высоким динамическим диапазоном , чем обычно.

Термин часто используется при обсуждении динамических диапазонов изображений , видео , аудио или радио . Он также может применяться к средствам записи, обработки и воспроизведения таких сигналов, включая аналоговые и оцифрованные сигналы . ^[1]

Визуализация

В этом контексте термин « высокий динамический диапазон» означает, что в сцене или изображении существует большое количество вариаций уровней освещенности. Динамический диапазон относится к диапазону яркости между самой яркой областью и самой темной областью этой сцены или изображения.

Визуализация с высоким динамическим диапазоном (HDRI) относится к набору технологий и методов визуализации, которые позволяют увеличить динамический диапазон изображений или видео. Она охватывает получение, создание, хранение, распространение и отображение изображений и видео.^[2]

Современные фильмы часто снимались камерами с более высоким динамическим диапазоном, а устаревшие фильмы можно конвертировать, даже если для некоторых кадров потребуется ручное вмешательство (например, когда черно-белые фильмы конвертируются в цветные). ^{[ требуется цитата ]} Кроме того, спецэффекты, особенно те, которые смешивают реальные и синтетические кадры, требуют как съемки HDR, так и рендеринга . ^{[ требуется цитата ]} Видео HDR также необходимо в приложениях, требующих высокой точности для захвата временных аспектов изменений в сцене. Это важно при мониторинге некоторых промышленных процессов, таких как сварка, в предиктивных системах помощи водителю в автомобильной промышленности, в системах видеонаблюдения и других приложениях.

Захватывать

В фотографии и видеосъемке техника, обычно называемая высоким динамическим диапазоном ( HDR ), позволяет захватывать динамический диапазон фотографий и видео за пределами собственных возможностей камеры. Она заключается в захвате нескольких кадров одной и той же сцены, но с разной экспозицией , а затем их объединении в один, что приводит к изображению с динамическим диапазоном выше, чем у отдельно захваченных кадров. ^{[3] [4]}

Некоторые датчики современных телефонов и камер могут даже объединять два изображения на чипе. Это также позволяет пользователю напрямую получать более широкий динамический диапазон для отображения или обработки без сжатия пикселей.

Некоторые камеры, предназначенные для использования в приложениях безопасности, могут захватывать HDR-видео, автоматически предоставляя два или более изображений для каждого кадра с изменяющейся экспозицией. Например, датчик для видео 30 кадров в секунду выдаст 60 кадров в секунду с нечетными кадрами при коротком времени экспозиции и четными кадрами при более длительном времени экспозиции. ^{[ необходима цитата ]}

Современные датчики изображения CMOS часто могут захватывать изображения с высоким динамическим диапазоном с одной экспозиции. ^[5] Это снижает необходимость использования техники захвата HDR с множественной экспозицией.

Изображения с высоким динамическим диапазоном используются в приложениях с экстремальным динамическим диапазоном, таких как сварка или автомобильные работы. В камерах безопасности вместо термина HDR используется термин «широкий динамический диапазон». ^{[ необходима цитата ]}

Из-за нелинейности некоторых датчиков артефакты изображения могут быть обычным явлением. ^{[ необходима цитата ]}

Рендеринг

Рендеринг с высоким динамическим диапазоном (HDRR) — это рендеринг и отображение виртуальных сред в реальном времени с использованием динамического диапазона 65 535:1 или выше (используется в компьютерных, игровых и развлекательных технологиях). ^[6]

Сжатие или расширение динамического диапазона

Технологии, используемые для хранения, передачи, отображения и печати изображений, имеют ограниченный динамический диапазон. Когда захваченные или созданные изображения имеют более высокий динамический диапазон, они должны быть подвергнуты тональной компрессии , чтобы уменьшить этот динамический диапазон. ^{[ необходима цитата ]}

Хранилище

Форматы с высоким динамическим диапазоном для файлов изображений и видео способны хранить больший динамический диапазон, чем традиционные 8-битные гамма- форматы. Эти форматы включают:

• Форматы, которые используются только для хранения, например:
  • Форматы изображений Raw
  • Форматы, использующие линейную передаточную функцию с высокой битовой глубиной
  • Форматы, использующие логарифмическую передаточную функцию
  • OpenEXR
  • ТУЗЫ
• Форматы HDR , которые можно использовать как для хранения, так и для передачи на дисплеи, например:
  • HDR10
  • HDR10+
  • Долби Вижн
  • ГВУ
  • Подходы карты усиления, которые добавляют слой преобразования поверх данных SDR и обычно используются для цифровой фотографии. Результат обратно совместим с дисплеями и хранилищами SDR.
    • ISO 21496-1 Gain Map , разработанный в результате объединения предложений Apple и Adobe. ^[7] Используется Apple под названием Adaptive HDR . ^[8] Поддерживается начиная с MacOS 15 , iOS 18 , iPadOS 18 , Android 15 и браузеров на базе Chromium . ^[9]
    • Карта усиления Apple , которая не полностью документирована публично, хотя документация доступна для декодирования этих изображений. ^[10]
    • Adobe Gain Map , изображение карты усиления в файле изображения JPEG ; ^[11] используется Google под названием Ultra HDR и Samsung под названием Super HDR . ^{[12] [10] [13]} Поддерживает усиление на 1 или 3 каналах. ^[11] Форматы Ultra HDR и ISO 21496-1 кодируются одновременно в Android 15. ^{[9] [12]}
    • AVIF совместим с картами усиления, но в настоящее время кодер недоступен. ^[14]
  • Apple EDR (Extreme Dynamic Range), используемый в macOS и iOS. ^[15] Apple называет EDR комбинацией аппаратного и программного обеспечения, которая позволяет отображать SDR и HDR-контент на одном экране. ^[16]

OpenEXR был создан в 1999 году компанией Industrial Light & Magic (ILM) и выпущен в 2003 году как библиотека программного обеспечения с открытым исходным кодом . ^{[17] [18]} OpenEXR используется для производства фильмов и телевидения . ^[18]

Система кодирования цвета Academy Color Encoding System (ACES) была создана Академией кинематографических искусств и наук и выпущена в декабре 2014 года. ^[19] ACES — это полноценная система управления цветом и файлами, которая работает практически с любым профессиональным рабочим процессом и поддерживает как HDR, так и широкую цветовую гамму . ^[19]

Передача на дисплеи

High dynamic range (HDR) — это также общее название технологии, позволяющей передавать видео и изображения с высоким динамическим диапазоном на совместимые дисплеи. Эта технология также улучшает другие аспекты передаваемых изображений, такие как цветовая гамма .

В этом контексте,

• HDR-дисплеи — это дисплеи, совместимые с этой технологией.
• Под форматами HDR понимаются такие форматы, как HDR10 , HDR10+ , Dolby Vision и HLG .
• HDR-видео относится к видео, закодированному в формате HDR. Такие HDR-видео имеют большую битовую глубину, яркость и цветовой объем, чем стандартное динамическое видео (SDR), которое использует обычную гамма-кривую . ^[20]

4 января 2016 года Ultra HD Alliance объявил о своих требованиях к сертификации для HDR-дисплеев. ^{[21] [22]} HDR-дисплей должен иметь либо пиковую яркость более 1000 кд/м ² и уровень черного менее 0,05 кд/м ² ( контрастность не менее 20 000:1), либо пиковую яркость более 540 кд/м ² и уровень черного менее 0,0005 кд/м ² (контрастность не менее 1 080 000:1). ^{[21] [22]} Эти два варианта допускают различные типы HDR-дисплеев, такие как LCD и OLED . ^[22]

Некоторые варианты использования функций передачи HDR , которые лучше соответствуют зрительной системе человека , чем обычная гамма-кривая, включают HLG и перцептивный квантизатор (PQ). ^{[20] [23] [24]} HLG и PQ требуют битовой глубины 10 бит на выборку. ^{[20] [23]}

Отображать

Динамический диапазон дисплея относится к диапазону яркости, который может воспроизводить дисплей, от уровня черного до его пиковой яркости. ^{[ требуется ссылка ]} Контрастность дисплея относится к соотношению яркости самого яркого белого и самого темного черного, которые может воспроизвести монитор. ^[25] Множество технологий позволило увеличить динамический диапазон дисплеев.

В мае 2003 года BrightSide Technologies продемонстрировала первый HDR-дисплей на симпозиуме Display Week Общества по отображению информации . Дисплей использовал массив индивидуально управляемых светодиодов за обычной ЖК-панелью в конфигурации, известной как « локальное затемнение ». Позже BrightSide представила ряд связанных с этим технологий отображения и видео, позволяющих визуализировать HDR-контент. ^[26] В апреле 2007 года BrightSide Technologies была приобретена Dolby Laboratories . ^[27]

OLED- дисплеи имеют высокую контрастность. MiniLED улучшает контрастность. ^{[ необходима цитата ]}

HDR-видение в реальном времени

Сварочный шлем Mann HDR (расширенный динамический диапазон) увеличивает изображение в темных областях и уменьшает его в ярких областях, реализуя таким образом компьютерно-опосредованную реальность .

В 1970-х и 1980-х годах Стив Манн изобрел «цифровые очки» первого и второго поколения в качестве средства улучшения зрения, помогающего людям лучше видеть, а некоторые версии были встроены в сварочные маски для HDR-зрения. ^{[28] [29] [30] [31] [32] [33]}

Невизуализация

Аудио

В аудио термин « высокий динамический диапазон» означает, что существует множество вариаций в уровнях звука. Здесь динамический диапазон относится к диапазону между самой высокой громкостью и самой низкой громкостью звука.

XDR (аудио) используется для обеспечения более высокого качества звука при использовании микрофонных звуковых систем или записи на кассеты.

HDR Audio — это динамическая технология микширования, используемая в движке EA Digital Illusions CE Frostbite Engine, позволяющая относительно громким звукам заглушать более тихие звуки. ^[34]

Сжатие динамического диапазона — это набор методов, используемых в аудиозаписи и коммуникации для передачи материала с высоким динамическим диапазоном через каналы или носители с более низким динамическим диапазоном. При желании можно использовать расширение динамического диапазона для восстановления исходного высокого динамического диапазона при воспроизведении.

Радио

В радиотехнике высокий динамический диапазон особенно важен, когда есть потенциально мешающие сигналы. Такие меры, как динамический диапазон без паразитных сигналов , используются для количественной оценки динамического диапазона различных компонентов системы, таких как синтезаторы частот. Концепции HDR важны как в обычном, так и в программно-определяемом проектировании радио .

Инструментарий

Во многих областях приборы должны иметь очень высокий динамический диапазон. Например, в сейсмологии необходимы HDR-акселерометры, как в приборах ICEARRAY .

Смотрите также

• Rec. 2100 – Рекомендация МСЭ-Р для HDR
• Ultra HD Forum – организация, создавшая стандарты для HDR
• Цветовое пространство
• Цветовая градация

Ссылки

1. Робертсон, Марк А.; Борман, Шон; Стивенсон, Роберт Л. (апрель 2003 г.). «Подход к улучшению динамического диапазона с использованием множественных экспозиций на основе теории оценок». Журнал электронных изображений . 12 (2): 220, правая колонка, строка 26219–228. Bibcode : 2003JEI....12..219R. doi : 10.1117/1.1557695. Первый отчет о цифровом объединении нескольких изображений одной и той же сцены для улучшения динамического диапазона, по-видимому, был Mann
2. Дюфо, Фредерик; Ле Калле, Патрик; Мантюк, Рафаль; Мрак, Марта (2016). Видео с расширенным динамическим диапазоном – от сбора данных до отображения и применения. Эльзевир. дои : 10.1016/C2014-0-03232-7. ISBN 978-0-08-100412-8.
3. «Составление нескольких изображений одной сцены», Стив Манн, на 46-й ежегодной конференции IS&T, Кембридж, Массачусетс, 9–14 мая 1993 г.
4. Рейнхард, Эрик; Уорд, Грег; Паттанаик, Суманта; Дебевек, Пол (2005). Высокодинамическое изображение: получение, отображение и освещение на основе изображения . Амстердам: Elsevier/Morgan Kaufmann. стр. 7. ISBN 978-0-12-585263-0. Изображения, которые хранят изображение сцены в диапазоне интенсивностей, соизмеримых со сценой, мы называем HDR, или «картами сияния». С другой стороны, мы называем изображения, подходящие для отображения с помощью текущей технологии отображения, LDR.
5. Арно Дармон (2012). High Dynamic Range Imaging: Sensors and Architectures (Первое издание). SPIE press. ISBN 978-0-81948-830-5.
6. Саймон Грин и Джем Чебеноян (2004). "Рендеринг в широком динамическом диапазоне (на GeForce 6800)" (PDF) . Серия GeForce 6. nVidia. стр. 3.
7. Чан, Эрик (Adobe); Хьюбел, Пол М. (Apple) (январь 2023 г.). Встроенные карты усиления для адаптивного отображения изображений с высоким динамическим диапазоном. Стереоскопические дисплеи и приложения XXXIV.
8. Бенц, Грег (27.09.2024). «Что означают последние обновления Apple для HDR-фотографии?». Greg Benz Photography . Получено 10.11.2024 .
9. Rahman, Mishaal (2024-10-29). «Google и Apple заставляют HDR-фотографии работать лучше на Android и iOS». Android Authority . Получено 2024-11-10 .
10. Benz, Greg (2022-08-24). "Создание и редактирование настоящих изображений HDR (High Dynamic Range)". Greg Benz Photography . Получено 2024-11-10 .
11. Chan, Eric. "Gain Maps, Version 1.0 draft 14" (PDF) . 7 октября 2023 г. . Получено 20 июня 2024 г. .
12. "Ultra HDR Image Format v1.1". Разработчики Android . Получено 2024-11-10 .
13. Ромеро, Эндрю (2024-04-02). «Super HDR от Samsung не появится на старых устройствах Galaxy». 9to5Google . Получено 2024-11-11 .
14. Бенц, Грег (2022-08-24). "HDR - AVIF: будущее HDR". Greg Benz Photography . Получено 2024-11-11 .
15. Benz, Greg (2022-08-24). "Стандарты HDR". Greg Benz Photography . Получено 2024-11-11 .
16. "Apple's "EDR" обеспечивает широкий динамический диапазон для дисплеев без HDR". Prolost . 2020-12-04 . Получено 2024-11-11 .
17. "Industrial Light & Magic выпускает фирменный формат файла изображения с расширенным динамическим диапазоном OpenEXR для сообщества с открытым исходным кодом" (PDF) (пресс-релиз). 22 января 2003 г. Архивировано из оригинала (PDF) 21 июля 2017 г. Получено 27 июля 2016 г.
18. "Основной веб-сайт OpenEXR". Архивировано из оригинала 16 января 2013 года . Получено 27 июля 2016 года .
19. "ACES". Академия кинематографических искусств и наук. Архивировано из оригинала 1 августа 2016 года . Получено 29 июля 2016 года .
20. T. Borer; A. Cotton. "Система телевидения с высоким динамическим диапазоном "независимого от дисплея"" (PDF) . BBC . Получено 01.11.2015 .
21. "UHD Alliance определяет первоклассный опыт домашних развлечений". Business Wire . 2016-01-04 . Получено 2016-07-24 .
22. "Что такое UHD Alliance Premium Certified?". CNET . 2016-03-11 . Получено 2016-07-24 .
23. Adam Wilt (2014-02-20). "HPA Tech Retreat 2014 – Day 4". DV Info Net . Получено 2014-11-05 .
24. Брайант Фрейзер (2015-06-09). "Колорист Стивен Накамура о цветокоррекции Tomorrowland в HDR". studiodaily . Получено 2015-09-21 .
25. "Наши тесты качества изображения монитора: контрастность". RTINGS.com . Получено 29.12.2021 .
26. Seetzen, Helge; Whitehead, Lorne A.; Ward, Greg (2003). «54.2: Дисплей с высоким динамическим диапазоном, использующий модуляторы с низким и высоким разрешением». Сборник технических документов симпозиума SID . 34 (1): 1450–1453. doi :10.1889/1.1832558. ISSN  2168-0159. S2CID  15359222.
27. "Dolby Laboratories (DLB) приобретает BrightSide за 28 миллионов долларов". StreetInsider.com . Получено 17 августа 2021 г. ..
28. Квантиграфическая камера обещает HDR-зрение от отца дополненной реальности, Крис Дэвис, SlashGear, 12 сентября 2012 г.
29. Акерман, Элиз (31 декабря 2012 г.). «Почему умные очки не делают вас умнее». IEEE Spectrum . Получено 1 января 2017 г.
30. Манн, Стив (февраль 1997 г.). «Носимые вычисления: первый шаг к персональным изображениям». IEEE Computer . 30 (2): 25–32. doi :10.1109/2.566147. S2CID  28001657.
31. "Волшебный сварочный шлем, который позволяет вам видеть мир в HDR в реальном времени". Архивировано из оригинала 2016-03-28 . Получено 2018-03-24 .
32. Манн, Стив (осень 2012 г.). «Сквозь стекло, легко». Журнал IEEE Technology and Society . 31 (3): 10–14. doi :10.1109/MTS.2012.2216592.
33. "'GlassEyes': Теория цифрового очкового глаза EyeTap, дополнительный материал для 'Through the Glass, Lightly'" (PDF) . Журнал IEEE Technology and Society . 31 (3). Осень 2012 г.
34. EA DICE/Electronic Arts (2007). "Battlefield: Bad Company - Frostbite Engine Trailer" (видео) . Electronic Arts. Архивировано из оригинала 22.12.2021.

Внешние ссылки

• «High Dynamic Range (HDR) на Intel Graphics» (PDF) . Корпорация Intel. Ноябрь 2017 г.