Bij Ultra HD blu-ray en videostreaming willen de filmstudio’s niet alleen een hogere resolutie bieden, maar ook ‘mooiere’ beelden. Dat doen ze met HDR-technieken die de kleuren van films, series en sportwedstrijden verzadigder en contrastrijker maken. Ook toekomstige 4K-tv-uitzendingen zullen naar verwachting profiteren van High Dynamic Range. Waarop moet je letten bij de aankoop van apparaten met HDR?
Gewoon meer pixels in een televisie stoppen is niet voldoende. De meeste huiskamers zijn zo klein dat je vanaf de optimale kijkafstand (die afhangt van de schermgrootte) geen verschil ziet tussen High Definition en Ultra HD alias 4K. Bovendien zijn de masters van veel films niet eens in een ultrahoge resolutie opgenomen. De beelden worden veelal geëxtrapoleerd omdat onder andere de CGI-effecten vaak in 2K-resolutie gerenderd zijn.
Daarom maken de filmstudio’s zich bij Ultra HD blu-ray sterk voor een combinatie van een 4K-resolutie (eventueel geëxtrapoleerd), een grotere kleurruimte volgens de BT.2020-aanbeveling van de International Telecommunications Union (ITU) en een groot dynamisch contrastbereik (HDR). Grote aanbieders van streaming video, zoals Netflix en Amazon bieden al sinds enige tijd HDR-video aan. Het is dan ook niet verwonderlijk dat HDR-tv als volgende aan bod komt.
Er zijn steeds meer televisies te koop die HDR-content afspelen. In hun advertenties voor 4K-tv’s prijzen fabrikanten toestellen aan die al een maximale helderheid van 2000 candela per vierkante meter (cd/m2) alias nits hebben. Zelfs oled-tv‘s, die meer de nadruk op zwartwaarden dan op helderheid leggen, hebben waarden van 540 nits of meer. Ter vergelijking: de ITU-R BT.709- (ook Rec.709 genoemd) en BT.1886-aanbevelingen die ooit voor beeldbuistelevisies golden, gingen uit van een maximale helderheid van 100 nits. Wat kleurruimte betreft, voldoen de televisies nog niet helemaal aan de BT.2020-specificatie. Maar ze geven nu al bijna 20 procent meer kleuren weer ten opzichte van Rec.709.
In den beginne was er licht
Net als bij andere distributiekanalen wordt High Dynamic Range bij tv-uitzendingen gewoonlijk geassocieerd met de ultrahoge 4K-resolutie. Andersom is dat niet het geval, want in het begin van het UHDTV-tijdperk was er nog geen sprake van HDR. Toen het DVB-consortium (Digital Video Broadcasting) UHDTV invoerde, besloot het dat in meerdere fases te doen. De introductie van 4K-uitzendingen zou onder de noemer ‘UHD-1’ in twee fases gebeuren en HDR zou pas onderdeel van de tweede fase zijn.
Voor ‘UHD-1-fase 1′ stelde het consortium specificaties vast voor de inhoud, overdrachttechniek en weergaveapparatuur, waaronder een resolutie van 3840 x 2160 pixels, framerates van maximaal 50 Hz respectievelijk 60 Hz en een kleurdiepte van 10 bits. Sinds 2014 zijn er televisies die deze standaard ondersteunen en de betaalzender Sky zendt in Duitsland en het Verenigd Koninkrijk al UHD-content in dit formaat uit. Hoewel de grotere kleurruimte BT.2020 een optie in UHD-1 fase 1 is, gebruikt Sky momenteel de Rec.709-kleurruimte die bekend is van Full HD – maar dan met 10 in plaats van 8 bits per kleurkanaal, zo blijkt uit Sky’s ‘Technical guidelines for UHD-content’.
Zoals hierboven vermeld, is HDR een centraal thema van ‘UHD-1 fase 2’, naast een hogere maximale beeldschermfrequentie (tot 120 Hz) en de ondersteuning van de volgende generatie audioformaten Dolby AC-4 en MPEG-H. Het DVB-consortium keurde de technische specificaties eind oktober 2016 goed en zes maanden later accepteerde het Europees instituut voor telecommunicatienormen (ETSI) deze als officiële standaard. Voor de technische aspecten van HDR koos het DVB-consortium voor procedures die de ITU in BT.2100 vastlegde. Omdat dit een uitbreiding van BT.2020 is, hebben ze dezelfde kleurruimte.
HDR-formaten
Voor Ultra HD blu-ray en streamingservices worden momenteel de twee verschillende HDR-formaten HDR10 en Dolby Vision gebruikt. Samsung wil daarnaast nog een eigen HDR10+-formaat introduceren, maar vanwege het ontbreken van specificaties is dat op dit moment alleen voor gestreamde content bruikbaar – niet voor Ultra HD blu-ray. De drie formaten hebben gemeen dat de filmstudio’s met metadata bepalen hoe het HDR-beeld eruit moet zien. Bij HDR worden die één keer voor de gehele film vastgelegd (statisch), bij Dolby Vision en HDR10+ worden die voor elke scène of zelfs voor elk frame vastgelegd (dynamisch).
Voor UHD-1 fase 2 werd HDR met metadata als uitwisselings- en uitzendformaat gespecificeerd onder de naam ‘Perceptual Quantization’ (PQ). Deze door Dolby ontwikkelde techniek dient als basis voor zowel HDR10 als Dolby Vision. In de praktijk wordt PQ meestal alleen voor het statische HDR10-formaat gebruikt, hoewel de Spaanse omroep RTVE begin juli met succes een 4K-test in Dolby Vision via DVB-T2 heeft uitgezonden.
HDR10 heeft echter nadelen als UHD-standaard: allereerst kunnen de metadata tijdens het zenden beschadigd raken, met weergaveproblemen zoals een donker scherm als gevolg. Ten tweede kan het formaat niet direct worden weergegeven op televisies die alleen beelden met normaal contrast kunnen weergeven (Standard Dynamic Range, SDR). Daarom heeft elke Ultra HD blu-ray-speler die het HDR-formaat ondersteunt een functie die het HDR10-beeld indien nodig converteert naar SDR10.
Hybrid Log Gamma
Omdat er voor het dynamische formaat Dolby Vision licentiekosten betaald moeten worden, ontwikkelden de Britse BBC en de Japanse tv-zender NHK het HDR-formaat Hybrid Log Gamma (HLG) als alternatief. Het uitgezonden signaal daarvan bevat informatie voor zowel verhoogd als normaal contrast en vereist geen metagegevens.
De HLG-curve is een hybride van de SDR-gammacurve (onderste helft) en een logaritmische HDR-curve.
De partners losten dit technisch op met een niet-lineaire overdracht, waarbij de onderste helft van de signaalwaarden een gammacurve gebruikt en de bovenste helft een logaritmische curve. Wanneer dit hybride signaal op een HDR-tv wordt afgespeeld, is HLG-content tot een bepaalde helderheid niet te onderscheiden van HDR10-content. Wordt het op een SDR-tv afgespeeld, dan is de weergave weer vergelijkbaar met een conventioneel tv-signaal.
HLG hoeft niet per se het einde te betekenen voor Samsungs HDR10+. Want nadat Samsung en Amazon in april van dit jaar HDR10+ onthulden, werd enige maanden later in september bekend dat Samsung, Panasonic en 20th Century Fox een HDR10+-alliantie vormen.
In de praktijk
LG voerde op de IFA 2016 al een HLG-test uit. Intussen heeft Astra permanent een HDR-demokanaal op zijn belangrijkste ASTRA1-satelliet (19,2 oost, 10714 MHz horizontaal, SR 23500, FEC 3/4.8PSK) om de verschillende formaten te testen. De HDR-demo die daarop actief is, werd speciaal voor de oled-tv’s van LG geproduceerd en richt zich met name op de weergave van diepzwarte kleuren.
De meeste nieuwe televisies ondersteunen HLG en er zijn zelfs fabrikanten zoals Sony, LG en Loewe die hun wat oudere televisies met een firmware-update ervoor geschikt maken. Als je het demokanaal niet kunt ontvangen, kun je demovideo’s downloaden waarmee je zelf kunt controleren of je UHD-televisie HLG ondersteunt.
Op de UHD-receiver van Sky UHD TV kun je instellen of de aangesloten 4K- televisie HDR10 (PQ), HLG of beide ondersteunt.
Receivers
Er zijn al een paar digitale tv-receivers die High Dynamic Range UHD-tv ondersteunen – zoals de UHD-HD-receiver ‘Sky+ Pro’ (een Humax Esd-160s) van de betaalzender Sky en de Panasonic-modellen DRMUBx90 en DRMUBx80 met een geïntegreerde UHD-bluray-speler. Bij andere fabrikanten zoals TechniSat is HDR momenteel nog niet aan de orde en daarom hoef je voor de huidige UHD-receivers nog geen HLG-update van de fabrikant te verwachten. Als je geïnteresseerd bent in High Dynamic Range via DVB, moet je dus van tevoren bij de fabrikant of dealer navragen of dit wordt ondersteund.
In sommige gevallen kan een 4K-televisie na een firmware-update wel HLG-signalen via zijn ingebouwde tuner ontvangen en weergeven, maar kan hij niets doen met precies dezelfde signalen die hij van een externe UHD-receiver ontvangt. Daarvoor moeten beide apparaten namelijk een HDMI 2.0-aansluiting hebben.
Wie het HLG-videobeeld van de UHD-receiver via een av-receiver wil leiden, moet er ook op letten dat die het doorsturen ondersteunt. Van de modellen die vorig jaar op de markt verschenen (en waarvan sommige nog te koop zijn) zullen er maar weinig een update krijgen die ze geschikt maakt voor HLG. Als je een av-receiver koopt, moet je eveneens bij de fabrikant of dealer informeren hoe het met de ondersteuning van HLG staat.
Films, documentaires en sport
De zesdelige documentaireserie ‘Planet Earth II: One Earth – Many Worlds’ was een van de eerste producties die in HLG-formaat werden aangeboden. Het was ook de eerste productie die de BBC, als co-ontwikkelaar en coproducent van HLG, eind 2016 als test voor 4K/HLG in Groot-Brittannië uitzond – niet de volledige afleveringen, maar slechts een clip van vier minuten. Die kon bovendien maar op enkele specifieke apparaten met internettoegang via de iPlayer-app van de BBC worden bekeken – waaronder smart-tv’s van Panasonic.
In de toekomst hoeft het gebruik niet beperkt te blijven tot films, series en documentaires. Sportuitzendingen van bijvoorbeeld voetbalwedstrijden zouden eveneens profiteren van het hogere contrast. Bij stadions is nu de ene helft overbelicht en het andere deel heeft een zwarte schaduw waarin nauwelijks details zichtbaar zijn.
HLG zou naast HDR10 en Dolby Vision een rol kunnen spelen in videostreaming. Niet alle streamers ondersteunen het echter. Zo kan de vijfde generatie Apple TV (4K-model) de formaten HDR10 en Dolby Vision afspelen, maar geen HLG. Fabrikanten zouden ondersteuning wel via firmware-updates kunnen toevoegen, zoals LG bij sommige smart-tv’s heeft gedaan.
Converteren blijft belangrijk
HLG is niet gespecificeerd voor Ultra HD Blu-ray en Hollywood blijft nog voornamelijk films in HDR10-formaat blijft maken. Daarom komt het er in de praktijk op neer dat video telkens weer geconverteerd moeten worden van HDR10 naar HLG en omgekeerd. In feite is het transcoderen in beide richtingen al beschreven in de ITU-R BT.2390-aanbeveling.
Voordat de in HLG geproduceerde documentaire ‘Planet Earth 2’ op Ultra HD blu-ray uitgebracht kon worden, moest hij naar HDR10 getranscodeerd worden.
Sky gaat in haar technische specificaties voor UHD-content uit van HDR10 (inclusief BT.2020-kleurruimte) als origineel formaat dat voor de uitzending naar HLG geconverteerd wordt. In die specificaties kun je verder lezen dat men voor het bronmateriaal een piekhelderheid van minstens 1000 nits verlangt. Dat is ook de waarde die filmstudio’s op dit moment gebruiken voor UHD-BD. Het HLG-signaal dat uiteindelijk verzonden wordt, heeft ook een piekhelderheid van 1000 nits.
Omgekeerd wilden de producenten van ‘Earth II’ dat de documentaire op Ultra HD blu-ray eveneens een 4K-beeld met hoog contrast zou bieden. Daarom moest al het videomateriaal van het HLG-formaat geconverteerd worden naar het HDR10-formaat dat voor Ultra HD Blu-ray is voorgeschreven. Dat gebeurt met een klasseringssysteem dat daar een wiskundige methode voor gebruikt. Maar vanwege de totale speeltijd van 6 uur nam de datahoeveelheid die tijdens het converteren gegenereerd werd enorm toe. Volgens industriële datasheets waren de originele HLG-bronbestanden ongeveer 300 gigabyte groot. De TIFF-beelden die tijdens het transcoderen gegenereerd werden en de basis voor de HDR10-versie vormden namen wel bijna 4 terabyte opslagruimte in.
Aan het eind
Als alle zaken met betrekking tot het transcoderen goed verlopen, blijft er uiteindelijk nog een groot probleem over. Want wat als de UHD-receiver wel HLG-video kan ontvangen, maar de aangesloten 4K-televisie alleen HDR10 ondersteunt? Zowel Ziggo als KPN hebben al 4K-settopboxen aangekondigd, maar of die HLG of andere formaten ondersteunen is nog niet bekend. Uit de instellingen in het servicemenu van de Sky+ Pro-ontvanger zou je kunnen opmaken dat dat apparaat de ontvangen HLG-signalen in realtime naar HDR10 kan converteren. Bij navraag bleek dat (uiteraard) niet zo te zijn en zou de televisie in dat geval alleen het 4K-beeld met standaardcontrast weergeven. Maar HLG is de beste oplossing voor tv-zenders en dan met name voor live-tv. Dan hoeft er namelijk maar één UHD-tv-stream (in HLG) verstuurd te worden en niet twee tegelijkertijd (HDR10 en SDR) om alle 4K-tv’s te bedienen.
Al met al lijkt het erop dat de overgang naar UHD-1 fase 2 met HDR-beeld vrij soepel zal verlopen, ook al is er met HLG nog een HDR-formaat bijgekomen. Het aantal televisietoestellen dat na een firmware-update HLG ondersteunt, is aanzienlijk. Ook een zender als Sky lijkt zich goed op de tweede fase te hebben voorbereid.
Woordenlijst
4K respectievelijk Ultra HD (3840 x 2160) biedt niet dubbel zo veel, maar meteen vier keer zo veel pixels als 2K respectievelijk Full HD (1920 x 1080).
4K
Deze term uit de filmtechniek beschrijft resoluties met 4096 pixels in de breedte (4 x 1K, dus 4 x 1024 pixels). De Digital Cinema Initiatives (DCI) legde de resolutie 4096 x 2160 pixels als bioscoopstandaard vast. Ondertussen is ‘4K’ synoniem met ‘Ultra High Definition’ in tv’s. Toch hebben UHD-televisies en de meeste 4K-monitoren minder pixels, namelijk 3840 x 2160.
BT.2020 (Rec.2020)
De ITU-R-aanbeveling BT.2020, bekend onder de afkortingen Rec.2020 of BT.2020, definieert verschillende aspecten van UHDTV. Voorbeelden zijn beeldresolutie (4K en 8K), beeldschermfrequentie (non-interlaced), chroma-subsampling, kleurdiepte (10 of 12 bits) en kleurruimte (groter dan AdobeRGB).
Dolby Vision
Dolby heeft een eigen dynamische HDR-techniek ontwikkeld waarmee metadata voor de gewenste weergave per beeld meegezonden kunnen worden. Op Ultra HD blu-ray is de kleurdiepte 12 bit, op tv’s meestal 10 bit.
High Dynamic Range (HDR)
Verzamelnaam voor verschillende methodes voor het opslaan, verzenden en reproduceren van afbeeldingen en video’s met een groot contrastbereik, zoals HDR10, Dolby Vision en HLG.
HDR10
Licentievrij HDR mediaprofile op basis van Dolby’s PQ-curve (zie Perceptual Quantization) met 10-bit resolutie, die in SMPT ST-2084 gestandaardiseerd werd. Daarom wordt de term PQ ook als synoniem gebruikt. HDR10 is het standaard formaat voor HDR-content op Ultra HD blu-ray. Daarbij wordt de gewenste beeldindruk eenmalig voor de gehele video wordt vastgelegd (statische methode).
HDR10+
Licentievrije HDR-techniek die door Samsung ontwikkeld is en mede door Panasonic wordt ondersteund. Andere fabrikanten hebben nog niet aangekondigd dat zij het systeem zullen gebruiken. Momenteel is HDR10+ niet gespecificeerd voor Ultra HD blu-ray. HDR10+ maakt gebruik van dynamische metadata en de maximale kleurdiepte is 10 bit.
Hybrid Log Gamma (HLG)
Een door de tv-zenders BBC en NHK ontwikkelde, licentievrije HDR-techniek voor televisie-uitzendingen die niet afhankelijk is van metagegevens. Bij de niet-lineaire overdracht gebruikt de onderste helft van de signaalwaardes een gammacurve. De bovenste helft werkt met een logaritmische curve. Op tv’s zonder HLG-ondersteuning is daardoor dan een SDR-beeld te zien.
Perceptuele kwantificering (PQ)
De door Dolby ontwikkelde PQ-curve vervangt in de HDR-technieken HDR10 en Dolby Vision de gamma curve die bij SDR gebruikt wordt. Met deze laatste zou het 14 tot 15 bits hebben gekost om de piekhelderheid van maximaal 10.000 candela per vierkante meter (cd/m2) te krijgen. Dolby concentreerde zich op de nog net merkbare verschillen tussen twee helderheidsniveaus in het gekwantificeerde signaal. Zo kon de waarde omlaag naar 10 (HDR10) en 12 bit (Dolby Vision). verlagen.
Rec.709
De ITU-R-aanbeveling BT.709, algemeen bekend onder de afkortingen Rec.709 of BT.709, definieert verschillende aspecten van HDTV. Denk aan beeldresolutie, beeldformaat, beeldschermverhouding, beeldschermfrequentie (inclusief interliniëring), kleurruimte en kleurdiepte.
Ultra High Definition (UHD)
Wordt vaak als Ultra HD, UHD of 4K aangeduid en is de doorontwikkeling van de huidige HDTV-standaard. De resolutie van 3840 x 2160 pixels is vier keer zo groot als de resolutie van full hd.
(Nico Jurran / Mark van Sommeren, c’t magazine 12/2017)
