SMPTE 2015: HDR, HFR и особенности цветопередачи в стандарте 4K

Процесс видеосъемки в эпоху, когда разрешение экрана выражается всё большим количеством «K», это не просто вопрос более широкого и более подвижного набора цветных точек. Повышенная частота кадров, расширенный динамический диапазон, более широкая цветовая гамма, применяемые в стандартах разрешения 4K и выше, – внедрение всех этих функций несёт в себе целый ряд сложностей, которые взаимосвязаны с прочими элементами производства. На прошедшей технической конференции SMPTE 2015 Джим ДеФилиппис, Клаус Вебер и Хироаки Ивасаки приложили максимум усилий для того, чтобы разъяснить собравшимся различные аспекты данных нововведений, призванных изменить мир видео.



«Чем выше частота кадров, тем меньше время выдержки, однако при большей длительности времени выдержки увеличивается размытость, – говорит консультант по вопросам технологий вещания и менеджер программ SMPTE Джим ДеФилиппис. – Сокращение времени выдержки означает меньшее размытие при движении и большее дрожание и постробирование».
ДеФилиппис, доктор Кори Карбонара и доктор Майкл Корпи из университете Бэйлора начали поиск наилучшего сочетания показателей частоты кадров, времени выдержки, освещённости и частоты обновления.

В первую очередь, встаёт вопрос о том, что же значит термин «достаточно высокая скорость». ДеФиллиппис отметил, что в те времена, когда Огюст и Луи Люмьеры впервые показывали возможности кино, скорость в 12 кадров в секунду считалась достаточно быстрой. С появлением телевидения частота кадров была тут же синхронизирована с частотой электрической сети: 30 кадров в секунду при частоте 60 Гц в Соединённых Штатах и 25 кадров в секунду при частоте 50 Гц в Европе. Затем появилась поднесущая цвета, и потребовалось снизить скорость передачи кадров; следовательно, 29,97 кадров в секунду, о которых, к радости аудитории, ДеФилиппис сказал следующее: «Мы не собираемся сегодня говорить о дробных значениях частоты кадров».

Итак, возвращаемся к нашему вопросу: какая скорость является достаточной? В процессе эксперимента, проведённого при участии компании ESPN, ДеФилиппис и его коллеги из университета Бэйлора взглянули на HFR (высокая частота кадров) с двух сторон: проблем производства и приложений.

В плане проблем для HFR характерна потеря чувствительности, требующая больше света, и более короткое время выдержки, породившее проблемы постробирования. Возникает также вопрос о том, каким образом интегрировать HFR-материал в контент с более низкой частотой кадров.

В распоряжении команды была камера Sony F65, работающая на частотах 120Гц и 60Гц с углом задвижки 80, 180 и 360 градусов, при этом использовались различные движения камеры, дающие возможность панорамирования, наклона и увеличения изображения. При угле в 90 градусов не наблюдалось размытия, однако при съёмке движущихся объектов присутствовали артефакты в виде дрожания и постробирования.

На уровне приложений команда выбрала три сценария для съёмок: белый автомобиль в движении, танцор на двух различных фонах и «битва пиратов на мечах» на фоне зелёного экрана; съёмки велись с частотой 24 кадра в секунду, 120 Гц.

По словам ДеФилипписа, уровень наружного освещения не играл роли для частоты кадров или угла задвижки. Уровень освещения при павильонных съёмках, впрочем, оказался критичным при высокой частоте кадров и более коротких параметрах угла задвижки, к примеру – в последовательности танца. При съёмках на фоне зелёного экрана проблема состояла в том, чтобы найти оптимальный уровень освещённости для сбалансирования цветовой температуры, – отметил он.

В итоге ДеФилиппис заявил, что съёмки с более высокой частотой кадров требуют некоторого планирования в плане выбора позиции, освещения и угла задвижки. Переход к более низкой частоте кадров может быть сглажен компенсацией движения, а переменная частота кадров может быть новым инструментом для съёмок. Последний пункт ДеФилиппис проиллюстрировал потрясающей видеозаписью танца с переменной частотой кадров.

Вебер, старший продакт-менеджер отдела видеокамер в Grass Valley, исследовал колориметрию, чувствительность, высокую частоту кадров и расширенный динамический диапазон. Из всех этих параметров, по его мнению, наибольшую финансовую отдачу может принести использование HDR. Благодаря применению данной технологии мы получаем более естественную картинку, что, в общем-то, и неудивительно, поскольку в естественной среде мы имеем высокий уровень контрастности. Пиковая яркость может достигать 10 000 нит – в то время как предел яркости привычного телевизора составляет всего 300 нит.

Он описал «упрощённый приём» использования HDR, благодаря которому диапазон способностей камеры захватывать пиковые показатели яркого и тёмного значительно расширяется. Он отметил, что в современных камерах этот диапазон составляет от 400 до 800%, однако обычно он ужимается до 100%. Упрощённый подход включает тональное отображение диапазона с определённой кривой, благодаря чему дисплей может давать 600 нит и более.

Вебер отметил, что КМОП-датчики способны поддерживать «огромный» динамический диапазон – от 120 до 160 dB, добавив, что самые последние модели вещательных камер снабжены КМОП-датчиками. Данные HDR-камеры менее чувствительны к установкам выдержки, чем модели со стандартным динамическим диапазоном, – отметил он. Во время испытаний, проведённых по всей Европе, HDR-камеры дали «почти идеальное» изображение при 800%-сверхвыдержке, а также «приемлемое» изображение при сверхвыдержке в 4000%.

Ивасаки, отвечающий в компании Panasonic за исследования в сфере осветительных приложений, рассмотрел возможности цветопередачи при различных типах освещения, обратив особое внимание на светодиоды. Использование LED в телевизионном производстве набирает обороты, заявил Ивасаки, посему необходимо изучить их свойства для цветопередачи в 4K.

Он указал на «компромисс» между свойствами цветопередачи и световой эффективности различных типов LED-освещения. К примеру, наиболее часто используемый вид LED-освещения – синие LED с использованием жёлтого фосфора – имеют низкую цветопередачу и высокую светимость. Синие LED с использованием красного и зелёного фосфора имеют как высокую светимость, так и высокую цветопередачу.

Впрочем, отметил он, цветопередача 4K-камер является более чёткой, чем цветопередача HD-камер – даже при использовании LED-освещения. Следовательно, 4K-камеры являются более чувствительными, чем HD-камеры, благодаря цветопередающим свойствам LED – в силу чёткости цветопередачи последних.

Команда исследователей, работающая под руководством Ивасаки, рекомендовала параметры Ra> 90 и R9> 80 для 4K/Ultra HD производства.