HDR (High Dynamic Range) – tra prestazioni video, interfaccia e connettività

Considerando che l’occhio umano è capace di esprimere – ovvero, rilevare – un rapporto di contrasto dinamico che si avvicina a 1.000.000:1, mentre il contrasto di un comune display LCD si limita all’incirca a 300:1, è evidente il motivo per cui termini quali HDR (High Dynamic Range) e ‘HDR-compatibile’ siano in voga nella comunicazione delle aziende AV, nonché nella comunità di professionisti e appassionati.

HDR vs SDR

Nelle recenti fiere ed eventi di settore si è potuto vedere come sempre più prodotti presentino nelle loro caratteristiche principali la compatibilità HDR; nonostante ciò, pare che la maggior parte delle persone non capisca cosa questo termine implichi davvero. In particolare, come la capacità di riprodurre elettronicamente una più ampia gamma di valori tonali costituisca un elemento dirompente dal punto di vista tecnologico e, conseguentemente, per le opportunità di mercato. Da qui, l’importanza della connettività e dell’interfaccia.

Esistono diversi modi per ottenere l’High Dynamic Range. Una videocamera con range dinamico standard (SDR) può essere capace di acquisire da 9 a 11 f−stop di luce, e questi possono venire riprodotti dal display LCD a 300 nit che abbiamo menzionato in precedenza. Oppure, possiamo fare uso di un display OLED (Organic Light−Emitting Diode) che possiede livelli di nero superiori per riprodurre 11 step di luminanza, dal nero al 100% bianco.

L’HDR cambia questa equazione, dato che alcune videocamere HDR sono in grado di acquisire una gamma dinamica con fino a 22 stop di luce. È quindi ragionevole sostenere che occorreranno maggiori capacità per quel che riguarda la luminosità, tant’è che oggi vediamo come le TV Ultra HD e i display 4K giungano sul mercato disponendo di una nuova tecnologia di retroilluminazione (QDQuantum Dot). Si tratta di una soluzione in cui minuscole particelle di un composto metallico, stimolate dai fotoni, riescono ad emettere una luce colorata intensa e satura. Per ottenere l’immagine RGB, un display con tecnologia QD utilizza una retroilluminazione di LED con diodi blu per illuminare una speciale pellicola ottica contenente i punti quantici rossi e verdi, oltre a fornire il blu per la miscelazione cromatica.

Cosa ne consegue? Apparecchi TV e monitor capaci di riprodurre un sacco di valori tonali, raggiungendo picchi di bianco con una luminosità di 2.000 nit. Tuttavia, questo picco del bianco non esprime il valore ‘full screen’, ovvero su tutta la superficie dello schermo: rappresenta i punti luce speculari e non il bianco diffuso. Può essere utile pensare a come il sole danzi e si rifletta sull’acqua in movimento, oppure a come appare l’intensa luce solare attraverso una finestra guardando da dentro una camera buia. Con l’HDR, si osserva tutto come se fosse riflesso da un bicchiere d’acqua, dalle parti più scure ai raggi di luce più intensi.

Probabilmente è lecito domandarsi cosa questo abbia a che fare con l’interfacciamento dei segnali – considera quanto segue: per riprodurre uno step aggiuntivo di luminanza in un’immagine HDR, occorre molto più dei consueti 8 bit per pixel-colore che ogni segnale (dai dischi Blu−ray al segnale televisivo via cavo) fornisce come standard. Occorrono molti più bit – forse 10 bit per pixel, ma magari anche 12 bit per pixel, per riprodurre correttamente un segnale HDR.
Di conseguenza, la necessità di questi bit aggiuntivi aumenta il carico nella comunicazione tra le interfacce e attraverso le connessioni AV/IT. Anzi; lo standard di base per l’High Dynamic Range – HDR 10 – impiega metadati statici e il colore a 10−bit per definire un segnale HDR. Sistemi HDR più evoluti, quali Dolby Vision o la mappatura di Samsung (HDR+), possono richiedere un colore a 12−bit per il mastering, con dither per abbassare a 10 bit così da servirlo ad un display HDR.

Quindi, quanta differenza fa l’HDR? Per un segnale Ultra HD (3840×2160 pixel), con data-rate con frequenza di aggiornamento (refresh-rate) a 60 Hz e colore RGB a 8−bit RGB si calcola come segue:

  • (4400×2250) x (60) x (3) x (10) = 17.82 gigabit al secondo (Gb/s)

Con colore a 10−bit, il data-rate aumenta:

  • (4400×2250) x (60) x (3) x (12) = 21.3 gigabit al secondo (Gb/s)

Questo è troppo veloce per l’HDMI 2.0, il cui data-rate è fissato ad un tetto di 18 Gb/s. Per aggirare tale ostacolo, il contenuto masterizzato a 10 bit per pixel deve essere servito subendo una riduzione della risoluzione colore (4:2:0):

  • (4400×2250) x (60) x (1.5) x (12) = 10.7 gigabit al secondo (Gb/s)

Questo data-rate può agevolmente transitare attraverso una connessione HDMI 2.0. Il colore 4:2:0 viene riconosciuto da ogni apparecchio televisivo consumer e monitor per computer, così anche il formato RGB (4:4:4). E infatti, il formato Blu−ray Ultra HD HDR utilizza il colore a 10−bit 4:2:0 esattamente per questa ragione.

Cosa rende un’interfaccia “HDR-compatibile” o “HDR-ready”?

L’High Dynamic Range non consiste solo in una più ampia gamma di valori di luminanza. Significa anche un gamut più ampio di prima – descritto dall’International Telecommunications Union (ITU) come “Rec.2020” (Recommendation BT.2020). Questo spazio-colore è molto più ampio rispetto al Rec.BT.709 attualmente impiegato per i contenuti video (che, per inciso e che ci si creda o no, si basa ancora sulla gamma di colori che può essere visualizzata da un display CRT) e che gli attuali modelli di TV e display sono in grado di riprodurre con facilità.

Il volume cromatico del BT.2020 è talmente più ampio che il centro del verde può essere raggiunto solo da un sistema di imaging basato su illuminazione laser. E infatti, proprio per questa ragione, vediamo come sempre più proiettori ‘laser−powered’ comincino a uscire nel mercato per le sale cinematografiche. Le TV LCD con retroilluminazione Quantum-dot possono coprire una buona porzione di questo più ampio spazio-colore, come anche l’ultima generazione di TV OLED e sistemi LED video-wall.

Mettendo insieme i 20 e più stop di luminanza e i miliardi (e non milioni) di colori, se ne ricava quanto notevole sia il carico di dati che un’interfaccia di connessione deve essere capace di gestire (o comprimere) per servirlo in una rete IT. Per semplificare il compito abbiamo a disposizione alcuni strumenti: il DSC (Display Stream Compression), introdotto da VESA nel 2014, permette di applicare una compressione leggera e basata su metodo entropico ai segnali HDMI 2.1 e DisplayPort 1.3/1.4, per ridurre il bit-rate. Un rapporto 2:1 è semplice da ottenere, 3:1 è funzionale.

Nel caso della connettività per soluzioni AV-over-IT, abbiamo una scelta difficile da compiere. Meglio prediligere la compressione della luce (fino a 4:1 con il Motion JPEG2000) per la una latenza minima, oppure propendere per una maggiore efficienza di trasmissione, applicando una maggiore compressione tramite il codec H.265 HEVC?

Il nostro segnale RGB 4K a 10−bit citato in precedenza, con un data-rate nominale di 21 Gb/s, può essere ridotto a 5.25 Gb/s usando un trattamento 4:1 M−JPEG2000, ma rimane comunque troppo veloce per un’interfaccia o uno switch Ethernet a 1 Gb/s. Usando la risoluzione colore 4:2:0 possiamo ridurre il bit-rate a 2.7 Gb/s, ma il valore esprime ancora una velocità troppo elevata per uno switch da 1 Gb/s. Perché allora non abbassare il frame-rate a 30 Hz? Così operiamo a 1.34 Gb/s – ancora troppo.

Sembrerebbe che occorra congegnare una rete che permetta uno switch a 10 Gb/s (cosa che sarebbe consigliabile fare comunque, visti i costi odierni molto accessibili), per non cadere in un collo di bottiglia relativamente all’HDR. Non sappiamo se esistano aziende di prodotti AV che supportino l’HDMI o il DisplayPort con DSC, cosa che certamente renderebbe le cose molto più semplici – il nostro segnale 4K RGB da 21 Gb/s potrebbe essere trasportato a 10.5 Gb/s, con la possibilità di poter facilmente passare al colore a 12−bit (12.5 Gb/s) se occorresse.

Quindi i modi per alleggerire il carico nella comunicazione del segnale esistono.

Da notare come fin’ora abbiamo evitato di menzionare il colore 4:2:2, che è standard nelle produzioni media e broadcast. La ragione risiede nel fatto che molti display consumer non riconoscono affatto questa modalità di colore, o la riconoscono in modo non corretto. Di conseguenza, un segnale 4:2:2 potrebbe venire mappato come 4:2:0, restituendo sul display colori molto strani. Tuttavia, un segnale HDR con colore 4:2:2 può facilmente essere gestito usando i metodi appena descritti.

Nel sintetizzare quanto è stato scritto fin’ora, l’elemento più importante da tenere in considerazione è che i termini ‘HDR-compatibile’ o ‘HDR-ready’ significa semplicemente che l’apparecchiatura che gestisce il segnale è sufficientemente veloce nel gestire il clock-rate richiesto. Tutto qui – niente ingredienti speciali o magie: è tutta questione di velocità, nient’altro.

Le specifiche di interfaccia HDMI 2.0 e DisplayPort 1.4 permettono ai frame di informazione che contengono metadati sia statici che dinamici di istruire il display su come formattare le immagini HDR. Senza questi dati, il display restituirà delle immagini semplicemente non corrette, ovvero sottoforma di immagini SDR troppo luminose e sbiadite – oppure, immagini molto scure e con poco dettaglio.

Per i dati HDR statici, l’estensione alle specifiche HDMI viene riferito con una lettera singola. Se nelle specifiche di un’interfaccia troviamo il termine ‘HDMI 2.0a’ significa che questa è in grado di trasportare e riconoscere i metadati statici HDR 10, mentre ‘HDMI 2.0b’ è utilizzato per i metadati dinamici (Dolby Vision) e ‘HDMI 2.0g’ per il formato data−less ibrido HLG (Hybrid Log Gamma), proposto per il broadcasting in HDR.

Fintanto che un amplificatore distribuito, una matrice/switcher o un extender di segnale risulta sufficientemente veloce nel gestire un segnale HDMI 2.0 (o DP 1.4) e capace di trasferire i metadati HDR statici o dinamici senza alterarli, quell’interfaccia può essere considerata ‘HDR-compatibile’ o ‘HDR-ready’ (o ‘HDR-friendly’, ‘HDR BFF’ o qualsiasi altro termine si intenda usare).

Davvero, il diavolo risiede sempre e comunque nel dettaglio.


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