Revenir vers : 1.6 La profondeur de couleur

7.LE HIGH DYNAMIC RANGE ( HDR )

HDR en photo :

L'imagerie à grande gamme dynamique (high dynamic range ou HDR) regroupe un ensemble de techniques numériques permettant de représenter ou de mémoriser de nombreux niveaux d'intensité lumineuse dans une image. D'abord développée pour les images générées par ordinateur, la technique s'est ensuite adaptée à la photographie numérique et concerne désormais aussi la vidéo. Que ce soit pour un appareil photo ou pour une caméra vidéo, la problématique reste la même : différents paramètres ( temps d'exposition, ouverture, sensibilité ) sont ajustés ( automatiquement ou par l'utilisateur ) au moment de la captation d'image pour obtenir une photo/vidéo. Ces paramètres ne permettent jamais aux capteurs numériques de mémoriser la pleine échelle de lumière d'une scène/paysage.

L'obtention d'une photographie HDR peut se faire avec un appareil traditionnel en prenant plusieurs photos SDR (Standard Dynamic Range) d'une même scène/paysage puis en les fusionnant avec un logiciel.

Si la technique est bien réalisée, on obtient alors une image aussi bien détaillée dans ses zones claires que sombres.

La photo ( prise en HDR ) à gauche montre qu'il y a un rapport de 5000 entre la partie la plus sombre et la partie la plus claire de l'image, ce qu'aucun capteur numérique n'est capable de retranscrire de façon lisible en une seule prise de vue.

HDR en vidéo :

Bénéficier des effets de la technologie HDR implique certaines conditions :

1 - Il faut réaliser la captation en HDR ( et en une seule prise de vue contrairement à la photographie ) à l'aide d'un jeux de deux caméras, d'un miroir et de filtre assurant la captation en sous exposition et en sur exposition en même temps. Il est impératif d'utiliser des caméras vidéos capable d'exploiter une profondeur de couleur d'au moins 10 bits sous peine de ne pas pouvoir extraire des informations utiles pour la partie HDR.

2 - La seconde condition concerne l'obligation d'un traitement spécifique des deux flux vidéos afin d'obtenir une vidéo "classique" accompagnée de ses données HDR. On commence par apporter des corrections géométriques aux deux vidéos ( celle surexposée et celle sous-exposée ) pour être en mesure de les fusionner. Puis, on va analyser les composantes Y ( luminance ) de chacune des deux vidéos pour séparer les informations communes de celles spécifiques à chaque vidéo. Les informations communes de luminance sont fusionnées dans un 1er canal ( SDR ou non HDR ) qui deviendra la composante de luminance Y de la vidéo finale. Les informations de luminance spécifiques aux deux vidéos sont fusionnées dans un 2nd canal ( lui aussi SDR ). Enfin des informations de synchronisation utiles pour la colorimétrie en cas d'affichage HDR sont extraites en métadonnées. Les deux canaux de luminance sont encodés et compressés ( séparément ) puis fusionnées avec les données de couleur pour obtenir un seul flux vidéo ( intégrant les métadonnées HDR ). Il ne reste plus qu'à convertir la vidéo finale ( choix de la définition, de la profondeur de couleur, de l'espace colorimétrique ) puis la stocker avant de pouvoir la distribuer.

Les données HDR sont donc composées d'un canal de luminance supplémentaire ainsi que de métas-données entourant le flux vidéo "classique". Cette séparation de la luminance permet de garantir une compatibilité descendante. Ainsi, un diffuseur SDR ( Standard Dynamic Range ) ne peut pas être upgradé en HDR ( High Dynamic Range ) mais il pourra afficher ( de façon non HDR ) un média encodé en HDR.

3 - le diffuseur ( téléviseur ou vidéo-projecteur ) doit satisfaire des caractéristiques minimales ( non standardisées à ce jour ) pour être compatible HDR.

Les promesses chiffrées du HDR :

Voici tout d'abord des valeurs de luminosité ( exprimées en nits ) mesurées dans un scène sombre et ensoleillée. On remarque clairement les différences de gammes entre les valeurs les plus faibles et les plus élevées :

L'image ci-dessous permet de comparer la pleine échelle de lumière mesurable, celle visible par le système visuel humain et celle capable d'être reproduite par des diffuseurs SDR ( Standard Dynamic Range ) actuels ( téléviseurs et vidéo projecteurs de cinéma ). On remarque clairement l'écart immense entre ce que le système optique peut percevoir et ce qui lui est retransmis par la télévision ou au cinéma :

Valeurs de blanc et noir standardisées :

Valeurs de blanc : La norme au cinéma est de 48 cd/m2 et entre 80 et 120 cd/m2 pour les téléviseurs. Un moniteur LCD affiche au mieux 300 cd/m2 ( ou 300 nits ), les meilleurs téléviseurs actuels ( non HDR ) vont jusqu'à 1500 cd/m2 et les premiers moniteurs HDR permettent d'atteindre les 5000 cd/m2.

Valeurs de noir : La norme au cinéma est entre 0,01 et 0,03 cd/m2 et entre 0,005 et 0,01 cd/m2 pour les téléviseurs. Les meilleurs téléviseurs actuels ( non HDR ) vont jusqu'à 0,001 cd/m2. La limite de perception humaine étant à 0,00001 cd/m2.



Augmenter la dynamique des images visible à l'écran fait partit des nouveaux aspects que l'industrie de l'audiovisuel à tenu à prendre en considération lors des spécifications de l'ultra HD. Il s'agit ici d'augmenter le réalisme des images et donc l'immersion du spectateur en définissant de nouvelles valeurs normés pour les valeurs crêtes de blanc et noir affichable. L'accroissement de ces valeurs augmentera ainsi le contraste du diffuseur qui reposait jusqu'alors sur des normes vieillissantes.

Voici une image extraite d'une séquence filmée et encodée en HDR ( caméra F65 Sony, 1080p à 25 images/s, Rec.709 ) et diffusée depuis un moniteur professionnel SIM2 HDR47E S 4K équipé d'un système HDR :

Voici la comparaison simultanée d'une même séquence vidéo traitée ( comprendre encodée ) à la fois classiquement ( SDR ) et traitée en HDR ( démonstration réalisé par 4ever sur un moniteur HDR SIM2 ):

Problématiques liées à la diffusion du HDR :

En pratique, augmenter la gamme dynamique de nos diffuseurs implique des problématiques différentes entre téléviseurs et vidéos projecteurs :

pour les téléviseurs, on sait que seule la technologie OLED pourrait permettre de tels niveaux de contraste. Le problème c'est que l'OLED vieillit mal et rapidement ce qui génère une instabilité en matière de colorimétrie. Les laboratoires chimiques comme BASF cherchent des matières organiques de substitution afin de réduire les coûts de fabrication et de maîtriser les dérives temporelles en matières de colorimétrie mais du coup, ces nouveaux composés organiques s'avèrent moins intenses en luminosité. Le HDR aura donc un effet maximum sur des téléviseurs Oled première génération, puis viennent ensuite les téléviseurs Oled avec des composés organiques de substitutions et enfin les téléviseurs LED dont la gamme dynamique de contraste est sensiblement diminué par rapport à l'Oled. Autrement dit, préférer un téléviseur OLED si le HDR vous est primordial.

En vidéo projection, aucune technologie existante ne permet de diffuser de l'HDR correctement. Il faudra attendre la généralisation de la technologie full laser avec des niveaux de luminosité fantastique pour égaler ce que l'on verra sur un téléviseur OLED.

Quel que soit le diffuseur ( Téléviseur ou vidéoprojecteur ), augmenter la gamme dynamique de contraste revient aussi à augmenter proportionnellement la consommation électrique ! A tel point que le consortium DigitalEurope est en cours de discussion avec l'Union Européenne afin de définir le niveau maximum d'illumination ( et donc de consommation électrique ) autorisé pour les téléviseurs commercialisés sur le sol Européen. De même, l'industrie vidéo qui depuis quelques années a fait beaucoup d'effort pour communiquer sur les aspects "Vert" de ses productions commence à intégrer la nécessité de concevoir des produits intégrant des limites en matières de consommation d'énergie. Il est néanmoins probable que les pics de contraste et de luminosité varient en fonction du type de diffuseur : autrement dit, les modèles haut de gamme iront plus loin que les modèles d'entrée de gamme.

Dernière chose, le HDR ne marche que sur des médias encodés en 10 bits. Il faut donc que le diffuseur ( télévision, écran PC, vidéo-projecteur ) soit capable d'adresser chaque pixel en 10 bits. Si les électroniques des vidéos projecteurs supportent le 10 bits voir le 12 bits pour les haut de gamme, ce n'est pas le cas des téléviseurs dont + de 95% sont équipées de dalles adressables qu'en 8 bits.

L'autre partie du problème est la fonction de transfert opto- électronique ( OETF ) utilisée pour convertir des images optiques de la caméra en signaux électroniques et la fonction ( inverse ) de transfert électro-optique ( EOTF ) utilisée pour convertir les signaux électronique en image à l'écran. Toutes deux sont actuellement basées sur la notion de gamma utilisée dans tous les téléviseurs. Nos diffuseurs se comportent de telle manière que lorsque l'amplitude du signal d'entrée est faible, il ne réagissent que très peu à ce signal ou à ses variations de faibles amplitudes et ne les reproduisent pas. Le gamma est une correction mathématique opérée pour relier l'amplitude de la luminance (en volt) d’un signal de télévision et la luminance (en cd/m²) réelle de l'image sur un diffuseur. Cette correction a néanmoins des inconvénients car, si le gamma est réglé trop haut ( > 2,4 ), les détails des scènes sombres ne seront pas affichés. A contrario, un gamma réglé trop bas ( < 1,8 ) et l'on perdra la densité des noirs affichés. De plus, un gamma mal réglé peut intensifier le phénomène de banding visible sur les parties lumineuse d'une scène à fort contraste ; ce phénomène étant en majeure partie liée à la profondeur de bit utilisé pour encoder un signal vidéo. Les questions liées à la profondeur de bit et au Banding dépendent donc du gamma utilisé sur l'afficheur. Malgré la possibilité de modifier manuellement le gamma de nos diffuseurs, il n'y a pas de réglage standard ( ou recommandé ) en fonction de l'espace colorimétrique exploité par la vidéo que l'on regarde. Ni l'espace colorimétrique Rec.709, ni le Rec.2020 ne spécifient un EOTF. Un gamma de 2.4 est spécifié dans le Rec.1886, et le Rec.2020 l'utilise pour l'instant.

Le Dolby vision :

Afin de réduire le Banding, notamment lors des valeurs élevées de luminance, la société Dolby développe une nouvelle EOTF appelée quantification Perceptuelle (PQ). Dolby affirme que ce système peut améliorer les dégradés de couleurs dans l'affichage des hautes lumières, des reflets du soleil ou des feux d'artifice, ainsi que les détails à bas niveaux de lumière.


En fait, la société affirme qu'une profondeur de couleur de 12 bits en PQ équivaut à une profondeur de couleur de 14 bits en EOTF basé sur le gamma.

Sur l'image de gauche, le trait en pointillé représente la limite au dessus de laquelle du banding apparaît et en dessous de laquelle le banding n'apparaît pas.

La courbe en verte représente une profondeur de couleur de 10 bits en PQ, du banding peut alors apparaître.

La courbe en noir représente une profondeur de couleur de 12 bits en PQ, du banding ne peut pas apparaître.



Voici les projections de résultats attendus par la technologie Dolby Vision associées à l'espace colorimétrique Rec 2020 :

Standardisation du HDR :

On distingue le HDR avec métadonnées statiques et le HDR avec métadonnées dynamqiues :

HDR statique

Basé sur les travaux expérimentaux de Dolby et de l'EBU ( publiés en juin 2013 ), ainsi que sur des propositions techniques de la BBC, de Philips ou encore de Technicolor, le SMPTE a décidé de formaliser trois spécifications qui permettront l'exploitation d'un standard HDR open source ( SMPTE-2084,2085,2086 ). Cela impacte d'abord les diffuseurs qui devront avoir les capacités d'afficher les nouvelles valeurs crêtes de blanc et de noir attendues. Cela affecte ensuite la façon dont les signaux vidéos UHD et UHDTV sont préparés ( masterisés ) avant d'être distribués. Enfin cela affecte la captation d'image vidéo.

  • Le 10 septembre 2014, le SMPTE a officialisé le standard HDR au travers de la norme SMPTE ST2084 qui définit la façon de convertir les médias existants non HDR en HDR ( donc hors broadcasting ). C'est dans cette norme que l'on retrouve le gamma du HDR ( basée sur la solution PQ de Dolby vision ).
  • En novembre 2014, le SMPTE a officialisé le standard HDR au travers de la norme SMPTE ST2086 qui définit la façon dont les données HDR doivent être présentées en métas-données. C'est dans cette norme que l'on retrouve la solution de Technicolor qui garantit la compatibilité des médias HDR avec des diffuseurs non HDR.
  • Le consortium HDMI a établi la norme HDMI 2.0a en avril 2015 qui autorise les médias encodés en HDR à transiter via le câble HDMI.
  • Le 30 janvier 2015, le CEA publie la norme "HDR Static Metadata Extensions" nommé CEA-861.3. Cette norme spécifie comment coder et décoder ( comprendre afficher ) les métadonnées ( structures de données ) de type HDR sur des vidéos à usage domestique. Cette norme du CEA est compatible avec les normes SMPTE ST 2084 et SMPTE ST 2086 tout en contenant des dispositions pour les futurs EOTFs HDR ( PQ de DOLBY, ... ). Les exigences de cette norme complètent la CEA-861-F.

HDR dynamique

Ci-dessus, on comprend que le format HDR statique le plus employé sur nos UHD Bluray ( HDR10 ) n'est pas le plus optimisé. Le HDR10+ ( qui est l'un des 4 formats de HDR dits dynamique ) est adapté non seulement à chaque séquence du film mais aussi tient compte des limites du diffuseur. Si vous appréciez le gap en matière de qualité d'image dans les films en HDR10 votre ressenti sera encore plus fort avec du HDR dynamique.

  • Seuls le Dolby Vision et le HDR dynamique sont les plus optimaux pour profiter de l'effet HDR avec un maximum d'effet.
  • Le Dolby Vision est le seul format qui demande des royalties pour être intégré à un lecteur ou un diffuseur. Il fonctionne à partir de la norme HDMI 1.4.
  • Le HDR Dynamique n'est pas un format HDR à proprement parlé ( au sens ou il n'est pas commercialisé sous ce nom la ). C'est un standard qui "encapsule" 4 technologies différentes ( en provenance de 4 industriels différents ). On y retrouve notamment le HDR 10+ ( nom du format HDR dynamique qui intègre la technologie mise au point par Samsung ). Quel que soit leur nom, ces 4 formats de HDR dynamique sont proposé sous forme d'Open Platform et nécessiteront de toute façon une HDMI 2.1.

Ci-dessous un tableau comparatif entre les différents formats HDR statique et HDR dynamique :

Pour les vidéos ( films, concerts, documentaires ) stockés sur support physique ( Ultra HD Bluray ):

Les spécifications de l'ultra Blu-ray diffusées en janvier 2015 précisent les types d'HDR autorisés :

  • HDR statique : Le profil HDR10 ( open source ) est celui qui sera exploité sur l'ultra HD Bluray ( 10 bits par couleur, 4:2:0 pour les vidéos compressées, Rec.2020, compatible SMPTE 2084 et 2068 ) avec des pics de luminances compris entre 1,000 nits et 10,000 nits.
  • HDR dynamique : Le profil Philips HDR ( open source ) est le format de HDR dynamqiue retenue pour l'UHD BluRay ( compatible avec la norme SMPTE-ST2094 ).

Pour la diffusion TV ( Broadcasting c'est à dire via satellite ou TNT, Broadbanding c'est à dire via boîtier internet ou live via site internet ) :

Le consortium DVB, qui spécifie les paramètres type des signaux UHD télévisé exploitable en Europe, a fixé en janvier 2014 que l'HDR ne ferait pas partit des paramètres figés lors de la phase d'introduction de l'UHD-1. En revanche, l'HDR est d'ors et déjà officialisé pour que l'UHD-1 ( 2ème phase qui devrait voir le jour à partir de 2017 ) puisse être distribué avec des signaux compatible avec cette fonctionnalité.



Ci-dessus, on voit les différents formats de télévisions actuels et à venir. Il est prévu que l'UHD TV 1 ( format actuellement diffusé de façon confidentiel selon les pays ) accepte avant tout le HLG ( qui est donc le premier choix dans l'écosystème du broadcasting ) et le PQ.

L'UHD TV 2 n'est pas encore finalisé mais la encore, le HLG et le PQ sont les favoris.
Pour ceux qui se posent la question, le HDR TV est un standard de captation plus qu'un standard de diffusion. Autrement dit, les images satellites UHD en HDR seront captées selon le standard HDR TV pour être diffusées en UHD TV 1 ou 2.

Pour les vidéos ( films, concerts, documentaires ) disponible en streaming ou via des sites de vidéo à la demande :

Il est vraisemblable de penser que nos moniteurs informatique ( comme nos autres diffuseurs ) seront équipés petit à petit de la fonctionnalité HDR et donc équipés d'électroniques pouvant afficher des vidéos encodés sur 10 bits. On peut supposer que des vidéos HDR seront aussi disponible en téléchargement sans difficulté majeures pour les diffuseurs. Dans tous les cas, les vidéos dites HDR devront respecter la norme CEA-861.3 et par conséquent la norme CEA-861-F.

Ci-dessus, on comprend que :

  • LG est la marque de diffuseur qui accepte le plus de formats HDR ( HDR10, HDR10+, HLG, Technicolor HDR, Dolby Vision ).
  • Sony Philips Loewe Toshiba intègrent le HDR10, le HLG et le Dolby Vision,
  • Panasonic reprend le HDR10, le HDR10+, Le HLG,
  • Samsung, reprend le HDR10, Le HDR10+,
  • Oppo intègre le Dolby Vision, le HDR10.
  • Les diffuseurs satellites préfèrent le HLG ( plus facile à générer lors d'une captation LIVE comme un concert ou un match de foot ).

Cette représentation évolue de toute façon en fonction des annonces de chaque marque pour tel ou tel standard HDR.

A suivre : 1.8 L'encodage High Efficiency Video Coding ( HEVC/H.265 )