راهنمای جامع استاندارد HDR یا محدوده دینامیکی گسترده

محدوده دینامیکی گسترده یا در انگلیسی High dynamic range و به اختصار HDR یکی از ویژگی های نور و رنگ در نمایشگرهای جدید است.

به صورت کلی همه در خصوص ویژگی های دیداری این فناوری میدانیم ولی شاید اطلاعات دقیقی از چگونگی و ویژگی های دقیق آن نداشته باشیم.

پیش از این در خصوص “چگونه اندازه مناسب صفحه نمایش را برای اتاق خود انتخاب کنیم” و “تفاوت رزولوشن (وضوح) و نسبت تصاویر ویدیویی” گفته بودیم.
در این مقاله تلاش می شود تا با زبانی ساده به بیان این که HDR دقیقا چیست اشاره کنیم.

محدوده دینامیکی در تلویزیون ها به چه معنی است؟

بهتر است با تعریف Contrast (تضاد) شروع کنیم. کنتراست به اختلاف میزان روشنی و تاریکی تصویر گفته می شود. محدوده دینامیکی یا HDR دقیقا به اندازه جزییات این اختلاف می پردازد.

اساسا محدوده دینامیکی نمایشگر همان کنتراست با جزییات بیشتر است. اما گسترش محدوده بین روشنایی و تاریکی تصویر به تنهایی برای بهبود تصویر کافی نیست.

cd/m^2 در نمایشگرهای دیجیتال به چه معنی است؟

cd/m^2 اختصار Candela per square meter به معنی شدت نور یک شمع بر متر مربع است که در فیزیک به آن یک لوکس (1 Lux) هم گفته می شود.

بارها در خصوص شدت نمایشگرهای تلفن های هوشمند و یا نمایشگرهای تلویزیون ها اصطلاح شدت نوری لوکس را شنیده اید. به عنوان نمونه شدت روشنایی آیفون 13 حدود 802 لوکس است که در مقابل آیفون 12 با شدت روشنایی 639 لوکس پیشرفت بزرگی محسوب می شود. البته به خاطر داشته باشید شدت روشنایی فقط یکی از فاکتورهای بهبود تصویر نهایی است و خصوصا در خصوص تلفن های هوشمند به دلیل اینکه کاربری خارج از فضای بسته و زیر نور آفتاب را دارند، شدت روشنایی نمایشگر میتواند یکی از تعیین کننده ترین عوامل خوانا تر شدت تصویر در زیر نور خورشید باشد.

برای درک بهتر شدت روشنایی نمایشگر ها، جدول زیر را با دقت بررسی کنید.

جدول مقایسه شدت روشنایی صفحه نمایش تلفن های هوشمند

در خصوص روش ایجاد رنگ مشکی در نمایشگرها بیشتر بدانیم

تا اینجا برای داشتن کنتراست و تضاد بیشتر بین روشنی و تاریکی یک تصویر دیجیتال به مهم بودن میزان نهایی روشنایی نمایشگر پی بردیم.

اما برای بالاتر بردن کنتراست باید نقطه مقابل یعنی بخش های تاریک تصویر هم تا حد امکان تیره تر و سیاه تر شوند. اینجاست که فناوری های نمایشگرها وکیفیت ساخت آن ها باز هم به کمک آماده سازی نمایشگر برای ارایه تصاویر HDR می آید.

نمایشگر های OLED با پیکسل های ارگانیک خود روشن شونده به صورت فنی آمادگی ارایه تصاویر HDR را دارند. البته عامل حداقل روشنایی مورد نیاز برای بخش های روشن تصویر هم در فناوری HDR مطرح است.

باید اشاره کنیم حداقل روشنایی تصویر نمایشگر HDR باید 400 cd/m^2 باشد که احتمالا بارهای شنیده اید که نمایشگر خاصی HDR 400 است. این به این معنی است که این نمایشگر فقط حداقل استاندارد مورد نیاز برای ارایه تصاویر HDR را دارا است.

تولید کنندگان نمایشگرهای دیجیتال با ترکیب فناوری های مختلف در تلاش هستند تا کنتراست بیشتری برای نمایشگرهای LCD با فناوری نور پشت زمینه LED ارایه دهند. ساده ترین روش که سال هاست در تلویزیون های LED برندهای مطرحی همچون سونی و پاناسونیک مورد استفاده قرار میگیرد، استفاده از نور زمینه منطقه (Local dimming zone) است.

در این روش به جای استفاده از نور پس زمینه ثابت برای نمایشگر از تعداد زیادی LED در زمینه استفاده می شود که وابسته به تصویر نمایش داده شده، نور در بخش های مختلف تصویر کم و یا زیاد می شود. به این ترتیب با تاریک تر نشان دادن بخش های تاریک تصویر و روشن تر نشان دادن بخش های روشن تصویر، کنتراست تصویر نهایی بیشتر می شود.

نمایشگر حرفه ای و بسیار گران قیمت Apple Pro Display XDR با استفاده از 576 منطقه روشنایی در زمینه، به بهترین شکل از این روش برای بالا بردن کنتراست تصویر استفاده کرده است. مشابه همین فناوری در آیپد پروهای سال 2021 و مک بوک پرو های همین سال هم استفاده شد.

توجه داشته باشید فناوری های Mini LED و QLED هم از همین روش با نام های تجاری و دقت متفاوت استفاده میکنند.

HDR چیست؟

اینجاست که ویدیوی HDR وارد می‌شود. محدودیت‌های ارائه‌شده توسط سیگنال‌های ویدیویی قدیمی‌تر را حذف می‌کند و اطلاعاتی در مورد روشنایی و رنگ در محدوده بسیار وسیع‌تری ارائه می‌کند. نمایشگرهای با قابلیت HDR می توانند این اطلاعات را بخوانند و تصویری را که از طیف وسیع تری از رنگ و روشنایی ساخته شده است را نشان دهند.

به این ترتیب در صورت پشتیبانی نمایشگر از فناوری HDR، نقاط روشن تر و تاریک تر با توجه به کنترل بیشتر و بهتر روشنایی و تاریکی با جزییات بیشتر و دقیق تری به نمایش در می آیند.
فراموش نکنید منظور از بخش های روشن یا تاریک تصویر لزوما به معنی بخش های سفید و سیاه نیست! و در واقع این کنتراست نوری در تمامی طیف های رنگی در بخش های روشنی و تاریکی و سایه ها و گرادینت ها تاثیر گذار است.

به بیان ساده‌تر، محتوای HDR در تلویزیون‌های سازگار با HDR می‌تواند روشن‌تر، تیره‌تر شود و سایه‌های خاکستری بیشتری را در این بین نشان دهد (با این فرض که تلویزیون‌ها دارای پنل‌هایی هستند که می‌توانند به اندازه کافی روشن و تاریک شوند تا سیگنال را به درستی نمایش دهند)

فناوری HDR با داشتن جزییات بیشتر در میزان روشنایی تصویر به جای استفاده از 8 بیت اطلاعات مرسوم برای انتقال تصویر از 10 بیت اطلاعات استفاده می کند. به همین دلیل گاهی آن را با نام HDR 10 هم دیده اید.

توجه داشته باشید نمایش یک محتوای HDR استاندارد در نمایشگر غیر HDR معمولا نتیجه عکس دارد و ممکن است نمایشگر بعضی از جزییات تصویر که به صورت معمول نمایش میدادند هم نمایش ندهند. به همین دلیل بسیاری از پخش کننده های HDR (بلوری پلیر ها و یا اندروید باکس ها) به صورت خودکار در صورت شناسایی نکردن نمایشگر HDR، تصاویر HDR را با اصلاحاتی برای نمایشگرهایی که از این فناوری پشتیبانی نمی کنند ارسال می کنند.

با توجه به جزییات تصویری ویدیوهای HDR حجم این گونه فایل ها هم بیشتر است. از این رو باید برای دریافت و استریم ویدیوهای HDR از سرویس های VOD (سرویس های آنلاین فیلم و سریال) پهنای باندی اینترنتی بیشتری داشته باشید.

در حال حاضر سرعت اتصال آمازون ویدیو و نتفلیکس برای محتوای 4K به ترتیب حدود 15 مگابیت در ثانیه و 25 مگابیت در ثانیه است، صرف نظر از اینکه آن محتوا HDR باشد یا خیر.

محدوده رنگ یا Color Gamut چیست؟

اینجاست که HDR کمی گیج کننده تر می شود. وسعت رنگ گسترده یکی دیگر از ویژگی هایی است که تلویزیون های سطح بالا دارند. HDR به میزان نور یا روشنایی تلویزیون می پردازد. محدوده و مقدار رنگ که جدا از نور تعریف می شود، chromaticity (کروماتیسیتی یا رنگی بودن) نامیده می شود.

از نظر فنی، HDR به طور خاص فقط به روشنایی می پردازد، زیرا محدوده دینامیکی این است ولی chromaticity یک مقدار کاملا مجزا بر اساس سطوح قرمز، سبز و آبی مطلق بدون توجه به فرمت ویدیو است. با این حال، آنها با نحوه درک ما از نور به هم گره می خورند، و طیف بیشتر نور به این معنی است که ما طیف بیشتری از رنگ را درک خواهیم کرد. به همین دلیل، تلویزیون‌های دارای HDR اغلب می‌توانند آنچه را که «محدوده رنگ گسترده» نامیده می‌شود، یا طیف رنگی خارج از مقادیر رنگ استاندارد مورد استفاده در سیگنال های تلویزیونی به نام Rec.709 را نشان دهند.

در تصویر زیر می توانید محدوده رنگ گسترده استاندارهای رنگی مختلف را ببینید.

نمودار بالا محدوده رنگی را که چشم انسان می تواند به صورت قوس تشخیص دهد و سه فضای رنگی که به عنوان مثلث ذکر کردیم را نشان می دهد. همانطور که می بینید، هر یک به طور قابل توجهی نسبت به قبلی گسترش می یابد.

این بدان معنا نیست که HDR طیف گسترده ‌تری از رنگ‌ها را تضمین می‌کند. به صورت استاندارد ما هر تلویزیون را از نظر کنتراست و رنگ بررسی می کنیم. اکثر تلویزیون‌های امروزی می‌توانند مقادیر Rec.709 را پردازش و نمایش دهند، اما رنگ‌های زیادی باقی می‌ماند که چشم می‌تواند ببیند اما آن تلویزیون‌ها نمی‌توانند نشان دهند.

استاندارد DCI-P3 یک فضای رنگی استاندارد برای سینمای دیجیتال است و بسیار گسترده تر است. Rec.2020 فضای رنگی ایده‌آل برای تلویزیون‌های 4K است ولی هنوز تلویزیون تجاری که بتواند به این سطوح برسد در بازار موجود نیست.
نکته مهم اینجاست Rec.2020 برای تصاویر SDR و HDR اعمال می‌شود، زیرا HDR مستقیماً ارتباطی به محدوده سطوح رنگ ندارد!

همه اینها ممکن است گیج کننده به نظر برسد، اما به این شکل خلاصه می شود که HDR تضمین کننده دریافت رنگ های بیشتر نیست! بسیاری از تلویزیون های با قابلیت پخش HDR دارای طیف رنگی گسترده هستند، اما لزوما همه آن ها اینچنین نیستند.
پس در هنگام خرید تلویزیون بررسی پشتیبانی آن از HDR برای قیاس کیفیت و جزییات تصویر کافی نیست!

دانلود ویدیو های 4K HDR

انواع HDR

به صورت کلی و به شکل تجاری، استاندارد تصاویر HDR به دو استاندارد Dolby Vision (دالبی ویژن) و HDR10 وجود دارد.

Vision (دالبی ویژن) چیست؟

دالبی ویژن فرمت HDR کمپانی دالبی است. استاندارد دالبی ویژن فقط نیازمند توانایی فنی نمایشگر برای نمایش تصاویر HDR نیست و در واقع برعکس استاندارد HDR10 ، نیازمند دریافت گواهینامه (License) است. به این ترتیب همین که نمایشگر شما توانایی فنی نمایش تصاویر HDR را دارا باشد به این معنی نیست که امکان نمایش محتوای دالبی ویژن هم دارد!

دالبی ویژن با تمرکز به روی Metadata (فراداده) برای هر صحنه از ویدیو، سطوح خاصی از روشنایی را در هر محتوایی که تماشا می کنید حفظ می کند. ابرداده پویا آن سطوح را بر اساس هر صحنه یا حتی هر فریم تنظیم می کند و جزئیات بیشتری را بین صحنه هایی که بسیار روشن یا بسیار تاریک هستند حفظ می کند. در این روش به صورت مستمر اطلاعات میزان روشنایی مربوط به هر صحنه برای تغییرات لازم به تلویزیون یا نمایشگر تلفن هوشمند ارسال می شود.

در Dolby Vision صحنه‌های تیره‌تر می‌توانند جزئیات بیشتری را در سایه‌ها حفظ کنند و صحنه‌های روشن‌تر می‌توانند جزئیات بیشتری را در هایلایت‌ها برای هر بخش از ویدیو به صورت مجزا کنترل و حفظ کنند.

یکی دیگر از ویژگی های مهم دالبی ویژن با توجه به اینکه نیازمند دریافت گواهینامه از سوی تولید کننده نمایشگر یا تلویزیون است، این موضوع است که محتوا درست بر اساس توانایی های فنی نمایشگر شما نمایش داده می شود. این بدان معنی است که ویدیوی Dolby Vision به صورت خاص به تلویزیون شما می گوید که از چه سطح نور و رنگ استفاده کند.

به همین دلیل تمامی تلویزیون های دارای گواهینامه Dolby Vision دارای پروفایل های تصویری از پیش تنظیم شده برای حالت های Dolby Vision Bright, Dolby Vision Dark و Dolby Vision Game هستند و گاهی قابلیت شخصی سازی بسیار کمتری نسبت به استاندارد HDR به کاربر می دهند.

دالبی ویژن به طور بالقوه می تواند به تلویزیون ها اجازه دهد جزئیات بیشتری نسبت به HDR10 نشان دهند.

HDR10 چیست؟

HDR10 استانداردی است که توسط UHD Alliance ارائه شده است. این یک استاندارد فنی با محدوده ها و مشخصات مشخص و تعریف شده است که باید برای محتوا و نمایشگرها رعایت شود تا واجد شرایط استفاده از آن باشند. HDR10 از فراداده ایستا استفاده می کند که در همه نمایشگرها یکسان است. این بدان معناست که ویدیوی HDR10 سطوح نور و رنگ را بدون توجه به صفحه نمایشی که در آن نشان داده می شود، در مقادیر مطلق تنظیم می کند. این یک استاندارد باز (Open) است، بنابراین هر تولید کننده یا توزیع کننده محتوا می تواند آزادانه از آن استفاده کند.

HDR10+ چیست؟

HDR10+ استانداردی است که توسط سامسونگ توسعه یافته است. با افزودن ابرداده پویا، مانند Dolby Vision، بر روی HDR10 ساخته می‌شود. از متادیتای جداگانه برای هر صفحه استفاده نمی کند، اما همچنان محدوده نوری را که به تلویزیون می گوید برای هر صحنه یا فریم نمایش می دهد، تنظیم می کند. این موضوع به طور بالقوه می تواند جزئیات بیشتری را نسبت به آنچه HDR10 نشان می دهد به تصویر شما اضافه کند، و مانند HDR10 یک استاندارد باز است که نیازی به مجوز خاص ندارد.

در قیاس HDR10 و Dolby Vision تنها استانداردهای قابل توجهی هستند که دارای محتوا و تلویزیون های سازگار فراوان هستند. Dolby Vision به طور بالقوه تصویر بهتری ارائه می دهد، اما همچنین نسبت به HDR10 کمتر رایج است، زیرا یک استاندارد رایگان نیست.

HDR10+ فناوری سامسونگ فرمتی رایگان و باز است اما باید دید آیا تولید کنندگان محتوا و نمایشگر علاقه ای به آن نشان می دهند یا خیر.

به صورت کلی HLG با توجه به ماهیت ساده، نداشتن گواهینامه و پشتیبانی از SDR و HDR میتواند فراگیر شود، اما باید دید محتوای کافی برای آن تولید یا خواهد شد یا خیر.

HLG چیست؟

Hybrid Log-Gamma (HLG) به اندازه HDR10 یا Dolby Vision رایج نیست، و هنوز محتوای بسیار کمی برای آن وجود دارد. HLG توسط BBC و NHK ژاپن توسعه داده شده است و فرمتی برای نمایش محتوای HDR از طریق سیگنال های تلویزیونی است .

در حال حاضر شبکه آزمایش IRIB UHD ایران از همین فرمت برای پخش آزمایشی استفاده میکند.

فناوری HLG از ترکیبی از منحنی گاما که تلویزیون‌ها برای محاسبه روشنایی محتوای SDR استفاده می‌کنند و منحنی لگاریتمی برای محاسبه سطوح بسیار بالاتر روشنایی که تلویزیون‌های دارای HDR می‌توانند تولید کنند استفاده می‌کند (از این رو به آن Hybrid Log-Gamma می‌گویند).

HLG می‌تواند با تلویزیون‌های SDR و HDR کار کند، زیرا به هیچ وجه از متادیتا استفاده نمی‌کند، در حالی که هنوز طیف وسیع‌تری از داده‌های نور را در خود نگه می‌دارد. متاسفانه در حال حاضر گیرنده های دیجیتال و یا تلویزیون های کمی هستند که از HLG پشتیبانی کنند و این در حالی است که گیرنده های دیجیتال 4K هم هنوز فراگیر نشده اند!

آیا به HDR احتیاج داریم یا خیر؟

اکثر سرویس های پخش ویدیو مانند آمازون، گوگل پلی، آیتونز، نتفلیکس و یوتیوب اکنون از HDR برای برخی از محتوای 4K خود پشتیبانی می کنند.

HDR10 دارای محتوای ویدیویی بیشتری در VOD ها است در حالی که برخی از فیلم ها یا سریال ها به صورت Dolby Vision هم موجود هستند. البته دیسک‌های UHD Blu-ray نیز وجود دارند که اغلب دارای HDR10 یا گاهی اوقات Dolby Vision HDR هستند.

اگر تلویزیون شما از HDR پشتیبانی می کند، احتمالاً حداقل به برخی از سرویس های پخش که از HDR پشتیبانی می کنند دسترسی دارید. در صورتی که تلویزیون HDR شما سیستم عامل ندارد و یا به حد کافی برای استفاده روزمره روان نیست می توانید یک دستگاه اندروید باکس 4K HDR خریداری کنید و از طریق کابل HDMI به تلویزیون خود وصل کنید.

پلی‌استیشن 5 و ایکس‌باکس سری ایکس هر دو از HDR10 و Dolby Vision برای پخش برنامه‌ها و همچنین پخش Blu-ray UHD پشتیبانی می‌کنند. البته، نسخه‌های تمام دیجیتال کنسول‌ها، فاقد درایوهای نوری، نمی‌توانند دیسک‌های UHD Blu-ray را پخش کنند، اما همچنان می‌توانند محتوای 4K HDR را پخش کنند.

آیا پرداخت هزینه برای داشتن نمایشگر HDR ارزشش را دارد؟

اکنون با توجه به بزرگتر شدن اندازه تلویزیون ها، استاندارد 4K برای خرید یک تلویزیون جدید کاملا طبیعی است. HDR10 و Dolby Vision هر دو ثابت کرده‌اند که پیشرفت‌های قانع‌کننده‌ای را در کنتراست و رنگ نسبت به کیفیت استاندارد ارائه می‌دهند، و محتوای زیادی برای تماشای هر دو وجود دارد.

ساده بگوییم اگر به دنبال خرید تلویزیون جدید 4K هستید و بودجه لازم برای آن را دارید، قابلیت نمایش HDR برای محتواهای موجود امروزی یک ویژگی ضروری به حساب می آید.

7 خطای پرتکرار برای طراحی و ساخت اتاق تلویزیون و سینمای خانگی

راهنمای جامع HDMI 2.1 – ویژگی ها – تفاوت ها – تلویزیون ها

تفاوت 1080i و 1080p یا 720i با 720p چیست؟!

بهترین فرمت های ویدیویی و تعریف کدک های ویدیویی