האתר שלנו מבוסס על פרסומות. ללא פרסומות לא נוכל להתקיים כלכלית.
כנראה שנעשה שימוש בדפדפן שלך בחוסם פרסומות אשר פוגע בנו כלכלית
אנחנו מבקשים שתוסיף אותנו לרשימה הלבנה Whitelist בתוסף חוסם הפרסומות שלך

תודה והמשך גלישה נעימה באתר!


עוד אפשרויות

Google translateGoogle translate
RSSמאמרים וחדשות RSS
קישור לעמוד זהLinkback
גרסא להדפסהגרסא להדפסה
del.icio.usשמירה ב del.icio.us
DIGGהמלצה ב-DIGG
google bookmarkסימניית גוגל

מאמרים מהקבוצה

מה זה HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים?

מאת: rwg1
04/06/2016 - 20:00



 
 
 

הקדמה

דבר שבטח נתקלתם בו כשרציתם לברר איזה מסך חדש כדאי לקנות זה סלט האותיות באנגלית שהם קיצורי השמות של תכונות ויכולות של המסכים. נראה גם שכל שנה נוספים עוד כמה קיצורי שמות של תכונות, עד שזה מבלבל חלק גדול מהקונים שלא יודעים עד כמה תכונה מסויימת באמת משפיעה על איכות התמונה בצורה מורגשת, או שזה סתם דבר בעל שם מעניין שהוא בעיקר לצרכי פרסום ואין לו השפעה רבה על איכות התמונה. גם בתקופה האחרונה התחלנו לשמוע על עוד שני מושגים חדשים בשם HDR או High Dynamic Range ו- WCG או Wide Color Gamut, או בעברית תחום דינאמי גבוה וגאמוט רחב, שאמורים להיות הדבר הגדול הבא במסכים, אבל גם כאן אנשים שרוצים לקנות מסך חדש לא תמיד יודעים מה זה אומר ואם בכלל כדאי להשקיע במסך שתומך בתכונות הללו.


במאמר הזה אני רוצה לנסות ולהסביר למה כן כדאי לשים לב לתכונות המסויימות הללו, שלדעתי יביאו לשינוי הרבה יותר גדול מכל מיני תכונות שיצרנים הוסיפו בשנים האחרונות למסכים ולא הוסיפו הרבה לאיכות התמונה. כדי להבין מעט יותר טוב את השינוי שמביאים HDR ו- WCG, יש כמה מושגים וצורות פעולה של מסכים ושל אותות הוידאו שכדאי להבין מעט יותר טוב, וגם להתייחס בדברים הללו לאספקטים מסויימים שבדרך כלל היו מתייחסים אליהם פחות כשהסבירו עליהם בעבר, אבל הם חשובים להבנת נושא המאמר. הדרך שלדעתי היא הכי טובה להסביר על המושגים וצורות הפעולה הללו של מסכים, היא דרך הסבר על ההסטוריה של התחום, שבה נראה איך ולמה הדברים הללו נוצרו, איך ואם בכלל הם השתנו עם השנים, ובסוף איך הם הולכים להשתנות בעזרת HDR ו- WCG, ובמה כל זה הולך לשנות בחווית הצפיה שלנו בתוכן.


אז נתחיל במעט הסטוריה.



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים
קרדיט תמונה: openclipart.org

 

מעט הסטוריה

התמונה שאנו רואים היום במסכים מבוססת בחלקה על תקנים שנקבעו לפני עשרות שנים למסכים עצמם, וגם ליצירת והעברת אותות של וידאו ואודיו. למסכי צבע, הבסיס לתקנים של היום החל להיקבע בשנות ה- 50 לתקן ה- NTSC, ובשנות ה- 60 לתקן PAL אך גם תקנים אלו היו מבוססים בחלקם על תקנים שנקבעו אפילו מוקדם יותר לשידור בשחור לבן. דבר זה נעשה כדי לשמור על תאימות אחורה למסכי שחור לבן היותר ישנים שכבר היו נפוצים באותה התקופה.

באותה התקופה שפורפרות CRT היו הטכנולוגיה ששימשה באמצעי תצוגה של וידאו, כך שבחלק מהתקנים שנקבעו אז, וגם בתקופות יותר מאוחרות, השתמשו ביכולות של CRT כבסיס לתקן. אותם התקנים לא שימשו רק כתקנים ליצרני המסכים, הם שימשו גם את יצרני התוכן כדי שהתוכן שהם מכינים יתאים ליכולות המסך שאמור להראות אותו. חלק מאותם התקנים שעליהם גם נדבר במאמר זה עבר שינוי קל במשך השנים, כמו למשל התקן לצבע שעליו נדבר בהמשך, אבל יש תקנים שכמעט ולא שונו בכלל. בין התקנים שכמעט ולא שונו נמצאים התקנים לרמת הארה מקסימלית ולרמת השחור שמראה המסך, ושמבוססים גם הם על יכולות ההארה של שפורפרות CRT.

אז לפני שאני אמשיך לדבר על ההסטוריה, וכדי שנבין מעט יותר על רמות הארה, אני רוצה להסביר בקצרה על עוצמות אור.

 

מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים
קרדיט תמונה: openclipart.org

 

עוצמות אור

בכתיבה על עוצמות אור אני אשתמש בערכים שנמדדים ביחידת מדידה של עוצמת אור שמתייחסת גם לדרך בה העין האנושית חווה את האור ונקראת קנדלה למטר מרובע, או בשמה האחר והיותר קצר ניט (NIT). כדי שלא סתם נדבר על עוצמות אור בערכים כל שהם מבלי שתהיה לנו הבנה מעט יותר מוחשית של העוצמות שעליהן מדובר אני רוצה לתת כמה דוגמאות מהיום יום. אז אם למשל אנחנו בבית , והבית מואר בצורה סבירה ולא מאוד חזקה, אנחנו כנראה חווים אור בעוצמה ממוצעת של כמה עשרות או מאות ניט. אם נסתכל ישירות על נורת ניאון ממוצעת שמאירה, אנחנו נחווה אור בעוצמה של בערך 10,000 ניט ואם נסתכל על נורה רגילה של 100 וואט שמאירה, אז נחווה בערך אור בעוצמה של 18000 ניט.

אם אנחנו נמצאים בחוץ בשעת לילה במקום שלא מואר בסוג כל שהוא של תאורה ויש אור ירח שהוא יחסית מלא, כנראה שרמת האור שנחווה תהיה בערך בסביבות 0.1 ניט. ואם זה לילה ללא ירח אז עוצמת האור יכולה לרדת עד לרמות מאוד נמוכות של בערך 0.0001 ניט. כשאנחנו בחוץ באור יום מלא וחזק, אנחנו יכולים לחוות רמת אור שיכולה להגיע גם עד לכמה מליוני ניט.

עוצמות אור במסכים

אם נחזור לדבר על הסטוריה של המסכים, אז התקן שנקבע בנושא הזה היה שרמת ההארה המקסימלית שאליה נכוון את המסך ואליה גם מכינים את התוכן היא בערך כ- 100 ניט, שיש תקנים שמדברים על מעט פחות ויש כאלה שמאפשרים מעט יותר, תלוי בכל מיני תנאים. אנחנו נדבר על רמת הארה מקסימלית שהיא בערך בין 80 ניט ל- 120 ניט. הרמה המינימלית לא ממש נקבעה אך היתה המינימום של מה ש- CRT יכל להראות, ובערך גם הרמת שאליה הכינו תוכן.רמה זו היתה מעט פחות מ- 1 ניט, ויותר מאוחר
כשהיכולות של השפורפרות שופרו גם נמוך מזה בערכים של כ- 0.1 ניט או מעט פחות.

עוד נתון שלא ממש נכנס אז לתקן של המסכים עצמם, לפחות עד לשנים האחרונות, אבל היה קיים בתקנים להכנת התכנים היה הגאמה.



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכיםקרדיט תמונה: www.wikimediafoundation.org

 

גאמה

את התקן לגאמה במסכים פרסמו בצורה מסודרת רק לפני כמה שנים בשנת 2011, אפילו שהשימוש בגאמה התחיל עוד שהתחילו להשתמש בשפורפרות CRT בטלויזיות, מפני שגאמה במסכים באה כדי לפצות על דבר מסוים באופי הפעולה של CRT. אם ננסה להסביר את העניין בצורה כמה שיותר פשוטה אז, התמונה על המסך נבנית שורה אחר שורה, כשהשינוי בעוצמת האור במשך בניה של שורה היא בהתאם לשינוי מתח אות הוידאו בכניסת המסך. כמה שמתח האות יהיה יותר נמוך כך באותו המקום עוצמת האור שפוגעת במסך תהיה יותר נמוכה וההפך. דבר חשוב לקבלת תמונה נכונה הוא שעוצמת האור שפוגע במסך תשתנה בצורה ליניארית לפי עוצמת האות בכניסה.

בשפורפרת CRT היחס הזה בין רמת האות בכניסת המסך, לכמות האור שפוגעת במסך הוא לא ליניארי למשך כל תחום ההארה של המסך ביחס למתח הכניסה שלו. כך ששינוי מסויים באות הכניסה כשהוא ברמת מתח נמוכה, יתן שינוי מסוים בעוצמת האור שפוגע במסך, כששינוי מתח זהה של אות הכניסה, אבל ברמת מתח יותר גבוהה, במקום לתת את אותו השינוי בעוצמת האור שפוגע במסך אם התגובה שלו היתה ליניארית, יתן שינוי שונה לגמרי ברמת האור על המסך כמשתמשים בשפורפרות CRT.


כדי להתגבר על התופעה הזו ובעיות שהיא יוצרת בדקו את אופיין ההארה של המסך כתגובה למתח הכניסה, ויצרו פונקציה שאם משנים על פיה את האות בכניסה למסך היא תבטל את אופין הפעולה הלא ליניארי של המסך, והיא תאפשר ל CRT להראות את האות כמו שהוא צריך להראות בצורתו המקורית. לפונציה הזו קוראים גאמה, או קידוד תיקון גאמה.

מה עוד כדאי לדעת על גאמה

יש דבר נוסף חשוב שמאוד כדאי להזכיר בקשר לגאמה, כי הוא קשור מאוד לדברים שנדבר עליהם בהמשך, ואותו לא תמיד מזכירים בהסברים על הנושא הזה כשבאים להסביר רק על גאמה במסכי טלויזיה. דבר זה הוא שגם העין האנושית מגיבה לשינוי בעוצמת האור בצורה לא ליניארית, בכך שהעין רגישה יותר לשינוי מסוים בעוצמת אור ברמות אור נמוכות, מאשר לאותו השינוי ברמות אור גבוהות.

כדי לנצל את התופעה הזו רצו לשנות את האות הוידאו שמתקבל מהמצלמות בהתאם לאופי התגובה של העין לאור, ואחר כך לתקן את השינוי במסך, דבר שהיה עוזר להפחית רעשים בתמונה או לגרום להם להיות יותר אחידים בכל רמות ההארה שבתמונה. אחרי שאיפיינו את עקומת ההענות למתח של מסך CRT, הבינו שבצירוף מקרים מוצלח, פונקציה לתיקון של אותה אי ליניאריות בהענות של שפורפרת ה- CRT ושלפיה צריך לשנות את האות שנשלח למסך, תואמת בצורה קרובה את הדרך בה מגיבה העין האנושית לשינוי ברמות האור שבתחום הפעולה של CRT, כך שהאות שמתקבל מהמצלמות עובר שינוי, קידוד גאמה, שגם תואם את אופי התגובה של העין לאור, האות מועבר כך למסך שם הוא עובר תיקון שמתבצע מעצם האופי האי ליניארי בתגובה של CRT לשינוי במתח, כך שהשיגו דבר נוסף מעצם הצורך בתיקון אופי הפעולה של CRT, דבר שרצו לבצע בכל מקרה. התיקון תוכנן בצורה זו אבל עובד בפועל בערכים מעט שונים, ועל כל זה נדבר בהמשך.



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

 

חזרה להסטוריה של המסכים

עכשיו נחזור לזמן קצר לדבר על ההסטוריה, אבל על הסטוריה מעט יותר קרובה ועל שינוי שהחל בתחום בתחילת שנות השמונים. בתקופה ההיא התפרסם תקן חדש לאות הוידאו, שבין השאר, נתן קריטריונים להפיכה של אותות הוידאו לדיגיטליים. הקריטריונים דיברו על דברים כמו למשל רזולוציה של התמונה הדיגיטלית, שאז היתה ברזולוציית SD, וגם על עוד נתונים שעסקו בייצוג אות וידאו בצורה דיגיטלית. המעבר הזה מאותות אנאלוגיים לדיגיטליים החל בפועל בסוף שנות השמונים ותחילת התשעים, ונמשך ברוב המקומות בעולם עד תחילת שנות האלפיים.

וכדי להבין מעט את חלק מההשלכות של המעבר הזה, ובעיקר דברים שעקרוניים לנושא שלנו, בואו נדבר מעט על אותות וידאו דיגיטלים.



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכיםקרדיט תמונה: ויקיפדיה

 

אותות וידאו דיגיטלים

כדי לעבור ולייצג את אות הוידאו בצורה דיגיטלית מבלי לפגוע באיכות התמונה נעשו בדיקות, שבהם התברר שכדי לייצג תמונה באות דיגיטלי שלא תיפול באיכותה מהתמונה שהתקבלה מאות אנאלוגי על המסכים של התקופה, כשמתחשבים גם ברמות צבע שזה נושא שעוד נדבר עליו בהמשך, וגם ברמות ההארה, מספיקה מילה דיגיטלית בגודל של 8 ביט כדי לייצג כל אחד מרכיבי אות הוידאו, זאת אומרת, שאם נתייחס כרגע רק לייצוג של רמת ההארה לפני שנדבר על צבע, אז נקבע שכדי לייצג בצורה טובה את כל תחום ההארה שהמסך מאפשר, מהשחור הכי נמוך ועד ללבן הכי חזק, אין צורך ביותר מ- 256 רמות בהירות שונות, שזה מספר הרמות שניתן לייצג בעזרת מילה דיגיטלית של 8 ביט.

בפועל משתמשים באות למסכי טלויזיה רק ב- 220 ערכים מתוך 256 האפשרויות, מערך מספר 16 ועד לערך מספר 235 של אות הוידאו. אבל רק לצורך הדיון נמשיך להתייחס ל- 256 רמות בהירות באות הוידאו. למעבר זה בצורת יצוג של אות הוידאו יש לא מעט יתרונות, אבל אני רוצה להתמקד בדברים שחשובים לנושא שלנו, אז אני אתחיל בהסבר של אחד מהחסרונות בדבר.

בעיות אפשריות ביצוג דיגיטלי של אות וידאו

כמו שהוסבר כבר מוקדם יותר במאמר, עד למעבר לאותות דיגיטליים, רמת המתח של האות האנאלוגי בכניסת המסך היתה קובעת את עוצמת האור על המסך במהלך של בניית כל שורה בתמונה. המתח הזה היה משתנה בין ערכי המינימום והמקסימום המותרים של המתח, וכך בהתאם גם רמת האור בבניית התמונה על המסך. בצורת פעולה כזו היה ניתן ליצור שינוי הדרגתי ויחסית רציף במעבר בין בהירויות, בכך שניתן בערך לייצג כל רמת בהירות שנמצאת בין רמת אור נמוכה לרמת אור יותר גבוהה בעזרת שינוי רציף ברמת המתח של אות הוידאו.

כשאות הוידאו הוא דיגיטלי אז המסך מקבל ערכים מספריים במקום לקבל רמת מתח, והערך המיספרי שמועבר באות הוידאו קובע את רמת ההארה על המסך. האות שלנו יכול להעביר רק ערך מיספרי מסוים למסך בין 0 ל- 255 בקפיצות של 1 כדי לייצג תחום מסויים של הארה, אז בעזרת אות כזה נוכל להראות רק 256 גוונים שונים של בהירות בין רמת האור הנמוכה ביותר האפשרית, לרמת אור הגבוהה ביותר האפשרית. וכדי להבין את זה יותר טוב אז אפשר לחשוב על זה כ- 256 מדרגות של בהירות בין רמת האור הנמוכה ביותר לגבוהה ביותר. דוגמא לזה ניתן לראות בתמונה הבאה שבה מתוארות רק 16 מדרגות הארה, שנותנת מילה בגודל של 4 ביט :



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

 

דוגמא זו באה רק כדי להמחיש את הקפיצה המורגשת בבהירות בין מדרגה אחת לבאה אחריה ,והרעיון דומה גם בגודל מילה של 8 ביט, רק שאת אותו התחום ייצגו 256 מדרגות במקום 16 באות של 4 ביט כמו בתמונה. במצב כזה לא נוכל להראות רמת אור מסויימת שנופלת בין שתיים מאותן המדרגות, כך שנוכל להראות את רמת האור שיחסית לבהירות של לדוגמא, מדרגה מספר 4 שבתמונה, ונוכל גם להראות רמת אור שיחסית למדרגת הבהירות הבאה, שבדוגמא שלנו היא מדרגה מספר 5, אבל לא נוכל להראות בעזרת אות וידאו כזה רמת בהירות שהערך שלה נופל בין מדרגות מספר 4 ל- 5. לדבר זה יש את הפוטנציאל לגרום כמה בעיות.

בעיה אחת שנוצרת היא בעיה של תחום דינאמי נמוך מידי. אם למשל יצרן התוכן רוצה להראות לנו סצינה שמתרחשת בחדר שמואר בצורה בינונית ויש בו חלון גדול פתוח כשמחוץ לחלון יש אור יום מלא, וגם שם מתרחשים דברים שנרצה לראות. אז יכול להיווצר מצב שבו גם אם המסך יכול להראות את הקונטרסט הנדרש בין האור בחדר והאור בחוץ, לא יהיו מספיק מדרגות בהירות להראות בו זמנית גם את הפרטים בחדר וגם את הפרטים בחוץ.

במקרה כזה יצרן התוכן יהיה צריך לבחור בין להראות את כל הפרטים בחדר ואז כל מה שבחלון יאבד פרטים ויראה רק לבן או להראות את כל מה שקורה בחוץ ואז כל מה שבחדר יראה מאוד חשוך ויאבד פרטים. איבוד פרטים יכול להתרחש במקרים כאלו לא רק בתחום העליון והתחתון של ההארה כמו בתאור הקודם, איבוד פרטים יכול להתרחש גם בתחום הביניים, במצב בו תחום הארה שצריך לכסות גדול ואז גם מדרגות הבהירות גדלות, כך שיכול להיווצר מצב שבו יש אזור בתמונה שמואר במדרגת בהירות מסויימת אך יש בתמונה באותו האזור שמואר ברמה הזו גם פרטים ששונים במעט בבהירותם ממדרגת הבהירות הזו אך לא שונים מספיק כדי להגיע בערכם למדרגת הבהירות הבאה, ובמצב כזה הפרטים הללו לא יקודדו באות ולא נראה אותם בתמונה על המסך.

מצב נוסף שיכול להיווצר הוא הפוך לקודם, בכך שלא רק שנעלמים פרטים מהתמונה אלא נוספים לתמונה פרטים שבכלל לא צריכים להיות בה. למשל במקומות בתמונה שבהם צריך להיות מעבר מרמת בהירות אחת לאחרת בצורה מאוד הדרגתית וחלקה, אבל מדרגות הבהירות הן גדולות מידי. במצב כזה, בגלל שאין מספיק רמות ביניים אנחנו ממש נראה את הקפיצות בין מדרגות הבהירות, בדומה למה שקורה בתמונה הקודמת, במקום לראות מעבר חלק בין רמות הארה מהנמוכה לגבוהה יותר. תופעה זו נקראת Banding או Counturing.

יש כמה נתונים שמשפיעים על החומרה של הבעיות הללו במקרה שאנחנו מוגבלים בגודל המילה הדיגיטלית של אות הוידאו ואין לנו את האפשרות להגדיל את מספר מדרגות הבהירות שהאות שלנו מאפשר. נתון אחד, שהזכרתי מקודם בקצרה, הוא ההפרש בין רמת האור הכי נמוכה להכי גבוהה שהמסך מסוגל להראות, שזה בעצם הקונטרסט הכללי של המסך. כמה שההפרש הזה יהיה יותר גדול כך גם מדרגות הבהירות שאותן תיארנו יהיו יותר גדולות ויחמירו את התופעות במקרים כמו אלו שתארתי מקודם. אך כמו שכתבתי בתחילת ההסבר על אותות דיגיטליים, ההבדל בין מינימום למקסימום ההארה של המסכים בתקופה שהשינוי נעשה היה מספיק קטן כדי שההבדלים בין המדרגות, כשהאות מאפשר 256 מדרגות, לא יצרו בעיה מאוד גדולה.

דבר נוסף שגם עוזר מעט בצימצום הבעיה וקשור למסכים של התקופה היה פשוט גודל המסך, מכיוון שבגדלים של המסכים באותה תקופה, ממרחק ישיבה סביר תופעות אלו היו פחות מורגשות. גם עזר במעט העניין שאת התמונה ראינו בסוף על CRT שפועל בצורה אנאלוגית, דבר שעזר במעט להחליק את המעברים בין רמות האור.



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

 

למה אנחנו מבחינים ב- Banding?

עכשיו בואו נעצור לרגע ונדבר על מה גורם לנו לראות התופעות כמו Banding. לעין שלנו יש סף מסויים להבחנה בשינוי בבהירות כך שכמה שהשינוי הזה, ההבדל בבהירות במעבר בין מדרגת בהירות אחת לבאה אחריה יהיה יותר גדול כך אנחנו נבחין בו יותר טוב, אך אם הוא לא יעבור את אותו סף הרגישות של העין לשינוי, אז לא נבחין בקפיצה בבהירות במהלך אותו המעבר והוא יראה מאוד הדרגתי.

דבר נוסף שכדאי להזכיר, הוא שהסף הזה גם משתנה בהתאם לעוצמת האור שהעין חשופה אליה, וזה קשור מאוד לנושא שעליו
הוסבר מקודם בהסבר על הגאמה, וגם דבר שעוד נחזור אליו בהמשך המאמר.

גאמה ואות הוידאו הדיגיטלי

עכשיו באו נחזור לנושא הבעיות שאות דיגיטלי יכול לגרום להן, ונדבר על גאמה. אז גאמה יכולה גם לעזור בצימצום הבעיה, בצורה כזו שבאותות דיגיטליים הגאמה גורמת לשינוי בגודל המדרגות בתחום הארה אחד, על חשבון גודל המדרגות בתחום הארה אחר.

דוגמא לזה אפשר לראות בתמונה הבאה, שבה נראה את התמונה של 16 מדרגות הבהירות שראינו גם בתמונה הקודמת, רק שבתמונה הזו גודל המדרגות באזור התחתון הוקטן על חשבון גודל המדרגות בתחום העליון בדומה לשינוי שיוצר קידוד הגאמה
באות הוידאו.



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

 

תזכרו לרגע בהסבר על גאמה, ואיך השינוי שיוצרים באות הוידאו שמועבר למסך תואם את התגובה של העין האנושית לשינויים ברמות אור שונות. אז הגאמה גורמת לכך שאת גודל המדרגות בתחום החשוך יותר, שם העין שלנו יותר רגישה לשינוי, היא מקטינה על חשבון גודל המדרגות בתחום המואר יותר שיגדל, כך אנו נקבל מספר מדרגות בהירות יותר גדול, או שינוי יותר קטן בקפיצות בבהירות במעבר בין מדרגות, ברמת בהירות נמוכה שבה העין רגישה יותר לקפיצות הללו. על חשבון מספר מדרגות קטן יותר, או קפיצות יותר גדולות בבהירות במעבר בין מדרגות, ברמות בהירות יותר גבוהות שם העין פחות רגישה לקפיצות הללו.

עיקרון זה הוא דבר חשוב מאוד להבנה, כי הוא בעצם עוזר לדחוס יותר תחום דינאמי לאות הוידאו שלנו מבלי לשנות את גודל המילה הדיגיטלית, ועיקרון זה גם ישמש אותנו להסברים נוספים בהמשך על נושא המאמר.



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

 

חזרה נוספת להסטוריה של המסכים

עכשיו נחזור חזרה לזמן קצר לדבר על ההסטוריה, ונתקדם לתחילת שנות התשעים. באותו הזמן התפרסם תקן שהתבסס בחלקו על התקן הקודם מתחילת שנות ה- 80 עליו דיברנו מקודם, והתקן החדש בא לקדם עוד מספר דברים. ההתקדמות הגדולה והעיקרית עסקה בקביעת קריטריונים לוידאו ב- HD וקבעה למשל מהן הרזולוציות של וידאו ב- HD, ומבין עוד כמה דברים נוספים גם קבעה קריטריונים מעט משופרים מהתקן הקודם לצבע במסך.

צבע

בדברים שכתבתי בתחילת המאמר על ההסטוריה של התחום הזכרתי שגם רמת הצבע במסך נקבעה בתחילה לפי היכולות של שפורפרות ה- CRT, או יותר נכון מהחומרים שבהם השתמשו לציפוי בתוך השפורפרות את חלקו האחורי של המסך כדי לגרום לקרן שפוגעת במסך להראות צבע מסוים. עם השנים היה שיפור ביכולות היצור של אותם חומרים שאיפשרה למסכים להראות יותר צבעים בתמונה. התקדמות זו גרמה לכך שבמשך הזמן גם עידכנו את התקנים בנושא תחום הצבע במסכים. גם בתקן שעליו אנו מדברים ונקרא 709 .REC, שינו במעט מהתקן הקודם את נושא הנתונים באותות הוידאו כדי לנצל את השיפורים שכבר היו, וגם במעט את אלו שעוד יבואו בתחום הזה. הסיבה שאני מזכיר את התקן בשמו היא שזו דרך קלה להתייחס לעומק וכמות הצבעים גם בתוכן וגם שמסך אמור להראות ותקן זה הוא בשימוש עוד היום ב- 2016 ברוב המוחלט של המסכים והתכנים.

דיאגרמת ה CIE

כשרוצים להראות לנו את יכולות הצבע של מסך מסויים אז בדרך כלל מראים לנו את הגרף הבא:
מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים
קרדיט תמונה: ויקיפדיה

בתמונה אנחנו רואים יצוג דו מימדי של מה שנקרא דיאגרמת ה- CIE שמראה במבנה דמוי פרסה את כל הצבעים בהם ין האנושית יכולה להבחין, ובתוך הפרסה הזו אנו רואים משולש שכל הצבעים שנמצאים בתוכו מייצגים במקרה שבתמונה הזו את הצבעים שניתן לראות בתקן 709 .REC שעליו דיברנו.

איך מסך מראה את כל הצבעים שבתקן

עכשיו בואו ונדבר לרגע על איך המסך באמת מראה את כל הצבעים הללו שבתקן, ולצורך ההסבר נדבר לדוגמא על איך דבר זה מתבצע במסך LCD. הפאנל של מסך ה- LCD מחולק למספר פיקסלים בהתאם לרזולוציה של אותו הפאנל. ברובם הגדול של המסכים הביתיים, כל פיקסל כזה מחולק לשלשה תת פיקסלים. תת פיקסלים אלו במסך LCD אחראים על אפשור מעבר אור דרכם מהתאורה האחורית במסך מסוג זה, בעוצמות שמשתנות בהתאם למידע באות הוידאו.

לכל תת פיקסל במסך LCD יש פילטר שמעביר רק את אחד מצבעי היסוד, אדום, ירוק או כחול, כשאם המסך אמור לתמוך למשל בתקן 709 .REC, אז כל פילטר כזה לצריך להעביר אור בצבע שמצויין על ידי קודקוד המשולש התואם שלו בדיאגרמת ה- CIE שבתמונה. ככל שניתן להעביר בצורה מדוייקת רק את הצבע המסויים, כך הקודקוד שמייצג את אותו הצבע במשולש יזוז יותר לכיוון דופן הפרסה באזור שמציין את אותו הצבע וכך שטח המשולש יגדל. כשמשולש כזה שמייצג את התקן להעברת צבעים גודל כך הוא מכיל בתוכו יותר צבעים שהתקן יכול לייצג מתוך כלל הצבעים שהעין האנושית יכולה לראות. לדוגמא, הדיאגרמות בתמונה הבאה מציגות מצד שמאל דיאגרמה זהה לזו להוצגה מקודם של צבעים בתקן 709 .REC, ומימין לה דיאגרמה בה שטח המשולש מייצג תקן חדש יותר שנקרא 2020 .REC שעליו נדבר בהמשך, וניתן לראות שהוא מאפשר ייצוג של כמות צבעים גדולה יותר.
מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

קרדיט תמונה: ויקיפדיה

הדרך בה בפועל זה קורה היא שבדומה לצורה שדיברנו מקודם על רמות הארה, אות הוידאו מעביר ערך של 8 ביט לייצוג צבע בתת הפיקסל שאותו הערך מייצג, כך שכל פיקסל מיוצג באות הוידאו על ידי שלשה ערכים של 8 ביט, או בסך הכל על ידי 24 ביט.  כל תת פיקסל מעביר דרכו אור בעוצמה שמתאימה להערך שמתקבל באות הוידאו שמייצג אותו, כך שאם מדובר על מילה של 8 ביט אז התת פיקסל יכול להעביר אור ב- 256 רמות שונות.

עירוב של שלשת הצבעים השונים ברמות הארה שונות מכל תת פיקסל יאפשר, אם אנחנו צופים באותו הפיקסל ממרחק גדול מספיק, לפיקסל עצמו להראות צבע בגוון מסויים אחד שמורכב ממוצע כל שהוא של שלשת הצבעים בבהירויות השונות שמעבירים התת הפיקסלים שמרכיבים אותו. ובצורה כזו, אם המסך מכויל בצורה נכונה, להראות את כל תחום הצבעים בתקן שמיוצגים באותו המשולש שבדיאגרמת ה- CIE.

זו היא בערך הצורה בה בדרך כלל מסבירים את הנושא הזה כשזה מגיע להסברים על צבע במסכים, אבל כדי שנוכל להבין יותר טוב את הנושאים של המאמר אנו צריכים להוסיף עוד מימד להסבר הזה.
מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

 

תלת מימד (כאן אין צורך משקפיים מיוחדים)

כמו שראינו בהסבר הקודם, את גוון הצבע שמראה כל פיקסל לא קובע רק הצבע שמעביר כל תת פיקסל, את הגוון גם קובעת עוצמת ההארה שמעביר אותו תת פיקסל. וכדי לתאר בצורה טובה יותר את כל תחום הצבעים או הגוונים שיכולים להיות מוצגים במערכת כזו אנו נדרשים לייצוג תלת מימדי של דיאגרמת ה- CIE כמו זו שבתמונה הבאה:



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

תמונה ממצגת של חברת דולבי

בתמונה אנו רואים בצד שמאל את דיאגרמת ה- CIE בייצוג דו מימדי שבמרכזה משולש שמייצג את תחום הצבעים שבתקן 709 .REC, ומימין לה ייצוג תלת מימדי של הצבעים באותו המשולש.

בייצוג התלת מימדי צירי ה- y וה- x מייצגים את הצבע, והציר האנכי ציר ה- Y מייצג את רמת ההארה. דבר שאפשר לראות בייצוג התלת מימדי של אותו המשולש של התקן, היא ההשפעה שיש לעוצמת ההארה על כמות הצבעים שניתן לייצג בתקן הזה בכל רמת ההארה.

כשרמת ההארה נמוכה אז ניתן לייצג כמות צבעים יותר גדולה מתוך מה שהתקן מאפשר, אך כמה שרמת ההארה עולה כך כמות הצבעים שניתנת לייצוג קטנה ומתרכזת לכיוון הצבע הלבן, עד שמגיעים לרמת ההארה הכי גבוהה שבה ניתן לייצג רק את הצבע הלבן שמסומן באות W בתמונה.



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

 

ועכשיו, עוד חזרה להסטוריה של המסכים

עכשיו נעצור שוב את ההסבר ונחזור חזרה לדבר על ההסטוריה של התחום. לפני שהתחלנו לדבר על צבע הגענו לתחילת שנות התשעים ולהצגת התקן 709 .REC. כמו שהזכרתי כבר מקודם , לקראת סוף שנות התשעים כבר עברו בתחום יותר לשימוש באותות וידאו דיגיטליים, וגם החלו להימכר מסכי LCD ופלזמה. בתחילה היכולות של המסכים הללו בפרמטרים שעליהם אנו מדברים היו יחסית דומות ליכולות של של מסכי CRT, אבל עם הזמן והשיפור בטכנולוגיה הם החלו לעבור את מסכי ה- CRT ביכולות שלהם, ועם ירידות המחירים שלהם הם החלו גם להימכר במספרים גבוהים בהרבה ממסכי CRT.

מעט אחרי תחילת שנות ה- 2000 גם החל המעבר למסכים ולתוכן ברזולוציות יותר גבוהות דבר שגם ביסס יותר את השליטה בשוק של המסכים הדקים. המסכים הללו, עם שיפורים נוספים בטכנולוגיות היצור שלהם, יכלו כבר שנים מועטות לאחר הצגתם להראות את כל תחום הצבעים שבתקן, ועם הזמן גם לעבור ביכולות שלהם לייצג צבעים את הדרישות של התקן. גם בתחום ההארה, המסכים הדקים החלו להשתפר מעבר לתקן שעוד נשאר צמוד ליכולות ההארה של CRT. מסכי פלזמה איפשרו התקדמות בהצגת רמות הבהירות הנמוכות בצורה טובה אבל היו פחות טובים בהצגת בהירויות גבוהות. למסכי LCD יש בעיות בהצגה טובה ואחידה של רמות הבהירות הנמוכות, דבר שמשתפר כל הזמן, אבל הם יכולים להגיע לרמות הארה גבוהות בהרבה מהתקן.

תחום המסכים בשנים האחרונות

הוזלת המסכים הדקים והמעבר ל- HD גרם למכירות של כמויות גדולות מאוד של מסכים כאלה, אבל לקראת סיום העשור הראשון של שנות ה- 2000 ותחילת העשור השני רמת המכירות הללו התחילה להגיע לרוויה ואחר כך החלה לרדת, ויצרני המסכים שרצו למנוע ירידה במכירות חיפשו תכונות חדשות להוסיף למסכים שלהם כדי לעלות את המכירות. בהתחלה זה היה הוספת יכולות תלת מימד למסכים ולתוכן, דבר שלא הביא לעליה מאוד גדולה במכירות. ואחר כך, מפני שיכולות היצור של מסכים בעלי רזולוציה מאוד גבוהה השתפרו, החלו לשווק מסכים ברזולוצית 4K. מעבר למסכי 4K היה נראה הגיוני לשיפור המכירות, כי כולם יודעים את החשיבות של רזולוציה בתמונה וזוכרים את השיפור שהושג באיכות התמונה במעבר מ- SD ל- FHD. אבל אחרי תחילת המכירה של מסכי 4K הסתבר שגם הקפיצה ברזולוציה של המסכים החדשים לא מביאה לעליה גדולה כל כך במכירות המסכים בעלי היכולות החדשות הללו. סיבה אחת מאוד ברורה לזה היתה החוסר בתוכן 4K, כי בניגוד ליצרני המסכים, כל שאר התעשיה ובמיוחד יצרני התוכן לא היו מוכנים למעבר הזה. עוד סיבה שעם הזמן החלה להתברר היא שגם עם תוכן ב- 4K ההבדל בתמונה לא היה כל כך גדול אם הצופה לא יושב מספיק קרוב למסך או שהמסך לא מספיק גדול.

יש עוד כמה סיבות לכך שתוכן ב- 4K לא הביא להבדל גדול באיכות, ועל אחת מהן שגם מאוד קשורה לנושא המאמר אני רוצה להסביר.

קונטרסט, רזולוציה וחדות

דבר שהיה מאוד מורגש במעבר מרזולוצית SD ל- FHD, במיוחד אם התוכן ב- FHD היה איכותי, היה השיפור בחדות התמונה. שיפור זה בחדות גם עזר לחזק בהבנה שלנו את הקשר בין עליה ברזולוציה לעליה בחדות, קשר שכבר ראינו אליו דוגמא מאוד טובה כשהחלו למכור מצלמות דיגיטליות, שעם השיפור ברזולוציה של הסנסור שלהן גם ראינו שיפור בחדות התמונה שהתקבלה. אבל כמו במלצמות, שברגע שהרזולוציה הגיעה לערכים גבוהים כבר קשה היה לזהות שיפור גדול בחדות התמונה ממצלמות עם סנסורים בעלי רזולוציה עוד יותר גבוהה, כך גם כשהעלו את הרזולוציה במסכים החדשים ל- 4K, שהיא רזולוציה פי ארבע יותר גבוהה מ- FHD, לא ממש ראינו את אותו השיפור בחדות כמו במעבר מ- SD ל- FHD. כדי להבין למה זה המצב כדאי לדבר על המושג חדות.



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכיםקרדיט תמונה: www.wikimediafoundation.org

 

למה אנחנו מתכוונים כשאנחנו מדברים על חדות?

כשאנחנו מדברים על חדות אז אנו בדרך כלל מדברים על התחושה שלנו בצפיה בתמונה כל שהיא וכמה שהפרטים בתמונה ברורים, אבל אנחנו לא ממש יכולים לתת ערך כמותי לאותה התחושה שלנו. בשונה למשל מפרמטר כמו רזולוציה, שאותו אנחנו הרבה פעמים מחליפים עם המושג חדות. רזולוציה היא אמנם מרכיב מאוד חשוב שתורם לתחושת החדות בצפיה בתמונה מסויימת אבל הוא לא היחיד.

יש כמה מרכיבים נוספים שתורמים לתחושת החדות שאנחנו חווים למשל בצפיה בסרט על מסך טלויזיה. חלק מאותם המרכיבים קשורים לראיה שלנו, חלק מהם קשורים לסביבה בה אנחנו צופים במסך,למשל עוצמת התאורה באותה הסביבה, וחלק גם מהמיקום שלנו ושל המסך במרחב, דברים כמו המרחק מהמסך או זווית הצפיה שלנו ביחס למסך. ולפני כל הדברים הללו, למסך עצמו יש השפעה על חדות התמונה בעזרת פרמטרים כמו הגודל שלו או היכולות שלו בפרמטרים כמו רזולוציה וקונטרסט.

אם נבוא לבדוק לרגע מה יכול להשפיע על חווית החדות שאנחנו מקבלים מצפיה במסך מסויים, וננסה לתת דוגמא למצב בו יש לנו מסך FHD מסויים בחדר ואנחנו רוצים להחליף אותו במסך אחר בדיוק באותו הגודל, במטרה שהמסך החדש יתן לנו תמונה יותר חדה. אז מה יכול להביא לשינוי הכי גדול בחדות התמונה מהמסך החדש, אם כל הפרמטרים בחדר נשארים זהים, למשל המיקום שממנו אנו רואים את המסך, או עוצמת האור בחדר בזמן צפיה במסך, אנחנו גם לא הולכים לשנות כלום בחדר עצמו, וגם כמו שכתבתי מקודם המסך החדש יהיה בדיוק באותו הגודל של המסך הקיים. אז שני הפרמטרים החשובים ביותר שיכולים במצב כזה להשפיע על חדות התמונה במסך החדש הם הרזולוציה והקונטרסט במסך וגם בתוכן.

כדי לבדוק את החדות אני אשתמש בבדיקה שמבצעים בדרך כלל במערכות אופטיות, ובבדיקה זו נציג על המסך את פונקציה שבתמונה הבאה:

 

מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

 

פונקצית בדיקה כזו נקראת Modulation Transfer Function או MTF בקיצור, והיא מראה מצד שמאל לצד ימין שלה בצורה מחזורית מעבר בצורה סינוסואידלית מהשחור הכי נמוך ללבן הכי חזק שמסך מסוגל להראות, ותדר שינוי של אותה המחזוריות שהולך וגודל ככל שמתקדמים משמאל לימין של התמונה. מה שבודקים זה כמה כל מסך יכול לשחזר את אותה התמונה בצורה שדומה כמה שיותר למקור.

כשאנו רואים את התמונה הזו על מסך המחשב, אנו יכולים לשים לב שכמה שאנחנו מסתכלים יותר לכיוון הצד הימני, עם עליית תדר השינוי שבעצם מייצג עליה של הרזולוציה, כך אנחנו יכולים להבחין פחות בהבדל בין רמות הבהירות, שבאות עצמו לא משתנות, עד שלבסוף אנחנו רואים צבע אפור כמעט אחיד. דבר זה קורה כשהרזולוציה של הפרטים היא כבר גבוהה מידי מכדי שאנחנו נוכל להבחין בהבדלים בין השחור והלבן, או במילים אחרות קשה לנו לראות את הבדלי הקונטרסט ביניהם, מה שגורם לנו להבחין באיזו רמה של אפור שהיא ממוצע כל שהוא של הערכים המקסימליים של השחור והלבן. כך שאנחנו יכולים לראות שככל שהרזולוציה עולה כך אנחנו נבחין פחות בקונטרסט.

אם ננסה לתאר בגרף את ההשתנות של ההבחנה בקונטרסט כפונקציה של העליה ברזולוציה אנחנו בהרבה מקרים נקבל גרף שנראה בערך כמו הגרף בתמונה הבאה.
תמונה



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

 

בגרף זה ובגרפים הבאים בנושא אני בכוונה לא מראה ערכים, אני רק רוצה לנסות ולהמחיש בצורה כללית את התופעות עליהן אני כותב. אז כמו שאנחנו רואים בגרף, העקומה מתחילה מצד שמאל בקונטרסט המלא, הבדל בין שחור ללבן המקסימלי שהמסך יכול להראות ושאפשר להבחין בו בצורה טובה ברזולוציות נמוכות, ועם עליית הרזולוציה כך ההבחנה בקונטרסט יורדת עד למינימום מסויים. פרט נוסף לגבי גרף זה, כשאנחנו מדברים על חדות, הוא שהשטח מתחת לעקומה יכול בערך לתת לנו ייצוג ויזואלי של חדות התמונה שמתקבלת, ובצורה כללית, כמה שהשטח גדול יותר כך החדות גבוהה יותר. אין לגבי פרט זה הסכמה על איך בדיוק ניתן לחשב נתון כזה, אבל מה שחשוב כרגע להסבר שלנו הוא רק ההמחשה, כמה לא מדוייקת שתהיה, של רמת חדות כל שהיא. אם נחזור לדוגמא שלנו ממקודם למסך בחדר מסויים, אז איך מושפעת חווית החדות שלנו אם שום דבר בחדר, בתאורה, במיקום שלנו, או בגודל המסך לא משתנה, וההבדל בין המסך הקודם למסך חדש הוא רק ברזולוציה שהמסך יכול להראות ובתוכן.



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

 

בתמונה אפשר לראות ייצוג של אותו הגרף, ומה בערך קורה כשהפרמטר היחידי שמשתנה הוא הרזולוציה. אז יש לנו מערכת, מסך ותוכן, שמאפשרת קונטרסט מקסימלי מסויים, מה שמאפשר לנו בערך חדות מסויימת כשהיא מציגה תמונה ב- SD, ייצוג של אותה החדות ניתן לראות בשטח שמסומן בכחול בהיר. באותה המערכת מעלים רק את הרזולוציה ל- FHD, ומה שניתן לראות שזה מאפשר עוד עליה משמעותית בחדות, שבערך את יצוג התוספת לחדות שעליה זו נותנת ניתן לראות בשטח שצבוע בצהוב.

ולבסוף, כשמעלים עוד פעם את הרזולוציה ל- 4K בלי לשנות אף פרמטר אחר, מה שאנחנו רואים זה שנקבל תוספת מסויימת של חדות שמסומנת בצבע חום בהיר, אבל תוספת זו כבר תהיה הרבה פחות משמעותית בתוספת שלה לחדות הכללית של התמונה מהתוספת הקודמת. זה נסיון להמחשה שהוא אמנם לא מדויק אבל יכול להראות בצורה כללית את הסיבה שמעבר ל- 4K במסכים לא הביא לעליה מאוד מורגשת בחדות, צורת ההמחשה הזו גם תשמש אותנו בהמשך להראות למה נושא המאמר כן יכול להביא
לעליה יותר מורגשת בחדות.

ועוד חזרה נוספת להסטוריה של המסכים (זאת הפעם האחרונה, אני מבטיח)

עכשיו אני אחזור ואסיים את הכתיבה על ההסטוריה של התחום, כשאנחנו מגיעים לדבר על מה המצב היום. היום יש לנו מסכים שיכולים להגיע לרמות הארה מאוד גבוהות כמו מסכי LCD. את מסכי פלזמה כבר לא ממש מיצרים, אבל מסכי ה- OLED יכולים להגיע היום לרמות הארה מאוד נמוכות. מסכים היום גם יכולים להראות צבעים מעבר למה שהתקן הנוכחי, 709 .REC, מאפשר. וכבר בערך שלש שנים שנמכרים מסכים בעלי רזולוציה שהיא פי 4 מ- FHD. אבל אפילו שיש מסכים עם יכולות כאלו, כל שאר המרכיבים בשרשרת יצירת התוכן והעברה שלו לבית שלנו לא מאפשרים לנו לנצל את יכולות ההארה והצבעים הללו.

גם מבחינת הרזולוציה, עד היום יש מעט מאוד תוכן ב- 4K כדי לנצל את יכולות המסכים שתומכים ברזולוציה זו, אבל כמו שראינו כשדיברנו על חדות, גם אם היה יותר תוכן שכל השינוי בו שהוא ברזולוציה 4K , זה לא היה מוסיף לנו הרבה לחדות התמונה אם אנחנו לא נשנה את צורת הצפיה או את תנאי הצפיה שלנו בתוכן זה. וכאן אנחנו מגיעים לנושא המאמר שהוא HDR או טווח דינאמי גבוה , ו- WCG או גאמוט יותר רחב.

HDR ו- WCG

מימוש של שתי התכונות הללו בכל השרשרת, מיצירת התוכן והעברה שלו לבית שלנו כולל תמיכה של המסך שלנו בהן, יאפשר לנו לנצל הרבה יותר טוב את כל היכולות שדיברנו עליהן ושקיימות היום במסכים. עכשיו בואו ונראה מה התמיכה ביכולות הללו יכולה לשפר באיכות התמונה, ונשתמש לצורך זה בחלק מהנושאים עליהם דברנו לאורך כל המאמר. נתחיל בהארה יותר גבוהה ושחורים יותר עמוקים, או במילים אחרות קונטרסט יותר גבוה. אז כמו שראינו כשדיברנו על רמות הארה, אנחנו רגילים ביום יום שלנו לראות רמות אור הרבה יותר גבוהות וגם הרבה יותר נמוכות ממה שמסך רגיל יכול לשחזר.

כמה שהמסך יוכל לשחזר בעוצמה נכונה רמות אור במראות שאנחנו רגילים לראות ביום יום כך התמונה במסך תראה לנו יותר ריאליסטית, אם זה בהשתקפות קטנה של השמש ממשטח מחזיר אור שמסוונר אותנו מעט, או פרטים עדינים בחדר חשוך, אבל גם בכל תחום רמות האור שבין הרמות הקיצוניות. כמו שראינו כשדיברנו על וידאו דיגיטלי, כדי לייצג כמה שיותר נכון ועם כמה שיותר פרטים תחום הארה יותר גדול, אנחנו צריכים להשתמש במילה דיגיטלית יותר גדולה מ- 8 ביט שבשימוש כיום. דבר זה שיאפשר לנו ייצוג של יותר רמות הארה גם יאפשר לנו לראות הרבה יותר פרטים בתמונה.

לדוגמא, בחדר חשוך עם חלון פתוח לאור יום, שמקודם היינו מוגבלים להראות או את הפרטים באור החזק שבחוץ דרך החלון, או את הפרטים תוך בחדר החשוך , עכשיו נוכל להראות יותר טוב פרטים גם בחדר וגם דרך החלון יחדיו, וגם כמו שכתבתי מקודם, רמות ההארה בשני המקומות יראו יותר ראליסטיות. הגדלת המילה הדיגיטלית גם תאפשר לצמצם תופעות כמו Banding, ונוכל לראות מעבר יותר חלק ובלי קפיצות ברמות אור במעבר מאזור מואר מאוד, לאזור פחות מואר בתמונה. דבר נוסף שנקבל בהעלאת תחום ההארה, או הקונטרסט, זה יותר חדות בתמונה. אם נחזור חזרה לרגע לנושא החדות, ונראה על גרף ה- MTF הבא מה קורה בתוספת של קונטרסט:



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

 

ניתן לראות בתוספת של השטח שמסומן באפור, שהעלאת הקונטרסט במערכת יכולה לשפר משמעותית את חווית החדות מתמונה על המסך. רמת הארה יותר גבוהה גם תעזור להציג תמונה יותר נכונה מבחינת הצבעים. אם נחזור לרגע לנושא הצבעים והייצוג התלת מימדי של דיאגרמת ה- CIE. כשרמת ההארה שאותה יכול לייצג התקן יותר גבוהה, ניתן לייצג צבעים יותר נכון גם בבהירוית גבוהות, כמו שניתן לראות בתמונה הבאה שבה אפשר להבחין במה שמאפשר התקן לצבעים עכשיו עם רמת הארה מקסימלית של 100 ניט, ומה הוא יכול לאפשר מבחינת הצבעים כשרק מעלים את רמת ההארה.
מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

התמונה במקור ממצגת של חברת דולבי ועברה שינוי והתאמה לצורכי הדגמה

במצב כזה, במקום בו רצינו להראות בפרט בצבע מסויים ברמת אור גבוהה והיתה מגבלה של עוצמת האור המירבי שבה אותו הפרט היה נראה לבן, במקרה של הארה יותר גבוהה אנחנו כבר נוכל להציג יותר טוב את אותו הפרט גם ברמת אור יותר גבוהה וגם בצבע בו הוא צריך להיות.

עכשיו גם בתוספת של WCG

כאן גם ניכנס לתמונה נושא ה- WCG או גאמוט יותר רחב, כי לא רק שנוכל להראות צבעים באזורים הרבה יותר בהירים, נוכל להראות הרבה יותר צבעים בכלל. ודוגמא טובה לכך ניתן לראות בשתי התמונות הבאות ממצגת של חברת דולבי:
מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

התמונה ממצגת של נציג חברת דולבי שפורסמה בוידאו של פורום AVS



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

התמונה ממצגת של נציג חברת דולבי שפורסמה בוידאו של פורום AVS

בתמונה העליונה ניתן לראות פרט בתמונה מימין שגם הצבע וגם הבהירות שלו נמצאת מחוץ לתחום של התקן, וכדי להראות אותו בצורה כמה שיותר נכונה יוצר התוכן יהיה צריך למצוא לו תחליף הכי קרוב שנמצא בתחומי התקן. בתמונה השניה ניתן לראות שברגע שמרחיבים את התקן גם מבחינת הארה וגם מבחינת רוחב תחום הצבעים, ניתן יהיה להראות את אותו הפרט בצורה נכונה ויותר קרובה למציאות.
עכשיו אחרי שדיברנו על השיפור ש- HDR ו- WCG יוכלו להביא לאיכות התמונה במסכים, בואו ודבר על דרכי היישום של התכונות הללו.

אז איך בכלל השינוי הזה יעבוד

הסיבה שאני כותב על דרכי היישום היא, שלפחות נכון לזמן כתיבת המאמר הזה, יש כמה אפשרויות ליישום שעומדות על הפרק ועוד לא נבחרה שיטה אחת, מצב שיש אפשרות שגם יתקבע ויהיו לנו כמה שיטות ליישום HDR ו- WCG מתחרות או שמשמשות למטרות שונות, כמו למשל שיטות מסויימות לשידור חי, ושיטות אחרות להעברת סרטים וסדרות.

השיטה הראשונה שנדבר עליה באה ממעבדות דולבי ונקראת דולבי ויז'ן ( Dolby Vision).

DOLBY VISION

כדי לתת פתרון כמה שיותר כולל גם בהתחשבות בתקדמות הטכנולוגיה ואיפשור של רמות הארה יותר גבוהות בעתיד היותר רחוק, ביישום HDR ו- WCG דולבי התחילו בבדיקה של מה הן בכלל ההעדפות של אנשים מבחינת רמות אור בצפיה בסרטים. הם בנו מתקן מיוחד שיכול להראות קטעי וידאו ברמות אור מאוד גבוהות ומאוד נמוכות, נתנו לקבוצות של אנשים לצפות בוידאו על המתקן הזה ברמות הארה שונות, ושאלו אותם לגבי ההעדפות שלהם בצפיה ברמות האור השונות. מה שהם מצאו זה שרוב המשתתפים בבדיקה העדיפו מבחינת רמת הארה גבוהה קטעי וידאו שהגיעו עד לבערך 10,000 ניט, ומבחינת רמת הארה נמוכה, אותם האנשים בקבוצות ראו הבדל עד בערך ל- 0.005 ניט. כך הם קבעו בערך את תחום ההארה שתאפשר השיטה שלהם, ומבחינת רוחב הגאמוט הם אימצו את הגאמוט שהוצא בתקן 2020 .REC שניתן לראות ייצוג שלו באחת התמונות הקודמות במאמר.

הבעיות בלייצג תחום הארה גבוה מאוד באות דיגיטלי

בשלב הבא, אם תזכרו בקטע המאמר בו דיברנו על אותות דיגיטלים, הם היו צריכים למצוא את גודל המילה הדיגיטלית שתאפשר להם לייצג נכון תחום הארה כל כך גבוה, כש- 8 ביט שבשימוש עכשיו, ובקושי מספיק לתת תשובה לתחום הארה הרבה יותר קטן שבשימוש כיום, כבר ממש לא יספיק. כאן צריך לזכור את המגבלות שיש להם, הם לא יכולים להשתמש במילה דיגיטלית יותר מידי גדולה בגלל מגבלות הטכנולוגיות כיום מבחינת כח עיבוד והעברה של תוכן כזה, והמחיר הגבוה שיכול להיות ליישום של מערכות כאלו. מהצד השני הם לא יכולים להשתמש במילה קטנה מידי כי היא לא תאפשר מספיק רמות אור, או מדרגות של בהירות כמו שתיארתי את זה בהסבר קודם במאמר, דבר שלא יאפשר הצגת מספיק פרטים ברמות אור שונות בתמונה, וגם לא יאפשר לקפיצות בין מדרגות הבהירות להישאר מתחת לסף שבו העין תרגיש את הקפיצה בין מדרגה אחת לבאה אחריה, דבר שיכול לגרום ל- Banding בתמונה.

בבדיקה ראו שאם רוצים לקודד את כל התחום זה בצורה ליניארית, אז כדי לעבור את הסף התחתון הם ידרשו לגודל מילה שעוברת בהרבה את מגבלת גודל המילה הדיגיטלית האפשרית ליישום כיום. אם תזכרו בחלק של המאמר שדיבר על אותות דיגיטליים, יש שם קטע בו אני מתייחס לגאמה, ואיך היא יכולה לעזור במקרים כאלה בצורה כזו שהיא מתאמת, כמה שניתן במסגרת המגבלות של מספר מדרגות מסויים, את גודל המדרגות בהתאם לרגישות של העין האנושית לקפיצות ברמות האור, כי הדרך בה משנים , דוחסים או מקודדים, את רמות האות בגאמה לפני שהוא נשלח למסך דומה לעקומת הרגישות של העין לשינוי באור. פעולה כזו יכולה לעזור גם במצב כזה, אבל כשבדקו אות כזה שצריך לייצג תחום הארה גדול כל כך, ראו שגם אם הם ישתמשו בגאמה שכיום מיושמת בתוכן ולמסכים, הם ידרשו למילה בגודל של לפחות 15 ביט כדי לעבור את מגבלת המינימום הנדרש, וגודל זה גם עובר את התחום העליון של מה שניתן בצורה הגיונית ליישם כרגע. הסיבה לזה היא שגאמה אמנם יכולה לעזור במקרה כזה כי היא דומה לעקומת הרגישות של עין האנושית, אבל כמו שכתבתי בהסבר קודם, זה נכון רק לתחומי הארה של מסכי CRT. אבל כשרוצים גם לקודד רמות הארה שמעבר לבערך 100 ניט, שם כבר פונקציית הגאמה הקיימת מתחילה להתנהג בצורה שונה מעקומת ההענות של העין לאור, מה שאומר שאם נשתמש בה כדי לקודד רמות אור יותר גבוהות אז אנחנו סתם נבזבז מדרגות ברמות שהעין שלנו לא מרגישה בקפיצה, ואם אנחנו מוגבלים בגודל המילה הדיגיטלית, זה אומר שקפיצה בין
מדרגות אלו שאותה העין לא מרגישה תבוא על חשבון מדרגות ברמות אחרות שם העין כן מרגישה את הקפיצה.

אם לא קידוד ליניארי ולא קידוד בעזרת גאמה אז מה כן?

פיתרון לזה יכול להיות לקודד את רמות האור בכל אותו התחום לפי פונקציה שמתארת את תגובת העין לכל תחום ההארה בו יעשה שימוש. מתברר שיישום דומה לתחום דינאמי גבוה באות וידאו כבר קיים במערכת שמשמשת לצרכים רפואיים, שם הסתמכו על מחקר שהתפרסם בשנות ה 90 ונקרא רגישות לקונראסט של העין האנושית וההשפעה שלה על איכות תמונה, ומחקר זה נתן מודל שאיתו ניתן למפות את אותה הרגישות. אז בדולבי מיפו בצורה מדוייקת בעזרת אותו המודל כל מילת קוד, או מדרגה, לרמת אור ספציפית, וראו שבעזרת מילה בגודל של 12 ביט הם מצליחים להשאר מעט מתחת לאותו הסף של רגישות העין בכל תחום ההארה שהם רוצים, וגם מילה של 12 ביט היא בגודל סביר ליישום במערכות כיום. לצורה הזו של מה שהוא בעצם תחליף לעבודה שגאמה מבצעת באות וידאו רגיל, ניתן השם Perceptual Quantizer או PQ בקיצור. מה ש- PQ בעצם עושה זה בדומה לגאמה, הוא דוחס לתוך אות הוידאו תחום דינאמי גבוה יותר מבחינת רמות הארה, ממה שהיה ניתן להשיג בייצוג ליניארי של אותו התחום באות וידאו בעל אותו הגודל של מילה דיגיטלית ובנוסף לזה שה PQ מאפשר קידוד טוב של כל תחום ההארה הנדרש לאות של BIT 12 , גם בתחום הצבעים יאפשר אות של 12 ביט לצבע , ייצוג טוב של כל תחום צבעים כמו זה שבתקן 2020 .REC.

ועכשיו להצגת התוכן

עכשיו כשיודעים איך יראה האות ואיזה תחומים הוא הולך לכסות, צריך לראות איך יעבוד הצד של הצגת התוכן על מסכים. אז נכון לזמן כתיבת המאמר הזה אין עוד מסכים ביתיים שיכולים להגיע ל- 10,000 ניט או לגאמוט 2020 .REC, ויעבור עוד מספיק זמן עד שיוצאו למכירה מסכים שיכולים להגיע לערכים כאלה. אבל, כמו שנכתב מקודם, נכון להיום ניתן לייצר מסכים שיעברו בצורה משמעותית את התקן הקיים, גם מבחינת צבע וגם ובחינת הארה.

כדי לנצל את היכולות המקסימליות של מסכים כיום בשיטה של דולבי, יצרן שרוצה שדגם מסכים מסויים שלו יתמוך בדולבי ויז'ן צריך למדוד ולהגדיר דבר שדולבי קוראים לו Golden Reference או Golden Standard, שמגדיר את היכולות המקסימליות של מסך בדגם המסויים מבחינת גאמוט וההארה, והמסך יהיה אמור להיות מכוייל לאותן הרמות.

METADATA

אות הדולבי ויז'ן שיעבור למסך יכיל חוץ ממידע הוידאו עצמו, עוד מידע נוסף שנקרא Metadata, ויהיו בדולבי ויז'ן שני סוגים של Metadata, סטטי ודינאמי. כל אות של דולבי ויז'ן שיעבור למסך יכיל Metadata סטטי שאומר למסך לעבור למצב של תחום דינאמי גבוה וגם יכיל מידע למעבדי הוידאו של המסך על הרמות שאליהן הוכן התוכן מבחינת הארה וגאמוט, כך יוכל מעבד הוידאו של המסך, בעזרת אלוגריתמים שפיתחו בדולבי, למפות בצורה מדוייקת את התוכן מהרמות של הארה וגאמוט בהן הוא הוכן, ליכולות הספציפיות של דגם המסך שעליו הוא מוצג. ב- Metadata הדינאמי יכולו להשתמש במהלך הצגת התוכן כדי לתאם את המיפוי יותר לפי רצון היוצר אם המסך לא יוכל להראות את הערכים המקוריים.

למשל בסצינה מסויימת בסרט בה למסך מסוים אין את היכולת להראות פרט בצבע מסויים כמו בתוכן המקורי, תהיה אפשרות למשל לבמאי לתת את העדיפות שלו לאיזה צבע אחר, שנמצא בתחום היכולות של המסך, כדאי למפות את הצבע של פרט מסויים זה.



מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכיםקרדיט תמונה: www.rocva.nl

 

מה קורה אם רוצים לראות אות דולבי ויז'ן על מסך רגיל ?

דבר נוסף שדולבי ויז'ן יאפשר הוא תאום של התוכן למסכים רגילים שלא תומכים ב- HDR . אות דולבי ויזן יחולק לשני חלקים שנקראים Base Layer ו- Enhancement Layer. ה- Base Layer יכיל אות שמתאים למסכים רגילים וה- Enhancement Layer יכיל מידע שביחד עם המידע של Base Layer  יביא את האות לרמה של אות מלא של HDR בדולבי ויז'ן שאותו ניתן יהיה לראות על מסכים שכן תומכים בדולבי ויז'ן.
מה הם HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים

 

למה אנחנו עוד לא רואים תמיכה יותר רחבה בדולבי ויז'ן במסכים ובתכנים

השיטה של דולבי היא השיטה שכרגע נותנת את הפתרון הכי מלא ליישום של HDR במסכים ובתוכן, אבל כדי ליישם אותה נדרשים יצרני התוכן ויצרני חומרה לשלם תמלוגים לדולבי על שימוש בשיטה זו. לכן בשנים האחרונות גופי תקנים ביחד עם היצרנים החלו לפתח שיטה משלהם ליישום של HDR שתהיה שיטה חופשית ושהשימוש בה לא יחייב תשלום לגוף מסויים. לשיטה זו ניתן השם הלא רשמי 10 HDR.

HDR 10

כנראה כדי לקדם את היישום של התקן הזה וגם לתאימות מסויימת לשיטה שלהם , איפשרו דולבי את השימוש ב- PQ שלהם בתקן החופשי, אבל לא איפשרו גם שימוש בשאר חלקי השיטה שלהם. אז התקן הזה גם מבוסס על PQ כמו של דולבי אבל משתמש בגודל מילה דיגיטלית של 10 ביט. תחום ההארה שאות ה- 10 HDR צריך לייצג הוא דומה לזה שבדולבי ויז'ן, ובבדיקה נמצא ששימוש בגודל מילה של 10 ביט לייצג תחום כזה אמנם מעלה את גודל מדרגות הבהירות מעבר לסף שהעין מבחינה בו, אבל לא בהרבה מעבר לסף, ובתחום שעוד מקובל על יוצרי התקן.

בתקן זה קיים כרגע רק METADATA סטטי שמיוחד לתקן הזה אבל שעושה עבודה דומה ל- Metadata המקביל בדולבי ויז'ן. כדי להעביר אותו למסך דרך כניסות ה- HDMI הכניסות חייבות להיות בגירסה HDMI 2.0a בשונה מדולבי ויז'ן שמתאפשר גם במסך בעל גירסה יותר נמוכה כמו 2.0 HDMI.

METADATA דינאמי לא קיים כרגע בתקן זה, אבל יוצרי התקן מתכננים להוסיף כזה בהמשך. גם העבודה על האלגוריתמים למיפוי התוכן, וגם הסטנדרט אליו הם ימפו בתקן הזה עוד לא הסתיימה, כך שנכון לעכשיו, כל יצרן מסכים מיישם את הדברים הללו כרצונו. אז נכון לזמן כתיבת המאמר הזה, קיימת עוד אי בהירות אפילו על איך צריך לכייל מסכים בשיטה הזו. אבל כנראה שבקרוב כל הדברים הללו יסוכמו בתוספות חדשות לתקן. דולבי ויז'ן ו- 10 HDR הן כרגע השיטות המובילות ליישום של HDR במסכים ובתוכן, אבל קיימות עוד כמה שיטות שמוצעות ליישום.

HLG

שיטה אחת כזו היא הצעה של ה- BBC ושל NHK שהם גופי השידור הגדולים באנגליה וביפן, והם מציעים שיטה שיש אפשרות שתהפוך לנפוצה בשידור של תוכן ב- HDR. בניגוד ליישום של ה- PQ שידרוש שינוי משמעותי בתשתית, הם מציעים להשאיר את הגאמה הקיימת אבל לשנות בה רק את החלק העליון, שכמו שנכתב מקודם, כבר לא ממש תואם את התגובה של העין.

את החלק העליון של הגאמה הם מציעים להפוך לפונציה לוגריתמית שיותר תואמת לתגובה של העין בתחומי הארה ממעט מתחת ל- 100 ניט ומעלה, ובנוסף לזה להשתמש במדרגות הדיגיטליות בקטע העליון של אות הוידאו שלא בשימוש כיום, כדי להוסיף לאות שדומה לזה הקיים היום עוד תחום דינאמי.

שיטה זו נקראת HLG או Hybrid Log Gamma, והיא אומנם לא תתן את רמת הפתרון שנותנת דולבי ויז'ן לתחומי ההארה המאוד גבוהים, אבל היישום שלה יהיה הרבה יותר קל ויאפשר להשתמש בתשתית קיימת של גופי השידור, וגם תאפשר תאימות טובה למסכים קיימים.

סיכום

במאמר זה ניסיתי להראות איך ובאיזו צורה ישנו HDR ו- WCG את איכות התמונה הקיימת היום, וגם ניסיתי לתת סקירה והסבר על כמה משיטות היישום של HDR שכרגע נראה שהן השיטות שיובילו בעתיד ביישום של HDR ו- WCG. לסיום, הנה וידאו שכבר הופיע בשירשור שפתח זיו ( ziv_r ) ומנסה להראות בקיצור איזה שינוי מביאים HDR ו- WCG. צריך רק לזכור, וזה גם מוזכר בוידאו, שלא ממש ניתן להעביר בצילום רגיל, ובהצגה על מסך רגיל, את השינוי שהתכונות החדשות הללו מביאות לאיכות התמונה.


לדיון בנושא: מה זה HDR ו- WCG ואיך הם ישפרו את איכות התמונה במסכים?




עוד מ: rwg1
תגיות


דרגת קושי: 1
דירוג הכתבה

דירוג ממוצע:

5.0
(2) הצבעות

בהקשר זה

 לפרסום באתר
 תקנון וחוקי האתר
 אודות האתר
 עוד על כללי - Hometheater


המאמר הפופולרי ביותר בתחום כללי - Hometheater:
פרסום ברשת אתרי HT Israel !
תקנון / תנאי השימוש באתר צור קשר / contact us כל הזכויות שמורות לקבוצת ht