Digitaalisen videon kehittyessä resoluutio ja kuvataajuus kasvoivat, mutta kuvanlaatu pysyi pitkään rajallisena. Tavallinen video (SDR, Standard Dynamic Range) on suunniteltu kapealle kirkkausalueelle, jossa kuvan tummimpien ja kirkkaimpien alueiden välinen ero on rajallinen. Siinä käytetään yleensä 8-bittistä värisyvyyttä ja Rec. 709 -väriavaruutta. Tämän vuoksi tummien alueiden yksityiskohdat voivat kadota tai kirkkaat alueet voivat ylivalottua. Tehokkaatkaan prosessorit ja kuvankäsittelyalgoritmit eivät pystyneet parantamaan kuvanlaatua kuin rajallisesti.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi kehitettiin HDR (High Dynamic Range). Se laajentaa dynaamista aluetta, jolloin video pystyy toistamaan huomattavasti laajemman kirkkaustasojen kirjon ja kuvanlaatu paranee. HDR ei ole pelkästään television ominaisuus. Video on myös tallennettava tietyllä tavalla, ja sen on sisällettävä metadataa eli lisätietoja näytettävästä kuvasta.
Miten HDR-kuva luodaan
HDR päätavoitteena on säilyttää yksityiskohdat sekä kuvan tummimmilla että kirkkaimmilla alueilla. Tähän on kaksi pääasiallista lähestymistapaa.
Valotushaarukointi. Kuvataan useita ruutuja eri valotustasoilla. Yksi ruutu valotetaan kirkkaammaksi varjoalueiden yksityiskohtien tallentamiseksi, kun taas toinen valotetaan tummemmaksi kirkkaiden alueiden yksityiskohtien säilyttämiseksi. Tämän jälkeen ruudut yhdistetään käyttämällä kustakin ruudusta ne alueet, joiden valotus on sopivin. Tämä voidaan tehdä usealla kameralla samanaikaisesti tai yhdellä kameralla, joka tallentaa ruudut peräkkäin. Jälkimmäinen menetelmä ei sovellu hyvin dynaamisiin kohtauksiin, koska kohteet voivat liikkua eri valotusten välillä, mikä aiheuttaa haamukuvia ja muita kuva-artefakteja.
Laajan dynaamisen alueen kuvakenno. Nykyaikaiset kamerat pystyvät tallentamaan laajan kirkkaustasojen kirjon yhteen ruutuun ilman useiden valotusten yhdistämistä. Toisin sanoen kamera tallentaa useita kuvia, jotka sen prosessori analysoi muodostaakseen yhden lopullisen ruudun.
Tuloksena on kuva, jossa yksityiskohdat säilyvät hyvin ja värisävyt vaihtuvat tasaisesti.
Miten HDR siirretään ja näytetään
HDR-videon tallentaminen ei yksin riitä. Video on myös koodattava ja siirrettävä niin, että näyttö pystyy esittämään sen oikein. Metadata siirretään videosignaalin mukana. Se sisältää teknisiä tietoja kirkkaudesta, kontrastista ja väreistä sekä kertoo televisiolle, miten kuva tulee näyttää. Siksi television on tuettava kyseistä standardia. Muussa tapauksessa kuva näytetään tavallisessa SDR-muodossa.
Näiden tietojen siirtämiseen on kaksi menetelmää.
- Staattinen metadata määritetään kerran koko videolle.
- Dynaaminen metadata muuttuu kohtauksesta toiseen tai jopa ruudusta toiseen.
HDR-standardien yleiskatsaus
HDR10
HDR perusmuoto, jonka Consumer Technology Association (CTA) standardoi vuonna 2015. Se on pakollinen 4K Blu-ray -levyillä ja toimii HDR10+ sekä monien Dolby Vision -profiilien perustana. Se käyttää 10-bittistä värisyvyyttä ja Rec. 2020 -väriavaruutta, vaikka todelliset näytöt kattavat yleensä vain osan tästä väriavaruudesta.
Staattinen metadata määritetään kerran koko elokuvalle, ja se kuvaa masterointinäyttöä, ruudun enimmäiskirkkautta ja keskimääräistä kirkkautta. Televisio määrittää itse, miten kirkkaustasot sovitetaan sen näytön ominaisuuksiin. Siksi kuva voi näyttää huomattavan erilaiselta eri televisiomalleissa, ja joitakin yksityiskohtia voi kadota tummissa kohtauksissa. Formaatti on maksuton, ja käytännössä kaikki HDR-laitteet tukevat sitä.
HDR10+
Samsungin ja Amazonin vuonna 2017 julkistama HDR10-standardin jatkokehitys. Myöhemmin HDR10+-konsortio standardoi formaatin. Konsortion perustivat Samsung, Panasonic ja 20th Century Fox. HDR10+ lisää HDR10-perusvirtaan SMPTE ST 2094-40 -standardiin perustuvan dynaamisen metadatan. Metadata välitetään ruutukohtaisesti, jolloin televisio voi säätää kirkkautta ja kontrastia tarkemmin videon eri hetkissä näyttöpaneelinsa ominaisuuksien mukaan.
Laitteet, jotka eivät tue HDR10+, näyttävät tämän sisällön tavallisena HDR10-kuvana. Värisyvyys pysyy 10-bittisenä. Standardi ei edellytä lisenssimaksuja, mutta kaikki laitteet eivät tue sitä.
HDR10+ Adaptive
HDR10+ lisäominaisuus, joka ottaa huomioon huoneen valaistuksen. Televisio mittaa ympäristön valoa sisäänrakennetulla anturilla ja säätää HDR-kuvan kirkkautta. Hyvin valaistussa huoneessa kuvaa kirkastetaan, kun taas pimeässä huoneessa sitä himmennetään. Samsung esitteli ominaisuuden vuoden 2021 televisioissaan. Samalla ilmoitettiin, että Prime Videon HDR10-sisältö näytetään HDR10+ Adaptive -tilassa yhteensopivissa Samsung-televisioissa. HDR10+-verkkosivustolla ominaisuus kuvataan osaksi vuonna 2025 esiteltyä HDR10+ Advanced -määritystä.
HDR10+ Gaming
HDR10+ Gaming on HDR10+ pelikäyttöön tarkoitettu versio, jonka on kehittänyt HDR10+ Technologies. Samsungin mukaan ennen tämän formaatin käyttöönottoa pelit ja näytöt eivät pystyneet tunnistamaan toistensa ominaisuuksia. Siksi HDR-asetukset olivat joko yleisiä tai ne piti valita manuaalisesti. HDR10+ Gaming -formaatissa pelimoottori ja näyttölaite vaihtavat tietoja suoraan. Näin peli voi tunnistaa näytön ominaisuudet ja tuottaa kyseiselle näytölle optimoidun HDR-kuvan. Yksi mainostetuista ominaisuuksista on automaattinen säätö ilman manuaalista kalibrointia. Julkaisuvaiheessa formaatti oli saatavilla tietokoneissa, joissa oli tuettu NVIDIA-näytönohjain, sekä uudemmissa Samsung-televisioissa ja -näytöissä.
HDR10+ Advanced
Uudempi standardi, joka on suunniteltu huippuluokan televisioille, joissa on erittäin korkea huippukirkkaus, tehokkaat prosessorit ja suuret näytöt. Prime Video tuo sen saataville Samsungin vuoden 2026 televisioissa elokuusta 2026 alkaen. Julkistettuihin ominaisuuksiin kuuluvat seuraavat.
- Enhanced Overall Brightness Metadata auttaa hyödyntämään paremmin premium-televisioiden korkeaa kirkkautta.
- Intelligent Motion Smoothing Järjestelmä määrittää automaattisesti, tarvitaanko liikkeen pehmennystä.
- Tekoälyyn perustuva lajityypin tunnistus Sen avulla valitaan kuvankäsittelyasetukset. Lisäksi se mahdollistaa laajemman värivalikoiman sisällöntuottajien toimittaman metadatan perusteella.
Dolby Vision
Dolbyn kehittämä lisensoitu standardi, joka esiteltiin vuonna 2014. Se käyttää dynaamista metadataa, joka voi muuttua kohtauksesta toiseen tai ruudusta toiseen. Suoratoistossa kuva on yleensä 10-bittinen, kun taas 12-bittinen video on mahdollinen vain tietyissä profiileissa, kuten 4K Blu-ray -levyillä käytettävissä profiileissa. Dolby Vision sisältää useita profiileja. Osa on suunniteltu suoratoistoon, osa levyille, ja jotkin ovat yhteensopivia HDR10 kanssa televisioissa, jotka eivät tue Dolby Visionia.
Vuonna 2025 Dolby julkisti Dolby Vision 2. Yhtiön mukaan se lisää tekoälyyn perustuvan kuvan optimoinnin katseluolosuhteiden mukaan sekä ruutukohtaisen liikkeen pehmennyksen hallinnan. Vanhemmat televisiot voivat edelleen toistaa tätä sisältöä, mutta uudet ominaisuudet edellyttävät Dolby Vision 2 -tukea. Standardi vaatii valmistajilta maksullisen lisenssin. Samsung ei tue Dolby Visionia televisioissaan, vaan keskittyy sen sijaan HDR10+.
HLG (Hybrid Log-Gamma)
BBC ja NHK kehittämä formaatti televisiolähetyksiä ja suoria lähetyksiä varten. Se sisältyy ITU-R BT.2100 -suositukseen. HLG ei käytä metadataa, koska kirkkaustiedot on koodattu suoraan sen siirtofunktioon. Funktion alaosa muistuttaa perinteistä SDR-gammakäyrää, kun taas yläosa on logaritminen ja käsittelee kuvan kirkkaita alueita.
Tämän ansiosta sama signaali voidaan näyttää sekä HDR- että SDR-televisioissa. HDR-näytöllä kuva hyötyy laajennetusta dynaamisesta alueesta, kun taas SDR-näytöllä se näyttää normaalilta. Vanhemmissa malleissa, jotka eivät tue laajaa väriavaruutta, värit voivat kuitenkin näyttää hieman haaleilta. Formaatti ei edellytä lisenssimaksuja, ja siinä käytetään yleensä 10-bittistä värisyvyyttä. Se ei pysty säätämään yksittäisiä kohtauksia yhtä tarkasti kuin dynaamista metadataa käyttävät formaatit, mutta se on yksinkertaisempi televisiolähetyksissä eikä vaadi erillisiä SDR- ja HDR-videovirtoja.
HDR-standardien vertailu
| Standardi | Metadata | Värisyvyys | Lisenssi | Vuosi |
|---|---|---|---|---|
| HDR10 | Staattinen | 10-bittinen | Avoin | 2015 |
| HDR10+ | Dynaaminen, ruutukohtainen | 10-bittinen | Ei lisenssimaksuja | 2017 |
| HDR10+ Adaptive | Dynaaminen (HDR10+), säädöt ympäristön valoanturin perusteella | 10-bittinen | Ei määritelty | 2021 |
| HDR10+ Gaming | Samsungin mukaan laajempi kuin HDR10 | 10-bittinen | Ei määritelty | 2022 |
| HDR10+ Advanced | Laajennettu kohtausten metadata Samsungin mukaan | 10-bittinen | Ei lisenssimaksuja | 2025 |
| Dolby Vision | Dynaaminen | 10–12-bittinen | Maksullinen lisenssi | 2014 |
| HLG | Ei käytössä | 10-bittinen | Avoin | 2015 |
