Index
Gamma a HDR - trochę teorii
Dopóki poruszamy się w obszarze obrazów SDR (o standardowej dynamice), dopóty gamma zdaje egzamin. Przysłowiowe schody zaczynają się wraz ze znacznym poszerzeniem dynamiki i próbą zakodowania obrazu HDR z wykorzystaniem nie 8 lub nawet 10 bitów. Wówczas okazuje się, że rozważana funkcja EOTF, w korelacji z postrzeganiem różnic jasności przez ludzkie oko, nieoptymalnie wykorzystuje bity słów kodowych, przypisując zbyt dużo informacji obszarom jasnym, a zbyt mało – ciemnym. Efekt jest taki, że przejścia tonalne w zakresie jasnych szarości i bieli są oddane doskonale – nawet zbyt dobrze w stosunku do potrzeb – natomiast w cieniach mamy zbyt mało informacji (banding). Zrozumienie tego fenomenu wymaga poznania zależności opisującej czułość ludzkiego wzroku na zmiany jasności obrazu.
Już w XIX wieku Ernst Heinrich Weber (1795–1878) odkrył, że próg rozróżnialności bodźca (świetlnego, dźwiękowego i innych) determinuje jego względna zmiana, nie zaś bezwzględna różnica w natężeniu. Najmniejszą procentową zmianę, jaką jesteśmy w stanie zarejestrować, określono mianem frakcji Webera (uważa się, że jej wartość w odniesieniu do jasności wynosi 0,01–0,02). Nieco później Gustav Fechner doprecyzował tę zależność w sposób matematyczny, stwierdzając, że relacja pomiędzy bodźcem a percepcją jest logarytmiczna. Prawo to posłużyło zresztą za podstawę do określenia miary jasności obiektów astronomicznych. Dziś uważa się, że reakcje wzroku na zmiany jasności (w dużej skali) lepiej opisuje prawo potęgowe. Za dokładniejszą miarę czułości wzroku na zmiany jasności uznaje się obecnie model Bartena (patrz: załączony wykres). Przy małych jasnościach obrazu jesteśmy w stanie dostrzec 1–2-procentowe różnice w jego jasności (jak wynika z prawa Webera), zaś przy jasnościach rzędu 100 cd/m2, rejestrujemy znacznie mniejsze zmiany w jasności – rzędu 0,2%.
Linia przerywana obrazuje progową wartość detekcji kontrastu (różnic w jasności obrazu) przez ludzkie oko – tak zwany model Bartena. Przy małych jasnościach, wykrywalna przez wzrok względna zmiana jasności jest znacznie większa niż przy dużych i bardzo dużych jasnościach. Zaproponowana przez Dolby funkcja EOTF (linia czarna) zapewnia niewidoczne przejścia tonalne przy 12-bitowym kodowaniu sygnału. Dopiero 15-bitowa gamma (linia czerwona) dałaby porównywalny efekt.
Specjaliści z laboratoriów Dolby uznali to kryterium za podstawę do wyznaczenia nowej krzywej EOTF, która pokryłaby zakres luminancji od 0 do 10 000 nitów (cd/m2) w taki sposób, by w całym zakresie jasności obraz zakodowany 12-bitowo był całkowicie wolny od bandingu (pominięto tu oczywiście wpływ ewentualnej kompresji). Krzywa ta, nazwana skrótem PQ (od Perceptual Quantizer), zapewnia równie znakomite efekty co 15-bitowa EOTF Rec.709 (gamma), tak więc oszczędność w pojemności słów kodowych jest znacząca – wynosi całe 3 bity.
Wykresy 10-bitowych frakcji Webera dla różnych krzywych OETF opracowane przez BBC pokazują nieodpowiedniość obecnego standardu (gammy), która zbyt dokładnie (małe wartości frakcji Webera) opisywałaby przejścia tonalne w jasnych partiach obrazu, a zbyt zgrubnie – w ciemnych.
Odmienną funkcję EOTF postulują specjaliści z BBC, dowodząc, że w ramach 10-bitowego kodowania, a więc takiego, jakie zaakceptowano w standardzie Ultra HD, zapewnia ona mniejszy banding niż krzywa PQ. Ponadto proponowana krzywa jest bardziej kompatybilna z gammą Rec.709, ponieważ została opracowana z myślą o wyświetlaniu obrazów tylko 4-krotnie jaśniejszych niż w obecnym standardzie. BBC nie skorzystało z modelu Bartena, lecz z prostszego prawa Webera-Fehnera, które – jak wspomnieliśmy – opiera się na pojęciu frakcji Webera i jej stałej wartości.
