Как новые форматы Ultra HD и 4К совершат цветовую революцию

О том, что разрешение матриц, частоты процессоров и емкость дисков растут не по годам, а по месяцам, мы все хорошо осведомлены. Но как только дело касается качественной стороны — цветопередачи, тут же прогресс как будто бы останавливается. Десятки лет мы там же, где начинали первые телеинженеры. Однако новые технологии и стандарты наконец раздвинут границы видимого в буквальном смысле — мы увидим больше цветов и более точные цвета. Предлагаю вашему вниманию первую часть статьи «Ultra HD 4K TV color, part I: Red, green, blue and beyond».

С тех пор как начались первые телевизионные трансляции, прошло уже 50 лет, а настоящих прорывов в сфере цветопередачи практически нет. Даже первые модели плоских HD-телевизоров, появившихся в начале в 2000-х, ничего не поменяли в наших представлениях о цвете. Картинка на экране стала четче, но не обзавелась натуральными цветами. На самом деле, технологии в телевизорах высокого разрешения тех лет были уже устаревшими.

Сейчас наконец-то все может измениться. Новые цветовые стандарты значительно улучшат картинку, сделают ее реалистичной. Это первый серьезный шаг со времен появления HD.

[Изображение удалено]

Тестовый паттерн Philips PM5544

Тема, затронутая мной, довольно обширна, поэтому я разделю статью на две части. Сейчас поговорим о природе цвета и о том, как цвета передаются экраном телевизора. Во второй части я расскажу о будущем цветного телевидения.

«Что такое хорошо, а что такое плохо?»

Есть два типа создания определенного цветового оттенка: аддитивный и субтрактивный. В системе субтрактивного синтеза основными являются голубой, пурпурный и желтый (CMY) — оттенки появляются как результат вычитания из белого света спектральных составляющих (отражение). Тогда как в системе аддитивных цветов оттенок получается путем смешивания трех основных — красного, зеленого и синего (RGB). Именно смешиванием световых лучей мы и получаем на мониторе, телевизоре или другом экране цвета, отличные от тройки «главных».

Например, если соединить красный и зеленый — получится желтый. Намешаешь зеленый и синий — увидишь голубой. Пурпурный — это результат соединения синего и красного. Если добавить какого-то цвета больше, а другого меньше, то получатся более тонкие оттенки.

Выходит, что при смешивании основных цветов получается окружающее нас цветовое разнообразие. Кстати, любопытный факт — дополнительные аддитивные цвета — это основные субтрактивные цвета (и наоборот).
Наверное, проще все это понять на картинках. Используем диаграммы Венна:

[Изображение удалено]

Основные субтрактивные цвета (голубой, пурпурный, желтый) и их дополнительные цвета (красный, зеленый, синий)

[Изображение удалено]

Основные аддитивные цвета (красный, зеленый, синий) и их дополнительные цвета (желтый, пурпурный, голубой)

Главный вопрос: что такое цвет?

Если говорить научно, цвет — это характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона. Однако помимо научной объективной части, когда дела касается систем отображения, интересна и часть субъективная. Если я попрошу вас, например, подумать о чем-нибудь красном, то вы подумаете о яблоке? Или для вас эталоном «красного» является пожарная машина? Бывает кирпичный красный, малиновый, алый и т.д. О каком именно красном идет речь? Вот в этом и проблема. Тут нужны еще дополнительные пояснения, а не просто «красный».

[Изображение удалено]

Тестовый паттерн LCG 16:9

Если бы в мире телевидения у всех было свое собственное видение красного, получилась бы полная неразбериха. Один телеканал показывал бы более-менее натурально, другой бы превращал все в кислотный тон и так далее. В итоге нам пришлось бы настраивать телевизор отдельно под каждый канал.

Но существует стандарт Rec.709. Он-то и определяет, какими должны быть основные цвета (красный, зеленый и синий) и их дополнительные (пурпурный, голубой и желтый). В соответствии с этим стандартом работают все телекомпании и производители телевизоров.

Телевизоры не способны передавать все цвета, что мы видим глазами в реальной жизни

Как правило, новый телевизор не будет сразу (без настройки) отображать цвета корректно (так, как вам нужно). Однако сейчас производители с завода встраивают различные готовые режимы цветопередачи: кино, стандарт, динамический, игры и т.д., которые подходят под определенные условия просмотра и тип контента.

[Изображение удалено]

 

Тестовый паттерн телекомпании Deutscher Fernsehfunk (DFF)

К сожалению, стандарт Rec. 709 устарел. Он основан на возможностях цветопередачи ЭЛТ-телевизоров тех лет. Таких телевизоров уже давно нет, а стандарт все еще жив. На самом деле нельзя сказать, что Rec. 709 — ужасный формат. Он вполне адекватен обычному телевидению. Но ведь телевизоры не способны передавать все цвета, что мы видим глазами в реальной жизни — по-настоящему глубокий красный, зеленый и синий цвета попросту невозможны в рамках этого стандарта.

И вот наступило время перехода на новые 4К/Ultra-HD-телевизоры. Это отличный повод сменить наконец и цветовой стандарт, заменив на что-то более прогрессивное. Хорошо, что это поняли и производители телеоборудования. Сейчас идут обсуждения и уже формируются стандарты, призванные улучшить цветопередачу. О том, что уже есть и какие выгоды получит потребитель, я расскажу во второй части статьи. А пока затрону тему важности цветопередачи.

Почему важны правильные цвета?

Во всех телевизорах задействован один и тот же принцип. Каждый пиксель дисплея разбит на три ячейки (субпиксели) — для красного, зеленого и синего цветов соответственно. Все цвета получаются в результате того, сколько света подается на каждую ячейку.

Но кто должен определять, какими должны быть цвета и какой яркости им быть?

Давайте я покажу вам два изображения — на каком из них цветопередача верная?

[Изображение удалено]

Правильные цвета — это те, которые видел и хотел передать автор фотографии. В данном случае первый вариант — правильный. Хотя вторая картинка более сочная и яркая, но действительности она не соответствует.

Хорошо, а что насчет этого:

[Изображение удалено]

[Изображение удалено]

Здесь вообще дело серьезное. От достоверности цветопередачи зависит то, как выглядит весь пейзаж. На второй картинке все правильно. А если ваш телевизор сам подберет настройку и покажет первую (с яркой зеленью), то выйдет, что замысел автора (например, показать высыхающие деревья) не будет передан.

Не так важна контрастность изображения, как правильная цветопередача. На первом месте должны быть правильные цвета. А результат (в идеале) должен быть таким, чтобы зритель видел мир в буквальном смысле глазами съемочной группы.

Многие годы нам приходилось мириться с тем, что наши телевизоры передают ограниченное количество цветов, но все меняется. 

Мы на пороге цветовой революции. Стандарты Rec.2020 и DCI P3 изменят наше представление о реалистичности изображения на экране. Больше оттенков, шире динамический диапазон, точнее каждый цвет. Ведь самая слабая сторона всех телевизоров — цветопередача. И это плохо. Чем точнее и реалистичнее цвета, тем картинка на экране живее и натуральнее. Несмотря на то, что высокое разрешение пришло в индустрию уже давно, работа с цветом ведется практически на том же уровне, что и в ЭЛТ-телевизорах. Современные модели способны выдать гораздо больше цветов, но все упирается в контент и спецификации, разрабатываемые под устаревшие форматы.

Скоро все изменится. На подходе новые стандарты цветопередачи, которые изменят наше представление о возможностях телевизоров. Наконец-то мы увидим телевидение 21 века.

 

[Изображение удалено]

Самый маленький треугольник (с черными кругами в углах) — цветовое пространство обычного HD-телевизора. Тот, что побольше (с квадратами) — цветовое пространство DCI P3, а самый большой (с треугольниками) — это стандарт Rec.2020

Итак, чтобы цвета стали реалистичней, необходимо улучшить две вещи: цветовую гамму и глубину цвета (битность изображения). Начнем с гаммы, тут все проще.

Цветовая гамма

Цветовая гамма телевизора — это все цвета и оттенки, которые он может передать. Цветовые пространства бывают разными, посмотрите на картинку цветового локуса выше, она достаточно наглядна.

Самый маленький треугольник показывает цветовое пространство формата Rec.709, его используют в HD-телевизорах. Однако наши глаза способны увидеть гораздо больше цветов, чем дает этот формат. Есть пара хороших примеров тех оттенков, которые в рамках Rec.709 не могут быть переданы — это цвет красной пожарной машины (см. фото ниже) и баклажанный цвет. Идеально передать их Rec.709 попросту неспособен — эти оттенки не входят в его «треугольник».

[Изображение удалено]

Расширенная цветовая гамма позволяет нашим телевизорам передавать больше цветов. Если сказать коротко, то у красного, например, будет больше оттенков. На картинке в начале статьи есть еще два треугольника (те, что побольше) — P3 и Rec.2020, это цветовые пространства, которые скоро придут на смену Rec.709. Как сами видите, там цветовые гаммы гораздо более широкие.

Глубина цвета

Другой важный момент — это глубина цвета или цветовая разрядность. Тут все сложнее. У телевизоров нет какой-то бесконечной палитры цветов, чтобы выбирать и создавать всевозможные оттенки. Каждому цвету дан номер. Современные телевизоры используют 8-битную систему, что примерно означает 256 оттенков для каждого тона (не совсем так, но не будем углубляться). 
Например, синий под номером «20» будет очень темным (почти черным), а 220-й синий — это светло-голубой.

Если помножить друг на друга (совместить цвета) получится не так уж и мало — всего 8-битами на цвет могут быть представлены 16.7 млн оттенков. Казалось бы, это очень много. Но недостаточно. Наши глаза видят в несколько раз больше.

[Изображение удалено]

Сравнение 8-битного и 10-битного отображения градаций серого

Уже сегодня делают телевизоры и 4K-Blu-ray-проигрыватели с 10-битной системой. Это означает, что у каждого цвета получается 1024 оттенка. Гораздо интереснее! Картинка получается натуральней.

А если соединить улучшенную разрядность и расширенную цветовую гамму, то мы получим огромный скачок «цветового реализма».

Кроме того, 8-битное «описание» цветов ограничивает и детализацию картинки, если говорить о контрастности и яркости.

Многое зависит от ваших глаз

Я уже много раз говорил о том, что телевизоры со светодиодной (LED) подсветкой (включая те, что с технологией «квантовых точек» QD) дают насыщенные яркие цвета и более точную цветопередачу. По сути, это будто вы рисуете ту же картину, но только вам дали более дорогие и качественные краски.

Тут все дело в нашем восприятии цветов. Сама по себе LED-подсветка дает более узкий спектр света, если сравнивать с флуоресцентными лампами, которые раньше использовались в ЖК-телевизорах. В случае с QD-телевизорами спектр становится еще точней. В итоге получается достичь очень чистого требуемого оттенка. А чем «чище» тон, тем он кажется более ярким — такова природа нашего зрения. Например не такой «концентрированный» красный на старых телевизорах будет выглядеть менее ярким, чем на LED, и уже тем более на QD-моделях. В итоге более точное воспроизведение цветов, задуманных создателями контента.

[Изображение удалено]

Однако есть и обратный эффект. Чем чище цвет, тем больше вероятность, что люди увидят его по-разному. От этого никуда не денешься, у каждого из нас есть свои особенности устройства глаза, значительных отличий нет, но некоторая разница присутствует. Другими словами, я могу видеть абсолютно реалистичный красный (как в жизни), а вам тот же цвет будет казаться не таким реалистичным. И мы оба правы.

Помните историю с платьем? Кто-то видел его бело-золотым, а другие сине-черным. В этом и скрыта проблема. Никто из нас не может точно знать, как другой видит какой-либо цвет, все субъективно.

Значит ли все это, что одна и та же модель нового телевизора может получить отрицательные и положительные отзывы только потому, что все видят цвета по-разному? Такое может быть, однако я думаю, что производители решат проблему и найдут ту переходную точку, когда все будут видеть «хорошие» цвета. Надеюсь, мы не будем смотреть один и тот же фильм и спорить о качестве цветопередачи.

О Blu-ray-дисках формата 4K

Что касается новых Blu-ray-дисков с разрешением 4K, то тут все более-менее хорошо. На одном и том же диске может храниться информация, которая будет по-разному отображаться в зависимости от типа телевизора — если запустить диск на «обычном» 4K-телевизоре, то видео проиграется в рамках стандарта Rec.709, а если просмотреть тот же диск на телевизоре с расширенной цветопередачей, то и контент (видео) изменится в соответствии с форматом.

[Изображение удалено]

 

Прототип 4К Blu-Ray-проигрывателя от Panasonic

Короче говоря, специальные 4K-Blu-ray-диски для расширенной цветопередачи не понадобятся. Это плюс.

Rec. 2020 или DCI P3

Сейчас ведется много споров и дискуссий касательно новых стандартов. С одной стороны, у Rec.2020 намного больше цветов, чем у Rec.709, но с другой — индустрия еще не готова к переходу на Rec.2020. Плохо это или хорошо? Мне кажется, что есть куда стремиться, а значит — хорошо. Вероятней всего, с Rec.709 телевидение перейдет на стандарт DCI P3. Именно это цветовое пространство используется в современных кинотеатрах. Стандарт уже хорошо знаком студиям, есть большая вероятность, что скоро появятся ремастированные версии старых фильмов, подогнанные под новый стандарт. 
Несмотря на то, что вероятность перехода на P3 более высока, это не значит, что Rec.2020 забудут — сейчас DCI P3, а потом Rec.2020. Думаю, переход от формата к формату не станет слишком сложной задачей, это как добавить новый саундтрек к уже отснятому материалу.

Почему именно сейчас?

Все эти разговоры о расширенной цветовой гамме идут уже не первый год. Некоторое время назад появился стандарт цветового пространства xvYCC (он же x.v.Color) — способ объединить расширенную гамму цветов и обычный HD-сигнал. Однако его так и не задействовали. Почему же сейчас все изменится?

[Изображение удалено]

Граница возможностей между HDMI версий 1.4b и 2

Потому что сейчас все стало цифровым, а потоковый контент легче улучшать. Появился HDMI 2.0, и он тоже играет свою роль — большая пропускная способность дает возможность передать больше информации, что упрощает задачу. Конечно, я не могу сказать, что процесс прост, как прогулка летним днем по парку, но то, что сейчас все проще, чем раньше, это точно.

Подведем итог

Для нас лучше всего то, что производители телевизоров уже начали постепенно задействовать новые технологии. Все не так быстро и просто, как, например, установить новое приложение на Smart TV, но зато мы получим и другие «бонусы». Вероятность того, что ваш новый телевизор обладает поддержкой расширенного цветового пространство довольно высока. А если не торопиться и подождать пару лет, то вы точно купите именно такой телевизор.

Вообще уже в этом году стоит ожидать довольно серьезных улучшений в области реализма цветов. Контент скоро появится, и повезет тем, у кого будут подходящие телевизоры и 4K-Blu-ray-проигрыватели.