HDR TV update: High Dynamic Range rukt op

Inhoudsopgave
  1. 1. Inleiding
  2. 2. Erfenis uit het verleden
  3. 3. Gamma of ST2084 EOTF?
  4. 4. Vier HDR-normen
  5. 5. HDR in de praktijk
  6. 6. Reacties

Inleiding

HDR is misschien wel de belangrijkste verbetering in beeldschermtechnologie en bovenal, beeldkwaliteit, die we de afgelopen jaren gezien hebben. Hoewel we nog maar aan het begin van deze omwenteling staan, begint HDR in de wereld van televisietoestellen in elk geval ingeburgerd te raken. Je koopt al voor een paar honderd euro een model dat geschikt is voor HDR. Er zijn echter de nodige verschillende standaarden en ontwikkelingen volgen elkaar in razend tempo op. Tijd voor ons om de balans op te maken.

Voordat we in de techniek duiken, herhalen we eerst nog even kort wat HDR (High Dynamic Range) is en wat deze technologie voor verbeteringen brengt ten opzichte van bestaande SDR (Standard Dyanmic Range) technologie.

In een notendop belooft HDR grotere helderheidsverschillen tussen lichte en donkere delen van beelden, zónder dat het beeld in zijn geheel een stuk helderder wordt dan hetzelfde SDR-beeld. Beelden helderder maken kan iedereen met zijn eigen tv of monitor nu immers ook al voor elkaar krijgen: door de contrastinstelling van een normale SDR-televisie te verhogen, verander je de maximale helderheid van het beeld en trek je daarmee alle helderheidswaarden als een elastische band verder uit elkaar. Met het verhogen of verlagen van het contrast win je echter geen informatie: delen van het beeld die onderbelicht of overbelicht waren, blijven dat ook na verandering van de contrastinstelling.

Bétere pixels

HDR beelden bevatten juist wél meer helderheidschakeringen. Delen van het beeld die in SDR over- of onderbelicht zijn, bevatten bij HDR weergave toch nog details. De belangrijkste verschillen zie je in de praktijk in heldere delen van het beeld. Zonlicht, reflecties, lampen en andere zogenaamde highlights worden niet alleen veel helderder weergegeven, in tegenstelling tot bij SDR-weergave zijn ze bovendien niet uitgebeten tot egaal wit, doordat ook in de helderste delen kleurinformatie en daarmee details beschikbaar blijven. 

In dit artikel kunnen we het verschil helaas niet goed tonen (want het aantal monitors met HDR-weergave is zeer klein, om over andere belemmeringen nog maar niet te spreken) en de voorbeelden op deze pagina’s zijn dan ook gesimuleerd, maar in werkelijkheid is goede HDR-weergave écht spectaculair. Waar je bij de extra resolutie van een ultra hd-televisie nog je vraagtekens kan zetten omdat het verschil met full hd op een gemiddelde kijkafstand vaak nauwelijks zichtbaar is, valt de verbetering die HDR brengt op elke kijkafstand op.

HDR wordt in de praktijk bovendien gecombineerd met wide color, waarbij een groter deel van de kleuren die in de natuur voorkomen daadwerkelijk gereproduceerd kunnen worden, wat helpt het realisme verder te vergroten. HDR en wide color zijn toevoegingen aan ultra hd-televisies, maar in plaats van méér pixels, zorgen deze technologieën voor iets belangrijkers: betere pixels.


Gesimuleerde weergave van SDR (links) en HDR (rechts). Het HDR-beeld laat meer details zien in lichte delen van het water, de lucht en de zon.

Erfenis uit het verleden

Om te snappen wat het voordeel is van HDR, moeten we eerst kijken naar de erfenis die SDR met zich meedraagt. De manier waarop SDR-beeldschermen traditioneel werken en de signalen die ze aangeleverd krijgen, zijn namelijk nog altijd gebaseerd op het tijdperk van de beeldbuis. Een van de eigenschappen van beeldbuizen was dat deze een beperkte maximale helderheid hadden van ongeveer 100 cd/m², ook wel 100 nits genoemd. Om dat in perspectief te plaatsen: op een bewolkte dag is de gemiddelde lichtintensiteit buiten zo’n 4000 tot 7000 cd/m², terwijl dat op een zonnige dag gemakkelijk kan oplopen tot 30.0000 cd/m².

Om dat enorme helderheidsbereik weer te geven op een scherm met een maximale helderheid van 100 cd/m², moet het signaal uiteraard in helderheid gecomprimeerd worden en worden zeer heldere elementen er zelfs gewoon ‘afgeknipt’, wat clipping genoemd wordt. Afhankelijk van de gebruikte camera en de mastering kan het bijvoorbeeld prima zo zijn dat het signaal wordt begrensd op 5000 cd/m², waarbij alle helderheidsgradaties daarboven als volledig wit worden weergegeven. Dat signaal met een maximum van 5000 cd/m² wordt vervolgens middels mapping omgezet naar een 0-100 cd/m² bereik dat standaard televisies kunnen weergeven. Afhankelijk van het toestel zal dat bereik bij moderne televisies overigens weer opgerekt worden naar bijvoorbeeld 0-400 cd/m², maar hierbij wordt dus geen extra detail teruggewonnen.

HDR-weergave werkt anders. De huidige HDR-formaten bieden ondersteuning voor piekhelderheden tot 10.000 cd/m², al wordt er afhankelijk van de implementatie (voorlopig) ook gekozen voor een bereik tot ‘slechts’ 1000 of 4000 cd/m². De HDR-normen zoals die er nu zijn komen qua helderheid dus nog altijd niet overeen met wat we in de natuur tegenkomen, maar het beschikbare bereik wordt gemapt naar de maximale helderheid die de norm kan weergeven.

Dat is overigens niet per definitie een nadeel: onze ogen hebben – zonder met de iris te knijpen – sowieso een beperkt bereik. Als je na een donkere scene ineens een beeld met een helderheid 30.000 cd/m² voorgeschoteld kreeg, zou dat bepaald geen prettige ervaring zijn.

Absolute helderheid

HDR biedt niet alleen signalen met een groter helderheidsbereik, het werkt ook fundamenteel anders dan SDR. Waar SDR-televisies het bereik van het SDR-signaal eigenlijk altijd compleet kunnen weergeven zonder het inkomende signaal te clippen, wordt er bij HDR-signalen juist vanuit gegaan dat het beeldscherm mogelijk niet het complete bereik van het signaal kan weergeven.

De maximale signaal-helderheid van 10.000 cd/m² bij HDR10 - de de facto standaard van dit moment – kan nog door geen enkele televisie gerealiseerd worden. Sterker nog, de helderste consumentenmodellen van dit moment halen ‘slechts’ ongeveer 2000 cd/m². De HDR10-standaard houdt hier rekening mee, in zoverre dat de belangrijkste elementen van het beeld in het lage helderheidsbereik zitten, grofweg onder 500 cd/m². De highlights die daar bovenuit komen, kunnen afhankelijk van de manier waarop het materiaal is gemasterd oplopen tot 1000, 4000 of zelfs 10.000 cd/m².

De HDR10 standaard gaat daarbij uit van een absolute helderheid die de televisie moet volgen. Bij een 10-bits HDR signaal bijvoorbeeld staat bitwaarde 691 altijd voor een helderheid van 500 cd/m². Elke televisie die een HDR10-signaal weergeeft, zou in theorie dus precies even helder moeten zijn bij weergave van hetzelfde signaal. Afhankelijk van de maximale helderheid van de televisie worden highlights daarbij daadwerkelijk helderder weergegeven, of op een bepaald moment geclipt. Een HDR-geschikte televisie met een maximale helderheid van 500 nits geeft alle signaalwaarden van 691 en hoger dus weer als witte pixels met een helderheid van 500 cd/m², terwijl een toestel met een hogere maximale helderheid van bijvoorbeeld 1000 cd/m², extra helderheidsniveaus kan weergeven en pas bij signalen van 1000 cd/m² zal clippen. Dat clippen gebeurt in de praktijk 'zacht', wat wil zeggen dat HDR-televisies signalen die qua helderheid net onder het maximum van het scherm zitten, ook al iets in helderheid verlagen, zodat de overgang naar puur wit geclipt beeld geleidelijk verloopt.

Of het principe van absolute helderheid een goed idee is, valt te betwisten. Hoe helder het beeld van een televisie moet zijn om er prettig naar te kijken is namelijk sterk afhankelijk van de hoeveelheid omgevingslicht, en daar houdt het concept van absolute helderheid feitelijk geen rekening mee. In de praktijk zien we dan ook dat fabrikanten van televisies zich hier niet aan houden, of in ieder geval de mogelijkheid bieden om ook bij HDR-materiaal de helderheid van het beeld naar eigen smaak aan te passen.

Gamma of ST2084 EOTF?

HDR-signalen werken met 10-bits kleur en daarmee zijn in theorie 1024 verschillende helderheidsstappen per kleurkanaal beschikbaar. Dat klinkt als een grote verbetering ten opzichte van 8-bits SDR, waarbij 256 niveaus per kleur beschikbaar zijn. Echter, omdat ook het helderheidsbereik enorm is toegenomen, zouden de stappen tussen de helderheidschakeringen juist groter worden dan bij standaard 8-bit SDR materiaal het geval is, wat tot minder vloeiende kleurovergangen, en daarmee tot banding zou kunnen leiden.

Om dit probleem op te lossen is een nieuwe manier bedacht om de beschikbare bits toe te wijzen aan verschillende helderheidsniveaus. Die oplossing is de ST2084 EOTF (Electro Optical Transfer Function), die de beschikbare bits vooral inzet waar het menselijk zicht het meest gevoelig is, namelijk in de minder heldere delen van het beeld. ST2084 EOTF past ongeveer de helft van de beschikbare bits toe in het SDR-bereik tot circa 500 nits, terwijl er steeds minder bits beschikbaar zijn – en de stappen dus groter worden – naarmate de helderheid toeneemt. Voor het menselijk oog is dit geen probleem, want het verschil tussen 9.000 of 10.000 cd/m² is voor ons nauwelijks waarneembaar. Daarom is het logisch om hiervoor veel minder bits in te ruimen dan voor het bereik tussen 0 en 1000 cd/m². Door toepassing van ST2084 EOTF zijn in het SDR-bereik feitelijk ongeveer tweemaal zoveel bits beschikbaar als bij 8-bit SDR beeldmateriaal, waardoor bijvoorbeeld in schaduwen meer detaillering getoond kan worden.


Bij HDR-beelden die via de ST2084 EOTF worden opgeslagen, worden de meeste bits gebruikt voor de donkerdere delen van het beeld, waardoor banding tegengegaan wordt.

Vier HDR-normen

Op het moment van schrijven zijn er vier serieuze HDR-normen, waarvan er drie daadwerkelijk gebruikt worden. Meerdere normen klinkt als slechts nieuws voor de consument, en dat is het deels ook, al is het maar omdat het gros van de HDR-geschikte televisies die tot nu toe verkocht zijn slechts één norm ondersteunen, met een goede kans dat die norm niet leidend zal zijn.

HDR10 (+)

Op dit moment is de 'open' HDR10-norm de standaard. Elke HDR-televisie die over de toonbank gaat, ondersteunt HDR10 en HDR-materiaal op 4K Blu-ray, Netflix en Amazon is allemaal in HDR10-formaat beschikbaar. HDR10 werkt met 10 bit kleur, ST2084 EOTF, ondersteunt wide color en een maximale helderheid van 10.000 nits.

Daarmee zijn uitstekende resultaten mogelijk, maar HDR10 heeft ook beperkingen. Zo is het niet backwards compatible met SDR-televisies. Geef je een HDR10-signaal weer op een normale (ultra hd) televisie, dan ziet het beeld er dankzij de ST2084 EOTF codering flets uit, met te weinig kleur en contrast. HDR10-signalen bevatten bovendien alleen statische ‘metadata’, informatie die aan de televisie vertelt wat het kleur- en helderheidsbereik is van een video of film. Op de IFA dit jaar kondigden Panasonic en Samsung aan samen te werken aan HDR10+, een uitbreiding op de HDR10 specificatie, waarbij ook dynamisch metadata gebruikt kan worden.


Een normale TV die de ST2084 EOTF van HDR beelden niet ‘begrijpt’, zal de beelden flets en kleurloos weergeven.

Dolby Vision

Dolby biedt oplossingen voor de beperkingen van HDR10, middels haar eigen ‘Dolby Vision’. Ook Dolby Vision maakt gebruik van een 10-bits signaal met ST2084 EOTF, ondersteuning voor wide color en een maximale helderheid van 10.000 nits. Door de mogelijkheid om aan het basissignaal een extra laag van 2 bits toe te voegen, kan Dolby Vision feitelijk echter 12 bits kleur reproduceren, en is het – afhankelijk van de toepassing – ook mogelijk om signalen compatible te laten zijn met SDR televisies.

Dolby Vision biedt daarnaast dynamische metadata, waarbij de televisie per scène of zelfs per beeld verteld wordt wat het bereik is waarmee gewerkt moet worden. Vooral voor LCD-televisies is dat een groot voordeel: bij een heldere dag-scène moet de backlight op volle helderheid staan, maar bij een opvolgende nachtscene kan deze wellicht ver dichtgedraaid worden om zo het zwartniveau te verbeteren. Dolby Vision kan deze informatie aan de televisie doorgeven, zodat deze zichzelf altijd optimaal kan instellen op beelden die nog moeten komen, in plaats van real time analyses op de inhoud van het beeld uit te voeren en te proberen zich daarop aan te passen.

Dolby Vision is in theorie dus een betere standaard dan HDR10, maar een nadeel is dat er op dit moment nog weinig televisies en weergavebronnen zijn die het ondersteunen. In 2016 voorzag alleen LG sommige televisies van zowel HDR10 als Dolby Vision. In 2017 heeft ook Sony high-end modellen met ondersteuning voor Dolby Vision, maar marktleider Samsung weigert Dolby Vision te implementeren op haar televisies en ook Panasonic en Philips doen vooralsnog niet mee. Dat heeft alles te maken met kosten. Dolby vraagt royalty’s voor Dolby Vision, en daarnaast is specifieke hardware nodig om het formaat te ondersteunen.

Hybrid Log Gamma

Het voordeel van de manier waarop de ST2084 EOTF de beschikbare bits verdeelt hebben we hiervoor besproken, evenals het nadeel, namelijk dat SDR-televisies deze mapping niet snappen. Hierdoor worden volgens ST2084 EOTF gecodeerde beelden weergegeven als ware het materiaal met een klassieke gammacurve, wat resulteert in een flets en contrastloos beeld.

Ten einde compatibiliteit met SDR-televisies te waarborgen, is Hybrid Log Gamma (HLG) ontwikkeld door de BBC en het Japanse NHK. Dit systeem gebruikt een standaard 10-bit signaal met wide color, waarbij over de onderste 60% van het bit-bereik een standaard gammacurve wordt toegepast zoals die ook voor SDR signalen gebruikt wordt. Dit betekent dat de donkere tinten en midtonen precies zo gemapt worden als normale televisies het gewend zijn, en deze dit ook foutloos kunnen weergeven.

Voor het bereik van 60 tot 100% wordt echter gebruik gemaakt van een logaritmische curve. Het effect hiervan is dat het gros van het beeld – alle helderheidstappen van zwart tot 60% van de bitwaarde – op HDR en SDR televisies identiek wordt weergegeven. Het bovenste deel van de curve vlakt echter snel af om hier meer ruimte te maken voor extra helderheidsniveaus. HDR-televisies met ondersteuning voor het HLG EOTF mappen de standaard gammacurve en het logaritmische deel automatisch naar de mogelijkheden van het scherm, terwijl SDR-televisies het logaritmische deel feitelijk niet goed interpreteren, maar toch een zeer acceptabel beeld laten zien dat voldoende kleur en contrast bevat.

Hybrid Log Gamma verschilt verder van HDR10 en Dolby Vision in dat het geen metadata bevat over het signaal, en er ook geen sprake is van absolute helderheid. Een HLG-signaal wordt door elke televisie dus anders weergegeven, zonder dat er clipping plaatsvindt bij toestellen met een lagere piekhelderheid. HLG heeft daarmee beperkingen ten opzichte van HDR10 en Dolby Vision, maar is door zijn backwards compatibiliteit wel zeer geschikt voor bijvoorbeeld tv-uitzendingen. Een ander voordeel van HLG is dat het eenvoudig via een firmware-upgrade aan bestaande HDR televisies toe te voegen zou moeten zijn. Samsung, LG, Panasonic, Sony en Philips bieden allemaal ondersteuning voor HLG bij een groot deel van hun 2017 televisies. Deels direct uit de doos, en deels door firmwareupdates. Ook sommige 2016 modellen worden middels firmwareupdates geschikt gemaakt voor HLG.


Hybrid Log Gamma gebruikt voor de donkere delen van het beeld de klassieke gammacurve, maar schakelt voor heldere delen over naar een logaritmische schaal. Beelden kunnen hierdoor ook op normale SDR televisies weergegeven worden.

SL-HDR1 / Technicolor

Het vierde en nieuwste HDR-formaat luistert naar de naam SL-HDR1 en is ontwikkeld door STMicroelectonics, Philips, CableLabs en Technicolor. SL-HDR1 wordt daarom ook wel ‘Technicolor HDR’ genoemd. Ook dit systeem werkt met een 10-bits signaal en biedt ondersteuning voor wide color. SL-HDR1 is een gelaagd systeem, waarbij de basis gevormd wordt door een 10-bits SDR-signaal dat ook door SDR-televisies weergegeven kan worden. In een tweede laag wordt daar dynamische metadata aan toegevoegd die HDR informatie bevat. Standaardtelevisies laten die tweede laag links liggen, terwijl HDR-televisies met ondersteuning voor SL-HDR1 de extra informatie toevoegen aan het basissignaal, met een HDR-beeld als gevolg. Op het moment van schrijven zijn er nog geen televisies te koop die SL-HDR1 ondersteunen, maar LG heeft al laten weten het formaat binnenkort met een firmwareupdate op haar 2017 modellen te gaan ondersteunen.

HDR in de praktijk

In 2016 en 2017 hebben wij meerdere HDR-televisies in ons lab getest en hoewel we nog geen sluitende testprocedure hebben voor HDR-signalen, hebben we inmiddels wel een goede indruk van hoe de technologie in de praktijk werkt en wat de ervaring is die je als kijker krijgt.

De toestellen die wij getest hebben, beschikken in alle gevallen over HDR10-ondersteuning, terwijl we ook met Dolby Vision hebben kennisgemaakt bij LG's 2016 en 2017 OLED's. Het gros van onze ervaringen is echter opgedaan met HDR10 bronmateriaal en om eerlijk te zijn, zijn die resultaten heel wisselend.

Juist omdat HDR10 met absolute helderheid werkt en televisies afhankelijk van hun maximale helderheid zélf bepalen wanneer ze het signaal soft-clippen, varieert het HDR-effect per televisie. Sterker nog, we hebben het afgelopen jaar ‘HDR geschikte’ televisies gezien met een maximale helderheid van 350 cd/m², waarop HDR10-materiaal weliswaar correct wordt weergegeven, maar het HDR-effect eigenlijk geheel ontbreekt. De term ‘HDR’ op de doos of in de specificatielijst van een televisie geeft dus de garantie dat het betreffende model de ST2084 EOTF codering en HDR10 metadata snapt, maar zegt eigenlijk niets over de daadwerkelijke weergave.

Aan de andere kant van het spectrum hebben we ook high-end televisies getest zoals de Samsung Q7F en Sony’s ZD9, die met piekhelderheden van ruim 1500 cd/m² een zeer indrukwekkende HDR-ervaring met priemende highlights bieden. Ook LG’s OLED modellen zijn zeer overtuigend. Hoewel OLED-televisies een lagere helderheid hebben dan de topmodellen uit het LCD-segment, is het contrast van OLED dankzij diens perfecte zwartweergave onovertroffen.

Ben je op zoek naar een televisie die HDR-beelden écht indrukwekkend kan weergeven, dan is ons advies om op zoek te gaan naar een model dat beschikt over Ultra HD Premium. Dit keurmerk stelt namelijk onder meer eisen aan het helderheidsbereik van de televisies, en daarmee aan de intensiteit van de HDR-weergave.


Wil je zekerheid dat een tv een behoorlijke HDR-weergave heeft? Kies dan een model met het Ultra HD Premium logo.

Bewegend doel

De huidige HDR-normen voorzien allemaal in de mogelijkheid om hogere helderheden weer te geven dan met de huidige televisies mogelijk is, en mede daarom is de verwachting dat de ontwikkeling de komende jaren érg snel zal gaan. De beste HDR-modellen uit 2015 doorbraken de grens van 1000 cd/m² net niet, terwijl de helderste televisies uit 2017 al bijna 2000 cd/m² laten noteren in ons testlab. De HDR-ervaring zal de komende tijd waarschijnlijk dus snel beter worden. Daarnaast verwachten wij dat er ofwel een shake-out komt waarbij het aantal HDR-formaten teruggebracht wordt tot één of twee, of dat fabrikanten ervoor zullen kiezen om alle vier de nu beschikbare formaten te ondersteunen, waarbij contentleveranciers het formaat kunnen kiezen dat het best bij hun beeldmateriaal en distributiemodel past.

0