L’HDR come utilizzarlo in fase di ripresa per ottenere una ampia dinamica

L’HDR (High Dynamic Range) è una di quelle tecnologie per le quali bisogna veramente “vedere per credere”; il superamento dei limiti strutturali dei dispositivi di cattura e visualizzazione delle immagini, avvicina finalmente l’immagine reale percepita dai nostri occhi a quella che possiamo riprodurre su di un monitor TV. Invece di aumentare il numero dei pixel di risoluzione, HDR esalta la gamma di luminosità che possiamo vedere in una scena, rendendo dettagliate sia le parti scure sia quelle chiare di un’immagine. In sostanza, non sarà più necessario fare una scelta tra la visualizzazione in dettaglio delle parti più illuminate o di quelle più in ombra.

Ciò che rende ancora più straordinaria questa rivoluzione, è che non richiede un corrispondente salto di qualità in termini di attrezzature. La maggior parte delle camere in uso è già in grado di fornire un uscita in LOG HDR senza che questo comporti, come invece nel caso della risoluzione 4K, un aumento delle dimensioni dei file.
I creatori di contenuti, come Netflix o BBC, stanno spingendo in modo deciso per la realizzazione di materiale in HDR per la distribuzione e i televisori che supportano questa tecnologia sono già disponibili nei negozi. L’anello mancante nel puzzle HDR riguarda il monitoraggio sul campo e durante la post produzione.
Atomos, così come ha fatto per i formati HD e 4K, ha lavorato per creare una soluzione che rendesse l’intero processo HDR veloce, facile e accessibile in termini di costo.

In questa guida, cercheremo di spiegare, sia in termini tecnici che di uso comune, che cosa siano SDR (Standard Dynamic Range) e HDR, e come utilizzare questo sistema per prendere le giuste decisioni in fase di ripresa.

Glossario

Prima di entrare nei dettagli del HDR è necessario fare chiarezza sul significato di alcuni termini chiave.

Dynamic Range, Contrasto, Luminosità

Tutti questi termini vengono utilizzati per descrivere la luce in una scena, sia per quanto riguarda l’intensità assoluta o la differenza tra parti chiare e parti scure. La Luminosità misura l’intensità della luce e la sua unità standard è il “nit” (1 nit = 1 candela/m2). Più nit equivalgono a maggiore luminosità. Misurando la luminosità della parte più “bianca” e di quella più “nera” di un’immagine potrete calcolare il rapporto di Contrasto, che non è altro che la divisione tra il valore in nit della parte bianca e di quella nera. E’ possibile aumentare il contrasto di un’immagine abbassando la luminosità delle parti nere o alzando la luminosità delle parti bianche. Il Dynamic Range è la misura della gamma di luminosità presente in una scena. È misurata in “Stop” dove ogni Stop è definito come un raddoppio di luminosità. Potete vedere che Dynamic Range e Contrasto sono tecnicamente diversi, uno misurato in stop e l’altro in rapporto di nit, ma entrambi cercano di esprimere un concetto simile, la gamma tra le parti più chiare e quelle più scure di un’immagine (gamma di luminosità).

Acquisizione con telecamera – stop e bit

Una video camera raccoglie la luce (analogico), la cattura tramite delle lenti (analogiche), la converte in digitale tramite un sensore (digitale) e la registra (digitale).

Il sensore è lo stadio critico nel quale avviene la conversione della luce analogica in 1 e 0, il mondo digitale. L’accuratezza del sensore è di per sé un’arte, ma si può tentare di misurarla considerando la quantità di informazioni digitali che può utilizzare per la conversione da analogico a digitale. Un convertitore lineare ADC a 10 bit perfetto ha 10 Stop di range dinamico, uno a 12-bit ne ha 12, uno a 14-bit ne avrà 14. In breve, per catturare più Stop di range dinamico serve una camera con sensore ad alta profondità di bit. Quando il segnale analogico viene convertito in digitale, il numero di Stop ottenuti è limitato dalla profondità in bit e dal rumore introdotto durante la conversione.

La ragione per cui le camere attuali utilizzano curve logaritmiche è per ottenere più stop all’interno di segnali con profondità di bit inferiori.

Riproduzione sul Monitor – Stop & Nit

Un monitor trasforma il segnale digitale di nuovo in luce attraverso il display. Ogni tecnologia di display ha il proprio sistema per ottenere questo risultato ed offre una gamma di luminosità misurabile. Per i monitor, è possibile definire la misura di luminosità nel seguente modo:
Log2 (Rapporto Contrasto) = Stop di Dynamic Range
Ad esempio, i pannelli Atomos Flame hanno un picco di bianco a 1500nit e livello del nero di 1.3 nit. Questo significa un rapporto di contrasto di 1153 o 10.2 stop di range dinamico.

Registrazione – Curve di Log vs Standard video

Prima di visualizzare un’immagine è necessario registrarla dal sensore. Come spiegato in precedenza, il sensore vede la luce in maniera totalmente lineare, rileva ogni fotone in bande in base ai 4096 livelli disponibili con una risoluzione a 12-bit. Quando si tratta di registrare queste informazioni è necessario tener conto di ciò che potrà essere visualizzato su di un monitor. I 12 e più stop di range dinamico catturati dal sensore eccedono di gran lunga il limite di 5 o 6 stop dello standard televisivo attualmente in vigore (Rec709).
Le curve di Log risolvono questo problema “piegando” la curva di luminanza per far entrare i 12 o 14 stop di range dinamico all’interno di segnali a 8 o 10-bit. Ciò però comporta che l’immagine visualizzata non corrisponde più alla percezione dell’occhio umano, ma risulta “slavata” con una conseguente difficoltà a regolare l’esposizione. AtomHDR risolve questo problema.

Standard di luminosità

Come descritto, il range dinamico è legato esclusivamente alla luminosità, non al colore. Esistono standard per la luminosità completamente separati da quelli per il colore. Lo standard di luminosità Rec.709 fu creato in base alle caratteristiche dei televisori CRT, che arrivavano a 100nit. Ora, con la tecnologia HDR, le possibilità dei televisori va ben oltre questo livello creando lo spazio per la definizione di nuovi standard, come HDR, noto come SMPTE ST2084 o PQ.

Atomos supporta questi standard in ingresso (ingresso PQ per il monitoraggio in post produzione) e in uscita (uscita PQ verso televisori e monitor compatibili HDR).

Standard Colore

Allo stesso modo, esistono standard per il colore. Lo standard colore Rec.709 fu definito in base alle caratteristiche dei televisori CRT disponibili a quell’epoca. La tecnologia di visualizzazione ha fatto enormi progressi ed ora sono in definizione nuovi standard che supportano color gamut estesi, come P3 e BT2020 su televisori consumer e monitor professionali. Nonostante la tecnologia HDR sia incentrata sulla luminosità, il maggiore range dinamico renderà l’immagine più vivida grazie allo spazio colore aggiuntivo.

Riprese HDR vs SDR

Con uno strumento creativo della portata del HDR è comunque importante capire che non tutte le scene richiedono di essere visualizzate al massimo livello HDR e a volte ci sono ottime ragioni per rimanere nell’ambito SDR o anche a livelli intermedi tra i due. Nell’esempio che segue abbiamo riportato una situazione reale per mostrare il diverso utilizzo delle due modalità, in base alla gamma dinamica di luminosità di una scena.

Confrontando le tre impostazioni in Figura 1 è possibile notare la grande differenza in dinamica di luminosità e livello di clipping spostandosi tra SDR e HDR. È chiaro come con la massima risoluzione HDR, con a disposizione una gamma di luminosità molto estesa, sia possibile evidenziare dettagli nelle nuvole e nel cielo. Spostando il cursore verso HDR si sposta verso l’alto il punto di clipping sul WFM rivelando maggiore dettaglio su tutta l’immagine. In tutte e tre le modalità, il picco di luminosità rimane a 1500nit (massima capacità del monitor) ma tuttavia, evitando il clipping, nella massima modalità HDR questo picco riguarda una piccola parte dell’immagine (il centro del sole) e di conseguenza la generale luminosità risulta ridotta. Spostandosi verso la modalità SDR (figura centrale) si ottiene una situazione intermedia con compromesso tra dettaglio e luminosità generale.

Confrontando le tre impostazioni in Figura 1 è possibile notare la grande differenza in dinamica di luminosità e livello di clipping spostandosi tra SDR e HDR. È chiaro come con la massima risoluzione HDR, con a disposizione una gamma di luminosità molto estesa, sia possibile evidenziare dettagli nelle nuvole e nel cielo. Spostando il cursore verso HDR si sposta verso l’alto il punto di clipping sul WFM rivelando maggiore dettaglio su tutta l’immagine. In tutte e tre le modalità, il picco di luminosità rimane a 1500nit (massima capacità del monitor) ma tuttavia, evitando il clipping, nella massima modalità HDR questo picco riguarda una piccola parte dell’immagine (il centro del sole) e di conseguenza la generale luminosità risulta ridotta. Spostandosi verso la modalità SDR (figura centrale) si ottiene una situazione intermedia con compromesso tra dettaglio e luminosità generale.

Guardando la Figura 2 è possibile vedere come l’esempio reale si rifletta sul confronto tra le tipiche curve logaritmiche di luminanza e lo spazio Rec709. L’area sottesa dalle curve di log rappresenta il Dynamic Range e spostando lo slider da SDR (100% Rec709) a 50% HDR (400% Rec709) a HDR (1490% Rec709), ci muoveremo sull’asse X della curva logaritmica acquisendo più range dinamico rispetto al livello SDR.
Quindi, se per la scena di Figura 1, con alto range di luminosità, la scelta HDR rispetto a SDR è chiaramente consigliabile (a causa della grande area di clipping in SDR), in altri tipi di situazione dove il range di luminosità sia inferiore, la ripresa in SDR potrebbe essere una scelta efficace, privilegiando la generale luminosità dell’immagine senza sacrificare troppo i dettagli.

Questi esempi evidenziano quanto sia determinante l’uso della tecnologia HDR per la realizzazione di contenuti di alto livello e sottolineano quanto sia oggi superato lo standard Rec709, creato per la tecnologia CRT. Quello che vedete negli esempi è ottenuto migliorando la gestione della componente luminosità, senza modificare le specifiche di colore; nonostante ciò, noterete un generale incremento della qualità generale, soprattutto con l’elaborazione a 10-bit. La buona notizia è che stato definito un nuovo standard per la luminosità HDR, conosciuto come SMPTE ST 2084 o PQ. Atomos supporta questi standard in ingresso (ingresso PQ per monitoraggio in post produzione) e in uscita (uscita PQ verso televisori compatibli HDR).

Ora, con una più approfondita comprensione della tecnologia HDR, potrete meglio apprezzare l’utilità del motore AtomHDR, che consente un passo rivoluzionario nel campo dei monitor sul campo, permettendo una corretta valutazione sull’opportunità di riprendere in modalità HDR (combinando oltre 10 stop di range dinamico, elaborazione 10-bit e luminosità 1500nit) o SDR per sfruttare al massimo la luminosità in esterni, qualora la dinamica della scena non sia un fattore critico.

Utilizzando il motore AtomHDR potrete VEDERE QUELLO CHE STATE REALMENTE RIPRENDENDO ed impostare una corretta esposizione per HDR senza approssimazioni. Il waveform luma parade mostra il range dinamico espanso così da poter tenere sotto controllo il clipping. Allo stesso tempo, avrete a disposizione un monitor con 1500nit di luminosità per riprese in SDR.

Siamo entusiasti delle grandi evoluzioni che la tecnologia video sta portando avanti e guardiamo con interesse al momento in cui 4K e HDR si uniscono per incoraggiare gli operatori ad ottenere il massimo dai propri sensori e realizzare produzioni end to end in HDR.
Speriamo di aver reso più comprensibile la tecnologia HDR ma, ancora più importante, averne evidenziato gli effetti sul mondo reale delle riprese; grazie alla nostra interfaccia utente semplice e diretta, vogliamo aiutare i filmmaker a spingersi in avanti nella realizzazione di contenuti HDR per gli utenti.

 

Per ulteriori informati vedi i prodotti  ATOMOS con HDR come i nuovi Flame e Inferno.