HDR: Analizando PQ y HLG

Son ya varios los artículos publicados en TM Broadcast a cerca del HDR (High Dynamic Range), sin embargo, todos ellos siempre se han englobado en el contexto del UHD (Ultra High Definition). Hoy queremos indagar un poco más en detalle en el HDR y en concreto en las diferentes curvas gamma existentes: PQ y HLG. Por Yeray Alfageme.

 

A medida que la televisión evolucionó, los grandes cambios en los estándares y la tecnología han mejorado la calidad de la imagen notablemente. Después de la introducción trascendental del color, le siguieron una serie de evoluciones como el cambio de analógico a la digital, de 4:3 a 16:9, y del SD al HD. Con cada nuevo paso, los broadcasters han tenido que superar los desafíos en los workflows y los problemas de compatibilidad con los equipos existentes. A medida que las emisoras modernas pasan del HD a UHD y del SDR al HDR, el cambio es aún más importante.

Como con cualquier nuevo desarrollo, han surgido varios enfoques para la producción en HDR. Existen dos formatos principales, el PQ (Perceptual Quantization) y el HLG (Hybrid Log Gamma). Muy diferentes en concepto, cada uno ofrece ventajas únicas para diferentes aplicaciones.

PQ logra representar un rango de luminosidad mayor para una profundidad de bits dada, 10 bits, por ejemplo, usando una función de transferencia no-lineal concebida para adaptarse a la perfección al sistema de visión humano. El objetivo es lograr un sistema sin efectos visuales nocivos como errores de cuantificación. Existen diferentes variantes de codificación PQ como lo son el HDR10, de 10 bits con metadata estática, y su hermano mayor el HDR10+, incluyendo metadata dinámica, el cual mejora la representación de los tonos de cada imagen.

Los principales fabricantes que soportan HDR10 son Panasonic, Hisense y Samsung. Por otro lado, tenemos Dolby Vision, una implementación propietaria que soporta profundidades de 10 y 12 bits además de metadata estática y dinámica. Este formato está licenciado por la mayoría de los fabricantes tanto de televisores como de dispositivos Blu-ray y muchas productoras lo adoptan como estándar de producción cinematográfica.

HLG, en cambio, se basa, al menos parcialmente, en la curva de transferencia de los antiguos monitores CRT. Como dicha curva no está optimizada para el sistema de visión humano y áreas de codificación que se desprecian, especialmente las partes oscuras de la imagen, y se dispone de un tope de brillo menor. Es decir, HLG no puede llegar al rengo dinámico del PQ, pero es más fácil de combinar con el parque de televisores existentes con un nivel de luminosidad estándar.

HLG también trata de proveer una retrocompatibilidad con el HD-SDR y el 4K-SDR. Una de las mayores ventajas es que no es necesaria una metadata que acompañe a la imagen para poder representar ésta de manera correcta. Transportar metadata a través de las cadenas de transmisión lineales tradicionales, ya sean terrestres o satelitales, o a través de plataformas OTT, no es nada sencillo, por no mencionar los problemas que hay cuando se cambia de contenido como puede ser el paso a anuncios, gráficos superpuestos y demás.

Otra gran diferencia entre el PQ y el HLG es que el PQ está referenciado a la pantalla mientras que el HLG está referenciado a la imagen, pero ¿qué narices significa esto?

 

Diferencia entre función de transferencia referenciada a la pantalla frente a la imagen

En SDR (709) la señal eléctrica que transportaba, o transporta para las escasas emisiones en SD remanentes, estaba referenciada al brillo de la imagen lo que resulta en una función de transferencia referenciada a la imagen. En PQ sin embargo, la señal eléctrica que transporta la información de luminosidad de la imagen esta referenciada en función de la pantalla donde ésta se vaya a representar, lo que, evidentemente, resulta en una función de transferencia referenciada a la pantalla. Esto es así debido a que la curva gamma PQ se referencia a la luminosidad percibida por el espectador y está optimizada para ello. El ojo humano se adapta a la luminosidad de la imagen, no vemos igual de noche que de día, y la función de transferencia de la curva gamma PQ también.

HLG hereda la función de transferencia referenciada a la imagen como ya lo hacía el estándar SDR (709), una de las razones de su retrocompatibilidad. Esto no resulta óptimo para el sistema de visión humano, pero es agnóstico respecto a la configuración de niveles que cada espectador tenga en su televisor de su casa, permitiendo representar una imagen HDR válida en cualquier entorno.

 

 

El gráfico 1 viene a representar, de una manera teórica, la diferencia conceptual entre ambos estándares, PQ y HLG, el primero referenciado a la pantalla mientras que el segundo, al igual que ocurría en SDR (709), referenciado a la imagen.

Algunas aclaraciones sobre el gráfico anterior:
– OOTF (Optical-Optical Transfer Function): transformación que tiene lugar desde la cámara hasta la pantalla.
– OETF (Opto-Electronic Transfer Function: transformación que tiene lugar entre la cámara y la señal.
– EOTF (Electrico-Optical Transfer Function): transformación que tiene lugar entre la señal y la pantalla.

En el entorno PQ, si el contenido fue masterizado en un monitor de 2000 nits y visualizado finalmente en una televisión OLED de 500 nits, dicho cometido debe ser adaptado de los 2000 nits originales a los 500 finales, algo complicado y costoso en cuanto a procesamiento se refiere. Este es uno de los principales motivos por los que el HLG se ha popularizado tanto en entorno de producción en directo.

El otro es que en HLG no es necesario el producir dos señales simultáneas, una SDR y otra HDR, independientemente de su definición por supuesto, si no que la misma señal HDR-HLG es válida como señal SDR, tan solo se ignoran los rangos de luminosidad fuera del estándar 709 y listo, ya tenemos nuestra imagen SDR.

 

Conversiones de formato

Una de las cuestiones que más condiciona el estilo final de la imagen son las conversiones que ésta sufre desde que es producida hasta que se visualiza. La mayoría de los entornos de producción actuales usan sistemas basados en 8 ó 10 bits. En un entorno de 10 bits los errores de codificación de la imagen se enmascaran por el ruido electrónico producido por las cámaras, con lo que en la práctica se considera que entornos de producción de 10 bits son adecuados para imágenes HDR. La teoría dice que son necesarios 12 bits para producir una imagen HDR tal y como el estándar BT.2020 establece, pero casi ninguna casa de producción y unidad móvil están pensadas para ello.

Al igual que ocurre entre HD y SD, en este caso mucho más evidente, no es recomendable realizar conversiones de gamma entre PQ y HLG o viceversa, ya que es realmente sencillo crear artefactos en la imagen. Basta con un par de conversiones para que los errores de codificación sean evidentes, especialmente en las partes más oscuras y claras de la imagen. Lo que nos lleva a elegir nuestro estándar de producción desde el principio y mantenerlo durante toda nuestra cadena de producción para evitar problemas.

Fuera dejamos esta vez las implicaciones en el color, ya que una imagen UHD con WCG (Wide Colour Gammut) obliga a remapear los colores para convertirla a 709, pero esto lo dejaremos para otro momento.

 

Conclusiones

El estándar PQ es mucho mejor en cuanto a calidad de imagen y rango de luminosidad que es capaz de representar, sin embargo, si no se controla toda la cadena de transmisión desde la cámara la pantalla final, el mantener una correcta representación de la imagen es complicado y costoso. Su principal representante Dolby Vision es un estándar propietario, lo que obliga a pagar royalties por usarlo, lo que tampoco favorece su expansión.

En el mundo HLG la curva gamma se basa en el antiguo estándar SDR (709), extendiendo este para poder representar rango de luminancia mayores. Esto no es óptimo para el sistema de visión humano, pero ofrece una retrocompatibilidad y sencillez en cuanto a la producción, especialmente de eventos en directo, que favorece su adopción por parte de broadcasters y productoras en todo el mundo.

En definitiva, PQ es idóneo para entornos como el cine o la producción de ficción como series mientras que el HLG se presenta como un modelo mucho más sencillo a adoptar en producciones en directo y broadcasters generalistas.