UltraHD в вопросах и ответах

Стандарту видео Ultra HD в следующем году исполнится десять лет. За этот немалый срок он стал фактически стандартом де-факто у производителей видеотехники и активно внедряется у распространителей контента – на телестудиях, в стриминговых сервисах и у производителей дисков Blu-ray. Тем не менее, вопросы о нюансах Ultra HD постоянно возникают. Попробуем ответить на некоторые из них.

1. Что такое Ultra HD?

Ultra HD или UHD – это новый стандарт видео высокого разрешения, пришедший на смену формату Full HD. При привычном для современного телевизора соотношении сторон 16:9 разрешение картинки UltraHD составляет 3 840 х 2 160 пикселей, что вчетверо превышает разрешение Full HD. Но разрешающей способностью особенности формата не ограничиваются. Стандарт Ultra HD включает в себя несколько расширений, среди которых увеличенный динамический диапазон HDR с его вариациями HDR10 и Dolby Vision, широкий цветовой охват и повышенная кадровая частота. Кроме того, новейший формат видео 8K, о котором мы подробно рассказывали совсем недавно, тоже часто относят к стандарту Ultra HD, так как, кроме ещё большего разрешения изображения, остальные особенности у них общие.

2. Чем отличаются Ultra HD и 4K?

Сейчас эти термины стали синонимами. Но, строго говоря, 4K – это профессиональный стандарт телевещания и цифровых кинотеатров. Для дистрибуции фильмов важно иметь гарантии совместимости, чтобы фильм, снятый любой студией, мог быть показан в любом кинотеатре. В случае цифровой дистрибуции для киностудий также важны вопросы защиты от несанкционированного копирования. Для выработки единого стандарта в свое время был создан комитет Digital Cinema Initiatives, который разработал спецификацию DCI. Этот документ определяет подробные требования к шифрованию контента, алгоритмам сжатия видео и звука, а также техническим параметрам изображения и саундтрека. Цифровое разрешение в кино принято выражать в единице K равной 1024 пикселя горизонтального разрешения картинки. В момент своего утверждения спецификация DCI определяла два варианта разрешения изображения – 2K (2 048 x 1 080), близкое к бытовому Full HD (1 920 x 1 080), и 4K (4 096 x 2 160), которое не сильно, но отличается от UltraHD (3 840 х 2 160).

3. Что такое разрешение картинки?

Видео по сути представляет собой последовательность меняющихся с определенной скоростью статичных изображений (кадров). Каждый кадр – это набор множества точек (пикселей), с определенным цветом и яркостью. Чем больше для кадра задействовано точек, тем картинка получается более слитная и детальная. Именно количество таких точек, составляющих каждый кадр видео, и определяет разрешение изображения. Телевещание началось со стандартного разрешения (SD), составляющее 720 x 576 пикселей для телевизионного стандарта PAL и 720 x 480 – для NTSC. Это же разрешение использовали при разработке стандарта оптических видеодисков DVD.

Через некоторое время появился стандарт HD (HD Ready) с разрешением 1 280 x 720 пикселей, а позже и Full HD с параметрами 1 920 x 1 080, который получил широкое распространение в телевизионном вещании и стал основой видеодисков Blu-ray. Кроме того, он был выбран как базовый стандарт трансляции контента сетевыми стриминговыми платформами. Стандарт Ultra HD предложил уже разрешение кадра 3 840 × 2 160 точек. Именно этот формат сегодня стал базовым для производителей телевизоров и различных источников видео. Постепенно на Ultra HD переходят производители контента и вещатели.

А прогресс уже двинулся дальше, предложив стандарт 8K с разрешением видео 7 680 × 4 320 пикселей. Сегодня основные игроки на рынке телевизоров уже представили модели с таким разрешением, есть подобные варианты и среди проекторов для домашнего кинотеатра. Традиционно внедрение новых стандартов видео начинается именно с устройств отображения, которые выступают в авангарде, предлагая лучшее качество картинки даже при воспроизведении материала меньшего разрешения.

4. Что такое HDR?

Входящий в Ultra HD как составная часть формат HDR (High Dynamic Range) или видео с расширенным динамическим диапазоном обеспечивает большую разницу уровней яркости самого темного и наиболее яркого участков кадра. В результате картинка с расширенным динамическим диапазоном выглядит более контрастной и объемной. Кроме того, она отличается более насыщенной цветовой палитрой.

Развитием HDR стали форматы HDR10 и Dolby Vision, использующие более совершенные принципы кодирования. Получить более развернутую информацию о формате видео с расширенным динамическим диапазоном, проблемах реализации и способах их решения можно здесь.

5. Что такое частота смены кадров?

Как уже было сказано выше, видеоряд представляет собой последовательность статичных изображений (кадров), которая отображается на экране с определенной скоростью. То есть, в принципе движение на экране по определению дискретно. Мы воспринимаем его плавным благодаря инерции человеческого зрения – начиная с определенного порога, который, кстати, достаточно индивидуален, мозг принимает последовательность кадров как непрерывный поток, нивелируя дискретность видеоряда. При этом, чем скорость вывода кадров на экран будет выше, тем видео будет восприниматься плавнее и четче. Обратной стороной станет необходимость иметь больше кадров на единицу хронометража видео, а значит больше пленки, либо больше места для хранения, каналы передачи данных с более высокой пропускной способностью и более высокая мощность видеопроцессоров, если речь идет о видео в цифровом формате. Короче говоря, для повышения частоты смены кадров необходимы более серьезные ресурсы.

В киноиндустрии наиболее применим стандарт 24 кадра в секунду – именно с такой кадровой частотой снимают пленочные кинокамеры. В телевидении применялась частота 25 кадров в секунду для вещательного стандарта PAL и 30 кадров для NTSC. С внедрением в кино и на телевидении цифрового видео появилась возможность варьировать частоту смены кадров, а в игровой индустрии разработана технология вывода видеоряда с переменной кадровой частотой. Начинает с этим параметром экспериментировать и кинематограф – так существует версия в формате HFR с частотой 48 кадров в секунду трилогии Питера Джексона «Хоббит», а сиквелы фильма Джеймса Кэмерона «Аватар» снимаются с частотой 60 кадров в секунду. В стандарт видео Ultra HD заложена возможность кодировать видео с довольно обширным рядом частот – 24, 25, 30, 48, 50, 60 и 120 кадров в секунду.

6. Что такое цветовой охват и глубина цвета?

Способность техники фиксировать, обрабатывать и отображать цвета характеризуется цветовым охватом. Для наглядного представления этой характеристики используют диаграмму цветности или цветовой локус, представляющий собой фигуру (локус), которая расположена в пространстве двух координат. По горизонтали изменяется насыщенность цвета, а по вертикали – его тон. В локус вписано всё множество цветов, которые в состоянии различить человеческий глаз. Таким образом, любой цвет определяется двумя координатами. На периферии локуса расположены цвета с максимальной насыщенностью, а в центре – наименее насыщенные и белый.

Цветовой охват того или иного стандарта видео характеризуется частью цветового локуса, цвета из которой должны фиксироваться, обрабатываться и отображаться тем или иным устройством. Для стандарта Full HD была определена базовая цветовая гамма Rec.709. Для стандарта Ultra HD цветовую палитру существенно расширили до Rec.2020 и добавили возможность увеличения разрядности кодирования цветовых оттенков (глубины цвета). Напомним, что для кодирования каждой из трех цветовых составляющих RGB обычно выделяется 8 бит данных, которые позволяют закодировать 256 оттенков цвета. В результате 8-битное кодирование представляет палитру из 16,8 миллионов цветов. Стандарт видео UltraHD, наряду с 8-битным кодированием, допускает 10-ти и 12-ти битное представление цвета. Таким образом, цветовая палитра может быть увеличена до миллиарда оттенков при 10-битном кодировании и потрясающих 68,7 миллиардов при 12-битном.

7. Насколько существенна разница между картинкой Ultra HD и Full HD?

Для формирования кадра Ultra HD используется вчетверо больше пикселей, чем для картинки Full HD. Но насколько эта разница будет заметна глазу при просмотре реального киноматериала? Ответ на этот вопрос зависит от двух факторов. Во-первых, от соотношения размера экрана и расстояния, с которого вы смотрите на экран. Один из пионеров технологий видео высокого разрешения, японская телекомпании NHK пришла к выводу, что для слитного и четкого восприятия изображения на каждый градус угла зрения должно приходиться минимум 60 пикселей. При этом, если расстояние от экрана слишком мало, будут видны отдельные пиксели – к примеру, на наклонных линиях будет проявляться лестничный эффект. В то же время, чем большую часть поля зрения занимает изображение, тем более ярко выражен эффект присутствия при просмотре кино. Другими словами, чем ближе мы сидим к экрану, тем вовлеченность в происходящее на нем выше, но если оказаться слишком близко – станет заметна пиксельная структура картинки.

Если исходить из правила компании NHK, то для стандарта Full HD минимальное комфортное расстояние до экрана составляет 3,16 высоты изображения, при этом угол зрения будет равен всего 30 градусам по горизонтали и 18 – по вертикали. Стандарт Ultra HD позволит сократить расстояние до экрана до полутора высот изображения – 80-дюймовый UHD-телевизор можно комфортно смотреть уже с расстояния полутора метров! При этом угол зрения составит по горизонтали 60, а по вертикали 36 градусов, что вполне сравнимо с просмотром фильма в кинотеатре.

Во-вторых, перечисленные выше расширения стандарта UltraHD, такие как HDR, увеличенная частота смены кадров и более широкий цветовой охват, потенциально способны обеспечить серьезное преимущество видео Ultra HD перед Full HD, которое не заметить будет сложно. Однако, чтобы реализовать этот потенциал на практике нужен исходный материал, подготовленный с использованием этих технологий. Впрочем, с каждым днем таких релизов становится всё больше.

8. Какие кодеки используются для сжатия видео UltraHD?

В отличие от аудио, видео всегда подвергается сжатию в процессе перевода в цифровую форму. Причем, опять же, в отличие от аудио, ни о каком «сжатии без потерь» здесь речи быть не может – слишком огромны объемы данных. Причем, по понятным причинам, каждый новый стандарт видео требует обработки, хранения и передачи всё большего количества информации. А значит требуется разработка новых, более эффективных кодеков сжатия видео. В то же время, жесткой привязки стандарта к какому-то определенному кодеку нет. Обычно стандарт допускает несколько алгоритмов сжатия видео. К примеру, для видео Full HD допустимо применять как старый кодек MPEG2, который использовался для сжатия видео ещё на дисках DVD, так и более продвинутый H.264 или AVC (Advanced Video Coding). Аналогично, для сжатия видео Ultra HD можно использовать как кодек H.264, так и специально разработанный для 4K-видео алгоритм H.265 или HEVC (High Efficiency Video Coding). Применение более продвинутых кодеков позволяет сэкономить место для хранения видео и, что важнее, смягчить требования к пропускной способности каналов трансляции контента, но, при этом, подразумевает использования более мощных видеопроцессоров для упаковки/распаковки цифрового потока в режиме реального времени.

9. Нужно ли менять кабели HDMI для просмотра видео Ultra HD?

Однозначный ответ здесь дать довольно сложно. Если вы хотите застраховаться от любых неожиданностей, либо строите свою AV-систему «с нуля», то имеет смысл подобрать в номенклатуре известных кабельных брендов соединители HDMI версии 2.0 или 2.1. Если же вы занимаетесь апгрейдом системы до уровня UltraHD и ограничены в средствах, то всё будет зависеть от того, какие кабели HDMI используются сейчас. И здесь нужно учитывать один момент – чем длиннее кабель, тем он более критичен к параметрам, определяющим способность транслировать видео Ultra HD. Другими словами, вполне вероятна ситуация, что полутораметровый кабель HDMI, сертифицированный для версии HDMI 1.3, будет нормально работать с видео Ultra HD с частотой обновления кадров 24 Гц, хотя, формально он такой режим не поддерживает. Правда, в этом случае придется всё проверять экспериментальным путем, и гарантий никаких не будет. То есть, видео с частотой 24 кадра в секунду такой кабель может и пропустить, а с частотой 30 Гц – уже нет. Чтобы быть уверенным в результате лучше использовать кабели HDMI версии не ниже 1.4. Такой соединитель поддерживает трансляцию видео UltraHD с частотами вплоть до 30 кадров в секунду. Если же вы смотрите в будущее и хотите заложить некоторый запас, стоит обратить внимание на кабели HDMI более старших версий, поддерживающих высокие частоты обновления картинки (вплоть до 120 Гц).

10. Где сейчас можно смотреть фильмы и программы в UHD?

За без малого десять лет своего существования формат Ultra HD из экзотики для фанатов домашнего кинотеатра превратился в массовый. Конечно, говорить о том, что он стал базовым, отправив Full HD на свалку истории, пока рано, однако, смотреть фильмы и различные телепрограммы и шоу в этом формате становится с каждым годом всё проще. При старте стандарта Full HD главным локомотивом стало телевизионное вещание в высоком разрешении, а также коммерческие релизы фильмов на оптических дисках Blu-ray. Сегодня в формате Ultra HD тоже ведется телевещание, и в продаже есть релизы на дисках UltraHD Blu-ray, но основная масса 4K-контента потребляется через сетевые стриминговые сервисы.

Фильмы и программы в формате Ultra HD предлагает Netflix, Apple TV+, Amazon Prime Video, HBO Max, Hulu, Paramount+ и многие другие гранды стриминга. Не отстают и отечественные сервисы – контент в Ultra HD предлагают, к примеру, онлайн-кинотеатры Okko и КиноПоиск HD. Если вы планируете смотреть видео Ultra HD через стриминговые сервисы, необходимо обеспечить устойчивый скоростной канал доступа в Интернет. Пропускная способность канала не должна быть ниже 20-30 Мбит/сек в расчете на одно устройство просмотра. То есть, если нужно обеспечить возможность одновременного просмотра видео UHD на телевизоре, планшете и смартфоне, то вам нужен канал в Интернет с пропускной способностью 100 Мбит/сек. (с небольшим запасом).

Использованы фотоматериалы Shutterstock.com

Редакция Hi-Fi.ru