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Le HDR, c’est quoi ?

HDR est l’abréviation de High Dynamic Range, acronyme qui désigne des images composées de noirs plus profonds et de blancs plus lumineux, conduisant à un rapport de contraste plus élevé que ce qui était possible jusqu’à présent. Au cours des dernières années, le terme HDR a principalement été utilisé pour décrire les nouvelles technologies d’affichage offrant une plage dynamique plus étendue et pouvant donc afficher des images avec une plage dynamique plus élevée.

 

Comparaison entre le HDR et le SDR (source - LG d'après https://www.lifewire.com/dolby-vision-and-hdr10-4060427)Comparaison entre le HDR et le SDR (source - LG d'après https://www.lifewire.com/dolby-vision-and-hdr10-4060427)
Comparaison entre le HDR et le SDR (source – LG d’après https://www.lifewire.com/dolby-vision-and-hdr10-4060427)

 

Les principes de HDR

Même si un contraste plus élevé dans les images est excellent en soi, le HDR

  • rend l’image plus nette,
  • augmente la saturation des couleurs
  • et offre plus de profondeur.

Le HDR est une nouvelle étape technologique importante dans l’affichage des images. Il apporte une nette amélioration visible de la qualité de l’image, même à l’œil nu et indépendamment de

  • la résolution de l’image,
  • de la taille de l’écran
  • ou de la distance de visualisation.

De plus, l’augmentation du débit de données d’un signal HDR est minime, ce qui crée un impact visuel important pour une faible augmentation de coût.

Les caméras

Le terme HDR utilisé dans un contexte de Motion Picture se concentre sur la capture et l’affichage d’images HDR. Ce sont des images avec plus de détails dans les hautes lumières et les ombres montrées sur un écran HDR. Les caméras ARRI tels que les modèles

  • ALEXA 65,
  • ALEXA,
  • la caméra ALEXA Mini
  • ou AMIRA

capturent la plage dynamique la plus élevée de toutes les caméras. Elles enregistrent par conséquent des images HDR depuis leur introduction en 2010.

Les caméras numériques ARRI capturent une plage dynamique élevée et sont donc idéales pour créer des images HDR depuis leur introduction en 2010. Une majorité des productions HDR actuelles sont filmées à l’aide de caméras numériques ARRI. Cette plage dynamique élevée permet une transition douce et d’une quasi surexposition totale. Le plancher à faible bruit des caméras ARRI est excellent pour les effets spéciaux et nécessaire pour le nivellement HDR, car une plage dynamique plus élevée montrera plus de détails dans la partie sombre de l’image.

Les images plus réalistes avec des noirs plus profonds

En règle générale, le HDR est décrit comme «des images plus réalistes avec des noirs plus profonds et des blancs plus lumineux». Le HDR vise à recréer la richesse des couleurs et des intensités que nous connaissons dans la vie réelle. Cela conduit finalement à une expérience de visionnement plus immersive et ajoute une profondeur révolutionnaire aux images 2D.

En photographie fixe, le terme HDR est utilisé dans un contexte différent pour décrire une technique permettant de capturer une plage plus dynamique en empilant plusieurs expositions effectuées avec des vitesses d’obturation différentes. Le résultat crée une image d’aspect «hyper réaliste». Les appareils photo récents sur les smartphones utilisent souvent cette méthode pour capturer des images HDR.

L’acquisition HDR consiste à capturer des images avec une plage dynamique élevée pour la distribution et l’affichage sur un écran HDR. Lorsque vous êtes en train de capturer des images pour obtenir des rushes en HDR, assurez-vous que vous utilisez un traitement de capteur / image et un post-pipeline capables de capturer une latitude suffisante pour un affichage HDR.

Les écrans

La richesse et la fidélité, et donc les possibilités de gradation d’une image HDR, sont définies lors de la phase d’acquisition. Un écran HDR est un écran pouvant produire un rapport de contraste supérieur au standard. Dans le passé, les téléviseurs avaient une luminosité maximale de 100 nits et le cinéma affichait jusqu’à 48 nits. Le degré de luminosité qu’un écran HDR doit être considéré comme non clair. La seule projection HDR de cinéma à ce jour est basée sur la technologie laser et a une luminosité de 108 nits. Les téléviseurs grand public HDR récents sont basés sur la technologie de rétroéclairage actif ou OLED et ont une luminosité maximale de 500 à 1000 nits.

Comparaison des technologies 4K et 4K HDR (source : Apple)
Comparaison des technologies 4K et 4K HDR (source : Apple)

 

Norme HDR générale

Il existe une norme HDR générale (Rec 2100) et un certain nombre de normes de distribution différentes, dont trois sont les plus populaires :

  • Dolby Vision
  • HDR10
  • Log Gamma hybride (HLG)

 On utilise ces termes en conjonction avec les implémentations HDR. De plus en plus de projets nécessitent une transmission HDR pour la télévision ou le cinéma. Il faut maîtriser le contenu annoncé comme «UHD Premium» (voir Alliance UHD) en HDR. Certains studios maîtrisent toutes leurs livraisons UHD en HDR uniquement (par exemple, Fox Studio).

Le codage

Le codage linéaire à 16 bits n’est ni efficace ni nécessaire pour enregistrer des images. Les images peuvent être converties d’un journal linéaire 16 bits à un journal 12 bits sans perte d’information ni de qualité, mais avec une économie importante du débit et du volume de données. Le capteur ALEV III d’ARRI capture des données d’image de 16 bits et regroupe ces données dans des images ARRIRAW ou ProRes lors d’un processus de codage 12 bits. Cela attribue un nombre à peu près égal de valeurs de code à chaque stop, ce qui est plus efficace qu’un signal linéaire à 16 bits et représente mieux la façon dont l’œil humain perçoit la lumière.

 

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HDR en pratique

ARRI fournit des fichiers de look et des tables de correspondance 3D qui convertissent l’image Log C en HDR à l’aide du codage SMPTE ST-2084 („PQ“). On peut utiliser ces fichiers de présentation dans les caméras suivantes : ALEXA SXT, ALEXA Mini, AMIRA et ALEXA Mini.

Vous pouvez trouver ces fichiers ici.

Lors de la prise de vue pour un film HDR, il est judicieux de surveiller le HDR sur le plateau pour identifier à un stade précoce les problèmes liés aux images HDR (qui peuvent ne pas poser de problème en SDR).

Il faut effectuer la surveillance HDR avec un moniteur HDR. Il est impossible de voir l’effet du HDR sur un moniteur SDR.

Les points à surveiller

En général, vous n’avez pas besoin de travailler différemment que lors d’un tournage en SDR. Voici quelques points à surveiller :

  • Il est essentiel d’exposer correctement lors d’une prise de vue en HDR. Les reflets coupés peuvent sembler très distrayants en HDR, car il n’y aura pas de détail dans une grande partie de l’image.
  • Visualisez l’image de votre caméra sur un moniteur HDR sur le plateau pour déterminer le rapport entre les hautes lumières de l’arrière-plan et les lumières pratiques dans le cadre et les visages de vos acteurs. En HDR, ce rapport est différent et peut détourner l’attention des téléspectateurs des acteurs.
  • Étant donné que la plage dynamique d’un fichier HDR est supérieure à celle d’un fichier SDR, la possibilité d’insérer votre image dans la publication est réduite. L’écrêtage des détails en surbrillance ou des ombres peut devenir plus visible dans une image HDR.
  • Un contraste plus élevé peut
    • rendre le bruit plus visible. Essayez d’éviter le bruit autant que possible.
    • révéler des détails dans les ombres supposés rester cachés
    • accentuer le contre-jour, les lumières de bord, les fenêtres et les reflets sur les costumes, les bijoux, etc
    • rendre les éléments plus nets. Vérifiez le maquillage, les vêtements et les décors. Vérifiez également sur les toiles de fond. Un fond légèrement éclaboussé en SDR peut ne pas l’être en HDR et semble donc faux.
    • augmente les effets de mouvement (effet stroboscopique provoqué par des bords contrastés se déplaçant sur l’écran). Il peut être nécessaire de régler la vitesse de panoramique et de surveiller attentivement les mouvements devant de grandes zones lumineuses.

Toutes les zones très lumineuses de l’image peuvent potentiellement poser problème, comme les reflets brillants, les contre-jour, les lumières latérales, les fenêtres et l’éblouissement des costumes ou des bijoux. Dans une image HDR, ces images peuvent devenir trop claires et gênantes lorsqu’on les affiche en HDR par rapport à un rush SDR.

Normes de distribution pour la vidéo HDR à domicile

Il existe actuellement trois normes de distribution pour la vidéo HDR à domicile (HDR10, Dolby vision, HDR10) et une norme pour la distribution au cinéma (Cinéma Dolby vision).

Lorsque vous souhaitez capturer une scène présentant un fort contraste, une lumière parasite est votre ennemi. Par conséquent, la qualité du revêtement de la lentille est très importante. Les téléobjectifs comportant de nombreux éléments sont plus susceptibles de s’éclaircir. Les filtres externes situés devant l’objectif peuvent également augmenter les reflets.

Un flux de travail en HDR n’est pas très différent des flux de travail actuels.

Système de correction des couleurs

Le système de correction des couleurs charge le format ALEXA Wide Gamut / Log C (ou ARRIRAW). Ensuite, il faut utiliser une table de conversion 3D pour convertir les images pour la sortie du moniteur. On doit modifier cette 3D LUT pour différents types de HDR. ARRI fournit de tels LUT 3D, mais chaque production est libre de concevoir son propre look et de l’utiliser aussi bien dans la caméra que dans le processus de mastering.

Étant donné qu’il est avantageux pour l’éditeur de voir combien d’informations sont visibles dans l’image, il est préférable d’éditer en HDR. On peut le faire en créant des fichiers d’édition avec le fichier EOTF SMPTE 2084 (PQ) et en utilisant un moniteur HDR lors de l’édition. Veuillez noter que le moniteur de l’ordinateur connecté à l’éditeur n’affichera pas l’image correctement (puisqu’il s’agit d’un moniteur SDR affichant une image HDR) et on doit l’ignorer.

Il n’y a pas encore de consensus dans l’industrie sur la meilleure stratégie de gradation des couleurs. Les productions HDR utilisent aujourd’hui les deux approches. L’avantage de la première classification SDR réside dans le fait que la plupart des affichages sont toujours en SDR. Vous notez donc en priorité pour le public le plus large, puis effectuez une passe HDR pour obtenir un livrable HDR. L’avantage de la première classification pour le HDR est que nous avons souvent constaté que cela améliorait également la qualité SDR.

HDR et SDR

Cependant, le client qui a vu le film en HDR ne sera pas satisfait par le format SDR. Lorsque vous utilisez les tables de correspondance 3D de ARRI pour les formats HDR et SDR, vous pouvez facilement basculer entre la SDL et la HDR en changeant la 3D LUT et inversement. Une passe d’étalonnage est toujours nécessaire après le changement de table de conversion 3D pour conserver votre intention de création pour le nouveau format.

Cependant, il n’y a besoin d’aucun logiciel spécial pour éditer un film en HDR. Tout système pouvant fonctionner avec des données Log C et des tables de correspondance 3D peut être utilisé pour générer un fichier HDR. Mais, il peut être nécessaire d’utiliser un logiciel spécial pour créer des formats de distribution spécifiques.

Par exemple, si vous souhaitez convertir à la baisse un film HDR en SDR la couleur se modifiera lors du changement de la luminosité de l’image, vous devrez effectuer un ajustement de la correction des couleurs.

Spectre de couleurs visible et couverture des normes d'affichage (source :https://www.tested.com/tech/tvs/587457-everything-you-need-know-about-hdr-tvs)
Spectre de couleurs visible et couverture des normes d’affichage (source :https://www.tested.com/tech/tvs/587457-everything-you-need-know-about-hdr-tvs)

LE HDR dans votre salon, ça se passe comment ?

Pour expérimenter le HDR à la maison il faut remplir deux conditions générales :

  1. Votre téléviseur doit être compatible HDR. Les premiers écrans compatibles avec l’une des trois principales normes de distribution HDR (HDR10, Dolby Vision Home, Log Gamma hybride) ont été introduits sur le CES en 2016.
  2. Il faut livrer le contenu en HDR. Les principaux services de diffusion en continu offrent de plus en plus de contenu en HDR. C’est aussi le cas de nombreux nouveaux disques UHD BluRay en cours de maitrise en HDR.

On utilise le codec HEVC (H.265) pour la diffusion en continu et pour la fourniture de contenu HDR au consommateur

Plusieurs fournisseurs de streaming fournissent actuellement du contenu HDR, notamment Amazon, Netflix, Vudu…

Et le HDR au cinéma ?

Pour pouvoir regarder un film en HDR, il faut tout d’abord trouver un «cinéma Dolby Vision». Dolby Vision c’est un «système de haute qualité, à plage dynamique élevée et à large gamme de couleurs pour la diffusion de contenu de divertissement.

Dolby prévoit d’avoir 200 écrans Dolby Vision d’ici 2024 dans le monde entier. Chaque «Dolby Vision Cinema» a besoin d’une conception de pièce spéciale «certifiée Dolby» et doit respecter les exigences minimales de Dolby.

Dolby utilise deux projecteurs laser pour réaliser une projection HDR dans les salles de cinéma. Les projecteurs laser offrent un contraste plus élevé, plus de luminosité et une gamme de couleurs plus étendue que celle des projecteurs à lampe au xénon traditionnels. En termes de luminosité, Dolby Vision est spécifié entre 0 et 10 000 nits. Le Nit définit comme candela par mètre carré (cd / m²), est une unité de luminance. Nit vient du mot latin pour “briller» : nitere.

À titre de référence :

  • la luminance maximale d’un moniteur de studio se situe entre 100 et 120 nits,
  • un téléviseur ou un moniteur de bureau moderne peut atteindre 200 voire 300 nits.

Les affichages spéciaux pour l’extérieur peuvent avoir une luminance beaucoup plus élevée. La principale caractéristique est un rapport élevé entre la luminance maximale et le niveau de noir. La technologie d’affichage actuelle peut prendre de 0,005 à 4 000 nits (Dolby Vision Mastering Display). La plage dynamique standard en comparaison est spécifiée de 0,05 à 100 nits.

Dolby Vision Cinema (source and Copyright © Dolby Laboratories, Inc)
Dolby Vision Cinema (source and Copyright © Dolby Laboratories, Inc)

Précisions sur le HDR 10, UHD premium, Rec 2020, ….

La CTA (Consumer Technology Association) a spécifié le format HDR10 et l’a intégré à la norme UHD Premium. Le HDR10 utilise des métadonnées statiques (SMPTE ST 2086) pour décrire l’affichage et l’espace colorimétrique du mastering. Le format actuel n’est pas compatible avec les téléviseurs SDR.

La courbe Gamma du journal hybride est un standard HDR défini par NHK et BBC. Elle est spécifiée dans la Rec. UIT-T 2100. La spécification HLG offre un certain degré de compatibilité avec les écrans traditionnels. Elle s’adapte plus étroitement aux courbes de transfert de télévision établies précédemment (Rec. UIT 1886). Le signal HLG est similaire à environ 0,6 signal à la Rec 1886, puis passe au codage de journal pour les points forts. Cela le rend rétro compatible avec les écrans SDR sans avoir besoin de métadonnées.

Vous trouverez ci-dessous une comparaison entre un signal SDR codé avec une luminosité maximale de 100 nits et un signal HLG codé avec une luminosité maximale de 1000 nits. Notez que l’axe vertical est mis à l’échelle de façon logarithmique,  

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UHD Alliance est un consortium de fabricants, de studios et de distributeurs de contenu définissant des normes et façonnant l’écosystème autour de nouvelles expériences de visionnage. L’UHD Alliance a défini la norme «UHD Premium» (HDR10) au début de 2016. ARRI est membre de l’UHD Alliance.

 

Spécifications UHD Alliance

UHD Alliance a défini une certification ULTRA HD PREMIUM et un logo pour les appareils grand public et leur contenu avec les spécifications minimales suivantes :

  • Résolution : 3840×2160 (4K UHD)
  • Profondeur de couleur : distribution 10 bits et 10 bits pour les affichages de lecture
  • Représentation des couleurs : BT.2020
  • Écran de mastérisation : SMPTE ST 2084
    • espace de couleur minimum 100% P3
    • luminance minimale 1000 nits
    • et niveau de noir inférieur à 0,03 nits.
  • Fonction de transfert de contenu : SMPTE ST 2084 (PQ)
  • Écran de lecture : SMPTE ST 2084
    • minimum de 90% de l’espace colorimétrique P3,
    • luminance minimale de 1000 nits
    • et niveau de noir inférieur à 0,05 nits
    • ou luminosité maximale de plus de 540 nits et niveau de noir inférieur à 0,0005 nits.

Espace colorimétrique pour le HDR

Rec 2020 est un espace colorimétrique supérieur à Rec 709, le standard actuel du secteur pour la HD. Rec 2020 promet des images plus brillantes lorsque la nouvelle technologie d’affichage pourra afficher ces couleurs. Les écrans Rec 709 traditionnels (tels que les téléviseurs ou les écrans d’ordinateur ordinaires) ne peuvent pas afficher Rec 2020.

Alors que la Rec 709 (en abrégé pour la Recommandation UIT-R BT.709) est l’espace colorimétrique de codage pour la TVHD. Rec 2020 est l’espace chromatique de codage pour le format UHD. Les couleurs primaires se situent sur le focus spectral. Il est donc possible d’avoir des couleurs plus saturées dans les images. Rec 2020 est une norme de codage. Un téléviseur ou un écran peut ne pas prendre en charge la gamme complète. Néanmoins, il affichera correctement les couleurs dans les limites physiques. Pour obtenir le logo «premium» de l’UHD Alliance, un téléviseur doit prendre en charge un minimum de 90% de la gamme P3.

Comparaison des différentes espaces colorimétriques (Source et Copyright © ARRI)
Comparaison des différentes espaces colorimétriques (Source et Copyright © ARRI)

 

DCI-P3 est avant tout un espace colorimétrique pour les projecteurs numériques, qui couvre environ 72,9% de Rec 2020. À mesure que la technologie d’affichage et laser évolue, Rec 2020 pourrait prendre les devants non seulement dans les téléviseurs UHD. Les packages de cinéma numérique (DCP) n’utilisent ni l’espace colorimétrique DCI-P3 ni Rec 2020. Les DCP sont codés dans l’espace colorimétrique XYZ. Pour les DCP HDR, un indicateur de métadonnées dans le conteneur de DCP marque le métrage «HDR activé».

FETO et EOTF

La fonction de transfert optoélectronique (OETF) est une méthode permettant de convertir la lumière en signal numérique. Il définit comment une caméra convertit la lumière en un signal pouvant être enregistré.

La fonction de transfert électro-optique (EOTF) est une méthode permettant de reconvertir un signal numérique en lumière visible. Les écrans l’utilisent pour convertir un signal enregistré ou transmis en lumière, ce qui en fait une partie importante de toute spécification HDR.

La distribution EOTF pour HD a souvent été appelée «courbe gamma», car la fonction EOTF des écrans CRT est une fonction d’alimentation. La Rec. UIT-T 1886 indique que l’EOTF de référence doit être une fonction de puissance avec un exposant de 2,4. Pour la distribution HDR, on a introduit deux nouvelles courbes EOTF : PQ et Hybrid Log Gamma (HLG).

Au rayon des nouvelles normes, on retrouve le SMPTE ST 2084. C’est une nouvelle norme EOTF pour les écrans HDR. Ol connaît également sous le nom de courbe PQ. Le PQ EOTF atteint une très large gamme de niveaux de luminosité pour une profondeur de bits donnée. Il utilise une fonction de transfert non linéaire  réglée avec précision pour correspondre au système visuel humain. La courbe de transfert code les valeurs de luminance absolue jusqu’à 10 000 nits. C’est un changement radical par rapport aux définitions précédentes de la FEOT.

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ERIC GORON : Réalisateur - DP - Monteur - Formateur - Télépilote Drone (DGAC)

Formé à l’ESRA comme Cameraman – Monteur, Eric Goron travaille depuis 2005 pour de nombreux prestataires dans le monde du sport automobile, du football, de la télévision et dans d’autres domaines comme l’événementiel et l’institutionnel. Formateur certifié Apple Final Cut Pro X, Davinci Resolve, Arri Academy user caméra et télé-pilote de drone, il intervient dans plusieurs centres et écoles en France.
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