TODO SOBRE LA TV HDR – RESUMEN

FOTOGRAFÍA HDR, RGB  Y TRANSFORMACIONES DE COLOR, TV LDR,  HDR TV, SUBSAMPLING

Todo estaba muy tranquilo en el mundo de la TV y el video, cuando sin previo aviso una inundación, un desbordado marketing vendiendo una nueva HDR TV.

camara-oscura
La cámara Oscura es la precursora de todas las cámaras.

En este breve articulo quisiera aclarar y separar muchas cosas de esta oleada de marketing. Puesto que no me interesa venderles televisores con HDR,   exploraremos   la cámara oscura,  el Mapa Tonal, el HDR de los vídeo juegos y otros temas interesantes.

 El propósito de la entrada es mostrarles cómo el  HDR realmente son muchas cosas y son nada al mismo tiempo.

Como es costumbre, no soy gurú de la fotografía o el cine, agradecería por tanto cualquier gazapo e imprecisión sea remitida formalmente para realizar las correcciones pertinentes.

BREVE INTRODUCCIÓN

Antes de iniciar con los temas, quisiera destacar la exposición de George Orwell  en sus novelas sobre cómo manipular el lenguaje y generar pequeñas contradicciones lógicas,  sumando a ello a la falta de capacidad investigadora de los individuos , y ausencia de  “escepticismo“. Son nuestros vacíos los aprovechados por la mercadotecnia.

A continuación describo los temas a tratar en el artículo:

  • Introducción a la exposición fotográfica o tambien llamado ley de reciprocidad.
  • Repaso sobre el OJO humanoAnticipadamente pido perdón a los fotógrafos y cineastas.
  • Repasar y repasar el tema de las transformaciones de color y como se relaciona con los sistemas de compresión de señal de vídeo.
  • Mapa tonal o la  mejora en el  contraste de los tonos de color, muy resumido. 
  • Introducción rápida a los Algoritmos HDR construidos por los programadores  en VÍDEO JUEGOS.
  • Resumen de temas de la TV LDR y TV HDR.
  • Experimento para realizar en casa con una TV convencional para entender el HDR en la TV sin poseer una TV con tal tecnologia.
  • Apuntes de Sub-sampling y como afecta la calidad de color, dejándolo al final para mostrar como afecta a la TV HDR.

Definición;  El Rango Dinámico (Dynamic Range) de cualquier medio o soporte representa la cantidad de señales que es capaz de captar, distinguir o representar.

FOTOGRAFÍA Y EXPOSICIÓN

Cámara-oscura intro.jpgUna táctica extraña en la promoción de la TV HDR es emplear unas dudosas imágenes para promocionar los dispositivos, por tanto debemos  iniciar  con los principios más básicos de la fotografía, y con suerte al final podrán diferenciar todos los tipos de HDR.

Inicio confesando que me encanta la fotografía, es un pasatiempo para el cual no podré dedicarle suficiente tiempo.  La CÁMARA OSCURA era uno de los experimentos favoritos de mi infancia, saciando la curiosidad en la técnica fotográfica. La CÁMARA OSCURA es realmente una tienda, una casa o una pequeña caja sobre la cual hacemos una apertura en una de sus caras y en el fondo podremos observar una imagen proyectada e invertida.

niños camara oscura.jpg
Tareas para infantes como construir cámaras con cajas.

Repasemos para todos, en especial par quienes no les resta tiempo para tomar un curso en fotografía, ni de fabricar  una cámara oscura en casa. El agujero o apertura de la cámara oscura lo es todo,  cuando aumentamos su diámetro:

  1. Aumenta la cantidad de iluminación.
  2. Disminuye el alcance o la distancia de los objetos representados.
  3. Aumentan las distorsiones, aberraciones cromáticas, etc..

Inicié con la cámara oscura como un tema principal previo a la exposición fotográfica, ahora repasaremos “la exposición  en la fotografía” y cómo afecta la forma en que la cámara fotográfica captura la realidad.

apertura-foto
Al modificar la cantidad de luz que ingresa, igualmente afecta la profundidad de campo , distancia focal, etc. Fuente: Depth of Field Tutorial (what you need to know)

¿Qué es la exposición

Los camarógrafos y cineastas pueden explicarlo mejor, pero en resumen  son 3 los parámetros relacionados con la exposición fotográfica:

  • Apertura, o la relación diámetro del agujero en milímetros (focales) que abre el agujero de la cámara, o apertura.
  • Velocidad de exposición, tiempo “exposición” la película:
    • Si damos mucha apertura no tiene sentido realizar un exposición prolongada en tiempo, ya que inmediatamente quemariamos la cinta de película.
    • Viceversa, a menos apertura debemos aumentar el tiempo de exposición de la película  fotográfica.
  • Sensibilidad de la película (ISO o Escala de sensibilidad fotográfica), Parámetro relacionado con la química o sensibilidad de la emulsión o  película o su símil digital.  En palabras simples, el cómo responden o reaccionan los químicos a la luz.
Ley de Reciprocidad o triangulo de exposicion. https://www.baltasar77.com

Según estos principios dado un  nivel de apertura se da el ingreso de los fotones o partículas de luz modificando la imagen proyectada y almacenada, como resultado  una imagen diferente. Más claramente, si deseáramos obtener una única imagen solo usando los principio de exposición es modificando la sensibilidad  de la película fotográfica (ISO),  bastante impráctico y extremo. Pero, lo cierto es que el camino para mejorar el rango de entrada de luz y su resultado final como rango dinámico en la fotografía es el fusionar fotografías de una escena con diferentes exposiciones.

Las cámaras fotográficas cada día usan menos películas o papel fotográfico, fueron remplazados por modernos sistemas de captación de luz mediante diminutos puntos semiconductores.

Antes de continuar, deseo enfatizar un principio muy importante de la fotografía: cada nivel de exposición es una foto nueva, no es solo “la misma foto”. Por tanto,  requerimos de complejas matemáticas para fusionar fotografías no es tan simple como  montarlas unas sobre la otra. Exploraremos  el “mapa de tonos fotográfico”, pero primero vendrán los temas de imagen en el mundo digital.

exposicion

Para profundizar en temas de fotografía visita:

EL OJO HUMANO

No es necesario volvernos expertos en anatomía, sin mayores inconvenientes podremos  entender  el cómo algunas ideas mercadotécnicas se caen por su propio peso, con algo llamado biología. Si bien, el rango dinámico del ojo es alto comparado con cualquier medio o maquina inventada por los humanos, el rango de nuestros ojos depende de órganos biológicos llamados  la PUPILA y el IRIS.

Caso contrario a la cámara fotográfica,  nuestros ojos nos ofrecen la capacidad de componer imágenes a partir de múltiples capturas con distintos niveles de exposición. Es decir el iris cada milésima de segundo se adapta al nivel de iluminación como una medida de  protección y asegurándonos la mayor cantidad de luz. Es una medida de protección puesto que símil a la película fotografía nuestros ojos quedaría severamente afectados por el exceso de luz, claramente debemos prestar mucho cuidado con nuestros preciados ojos.

La pupila es una pequeña apertura en nuestro IRIS y controla el paso de la luz. Fuente imagen Wikipedia.

Si imaginamos por un instante  estar viendo tranquilamente la  TV, y sin señal alguna llegase un tren de frente,  quedaríamos literalmente ciegos. La retina se adapta, pero no a la velocidad que  la mercadotecnia segura para vendernos la  TV HDR. Recuerden, el ojo humano es solo una forma biológica de la CÁMARA OSCURA. El rango de contraste detectado por el ojo es muy superior al de cualquier cámara digital o analógica fabricada  (con un valor de  10000:1 y una foto en papel fotográfico de 1:10).

ojo-humano

Es importante entender, el ojo es tan sensible a la exposición que el exceso de luz o falta de luz traen como consecuencia incomodidad y distracción visual; llegando en algunos casos a producir una ceguera momentánea.

A cuál publicidad le hacemos caso a la de los lentes o a la de las TV HDR, o es que tendremos que tirar las gafas/anteojos 😥

Espero ahora sea fácil de entender que el  marketing  de la TV HDR y la vida real son diametralmente diferentes. Podríamos definir varios escenarios de iluminación, pero en cada uno el IRIS+PUPILA se adaptan y no pueden hacerlo de forma instantánea, siempre sentiremos deslumbramiento o no veremos mayor cosa.

Qué es el HDR y por qué demonios debería importarme
Fuente de la imagen Anaitgames

Visitar:

TRANSFORMACIONES  DE COLOR

Entonces si es tan bueno ¿Por qué no usamos RGB (Rojo Azul y verde)?

Las transformaciones de color de señales RGB son la base de la edición, compresión y transmisión de imagenes, por eso es importante comprender de que trata todo el tema. La cámara digital o el CCD, al igual que los paneles LED/AMOLED/CRT capturan y muestran respectivamente los colores como valores ROJO+VERDE+AZUL o espacio de color aditivo RGB.

CCD conjunto de dispositivos semiconductores los cuales convierten las partículas de luz o fotones en pulsos de electrones, captando tres colores Rojo Verde y Azul separadamente.

Iniciemos con el tema, la técnica principal y por consiguiente mayoritariamente aceptada en “vídeo”, consiste en combinar o sumar los colores para obtener algo que llamaremos LUMA. El luma es por tanto  la   suma ponderada de los colores R+G+B. Muchos matemáticos y físicos han dedicados años en investigación con el fin de obtener las mejores ponderaciones para trasladar la luminancia al luma,  y es muy importante destacar las diferencias entre ambos terminos:

La Luminancia es la multiplicación de de la sensibilidad del ojo por la  luz reflejada por una fuente en candelas sobre metro cuadrado cd/m2.

Luminancia = Respuesta de los conos  = sumatoria( Sensibilidad * luz reflejada )

El luma (Y) por el contrario es una abstracción matemática y nos permite codificar una señal de vídeo. Es esencialmente una imagen en ESCALA DE GRISES que representa la luminancia.

Con el fin de mantener solo 3 componentes sacrificamos el color VERDE; aun cuando importante para nuestro cerebro puede sopesarlo sin mayores contratiempos. Un ejemplo es el   Y,  Pb,  Pr que es el resultado de la siguiente expresión matemática:

Yb = 0.2126 R + 0.7152 G + 0.0722 B
PB=(B − Y)
PR =(R − Y)

La siguiente es una referencia visual YCrCb usada por HDMI y MPEG, en ella pueden observar como se convierte los colores RGB a en un espacio de LUMA (Y).

Transformación RGB a YCrCB. Fuente de la imagen https://hisour.com

Los modos basados en LUMA pueden ser  ANÁLOGOS o DIGITALES, y los encontraremos en diversas variantes como son el Y+I Q, Y+U V,  Y+Pb Br y Y+Cb Br. Podemos pensar en ellos como  cambios de coordenadas, y al mismo tiempo un embudo. En donde embutimos la información de vídeo, pero en los cuales  siempre entra y  sale una señal RGB.

Fuente: ORTHOGONAL SYSTEMS   (A) YUV, (B) YIQ and (C) YCbCR

Son ecuaciones,  por ejemplo cuando saltamos de RGB a YCbCR  o viceversa, y  cada vez codificamos nuevamente y saltamos sentido u otro perdemos precisión en el color RGB, por tanto nunca podremos recuperar lo capturado por la cámara original.

RGB vs YCbCr gana, efectivamente RGB

Sumado a estos problemas la compresión  de vídeo aprovecha las ventajas del el LUMA, en donde podemos almacenar únicamente cuadros pequeños de informacion con mayores valores de luma y menos del resto de los componentes. A mayor compresión de imagen mayores son las pérdidas en los colores, pero nunca del luma, tema que retomaré al final de la entrada.

subsampling.gif
Fuente de la imagen: https://www.cs.cf.ac.uk/Dave/Multimedia/node248.html

ENTRETENIMIENTO ELECTORNICO Y EL RGB

[En el presente blog una vídeo consola es una computadora, encontrarán varias entradas explicando la postura]

 Como uno de los bastiones de la venta de la TV HDR es el entretenimiento electrónico, debemos repasar el RGB en las computadoras. Los algoritmos planteados en las computadoras para el entretenimiento no generan imágenes en modos LUMA, eso es para la fotografía y el vídeo. Cualquiera que sea la computadora pueden entender codificaciones de color y manipularlos cuando se les programa, pero es una abstracción demasiado compleja para sumarla a las labores de programar las mecánicas y simular un ambiente tridimensional o 3D, relegando el trabajo al hardware GPU.

Es importante entender que en los sistemas enfocados en 3D en tiempo real NO existe nada como un RGB puro, solo sabemos que la TV emite en RGB mediante diminutos puntos de color. Las texturas son el tópico más importante, generalmente pasan por un proceso de compresión, adiconalmente veremos muchas etapas entre la captura, edición  y la construcción de la textura con su respectiva  degradación en la calidad de color RGB.

Una vez toda la información de cada fotograma es generada por una GPU en RGB  debe ser empaquetada para ser enviada a la TV DIGITAL en HDMI en un modo de LUMA, y solo se transmite en RGB mediante el conector físico DVI por compatibilidad.

Una imagen digital en una computadora se conserva en la  memoria de vídeo o en la memoria  principal (VRAM o RAM) como un conjunto de bancos,  almacenando un conjunto de números  1 y 0. Es lineal,  representado uno a uno los bits de imagen. Los datos de imagen son continuos; “11001010101001010101010101…00111”, y cada vez  que llegan al  número máximo definido  de píxeles horizontales (ancho horizontal) inmediatamente el software/hardware los interpreta como la siguiente línea de la imagen. La interpretación de píxeles  como imágenes se les denomina IMAGEN RASTER o BITMAP.

A cada color o canal en los modos RGB le asignamos un banco o grupo de de BITS.  Por ejemplo para profundidades de color de 8 bits por canal multiplicamos los 8 bits  por 3 y   el resultado es 24 bits de color, PROFUNDIDAD DE COLOR DIGITAL. Cada  canal permite almacenar de 0 a 255 valores diferentes (2*2*2*2*2*2*2*2-1=2^8-1=255), en donde el máximo de colores a almacenar es 256*256*256=16777216 colores = 16 millones de colores.

Notaron fácilmente los valores van de 0 a 255, pero en informacion real son 256 posibilidades, entonces el 0 es un valor,  aun cuando entenderemos que RGB=(0,0,0) no es un color, pero si es información.

 

http://webstyleguide.com/wsg2/graphics/displays.html

Los modos comunes en computación son: 16 bits con  65.536 colores y 24 bits 16,8 millones de colores.  Es posible llegar hasta 32 bits  o 64 bits en estaciones de trabajo modernas.

Utilizar únicamente 8 bits en programación de vídeo juegos, denotadas como R8G8B8,  es ineficiente y completamente inútil. Para reducir el consumo en vídeo RAM, librerías para programación de 3D en tiempo real  como la Microsoft DirectX definen diversos formatos de color o profundidad de bits.

texture editor direct x.png

La imagen superior se muestra lo que usaban nuestros antepasados en los tiempos arcaicos para la creación de texturas. Las texturas como archivos no contienen solo la información de color, además pueden contener un bits de transparencia ( R7G8B7 R5G5B5A5).

  Visitar: Surface Formats (Direct3D 9)

Definición: Render target: Por fortuna el buffer principal de la pantalla no es el único objetivo (target) hacer todo el proceso de render, lo  cierto es que cada render Target se asocia a un espacio de memoria de vídeo RAM.

Para finalizar Deseo aclarar que es muy diferente hablar de contraste/exposición en espacios de LUMA y en RGB. En realidad, cualquier  dispositivo como una tarjeta de vídeo GPU de computadora (vídeo consola) es nativo el espacio de color RGB (sRGB) y para colmo es de hasta 64 bits (en costosas estaciones de trabajo), a pesar de ello nos veremos obligados a observar imágenes en espacios LUMA como el  YCbBr, sacrificando  los  colores.

Las   GPU actuales limitan el rango cuando se usan resoluciones tipo TV  1080p  ‘Limited Gama RGB 16-235 “en lugar de “full range RGB 0-255 “, cuando el sistema operativo determina arbitrariamente  que el MONITOR es una TV. Visita: 10-bit per color support on NVIDIA Geforce GPUs

MAPA DE TONOS – HDR FOTOGRÁFICO

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Camille Silvy en 1958 aplicó el primer  mapa de tonos en fotografía  compuesta a partir de múltiples negativos.  Fuente imagen: History of HDR

EL HDR sintético fotográfico o “mapa tonal” es un divertimento matemático y mediante un conjunto complejo de ecuaciones fusionamos  fotografías de una misma escena,  en las que hemos previamente variado la exposición. El resultado es una nueva fotografía, en la cual hemos aumentado el rango dinámico, apreciando un mejor contraste.

Los tonos en imagen digital son los distintos valores que puede tomar un color, cada uno de los canales Rojo, Verde y Azul. Incluiremos el Luma.  Podemos contar el numero de repeticiones por tono, cuanto de cada tono se observa en una imagen. La relación conteo y tono es representado en un “histograma”. Es la forma de observar el rango tonal. En este nivel de reducción mejorar el rango tonal es acentuar la diferencia de los conteos de tonos observándose el fenómeno como un mejor contraste.

Tesoro del saber Retro Rango Tonal HDR fotografico.png

En fotografía, el rango tonal se refiere a valores de tono medio que se expanden para ocupar la escala entre los puntos más claros y oscuros de una imagen.”  Fuente de la imagen y texto https://photography.tutsplus.com

Aun cuando  quisiera explicar cada uno de los algoritmos para construir mapas tonales existentes (operadores tonales), me disculpo,  aun cuando lo intentaré lineas adelantes y en una próxima entrada.

En resumen, cuando tienes fotos con variados valores de exposición  de una misma escena,  las introduces en un software o algoritmo, la computadora hace sus cálculos matemáticos y  como resultado una nueva  fotografía en mapa tonal.

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Fuente: Luminance HDR Photography 

Observaran fotografías de TV  HDR pero NO son similares al efecto real. Intento separar cada uno de los temas, y cuando en algún lugar muestren una fotografía  de una supuesta  TV HDR, efectivamente no lo es, es solo una fotografía manipulada,   resultado de un  HDR Fotográfico (mapa de tonos) o descaradamente modificando el brillo y contraste.

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¡¡ESTO NO ES HDR!!! ¡¡¡ES UNA FOTO MODIFICADA CON FINES DE  PUBLICIDAD!!

En algún momento pudimos apreciar algunas demostraciones de posibles usos del  mapa tonal en la cinematografía (Cine) con ayuda de cámaras Digitales avanzadas. Nos ofrecían una imagen que difícilmente la aceptaríamos como una imagen real.

“A este tío le pasa algo, ¿será alienígena?
No, es un vídeo en mapa tonal con dos niveles de exposición, procesadas en tiempo real por la cámara.

hdr-guyFuente imagen : HDR Video Demonstration Using Two Canon 5D mark II’s

Visitar para conocer de algoritmos HDR:

SOLO PARA LOS CURIOSOS: RECONSTRUCCIÓN DE RANGO TONAL EN FOTOGRAFÍA 

[Una vez hemos repasado los temas de imagen digital.]

El Algoritmo creado por E. Debevec y Jitendra Malik en el año  1991 (Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs)  es método  el más popular de reconstrucción tonal en fotografía.  Es extremadamente complejo, no pretendo abordar la matemáticas del tema, son tanto lejanos a la intención de la presente entrada. Aun así me atreveré a resumirlo.

GUI_Snapshot.jpg
Fuente de la imagen https://github.com

Deveberec y Mali partieron de la reconstrucción de la curva de respuesta de la cámara(imagen digital) mediante regresión lineales empleando álgebra lineal muy avanzada. La curva de respuesta relaciona el  valor de píxel RGB  (0 a 255) vs Logaritmo de la Exposición.  La curva de respuesta es reconstruida tomando como base los valores de una muestra de por lo menos 50×50 píxeles (para cada uno de sus R, G y B)  y sus tiempos de exposición,

Una vez construida la curva de cada canal RGB, se reconstruye la radiación o radiancia de cada uno de los canales RGB, como u fora especial de bitmap. La radiancia es más cercana a la luminancia, si la comparamos con el luma (relación lineal). Una vez obtenido el mapa de radiancia  se almacena en fromato HDR, para luego   se aplica a ella un operador tonal, re-escalando cada de los vales de RGB.

Un operador tonal (OTM) es una función de reconstrucción  de luma≅luminancia (veremos un ejemplo lineas adelante). Una opción comúnmente aceptada es terminar el proceso con la aplicación de un filtro avanzado, filtro bilateral, con el fin de retirar todo el ruido de alta frecuencia.

BLOOM: TONE MAPPING GAMING PRIMITIVO O HDR EN VIDEO JUEGOS

 (Nota: lo escribo en ingles para que no piensen inmediatamente que es que estoy repitiendo el tema, no estimados amigos es un nuevo tema.)

Las primeras formas de mapa de tonos en vídeo juegos les vimos mediante el uso de texturas brillozas y borrosas, a aquella brujería le llamaron “BLOOM”

bloooom
Fuente: BloomsDAY!!

El mapa de tonos en vídeo juegos en tiempo real  es  clásico  en el arsenal de efectos,  con nula relación con la exposición fotográfica, ni con la fotografía en mapa de tonos. No existe a 2016 una tecnología de “render en tiempo real” que  SIMULE un HDR FOTOGRAFICO, mediante el uso de varias imágenes en tiempo real con diferentes valores de apertura similar a la CÁMARA OSCURA.

Tanto como no existe nada similar a la interacción de partículas de luz como electrones-fotones de las cámaras como les conocemos (incluyendo el ojo humano) solo trucos matemáticos que emulan 3D en una pantalla 2D.

RESUMEN DEL RENDER 3D. Es una aplicación práctica de matemática de matrices en un espacio tridimensional ( ejes X,Y,Z). Cada punto en el espacio 3D es transformado a un nuevo plano de pantalla de vídeo, no distinto a una pintura que usa perspectiva. Es posible entenderla como el dibujo de mallas o líneas a partir de solo información de puntos o  VÉRTICES que son coloreados y modificados para mostrarlos en una pantalla.

Fuente de la imagen: Image synthesis and OpenGL: graphics pipeline

 

¿Qué clase de brujería es el BLOOM en vídeo juegos?

Resolvamos esto con mínimo dos (2) imágenes renderizadas.

  1. La primera es una imagen normal de render 3D.
  2. En la segunda imagen  únicamente  las zonas  de pantalla que deseamos se observen como brillantes. En este nivel de reducción, resaltando los valores de LUMA superiores a la media de toda la imagen.
    • Esta imagen la vamos borroneando y  borroneando  con un algoritmo HDR de vídeo juegos.
    • El color negro pasará a un canal de transparencia (ALPHA)
  3. Finalmente sumaremos las imágenes en una nueva y como resultado del proceso HDR VÍDEO JUEGOS.

El proceso descrito se observa en la siguiente imagen:

hdr-proceso
Fuente imagen: Intel

 

Como en las imágenes en los video juegos  aumenta el “RANGO DINAMICO” decimos que es High o Alto, ¿Pero es “Alto” comparado contra qué?, ¿contra la NES/GAMECUBE/ETC? .  Realmente son solo palabras bonitas,  solo estamos creando un mayor matiz entre zonas de pantalla.

hdr pc 1.png
BLOOM sofisticado o HDR en vídeo juegos. Fuente imagen: Intel

En este punto regresamos al HDR en la fotografía. Los primeros algoritmos de mapa de mapas de  tonos fotográficos como HDR FOTOGRÁFICO nacen del deseo de crear reflejos realistas en gráficos 3D mediante mapas de ambiente y  reflejos (environment reflection map).  Los cuales fueron las primeras formas de “HDR en saltar a los vídeo juegos”, en este respecto se considera como  pionero al señor Greg Ward (1985).

garage
Fuente imagen. http://adaptivesamples.com/

Para los curiosos:
Arbitrariamente podría resumir una mejora tonal vídeo bajo el algoritmo Reihnard y cía en vídeo juegos :

  1. La escena debe estar lista con todos su detalles 2D, incluyendo el BLOOM, o aquella imagen borrosa comentada previamente.
  2. Asignar un espacio de memoria monocromática con el fin de almacen calculo de la Luma de cada uno de los píxeles. L = 0.27R + 0.67G + 0.06B. se calcula para cada píxel, y al mismo tiempo debemos calcular la luminancia media logarítmica. Lwmedia = exp[ 1 / Numero_pixeles( sum[ log( 0.0001 + L( x, y ) ) ] ) ]
  3. Tomamos los valores de Luma de espacio de memoria pixel a píxel y los re-escalamos con el valor de la media L( x, y ) = parametro* L( x, y ) / Lwmedia  ; en donde  parámetro varia entre 0.0 y 1.0. Al mismo tiempo que aplicamos el operador tonal Ld( x, y ) = L(x, y) / ( 1 + L(x,y) ); el cual comprime y ajusta las Luma.
  4. Reconstruimos los colores con el nuevo resultado del operador aplicando una corrección de gamma píxel por píxel.

Color_final(x,y) = Color_anterior(x,y) * (L)γ 1/gamma


Reinhard, Erik, Mike Stark, Peter Shirley, and James Ferwerda. “Photographic Tone Reproduction for Digital Images”.

tesorodelsaber retor tone map operator hdr video juegos Reinhardcia.png
Resultado del operador tonal Reinhard y cia, o mapa tonal aplicado a vídeo juegos. Elaboración propia aplicando los contenidos del documento sin filtrado. Clic para ver en tamaño completo.

 

Todo esto lo puedes complementar con las siguientes lecturas:

¡¡¡Tal vez no entendió nada de tantas cosas que pueden ser HDR!!!

nooo

RESUMEN DE LOS TEMAS:

  •  Cada escena con diferente valor de exposición fotográfica es una nueva foto, no es la misma con mejor brillo.
  • El Mapa Tonal fotográfico; son unos  algoritmos construidos para ponderar la información de varias tomas de una misma escena con distinta exposición.
  • EL ojo humano compone imágenes a partir de diferentes niveles de exposición, pero no a la velocidad que los genios del marketing nos quieren hacer creer. Sí estas en un sitio oscuro y pasas por una ráfaga de luz quedaras ciego momentáneamente!.
  • El Tone Mapping Gaming no simula el fenómeno de la exposición fotográfica, intentamos recrear imágenes con ayuda de técnicas para hacer borrosas  las zonas de mayor iluminación.

“El HDR son muchas cosas y es nada al mismo tiempo”

 

LOW DINAMIC RANGE TV  (LDR TV)

[Televisión de bajo rango dinámico]

En lo que respecta a la TV  solo es útil para el mercado del STREAMING TV  y de los reproductores de  DISCOS PLÁSTICOS, perpetuando insulto que representa o que ha representado hasta la fecha el uso de espacios de color LUMA, en lugar de color en RGB.

En vídeo juegos, los puristas de color, nunca emplean VGA o HDMI, únicamente  formatos DVI o  DisplayPort,  con capacidades de color RGB Digital.

La TV  HDR aventaja a la TV LDR  con la mejora al representar una mayor cantidad de GAMA de tonos, mediante más información y opcionalmente un nuevo esquema RGB con mayor profundidad de color de mayores a los 8 bits por canal.

luma-secret
HDR TV: What is it? How can you get it?

“La mayoría de las cámaras de cine digital de hoy en día pueden capturar al menos 14 tomas de rango de exposición, pero este rango dinámico no se conserva en la actualidad, incluso para la presentación del cine HDR se limita entre 8- 10 tomas”   – HDR Demystified

LA TV  HDR

[El  HDR en SONIDO es muy similar a la TV HDR ]

En la edición y producción musical el HDR es la diferencia de energía (en unidades  decibelios) entre el sonido de nivel más bajo y el sonido de nivel más alto, calculando la diferencia se obtiene el HDR MUSICAL. Al igual que con la producción musical la  TV  HDR tiene como objetivo aumentar el rango entre la señal más baja y la señal más alta  de la iluminación emitida por el PANEL.  Para vender la TV HDR  la hacen similar a una BOMBILLA,  y para ello debe hacer referencia a unidades de radiación luminosa o Luminancia Físicas (100 Candela/metro cuadrado = 1 nits), reforzados con un conjunto de estándares arbitrarios (bueno como son los estándares).

HDR en sonido, en resumen es una diferencia de niveles.

Les invito a visitar un artículo dedicado a los principios del sonido, agradezco lo visiten Principios Audiofilos para Gamers y Retrogamers.  En donde les ofrezco una introducción al tema del sonido.

Para el marketing es relevante dar cifras de contraste, pero mi deseo es mostrarles el truco detrás de la cortina, espero lo aprecien. Pasemos rápidamente a los trucos. La HDR  TV agrega al LDR TV tres (3) elementos nuevos  sobre del viejo sistema HDMI:

  1. UNA MEJORA DE COLOR, mediante nuevo estándar de color REC.2020 que remplazan y mejora el sRGB  y el YCbCr.
  2. EFECTO HDR o  la capacidad de emitir una mayor cantidad de luz desde el panel.
  3. SISTEMA DE CODIFICACIÓN o medio para controlar la iluminación del panel.

[MEJORA DE COLOR]

Es muy corto, pero es el aporte más interesante de la TV HDR.  La TV HDR puede emplear  un modo  RGB  cuando se requiere una mejor calidad de color, o codificación LUMA cuando la prioridad es la compatibilidad

El estandar Rec.2020 remplaza el modo LUMA en   YCbCr por una nueva transformación Yc+Cbc+Crc. El YcCbcCrc es útil para almacenar una mayor cantidad información de LUMA. En donde los  componentes del  YcCbcCrc son calculados a partir de valores RGB.

sony-color-space
Color/luminance volume: BT.2020 (10,000 nits) versus BT.709 (100 nits); Yxy
Fuente: The State of #HDR in Broadcast and OTT – CES 2016 update

[EFECTO HDR]

En un panel Convencional la LUZ es emitida por una gran bombilla (realmente diminutas bombillas led) o backlight, y debe ser una fuente muy uniforme. La luz atraviesa un muy fino dispositivo compuesto por  varias capas de plástico y material semiconductor (3 componentes RGB de LCD, LED o AMOLED). Para saltar a la TV  HDR fue necesario emitir una mayor cantidad de luz desde el backlight mejorando la base tecnológica previa. Sin embargo, la TV HDR  no es el nuevo  “faro solar”, deslumbrante y enceguecedor, y por ahora la idea es mejorar las limitaciones de los espacios de colores actuales en donde es muy importante vender la idea de una mejor relación del brillo emitido por el panel.

Tipos de Back Light HDR Wikipedia

El Backlight  no puede controlarse al nivel del punto del micro punto de color (R,G o B),  y la pantalla se divide en zonas.  Es decir, NO pueden crear efectos como  una única  estrella en un cielo nocturno, pero  cuanto más grande el panel  o tamaño de la TV podemos integrar un mayor numero de zonas, mejorando el control sobre la emisión de luz o mejorando el efecto HDR en la TV.  Por ejemplo encontraremos documentados en 27 pulgadas 384 zonas y en  35 pulgadas unas 512 zonas.

[SISTEMA DE CODIFICACIÓN]

El LUMA aun cuando codifica la relación de iluminación, es una respuesta lineal  de valores RGB ponderados,  ello obliga a incorporar un canal  adicional destinado a  controlar la emisión de luz desde el backlight en HDMI.   En la  TV  HDR actualmente existen dos (2) propuestas diferentes o formatos para transmitir la nueva información  para el  backlight: El Dolby HDR y el HDR10.  Non son los únicos, son los que más han apostando al tren del “mame” de la TV HDR.  Ganará el que sea de libre uso o si nos va mal el que invierta más en marketing:

  • Para implementar la ideas de rango dinámico en el estándar HDR-10 emplea  matemáticas para la codificación y de-codificación de la información HDR. En otras palabras, si la TV no implementa el nuevo algoritmo matemático, no puede representar la nueva información incrustada en la señal. Incluye unos datos adicionales o meta datos sobre el HDMI.
  • El DOLBY HDR mediante la inserción de meta datos o datos adicionales sobre la fuente existente y una codificación de la seña HDR. En otras palabras, datos nuevos en protocolo HDMI, no son estándares, son propietarios de DOLBY y deben pagar regalías para su uso.

technicolor

10-bit HDR es un conjunto de codificación, permite la compatibilidad entre la TV convencional y las nuevas propuestas. Fuente: The State of #HDR in Broadcast and OTT – CES 2016 update

High-level overview of Dolby Vision dual-layer transmission for OTT VOD

Dolby HDR  basado en la incorporación de meta datos en el proceso de producción y edición. Fuente: The State of #HDR in Broadcast and OTT – CES 2016 update

[SIGAMOS REVISANDO LOS TRUCOS..]

Qué es el HDR y por qué demonios debería importarme
Foto de un Panel HDR,

Pero, por favor tengan cuidado con el marketing. En la imagen superior observarán a uno de los mayores vendedores del mundo de HDR  TV,  el  presentador esta oscurecido.  En la imagen inferior una foto en mapa tonal de una escena nocturna, por si queda alguna duda y sin mayores requisitos de hardware.

Como espero entiendan son diferentes dado que ambas parten de concreciones muy diferentes de lo que podemos interpretar como rango dinámico alto o HDR.

Fotografía HDR. https://www.hdri-hub.com

Finalizando podemos diferenciar la   TV  HDR  de las otras técnicas estudiadas llamadas HDR:

  1. No es un conjunto de estándares para transmitir información de exposición de/o con varias tomas en tiempo real.
  2. Ni tiene que ver con los “mapas de tonos en fotografía”.
  3. Ni modifica la gama de tonos en tiempo real según el ambiente que rodea a la TV.
  4. La TV no modifica su brillo para dar comodidad  a nuestro IRIS+PUPILA (nuestra cámara negra)  ofreciendo resultados más cercanos a la vida real dentro del rango dinámico del OJO+IRIS+PUPILA.
  5. Tal vez SI tal vez no, o con muchos asteriscos , como  la transmisión libre de regiones de memoria para entre GPU   y la  TVHDR,  o HDR DE VÍDEO JUEGOS.
    • Si y solo si, consideramos la  TV HDR como un nuevo canal para el intercambio de información

Visita los siguientes en laces si deseas obtener mayor informacion técnica:

EXPERIMENTAR UN MEJOR RANGO DINÁMICO EN UNA TV EN VÍDEO Y AUDIO SIN COMPRAR UN PANEL NUEVO

[Todo se realiza en la noche en la hora más tranquila que se permita.]

Este es un experimento didáctico y simple que propongo para que podamos entender un poco como es la TV HDR sin invertir en un aparato completamente nuevo.

Por favor siga  las siguientes indicaciones:

  1. Prepare todo cierre cortinas y limite la mayor cantidad de luz que pueda ingresar por la contaminación lumínica urbana o la luz del cielo (luna o estrellas).
  2. Prepare la TV convencional preferiblemente formatos 1080p o 4k sin HDR.
  3. Ubique una buena cinta con escenas de día y de noche. Preferiblemente cine digital de 2014 en adelante en 1080p o 4k sin HDR (si le es posible un BRRIP 10bit).
  4. Ajuste la TV en el menor contraste y brillo programado.
  5. Programe el despertador tipo 3 a.m.
  6. Si desean pueden dejar algo de comida preparada.
  7.  Una vez suene el despertador, sin encender ningún tipo de iluminación encienda la TV  y ponga en reproducción rápidamente la película.
  8. Aumente el contraste/brillo a nivel medio y luego a un nivel cómodo, no es necesario todo el nivel

El iris+pupila se adaptan a la iluminación que recibe de la TV, en todo su rango dinámico. En otras palabras, una vez enciende la TV observarán el mismo efecto que la TV HDR, sin que el panel de la TV sea HDR. El efecto interesante es el deslumbramiento desde las áreas de pantalla de mayor iluminación. Pueden intentar no ajustar al máximo del contraste/brillo al inicio, con el fin de evitar malestar- PERO, ante todo no encienda la iluminación, ya que adulterará completamente el experimento.  Lo mismo sucederá con el sonido,  aumentará su rango dinámico porque el ruido de fondo es de menor nivel que durante el día.

EL DILEMA DEL CROMA SUBSAMPLING

Antes de terminar, me veo tentado a intentar explicarles la gran falencia del HDR  bajo HDMI y es el SUBSAMPLING.  El subsampling es una de las etapas en la compresión de imagen y en la transmisión HDMI.

Una vez convertidas la señales en bits mediante las ecuaciones matemáticas a un espacio de luma.

  • Tenemos el LUMA (brillos) y los dos componentes restantes se les llamó arbitrariamente como CROMA  (IQ,UV,PbCr, etc).
  • Una vez  convertido en modo de LUMA  podemos  dividir la imagen o fotograma en pequeños cuadros o vectores, uniformes como un rompecabezas,  aquellos cuadros no se solapan.

subsampling.gif

  • Para reducir la cantidad de imagen  podemos tomar solo ciertos píxeles o muestras de croma (de los dos oponentes) , referenciando la cantidad de muestras mediante la siguiente notación j:a:b.

tesorodelsaber retro subsampling hdr explicado wikipedia.png

  • J: Referencia horizontal (ancho) y usualmente con valor 4.
  • a: Numero de píxeles o muestras capturadas de croma en la primera fila de J
  • b: Numero de cambios de croma (Cr, Cb) entre el primero y la segunda fila.
tesorodelsaberretro SEGA FILM CINEPAK codificacion de video en sega cd
Un ejemplo llamado Cinepak muy viejo de 8 bits por color y máximo de 256 colores por fotografía. Elaboración propia.

NO parece obvio, pero si nuestro objetivo es obtener mejor calidad de color lo mejor es siempre configurar 4:4:4, de lo contrario la calidad de color final observado en pantalla se observará como empobrecida. Lo mejor es aceptar que los modos LUMA NUNCA VAN A DESARAPRECER,   es mucho más eficiente transmitir imagen desde los sistemas de computo para entretenimiento  en MODOS LUMA, en donde veremos un utópico o muy +muy^256 limitado soporte de modos RGB.

En otras palabras la TV HDR , efectivamente ofrece una mejor contraste o iluminación,  por ahora no mejora de una manera definitiva la calidad en los colores en los modos LUMA.

Comparacion de sub sampleos de corma. Fuente de la imagen Wikipedia

Visiten  los siguientes enlaces para profundizar en compresión de imagen:

REFLEXIONES, DIVAGACIONES  Y OPINIONES FINALES

  • La noticia, una sentencia de muerte a la dictadura del HDMI  + YCbCr  y  a corto plazo deberán extenderse estos nuevos espacios de color para una TV HDR un poco más interesante.
  • INSISTIR en espacios de color  RGB de 10 o 12  bits directos obviando tanta absurda codificación.
  • La tecnología avanza, es lógico esperar que este tipo de tecnologías lleguen a todos, lo cual no deja de ser bueno :).
  • La  TV HDR es una nueva tecnología, es como vender radio estéreo desde una pequeña radio de una sola bocina, pero mentir y usar analogías falsas solo puede crear dudas e incertidumbre en un posible publico entendido y que no sea el objetivo de estas propuestas.
  • Cuando observamos las propuestas de los “META DATOS” queda ese pequeño sin sabor de boca en donde el HDR propuesto es tan sintético como las ideas en el sonido envolvente moderno. En otras palabras, trata sobre un técnico o ingeniero en una computadora y consola modificando arbitrariamente los niveles de rango dinámico para producir un determinado impacto o emoción visual sobre el usuario final, pero no de un avance o mejora en la técnica cinematográfica.

OTRAS LECTURAS

 

 

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Un comentario en “TODO SOBRE LA TV HDR – RESUMEN

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