HDRกับโปรเจคเตอร์ในปัจจุบัน(2020)

ในบทความทดสอบอุปกรณ์MadVRที่เป็นExternal Video Processorผมได้กล่าวไว้ว่าโปรเจคเตอร์ที่ใช้ในบ้านหรือใช้ในห้องHome theaterโดยทั่วไปนั้นไม่เหมาะกับภาพแบบHDRตรงๆ จะต้องมีการทำTone Mapping หรือมีการทำเป็นSDR in HDR containerมากกว่า ในเรื่องนี้มีหลายท่านสงสัยและอยากรู้มากขึ้นว่าทำไมภาพแบบHDRที่ใช้กันโดยทั่วไปในจอทีวี flat panelต่างๆ ถึงไม่เหมาะสมกับจอโปรเจคเตอร์ สิ่งหนึ่งที่อาจจะพอเดาได้ก็คือว่าจอโปรเจคเตอร์มีความสว่างไม่มากก็คงไม่เหมาะกับภาพแบบHDRแต่ในรายละเอียดนอกจากนี้แล้วยังมีอะไรอีกไหม ใครสนใจติดตามอ่านกันได้เลยครับ #หมอเอก

ก่อนจะพูดเรื่องของHDR และ SDRผมเลยจะขอพูดถึงพื้นฐานในเรื่องของความสว่างและการมองของมนุษย์เป็นพื้นฐานก่อนเพื่อจะทำให้เห็นภาพของHDRและSDRมากขึ้น สายตาของมนุษย์เราสามารถรับค่าcontrast ratioหรือจากส่วนมืดสุดไปส่วนที่สว่างที่สุดได้ถึง 1,000,000:1 แต่เดี๋ยวก่อนนะครับบางคนคิดว่าเราสามารถมองภาพได้contrast ratioได้กว้างขนาดนั้นเลยจริงๆ ความจริงแล้วค่านี้เป็นค่าที่ความสามารถสูงสุดของสายตามนุษย์ในแต่ละสถานการณ์ที่แตกต่างกันไม่ได้หมายถึงในการมองภาพเพียงครั้งเดียว เพราะว่าในการมองภาพพร้อมๆกันในครั้งเดียวกันนั้นสายตาของมนุษย์จะสามารถเก็บcontrastได้แคบลงและคงที่ตลอดแค่ประมาณ 10,000:1 เท่านั้น ไม่สามารถเก็บcontrastได้พร้อมกันทั้ง 1,000,000:1

และการรับรู้contrastของภาพก็ต้องอาศัยเวลาเพื่อให้มีการปรับสายตาด้วยในการมองภาพที่มีความสว่างไม่เท่ากัน เช่นถ้าเรากำลังมองภาพออกไปนอกหน้าต่างที่มีความสว่างมากและเมื่อหันกลับมามองภาพภายในห้องที่มืดกว่า สายตาของมนุษย์เราต้องใช้เวลาปรับหลายนาทีกว่าจะสามารถรับรู้รายละเอียดที่อยู่ในส่วนมืดของห้องได้ และในทางกลับกันเมื่อกำลังมองภาพในห้องที่มืดแล้วกลับไปหาในส่วนที่สว่างกว่ามากๆสายตาของมนุษย์ก็ต้องใช้เวลาในการปรับเพื่อให้สามารถมองภาพในสิ่งแวดล้อมที่สว่างนั้นได้แต่เวลาที่ใช้ในการปรับจากการมองในจุดมืดไปในจุดที่สว่างกว่าจะใช้เวลาน้อยกว่าคือประมาณหลักสิบวินาที ไม่ได้ใช้เวลาเป็นนาทีเหมือนจากจุดสว่างไปยังส่วนมืด

การดูทีวีที่จอขนาดเล็กมีองศาการดูประมาณ 5-15องศาในห้องที่มืด โดยธรรมชาติสายตาของมนุษย์จะไม่สามารถปรับcontrastแยกเป็นส่วนๆได้ ทำให้contrastที่สายตารับได้ไม่เต็มที่เพราะมีทั้งส่วนที่มืดมากและสว่างมากอยู่พร้อมกัน ในสิ่งแวดล้อมแบบนี้การที่จะทำให้สายตาเก็บcontrastเต็มที่จากภาพHDRก็คือต้องเพิ่มองศาการดูมากกว่า 45องศาก็จะทำให้การรับรู้contrastจากภาพHDRในจอทีวีได้มากขึ้นและไม่เกิดการเมื่อยล้าของสายตาที่ต้องจ้องมองภาพจากจอที่สว่างในสิ่งแวดล้อมที่สภาพแสงมืดมีความแตกต่างจากภาพในจอมากเกินไป หรือไม่ก็ต้องทำให้สิ่งแวดล้อมรอบๆจอภาพไม่มืดสนิทสังเกตุดูได้จากห้องpost productionที่coloristใช้ในการปรับแต่งสีของภาพจะไม่ได้มืดสนิท แต่จะมีแสงสว่างบ้างเล็กน้อยรอบจอภาพเพื่อไม่ให้สายตาล้าเกินไปและให้การตอบสนองต่อcontrastของภาพได้ดีขึ้น

diagramนี้ถูกนำเสนอออกมาตอนมีการพูดถึงเรื่องของภาพแบบHDRว่าดีกว่าภาพแบบSDRยังไงในช่วงแรกที่ภาพแบบHDRกำลังบูม เพราะขณะนั้นจอภาพทุกอย่างที่ออกมาต้องเป็นHDR แต่เชื่อไหมครับdiagramนี้มีหลายอย่างที่คลาดเคลื่อนจากความเป็นจริง ทำให้คนดูdiagramนี้เข้าใจผิด

• อย่างแรกคือสายตามนุษย์ไม่สามารถเก็บcontrastได้มากกว่า 10,000:1 ในการมองภาพพร้อมกันได้อย่างที่ได้กล่าวมาแล้ว แต่diagramบอกว่าการมองHDRสายตามนุษย์สามารถรับรู้contrastได้ถึง 0.0005-10,000 cd/m² พร้อมกัน
• ดังนั้นคำว่าDynamic Rangeที่มนุษย์รับได้(Human Dynamic Range) ในด้านซ้ายจึงไม่ถูกต้อง ควรจะเปลี่ยนเป็นDynamic Rangeของภาพจริง(Original Scene Dynamic Range)น่าจะเหมาะสมกว่า
• ความดำสุดของภาพจากจอภาพจอเดียวกันไม่ว่าจะเป็นภาพแบบSDR หรือ HDR ก็จะมีความดำสุดเท่ากัน แต่จากdiagramเหมือนจะบอกว่าภาพSDRดำสุด0.05 cd/m² ภาพHDRดำสุด 0.0005 cd/m² แต่ในความเป็นจริงแล้วจอภาพจอเดียวกันก็จะให้ความดำสุดของภาพเท่ากันไม่ว่าจะเป็นภาพSDRหรือHDR
• จอภาพแบบHDRที่มีอยู่ในตลาดผู้บริโภคในปัจจุบันยังไม่มีจอไหนสามารถรองรับความสว่างได้ถึง 10,000 nits จอทีวีในปัจจุบันยังอยู่ในระดับพันnits ส่วนโปรเจคเตอร์ไม่ต้องพูดถึงยังอยู่ในระดับร้อยnitsอยู่เลย

จากข้อมูลข้างต้นนำเอาdiagramเดิมมาเขียนใหม่เพื่อให้ถูกต้องเหมาะสมกับจอภาพในปัจจุบันก็น่าจะเป็นดังรูปนี้

ภาพHDRจะใช้EOTF(Gamma) ที่เรียกว่าST2084(PQ HDR)เป็นพื้นฐานไม่ว่าจะเป็นHDRแบบDolby Vision, HDR10, HDR10+ โดยST2084ลักษณะจะไม่เหมือนกับGammaที่คุ้นเคยในSDR เพราะST2084จะมีการกำหนดมาตรฐานความสว่างเป็นnitsมาเลยว่าความสว่างสูงสุดอยู่ที่เท่าไหร่เช่น1,000, 4,000หรือ 10,000nits (Absolute standard) และความสว่างความมืดของแต่ละตำแหน่งจะอยู่ที่เท่าไรมีค่ากี่nits ในขณะที่ค่าPower Gammaแบบเดิมจะเอาค่าความดำสุด และสว่างสุดของจอภาพนั้นๆมาคำนวณ(relative)เพื่อกำหนดเป็นcurveว่าจะเอาเป็น 1.8 ,2.0 ,2.4 , 2.6 ฯลฯ อยากให้ภาพสว่างหน่อยก็ตั้งค่าให้ต่ำเข้าไว้1.8, 2.0 อยากให้ภาพมืดลงมีการไล่ระดับความดำที่ละเอียดขึ้นก็เลือกค่าสูงไปที่ 2.4, 2.6 เป็นต้น ดังนั้นก็จะพบเป็นประจำว่าเมื่อเอาภาพHDRมาเปิดกับโปรเจคเตอร์ที่มีความสว่างน้อยกว่าค่าความสว่างสูงสุดที่ใส่ลงมาในภาพยนตร์เรื่องนั้นมากๆ(1,000-4,000nits)ภาพที่ออกมาก็จะดูมืด แต่เมื่อใช้ค่าEOTFแบบgammaกลับให้ภาพที่ดูสว่างมากขึ้นและให้รายละเอียดในส่วนมืดได้ดีกว่า ดังนั้นโปรเจคเตอร์สำหรับHDRจึงต้องให้สามารถมีการปรับค่าtone mappingไม่ว่าจะเป็นstatic tone mappingหรือ Dynamic tone mappingเพื่อให้ความสว่างในภาพยนตร์มีความเหมาะสมกับโปรเจคเตอร์เครื่องนั้นๆ หรือเครื่องexternal video processorเช่นLumagenหรือMadVRก็จะใช้วิธีการตัดค่าความสว่างของST2084ออกไปแล้วมีการคำนวณใช้ค่าGammaเข้ามาปรับค่าความสว่างแทนในแต่ละฉาก(Dynamic Tone Mapping)ที่เรียกวิธีนี้ว่า SDR in HDR container อย่างที่เคยพูดเอาไว้

สำหรับHLG(Hybrid Log Gamma) HDRที่ในอนาคตจะมีการใช้ในการออกอากาศbroadcastต่างๆ ก็จะมีพื้นฐานต่างจากPQ HDRที่ไม่ใช้เป็นabsolute standard แต่จะใช้แบบrelativeแทน โดยBBC HLG HDRจะออกแบบสำหรับจอภาพที่ทำความสว่างสูงสุดไว้ที่5,000nits ในขณะที่ST2084อยู่ที่10,000nits

นอกจากนี้HLG HDRก็มีการใช้ค่าความสว่างของสิ่งแวดล้อมเพื่อกำหนดEOTF curveด้วย โดยถ้าสิ่งแวดล้อมที่จอภาพอยู่ในความสว่างต่างกันก็จะใช้EOTF curveที่ต่างกันเพื่อให้ภาพออกมามีความเหมาะสมและพอดีกับสิ่งแวดล้อม

การมองเห็นความสว่างของภาพในมนุษย์ไม่ได้มองเห็นในแบบlinear แต่จะตอบสนองเป็นแบบlogarithmicเช่นเดียวกับการรับรู้เสียงของมนุษย์ สำหรับSDR(Standard Dynamic Range) Rec709 ที่ความสว่างสูงสุดอยู่แค่100nitsเมื่อเทียบกับpeak levelของความสว่างสูงสุดในPQ HDRที่มีสูงถึง10,000nits ถ้าเป็นอัตราส่วนแบบlinear ค่าความสว่างของSDRแค่นี้คงจะเป็นเพียงเศษเสี้ยวของHDR แต่ความจริงแล้วการรับรู้ 100nitsนี้ครอบคลุมถึง 50% ของ PQ HDRเลย เพราะฉะนั้นการปรับภาพSDR Rec709จึงเป็นพื้นฐานที่สำคัญสำหรับการปรับภาพแบบHDR

จากข้อมูลต่างๆข้างต้นก็พอจะสรุปได้ว่า ณ.เวลานี้ภาพHDRแบบตรงๆนั้นยังไม่เหมาะกับโปรเจคเตอร์ที่มีใช้ในตลาดผู้บริโภคปัจจุบัน เนื่องจากว่าความสว่างของโปรเจคเตอร์ยังห่างไกลจากความสว่างที่เป็นมาตรฐานของHDR ทำให้การใช้ค่าEOTF ST2084ที่ออกแบบมาสำหรับภาพHDRโดยเฉพาะก็จะทำให้เกิดความไม่สมบูรณ์ของภาพ ดังนั้นจึงต้องมีการใช้ระบบTone Mappingที่เหมาะสมเพื่อทำการเปลี่ยนแปลงข้อมูลความสว่างที่เกินความสว่างสูงสุดและความมืดต่ำสุดที่โปรเจคเตอร์สามารถทำได้ ไปยังโปรเจคเตอร์ให้ยังสามารถได้รายละเอียดครบถ้วนทั้งในส่วนมืดและสว่างของภาพ ดังนั้นโปรเจคเตอร์ในปัจจุบันที่มีคุณภาพดีก็จะให้ความสำคัญกับระบบtone mappingของภาพ รวมถึงExternal Video Processorที่มีอยู่ในตลาดผู้บริโภคก็ต้องมีFunctionในการทำdynamic tone mappingที่ละเอียด แม่นยำ และรวดเร็ว ทั้งหมดนี้ก็เพื่อให้โปรเจคเตอร์สามารถแสดงภาพHDRได้สว่าง สดสวย งดงามอย่างเช่นภาพHDRที่เห็นจากจอทีวี ก็อย่างที่เซียนด้านภาพหลายคนบอกเอาไว้ว่า “ภาพแบบHDRนั้นเรื่องของความสว่างความดำของภาพมีความสำคัญมากกว่าความถูกต้องของสีสันที่อยู่ในภาพ”

ท้ายนี้ขอขอบคุณภาพและเนื้อหาจากWebsite https://www.lightillusion.com/index.html มาด้วยครับ