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HDR o cómo acercar el potencial del ojo humano a las pantallas de visualización

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HDR (High Dynamic Range) es una tecnología que está ganando terreno en nuestros dispositivos electrónicos y la verás promocionada tanto en los productos que son capaces de recrearla como las cámaras fotográficas o de vídeo, o aquellos donde se representa el contenido como las pantallas de visualización. Lo conocerás como alto rango dinámico traducida por sus siglas en inglés y tiene el objetivo de conseguir imágenes (fijas o en movimiento) lo más cercanas posibles al mundo real.

El ojo humano es la base del sentido de la vista y funciona básicamente transformando la energía lumínica que recibe en señales eléctricas que envía al cerebro. Como otros órganos de nuestra bendita naturaleza, su funcionamiento es fantástico ya que, para lo que nos ocupa en este artículo, es capaz de adaptarse a cualquier condición de luz para ofrecer todo el rango dinámico y manteniendo colores y contraste. No hay máquina con capacidades tan avanzadas, pero hay técnicas que intentan acercarse a esa realidad. Ese es precisamente el objetivo de la que nos ocupa.

Esta tecnología no es nada nueva ya que se conocen intentos de fotografías de alto rango dinámico desde 1850 usando varias exposiciones, lo único que podían usar los genios de la época ante sus enormes limitaciones técnicas. Ya en las décadas de 1930 y 40 se mejoraron usando la misma idea inicial, varias capas de películas expuestas para lograr una sola imagen final que reflejara los cambios de luz que son perceptibles por el ojo humano.

La era de los gráficos por ordenador iniciada en los 80 fue un antes y un después, mientras que el aumento de capacidad de procesamiento de las computadoras actuales ha permitido desplegar su potencial. Las investigaciones médicas sobre el funcionamiento del ojo humano y nuevas técnicas como el mapeo de tonos, han hecho el resto para conseguir imágenes digitales que se acerquen a la realidad.

El objetivo es el comentado. Lograr imágenes lo más auténticas posibles. Para ello, los dispositivos con HDR utilizan gamas de colores más amplias, áreas de luz más brillantes y negros más oscuros para las sombras. Todo esto, junto con relaciones de contraste más equilibradas, hacen que las imágenes se vean más realistas y precisas, más cercanas a lo que el ojo humano vería en el mundo real.

HDR

Formatos de HDR en pantallas

En términos de pantallas hay tres formatos principales, HDR10, HDR+ y Dolby Vision. Estos perfiles de medios se aplican tanto a cómo se graba o renderiza el contenido como a la capacidad de mostrarlo en las pantallas que lo soportan y que son las protagonistas de este artículo. Aunque todas apuntan a lo mismo, mostrar imágenes más realistas, tienen diferentes requisitos, especificaciones y propiedades, y sus resultados son bastante distintos. 

Los criterios esenciales que definen los diferentes perfiles están relacionados con la calidad de la imagen. La tabla siguiente es simple, pero nos pone en situación comparativa de cada uno de estos criterios que vamos a revisar.

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Profundidad de bits. De manera general los monitores informáticos, las pantallas de los portátiles, los televisores y el resto incluidas las de los teléfonos inteligentes, utilizan colores de 8 bits. Ello les permite mostrar 16,7 millones de colores. Las pantallas HDR aumentan la profundidad a 10 o 12 bits, lo que les permite mostrar 1.070 y 68.700 millones de colores, respectivamente. Para que una pantalla se califique como HDR10 y HDR10+ debe mostrar una profundidad de color de 10 bits, mientras que Dolby Vision admite 12 bits. No conocemos ninguna pantalla para consumo con 12 bits, por lo que los 10 bits

Brillo máximo. Es la cantidad mínima de luminancia máxima que puede alcanzar una pantalla con HDR. Para que las pantallas puedan mostrar imágenes de rango dinámico necesitan niveles de brillo más altos que las pantallas normales, las SDR (rango dinámico bajo). El brillo máximo se mide en cd / m² y para HDR tiene que ser al menos de 400 cd / m². Todo lo que veas por debajo, olvídate, no será capaz de ofrecer imágenes de alto rango dinámico.

Brillo negro máximo. Para acercarse a la realidad, además de un pico de luminancia alto para áreas de imagen brillantes, también deben poder mostrar áreas oscuras usando negros muy oscuros. Ahí es donde entra en juego este parámetro. Los valores típicos de este atributo son inferiores a 0,4 cd / m², pero no existe ningún requisito en lo que respecta a los protocolos HDR. Sin embargo, el estándar DisplayHDR propuesto por VESA y del que hablaremos después, sí tiene valores específicos y considera que cualquier pantalla que pueda mostrar negros con un brillo inferior a 0,0005 cd / m² se considera True Black.

Mapeo de tonos. El contenido creado con HDR como películas o juegos, tiene valores de brillo mucho más altos que los que puede mostrar una pantalla de consumo. Algunas secuencias de una película superan sin problemas los 1.000 cd / m², pero entonces ¿cómo se maneja en una pantalla de nivel inferior? Aquí entra otra de las técnicas que se usan actualmente, el mapeo de tonos, que usa algoritmos para reducir el brillo del contenido filmado para adecuarse al máximo que puede mostrar la pantalla. En este escenario valores como el contraste se resienten, aunque las pantallas siguen mostrando más y mejores detalles que las SDR.

Metadatos. El contenido creado con HDR almacenan información en unos metadatos. Los dispositivos los usan en su reproducción para decodificar correctamente el contenido. El problema es que no todos los formatos utilizan el mismo tipo de metadatos. HDR10 utiliza metadatos estáticos, lo que significa que la configuración aplicada a cómo se muestra el contenido es la misma desde el principio hasta el final. HDR10+ y Dolby Vision, usan metadatos dinámicos, lo que significa que las imágenes mostradas se pueden ajustar sobre la marcha, usando diferentes rangos de brillo en diferentes escenas, o incluso para cada fotograma de un vídeo.

HLG. Hybrid Log Gamma y representa un estándar HDR que permite a los distribuidores de contenido como las empresas de televisión, ofrecer contenido televisivo tanto en SDR como en HDR utilizando una sola emisión. Cuando esa transmisión llega al televisor o monitor, el contenido se muestra en uno de ellos, según el soporte de la pantalla.

El HDR de VESA: DisplayHDR

Es el estándar propuesto por la asociación internacional de fabricantes de electrónica VESA para manejar el HDR en pantallas de visualización. Está conectado con los formatos que vimos anteriormente, pero son distintos y lo que hace VESA es certificar un nivel de rendimiento mínimo que garantice la calidad en la entrega del contenido de alto rango dinámico y diferenciarlos de los típicos SDR (rango dinámico estándar).

La asociación incluye a todos los grandes fabricantes de pantallas, de PCs, de componentes relacionados como chips gráficos o de sistemas operativos como Microsoft, por lo que es una buena referencia a la hora de adquirir dispositivos y proteger así a los usuarios de la publicidad engañosa que no falta en el marketing tecnológico. La asociación ha definido las certificaciones de DisplayHDR por niveles y la siguiente imagen muestra sus características principales.

HDR_VESA

DisplayHDR 400

Es el mínimo absoluto para obtener la certificación de rango dinámico y coincide con el formato HDR10 en exigir un brillo de 400 nits. Todo lo que esté por debajo de ese nivel de luminancia no es HDR. En cuanto la gama de color exige el estándar rojo-verde-azul (sRGB), con una luminancia de niveles de negro de solo 0,4 cd/m2. Este es el nivel básico en monitores y el más usado en pantallas de portátiles.

DisplayHDR 600

El siguiente nivel exige un mínimo de 600 nits de brillo. Además, rebaja la luminancia de niveles de negro a solo 0,1 cd/m2 lo que se notará especialmente en el contraste. Incluye una gama de colores más amplia (WCG), ampliando el espectro cromático mediante la retroiluminación y usando las zonas de atenuación local para dividir la luz de fondo del monitor e iluminarlas de forma diferente según la imagen mostrada en la pantalla.

DisplayHDR 1000

Para los que buscan las imágenes más realistas y espectaculares, mejora el nivel de brillo del anterior hasta 1000 nits y la luminancia de niveles de negro a solo 0,05 cd/m2. Como el anterior incluye zonas de atenuación local pero con muchas más áreas de brillo variable.

Los nombrados son los niveles más importantes y reconocibles del estándar, pero existen otros intermedios entre ellos y los que añaden negros puros True Black. Más recientemente se han propuesto otros niveles como DisplayHDR 1400 que la línea del resto con más brillo y menos luminancia en niveles de negros.

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HDR en Windows 10

El sistema operativo que lidera el escritorio informático ofrece soporte al contenido de alto rango dinámico y en las versiones más recientes del sistema lo podrás ver definido como Windows HD Color. El objetivo es el comentado. Soportar las funciones mejoradas de brillo y color en comparación con el contenido tradicional de rango dinámico estándar o SDR.

Hay que decir que Windows 10 realmente solo soporta hasta el formato HDR10 y aún le queda mucho camino que mejorar, pero Microsoft está en ello por lo que veremos después. El sistema puede mostrar contenido de alto rango dinámico en fotografía, vídeos y juegos siempre que el hardware (tarjeta gráfica) y el monito lo permita.

Habilitarlo es muy sencillo desde la herramienta de Configuración > Pantalla > Windows HD Color, e incluye soporte HDR, habilitar streaming de vídeo de este contenido y usar aplicaciones WCG.

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Juegos en Windows 10

Seguramente sea lo más interesante para un consumidor y el mes pasado tuvimos novedades en la última versión de prueba Insiders correspondiente a la versión de otoño Windows 10 21H2 y trata del soporte para Auto HDR en juegos.

Esta implementación de Auto HDR es, a grandes rasgos, la misma que podemos encontrar Xbox Series, y al igual que en la misma, lo que hace es permitir disfrutar de este contenido en juegos pese a que éstos no hayan sido desarrollados contando con dicha tecnología, siempre que se basen en Direct X 11 o Direct X 12.

No es un HDR real, pero sí un acercamiento y Microsoft promete juegos de PC más coloridos y vibrantes, e incluso los títulos más antiguos que no fueron desarrollados para alto rango dinámico en mente recibirán esta mejora. Hasta 1.000 que pudieran ser compatibles.

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Esperemos te sea útil este acercamiento a una tecnología que está ganando terreno en nuestros dispositivos electrónicos y que verás promocionada de manera masiva (no siempre tan real como promete). El ojo humano es inalcanzable, pero es lo más cercano al mundo real que podemos conseguir en imágenes digitales.

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