Технология расширения динамического диапазона hdr: HDR (Расширенный динамический диапазон) — часто задаваемые вопросы

Новая война форматов: телевизионный HDR / Хабр

Всем привет! Так уж вышло, что современная промышленность редко приходит к одному стандарту, а если и приходит, то некоторые компании часто дополняют простые и понятные общие технологии своими костылями. Последней крупной «войной форматов» можно назвать HD-DVD vs BluRay, в которой победил последний. Что ж, новый виток технологий выкатил новые «пушки»: один из основных трендов телевизоростроения в 2016-м году — поддержка формата HDR (расширенного динамического диапазона).

Что это, как оно работает, чем отличается от того HDR, что используется в фотографии и играх и какие форматы воюют в этот раз — в нашем сегодняшнем посте.

HDR – что это такое и зачем небходимо

HDR (High dynamic range) — это технология расширения динамического диапазона изображения. Человеческий глаз адаптируется к уровню окружающего света. При съёмке фотографии или видео параметры оптической системы (то есть чувствительность фотоматериала или сенсора, значение диафрагмы и выдержки) влияют на формирование кадра, и записанная единожны информация содержит определённый диапазон яркостей. От того, что условно считается «чёрным» (но может не быть чёрным в реальности, т.к. количесва отражённого света просто не хватило для записи другого оттенка) до того, что считается «белым» (аналогично, объект может отражать / излучать больше света, чем способен запечатлеть сенсор на текущих настройках, при этом не быть белым с объективной точки зрения).

Разница между самыми яркими и самыми тёмными оттенками и есть искомый динамический диапазон. Если сцена имеет бОльший динамический диапазон, чем способна запечатлить техника, то на картинке будет присутствовать выгорание светлых участков и/или зачернение теней, то есть потеря яркостной и цветовой информации.

Расширение динамического диапазона приводит к увеличению воспринимаемого камерой диапазона яркостей, но вместе с этим снижает контрастность изображения. Для восстановления контрастности используют различные алгоритмы повышения локальной контрастности и тонального преобразования (tone mapping).

Но если при записи контента решён вопрос преобразования расширенного динамического диапазона в обычный, то зачем нужен HDR в телевизорах и как он работает?

HDR в телевизоре

Телевизионный HDR занимается тем же: увеличивает количество допустимых яркостных значений между темнейшими тёмными оттенками и ярчайшими яркими, таким образом правильно закодированный видеопоток может отобразить большее количество различных оттенков в кадре.

В целом картинка становится более детализированной, яркой и чёткой за счёт увеличения микроконтраста в «пограничных» зонах, которые на обычном видеопотоке и обычном телевизоре выглядели бы одноцветными или малоконтрастными, а в движении и вовсе терялись бы.

Обеспечить поддержку HDR необходимо сразу в нескольких местах. Телевизор должен уметь декодировать и отображать подобный сигнал — раз. Контент должен быть закодирован соответствующим образом и содержать необходимую информацию — два. Доставить контент с увеличенным битрейтом тоже необходимо, то есть иметь поддержку со стороны «транспорта» сигнала (интерфейстного кабеля). Три. А ещё контент надо как-то снимать, распространять и так далее. Обеспечить совместимость всего этого разнообразия должен (по идее) набор рекомендаций Rec. 2020. Разберём всё по порядку.

Телевизор

Нет, 30-битные матрицы в ТВ ставить никто не станет, они всё так же останутся 18- или 24-битными, а HDR контент будет приводиться к «обычному» перед отображением.

Просто в новом формате записи цветового пространства специальные преобразования позволят закодировать яркостную составляющую бОльшим количеством бит. Специальный алгоритм будет преобразовывать исходный сигнал в «правильный» для телевизора, благодаря чему картинка будет одновременно и более детальной, и не потеряет в контрастности.

И вот здесь есть первая проблема. Стандартов HDR-TV два: HDR10 и DolbyVision. Samsung и Sony сделали ставку на HDR10, большинство голливудских студий и некоторые другие компаниии — на DolbyVision. Да и сам бренд Dolby куда сильнее «раскручен». Современные контент-провайдеры решили вопрос по-своему — Netflix и Amazon просто поддерживают оба формата и вы сами можете выбирать, в каком виде получать HDR-кино. LG решили не участвовать в войне форматов и просто предоставили поддержку и той и той технологий.

Контент и носители

Чтобы осуществить поддержку HDR-видео, требуется соответсвующий формат записи данных. Из «старых» форматов цветовое пространство Rec. 2020 поддерживают H.264 (c некоторыми ограничениями), из «новых» — HEVC, он же H.265. Разумеется, «дополнительная» информация требует больше места, поэтому 4k2k-HDR контент доставляется пока только онлайн. BluRay 4k и единственный (на момент написания статьи) распространённый и сравнительно легко покупаемый плеер подобных дисков производятся Samsung, а на какой формат сделал ставку этот промышленный гигант мы уже знаем. Технически, ничто не мешает реализовать поддержку DolbyVision в BluRay 4k, но на данный момент имеем то, что имеем.

Передача данных

Контент есть, телевизор есть. Осталось перенести контент в ТВ. Здесь (пока что) безраздельно царствует формат HDMI, телевизоров с поддержкой DisplayPort — кот наплакал. Теоретически HDMI 2.0 поддерживает 4k2k-видеосигнал с HDR, но с определёнными ограничениями: 24/25/30 кадров в секунду для полноцветного изображения с 12-битным семплированием и 50/60 кадров в секунду для цветовой субдискретизации 4:2:2 или 4:2:0.

На данный момент HDMI 2.0 — бутылочное горлышко в ТВ-технологиях, и о реальном прорыве в качестве картинки говорить до появления стадрата, поддерживающего «честные» 4k2k 120Hz / 8k4k 60Hz, не приходится. Проблемы HDMI находятся в области обеспечения обратной совместимости — HDMI позволяет передавать сигнал, совместимый даже с аналоговым ч/б телевизором, что накладывает определённые ограничения на развитие стандарта.

Что выбрать

Если вы покупаете телевизор в 2016 году и хотите получить от него максимум, логично было бы обратить внимание на модели с поддержкой HDR. На самих телевизорах производители почему-то стесняются писать HDR Ready, поэтому в магазине надо искать отметку UltraHD Premium. У Samsung такие телевизоры есть в серии 9000 (2016 года выпуска), у LG, например, флагманские OLED’ы, 65EG6.

Из проигрывателей дисков на рынке доступно два решения — Samsung UBD-K8500 (с поддержкой HDR10) и Panasonic DMP-UB900. Зарубежные обзорщики вовсю рекомендуют брать «панас» — у него и качество картинки лучше, и (теоретически) должен получить поддержку Dolby Vision, но пока работает только с теми дисками, которые есть (а на них записывают HDR10 формат).

На практике же все эти девайсы стоят… немало, и до популяризации HDR-видеоформатов (а также «спуска» его в 1080p-разрешения) вряд ли цены упадут / эти фичи появятся в «бюджетных» линейках телевизоров.

Чисто теоретически, HDR должен уметь (правда, без 4k-воспроизведения, только FullHD) и сравнительно бюджетный Samsung KJ-7500, но проверить это пока не удалось.

Однако буквально недавно Nvidia представила новые десктопные видеокарты семейства Pascal: GTX 1080 и 1070: они поддерживают новые HDR-форматы, так что разработчики игр смогут использовать «честный» HDR (а не его имитацию) в своих продуктах, а вы — в числе первых оценить эти нововведения.

Правда, пока неизвестно, когда данные возможности появятся в играх. Зато как только появятся — вы сможете оценить их одними из первых.

Есть вопросы? Или, быть может, вы из тех счастливчиков, что уже пользуются преимуществами HDR-телевидения? Мы ждём вас в комментариях!

Технология и применение HDR дисплеев

Характеристики зрительной системы человека

Динамический диапазон зрения человека лежит в пределах от 10^–6 до 10⁸ кд/м², то есть составляет 100 000 000 000 000:1, или 14 порядков величины. Правда, глаз не может воспринимать свет из всего этого диапазона одновременно — максимальный диапазон интенсивности света, который соответствует динамическому диапазону зрительной системы человека, составляет что-то около 10 000:1 (около 5 порядков).

Рисунок. Соотношение диапазонов яркостей, воспринимаемых зрительной системой человека и воспроизводимых различными дисплейными технологиями

Аккомодационный механизм позволяет расширить диапазон яркости изображения, с которой способен работать глаз, до 10 порядков. В темном состоянии после адаптации в полной темноте долгое время глаз способен воспринимать энергию от нескольких фотонов, что соответствует освещенности одна миллионная доля люкса.

Без адаптации различаются детали, имеющие освещенность до десятитысячных долей люкса.

Человеческий глаз — удивительное оптическое устройство, которое умеет работать практически при любом освещении. Способность глаза адаптироваться к контрастному свету поразительна: он может различать детали в диапазоне контрастности 800:1, то есть даже при самой сильной контрастности видит их как в ярких, так и в темных местах. Для сравнения: самая чувствительная пленка обеспечивает передачу контрастности в диапазоне чуть более 120:1. Для оценки уровней контраста, с которыми реально имеет дело зрительная система человека, в таблице приведены экспериментальные значения контраста для разных природных объектов. Данные используются при выборе экспозиции киносъемочной аппаратуры.

Можно заметить, что большая часть наблюдаемых в жизни объектов имеет умеренный контраст в диапазоне 1:5–1:100. Остальные случаи скорее экстремальные и приводят к «зашкаливанию» систем регистрации изображений — будь то глаз, пленочная фотокамера или цифровая фото- и видеоаппаратура.

Художник транспонирует яркостные ряды объекта, приспосабливая реальные соотношения к возможностям своей палитры. Это соотношение яркостей составляет примерно 1:40–1:60. Такое же соотношение между черными буквами и белой бумагой и между черным сукном и белым снегом в пасмурный зимний день. Эта особенность зрительного анализатора человека играет огромную роль в изобразительном искусстве.

Таблица. Интервал яркостей некоторых объектов съемки

Существующая в настоящее время система кодирования и представления видеоинформации в цифровом виде формировалась 15–20 лет назад и опиралась на доступные технические средства и технологии. 8-разрядное кодирование обеспечивало вполне качественную и адекватную передачу видеоинформации. Однако проходят годы, развиваются новые технологии, растут потребности и новые сферы применения, в которых объективно требуется лучшее качество. Многие годы улучшение качества дисплейных систем шло в направлении увеличения разрешения и расширения цветовой палитры.

Расширение динамического диапазона дисплейных систем было ограничено двумя основными факторами — использованием в цифровых дисплейных системах 8-разрядного кодирования и ограничением возможностей дисплейных технологий. В 1990-годы стали проводиться работы, связанные с формированием, обработкой, хранением и отображением HDRI (High Dynamic Range Image — изображение с широким динамическим диапазоном).

Работа с HDR-видеоконтентом является комплексной проблемой. Основные составляющие данного направления:

• кодирование;
• сжатие;
• передача;
• хранение;
• воспроизведение.

Далее в статье мы будем рассматривать только один из аспектов проблемы HDR — воспроизведение.

Контраст и динамический диапазон дисплеев

Понятие «динамического диапазона» определяет максимальный диапазон изменения яркости между самым ярким и самым темным элементом изображения для того, чтобы вычислить число приращений уровней яркости. Контраст определяет относительную величину диапазона дисплея. Это отношение максимальной яркости воспроизводимого на экране элемента изображения к минимальной. Или же отношение уровней максимально белого к уровню черного. Обычные ЭЛТ имеют контраст 600:1, качественные современные TFT ЖК-дисплеи имеют контраст до 1000:1. Плазменные телевизоры могут иметь контраст до 4000:1. В рекламных материалах встречается и значение 10 000:1, но это динамический контраст. Венчурное предприятие Canon и Toshiba, названное SED Inc., разработало в 2005 году дисплейную панель на базе технологии SED (Surface-conduction Electron-emitter Display), в которой достигнут рекордный для такого типа дисплея контраст 100 000:1 (при яркости 300 кд/м²). Первые модели SED-панелей имели контраст 8600:1. Расширение динамического диапазона было получено за счет понижения уровня черного более чем в 13 раз. В настоящее время дисплейная технология SED еще не достигла уровня, достаточного для начала промышленного производства.

Если говорить о CRT, то основным ограничивающим его динамический диапазон фактором являются физико-химические свойства люминофоров. Эта пороговая величина носит название величины насыщения и определяет верхнюю границу динамического диапазона яркостей устройства отображения. Порог насыщения монитора гораздо меньше, чем предельная для человеческого глаза яркость. Глаз человека способен замечать гораздо более тонкие изменения яркости малой интенсивности, чем может отображать ЭЛТ-монитор.

На самом деле динамический диапазон монитора в реальных условиях даже несколько меньше, поскольку в реальных рабочих условиях всегда присутствует окружающий свет, который добавляется к свечению монитора. Это приводит к тому, что уровень «черного» на экране монитора определяется уровнем внешней освещенности.

Контраст и динамический диапазон ЖК-дисплеев

Ключевым параметром, определяющим уровень собственного контраста для ЖК-дисплеев, является коэффициент пропускания в темном состоянии. При использовании обычной нединамической задней подсветки даже при темном состоянии экрана происходит «просачивание» света через закрытые «темные» пиксели. Собственный контраст ЖК-дисплея можно повысить за счет уменьшения коэффициента пропускания в «черном» состоянии, который определяется коэффициентом эффективной поляризации двух поляризационных фильтров (пленок на верхней и нижней подложке), а также поляризационной характеристикой ЖК-ячейки.

Лучшие поляризационные пленки фирмы Nitto имеют коэффициент поляризации до 99,95%. ЖК-ячейка имеет значительно худшие поляризационные свойства. Дополнительный вклад в «осветление» уровня «черного» также дает и паразитное рассеяние света во внутреннем слое ЖК-панели.

До настоящего момента с целью понижения уровня «черного» применялось, например, уменьшение апертуры ЖК-ячейки. Уровень «черного» понижался, но одновременно понижалась и яркость экрана. Тем не менее, многие фирмы использовали этот прием. А для компенсации потерь в этом случае приходилось увеличивать яркость задней подсветки. В последнее время за счет применения новых технологий формирования ЖК-ячейки, например S-PVA (Samsung), удалось повысить величину собственного контраста до значения 2000:1.

Параметр задней подсветки играет очень важную роль для получения высокого качества изображения ЖК-дисплеев.

Динамический диапазон ЖК-дисплея с задней подсветкой определяется контрастом и уровнем максимальной яркости, который может обеспечить модуль задней подсветки.

Панель типового цветного TFT-дисплея пропускает максимум 7% от светового потока, излучаемого задней подсветкой. То есть для увеличения максимальной яркости требуется увеличивать яркость подсветки или увеличивать коэффициент пропускания ЖК-панели. Ресурсов для увеличения пропускания для цветной TFT-панели, использующей стандартную технологию с цветными фильтрами, практически нет. Но если отказаться от использования цветных фильтров внутри панели и применить последовательную цветовую модуляцию по времени, то можно значительно увеличить коэффициент пропускания. Цветные фильтры задерживают до 75% световой энергии. При этом можно автоматически увеличить разрешение в три раза, поскольку каждый из бывших RGB-пикселей теперь будет участвовать в модуляции всех RGB-компонентов. Для осуществления данной схемы модуляции требуется использование динамической светодиодной подсветки и ЖК-панели с быстродействием не хуже 4–5 мс. И такие панели в настоящее время уже производятся.

Методы расширения динамического диапазона ЖК-дисплеев

Один из способов расширения динамического диапазона основывается на использовании последовательной двухмодуляторной световой схемы. Световой поток последовательно модулируется одним, затем другим модулятором. При этом динамический диапазон системы расширяется. В качестве первого модулятора может быть использован, например, DMD-проектор, а в качестве второго — стандартная TFT-панель. При этом контраст интегральной дисплейной системы будет определяться произведением контрастов обоих модуляторов. Особенности такой схемы будут рассмотрены ниже.

Digital Micromirror Device (DMD) аббревиатура правильная, DLP — это бренд Texas Instruments.

Динамическая задняя подсветка ЖК-дисплеев

Частным случаем двойной модуляции можно считать применение в ЖК-телевизорах многих производителей адаптивной динамической подсветки. Этот прием используется для расширения динамического диапазона дисплейной системы без изменения собственного контраста ЖК-панели. Впервые динамическая подсветка с целью расширения динамического диапазона по яркости начала использоваться лет 7 назад для ЖК-дисплеев с подсветкой CCFL. Это решение до сих пор используется в моделях ЖК-телевизоров многих производителей. В зависимости от среднего уровня яркости экрана увеличивается или уменьшается яркость модуля подсветки. Автоматическая регулировка яркости может осуществляться как для люминесцентных ламп с холодным катодом, так и для светодиодных панелей. Таким образом, для сцен с низкой средней яркостью (ночные съемки) яркость подсветки уменьшается. Соответственно, уменьшается и уровень «черного».

В связи с появлением динамической подсветки для оценки динамического диапазона таких дисплеев был введены новые параметры — статический и динамический контраст.

Статический контраст оценивается отношением максимальной и минимальной яркости полей изображения, измеренных в одно и то же время в поле кадра одного изображения, а динамический — в разные моменты времени и относящиеся к разным изображениям. Динамический контраст всегда выше или равен статическому.

Применение светодиодной подсветки в ЖК-мониторах и телевизорах позволяет не только расширить цветовую палитру, но и обеспечить дополнительные возможности как для расширения динамического диапазона, так и для уменьшения артефактов, связанных с отображением движущегося изображения. Кроме того, активная динамическая светодиодная подсветка позволяет добиться уменьшения потребляемой мощности дисплея. Динамическая подсветка теоретически позволяет достигать нулевого уровня яркости для уровня «черного». Таким образом, при расчете по принятой ранее формуле контраста ЖК-дисплеев получим бесконечное значение. В связи с этим пришлось пересмотреть подход в расчетах контраста. В качестве минимального уровня яркости для таких дисплеев принимается минимальное приращение уровня яркости, соответствующее младшему разряду динамического диапазона системы «светодиодный модулятор + ЖК-панель».

Дисплейная технология BrightSide

BrightSide Technologies — частная канадская компания, которая разработала комплекс передовых технологий в области HDR-изображений с большим динамическим диапазоном. BrightSide разработала компоненты для всей цепочки технологии HDR: фиксация изображения, кодирование, сжатие, хранение и отображение. Наряду с разработкой дисплейной технологии BrightSide разработала и технологию фиксации HDR-изображений для цифровых фотокамер, позволяющую получить высокий динамический диапазон при низких накладных расходах. Фирмой были разработаны также высокоэффективные методы сжатия и кодирования как статических, так и динамических изображений в форматах JPEG-HDR и MPEG-HDR, обеспечивающих значительное сокращение требуемых объемов памяти с сохранением высокого динамического диапазона и разрешения.

Дисплей BrightSide имеет динамический диапазон 200 000:1 и яркость в 10 больше, чем у любого из имеющихся коммерческих дисплеев. В то же время уровень «черного» в данном дисплее также меньше в 10 раз, чем у любого обычного дисплея. Дисплеи BrightSide (рис. 1) используют технологию индивидуальной светодиодной модуляции задней подсветки, обеспечивающую яркость и контраст гораздо выше уровня, достижимого в настоящее время для CRT, плазменных, DLP- или ЖК-дисплеев.

Рис. 1. Структура двухмодуляторного дисплея (ЖК-панель + массив светодиодов)

Изображение, наблюдаемое на экране дисплеев BrightSide, непривычно живое и энергичное.

Плоскопанельные ЖК-панели компьютерных дисплеев модулируют свет, который падает из источника подсветки, обеспечивающего однородную и постоянную яркость. Источник подсветки обычно состоит из одной или нескольких люминесцентных ламп, установленных сзади ЖК-панели. В HDR-дисплее BrightSide этот источник подсветки заменен на управляемый массив ультраярких светодиодов белого свечения или же трехцветных ярких светодиодов.

Светодиоды расположены в массиве, где яркость каждого светодиода может управляться независимо и с большей частотой, чем частота развертки дисплея. По сути, этот массив светодиодов является эффективным дисплеем низкого разрешения, но с очень высокой яркостью. Управляемые источниками тока светодиоды способны обеспечивать яркость свыше 75 000 кд/м² при максимальном токе и совсем не испускают света в выключенном состоянии при нулевом токе. Это черно-белое изображение низкого разрешения, синтезируемое матрицей светодиодов, затем проецируется через стандартную цветную ЖК-панель, которая отображает то же изображение, но более высокого разрешения. Таким образом, светодиодная матрица обеспечивает локальную низкочастотную модуляцию светового потока, а матричная панель производит высокочастотный пространственный «тюнинг» с коррекцией искажений от светодиодного модулятора.

Каждый индивидуально управляемый светодиод подсвечивает маленькую площадь ЖК-панели. Получаем эффект умножения двух последовательных модуляторов света, каждый из которых дает свой вклад в динамический диапазон. Благодаря алгоритмам программной коррекции и эффекту натурального рассеяния света в человеческом глазу, эффект пятен яркости от изображения, синтезированного матрицей светодиодной подсветки низкого разрешения, становится незначительным. В результате получаем изображение высокого разрешения с высоким динамическим диапазоном.

Стоит заметить, что 100-кратное расширение динамического диапазона в HDR-дисплее получено за счет оптических свойств обычных компонентов (рис. 2). При этом сложность обработки видеосигнала в дисплее сравнима с уровнем обработки видеосигналов в обычных видеокартах.

Рис. 2. Принцип формирования изображения двухмодуляторной схемой HDR-дисплея: а) исходное изображение; б) изображение на массиве светодиодов; в) скорректированное изображение на ЖК-панели; г) HDR-изображение

В 37-дюймовом экране дисплея BrightSide 2 млн пикселей ЖК-панели подсвечиваются 1380 светодиодами белого спектра. Каждый светодиод из матрицы подсвечивает свой массив пикселей ЖК-модулятора.

В процессе обработки видеосигнала производится расчет средних значений уровня яркости для каждого такого массива.

В итоге получается матрица средних значений яркости для m-x-n-зон. По сути, это матричное черно-белое изображение, соответствующее низкочастотной пространственной компоненте исходного изображения. Поскольку соседние светодиоды в матрице оптически не изолированы, то происходит неизбежная подсветка соседних зон. Можно было бы попытаться сделать оптическую изоляцию, но, во-первых, это не просто и довольно дорого, а во-вторых, полной ликвидации паразитной подсветки избежать все равно не удастся. Поэтому был выбран другой метод — путем математического расчета доля паразитной подсветки учитывалась и далее участвовала при вычислениях матрицы сигналов управления пикселями ЖК-панели.

Сигналы управления светодиодной матрицей еще нужно рассчитать, пользуясь с одной стороны вычисленными ранее значениями матрицы средней яркости, а с другой — передаточной спектральной характеристикой белого светодиода. Яркость светодиода определяется значением протекающего тока. Следует дополнительно учесть, что спектральная характеристика белого светодиода нелинейно зависит от уровня тока. То есть нужно использовать калибровочные поправочные коэффициенты при расчетах. Предполагается, что все светодиоды имеют идентичные характеристики. Но если это не совсем так, то требуется проводить индивидуальную калибровку всех светодиодов матрицы и хранить в памяти коэффициенты для каждого из светодиодов. В настоящий момент светодиоды, скорее всего, просто подбирают по идентичности параметров. Поскольку для управления светодиодами используется ШИМ, то нужно получить соответствующие коды управления в 8-, 10- или 16-разрядном формате.

Данные управления яркостью светодиодной матрицей образуют загрузочный файл, готовый для загрузки в микросхемы светодиодных драйверов.

Для точной «подстройки» количества света для каждого пикселя, входящего в сегмент каждого светодиода, вычисляются сигналы управления. При расчетах учитывается влияние световых потоков от соседних светодиодов. Алгоритмы, разработанные BrightSide, позволяют выполнять данную обработку в реальном масштабе времени для каждого пикселя при кадровой развертке до 60 Гц.

Таким образом, за счет использования двухмодуляторной схемы получаем шкалу управления яркостью с разрядностью 16–18 (светодиодный ШИМ 8 разрядов, плюс 8–10 разрядов для управления ЖК-панелью).

Энергетические характеристики модуля подсвета

Модуль подсветки монитора BrightSide содержит 1380 одноваттных светодиодов белого свечения Luxeon. Управление каждым светодиодом производится через драйверы мощных светодиодов. Одна микросхема драйвера управляет 16 светодиодами. Максимальный ток каждого светодиода — 60 мА. Перемножив на 1380, получим суммарный ток потребления только массивом светодиодов 82,8 А (!). Прямое падение напряжения на белом светодиоде при токе 60 мА — 3,5 В. Итого суммарная выделяемая мощность на светодиодном массиве составляет около 290 Вт. К этой мощности следует добавить мощность, рассеиваемую на микросхемах драйверов, которых на плате модуля подсветки 87 штук (1380/16) и которые работают на частоте 10 МГц (загрузка + синтез ШИМ-сигналов). Загрузка драйверов осуществляется по последовательно-параллельной схеме с использованием эстафетного механизма. На драйверах рассеивается еще 40–50 Вт. Блок видеопроцессора потребляет еще 10–15 Вт. С учетом КПД источников питания (токи весьма внушительные — около 100 А) получим 500–600 Вт. Очевидно, что такой модуль подсветки требует принудительного воздушного охлаждения с помощью нескольких вентиляторов. Максимальная яркость светодиодного массива сравнима с яркостью автомобильной фары (световой поток 1300 люмен), бьющей прямо в глаза с расстояния полуметра.

История разработки HDR-дисплеев

Первые разработки HDR-дисплеев начали проводиться еще в 1993 году. Тогда еще не было мощных светодиодов, тем более, белого свечения, поэтому для реализации двухмодуляторной схемы были выбраны DLP-проектор и стандартная 15

Что такое HDR? — Guideline Geo

25 марта 2022

HDR расшифровывается как High Dynamic Range и является термином, используемым для георадарного оборудования, способного записывать экстремальные значения амплитуды, а также очень небольшие изменения в этом диапазоне. Частично это стало возможным благодаря использованию технологии выборки в реальном времени. Преимущество технологии HDR заключается в том, что она обеспечивает очень четкий широкочастотный сигнал с низким уровнем шума. Практические преимущества заключаются в том, что данные георадара становятся чрезвычайно четкими, с очень высоким разрешением и достигают хорошей глубины проникновения по отношению к используемой центральной частоте.

Георадары считаются сверхширокополосным (СШП) оборудованием. UWB относится к очень широкому диапазону частот, воспроизводимых и записываемых антеннами. Все производители георадарного оборудования стремятся создавать антенны, передающие сигнал с как можно более широким частотным диапазоном, поскольку это выгодно как для качества, так и для «полезности» данных (с точки зрения разрешения и глубины). Существует несколько различных подходов к доставке сигнала с максимально широким диапазоном частот: многочастотные антенны, построенные с использованием традиционной технологии без HDR, являются распространенным способом, а системы с непрерывной волной и ступенчатой ​​частотой (SFCW) — другим. Как правило, оба подхода усложняют и удорожают георадарное оборудование, а также могут предоставлять клиентам более зашумленные данные и ограниченный динамический диапазон. HDR — это более современный способ эффективного предоставления недорогих, высококачественных данных с увеличенной пропускной способностью пользователям георадара.

Традиционным антеннам георадара требуется некоторое время, чтобы собрать полную трассу, скажем, из 512 выборок (наименьших строительных блоков трассы). Это связано с тем, что в антенне используется повторяющийся процесс выборки: один импульс от передатчика необходим для каждой выборки, захваченной приемником, таким образом, суммируя до 512 циклов запуска импульса и записи выборки.

С антенной HDR каждый цикл состоит из одного импульса от передатчика и множества показаний (выборок) на стороне приемника. Таким образом, эта система отбора проб полуреального времени будет намного эффективнее, чем традиционное решение. При сравнении полного набора из 512 образцов в трассировке время сбора может быть сокращено в 200–400 раз.

Эта экономия времени при сборе данных может быть использована для более частого суммирования каждой выборки и, таким образом, улучшения соотношения сигнал-шум и получения более четких данных.

Еще одним положительным эффектом технологии HDR является полоса пропускания антенны. Когда вы снижаете уровень шума, вы также увеличиваете полосу пропускания антенны и получаете доступ к дополнительным частям спектра сигнала. На стороне высоких частот это обеспечит лучшее разрешение, а на стороне низких частот даст лучшее проникновение в глубину.

Области применения

Application areas

Methods-

-gpr/

Примеры из практики

https://www.guidelinegeo.com/solutions/case-stories/

Продукты

https://www.guidelinegeo.com/mala-ground-penetrating- радар-gpr/

Датчики изображения с расширенным динамическим диапазоном

Технология:

Динамический диапазон (DR) определяется как отношение самого высокого обнаруживаемого уровня освещенности к самому низкому обнаруживаемому уровню освещенности. Расширение динамического диапазона в сторону слабого света обычно обсуждается как «улучшение чувствительности». Высокая чувствительность и высокий динамический диапазон (HDR) в целом находятся в компромиссном соотношении, но нам нужно достичь и того, и другого. Итак, как решить эту проблему?
Прежде чем обсуждать подходы HDR, давайте сначала рассмотрим определение DR и метод «автоматической экспозиции» (AE).
Для датчика изображения, работающего в режиме интегрирования заряда, такого как датчик изображения CCD и датчик изображения CMOS, DR можно определить как DR = уровень насыщения/уровень шума. Поскольку выходной сигнал должен быть пропорционален значению экспозиции датчика (; экспозиция = освещенность  экспозиция время), DR также может быть определено как DR = освещенность насыщения / освещенность, эквивалентная шуму. Эта ситуация показана на рис. 1. DR обычных датчиков изображения составляет 60 ~ 70 дБ.

Рис. 1 Динамический диапазон

Автоматическая экспозиция (AE) — это функция, позволяющая настроить время экспозиции датчика изображения и/или диафрагму (ступень F) объектива изображения таким образом, чтобы обеспечить правильный уровень сигнала (не слишком темный, не слишком яркий) от датчика изображения можно получить. На рис. 2 показана ситуация, когда время интегрирования датчика регулируется для захвата изображения с правильными уровнями экспозиции. Например, при времени интегрирования t2 датчик изображения фиксирует изображение, уровни относительной освещенности объекта которого находятся в диапазоне от ~10-1 до ~102 в пределах собственного динамического диапазона датчика. Обратите внимание, что автоэкспозиция использует только собственный динамический диапазон датчика изображения, в то время как динамический диапазон камеры расширяется за счет изменения времени экспозиции датчика изображения и/или диафрагмы (ступень F) объектива формирования изображения.

Рис. 2 Автоматическая экспозиция (AE)

Операция HDR заключается в расширении диапазона освещенности воспроизводимого изображения путем объединения двух (или более) кривых преобразования. Предположим, датчик изображения может выводить два набора данных изображения, один с высокой характеристикой отклика, а другой с низкой характеристикой отклика, как показано на рис.