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Les secrets de l’Ultra HD Premium

1 : Ultra HD Premium, la vraie Ultra HD 2 : La norme UHD Premium en détails 4 : Les sources UHD Premium arrivent tout juste 5 : Encore bien peu de téléviseurs certifiés Ultra HD Premium

Le HDR oblige à tout repenser

Adieu gamma, bonjour PQ

Image 1 : Les secrets de l'Ultra HD Premium

Pour comprendre le HDR, il faut comprendre la manière dont les écrans actuels affichent la réalité. Dans le monde réel, les écarts de luminosité sont bien plus élevés, de plusieurs dizaines de milliers de cd/m2 dans les zones éclairées et seulement quelques centièmes de cd/m2 dans les ombres. Aucun écran n’est capable de reproduire de tels écarts (et aucune caméra n’est capable de les capter). Face à une plage dynamique aussi large, et avec un taux de contraste aussi énorme, il est indispensable d’encoder de manière cohérente la luminance des teintes et des images. C’est ce qu’on appelle communément le gamma, mais qu’il serait plus juste de nommer EOTF (electro-optical transfer function) : la conversion d’un signal numérique en lumière visible sur un écran.

Le gamma actuel fut conçu en fonction de la physique des téléviseurs à tube cathodique (CRT). Il consiste à compenser l’irrégularité de la luminosité émise par les phosphores de l’écran lorsqu’ils sont bombardés par les électrons émis par le tube cathodique. Cette méthode de restitution de la luminosité, qui existe depuis longtemps, mais qui n’a été standardisée qu’en 2011 par la SMPTE (Society of Motion Picture & Television Engineers), n’est plus adaptée au HDR et aux nouvelles technologies d’affichage, notamment car elle est incapable de différencier les tons les plus sombres.

Image 2 : Les secrets de l'Ultra HD PremiumLe gamma corrige la non-linéarité de l’émission des écrans CRT.

Les ingénieurs de Dolby Laboratories ont donc décidé de se baser sur la perception de l’œil humain, indépendamment de la technologie d’affichage. Ils ont mené plusieurs expériences visuelles avec des cobayes humains, sur un afficheur capable de restituer des noirs très profonds (0,004 cd/m²) et des blancs extrêmement lumineux (20 000 cd/m²). La perception du noir dépend de l’ouverture de l’iris de l’œil : un spectateur ne percevra pas une teinte très sombre de la même manière, s’il est dans une pièce éclairée ou dans le noir complet. De même, après quelques secondes, ce qui lui paraissait totalement noir, peut devenir plus lumineux.

Image 3 : Les secrets de l'Ultra HD Premium

Dans le cadre de leurs recherches sur leur standard HDR (nommé Dolby Vision), les ingénieurs de Dolby ont ainsi mis en équation la notion de Perceptual Quantizer (PQ), qui prend en compte la perception humaine du contraste dans différentes conditions, en restituant plus d’informations dans les zones très sombres et très lumineuses d’une image, et en gardant un bon équilibre sur des écrans dont la luminosité est variable, de 500 à 10 000 cd/m². Et ce ne fut pas en vain, puisque le PQ vient d’être choisi par la SMPTE pour remplacer l’ancien gamma, sous le standard ST-2084. Les écrans UHD Premium devront donc gérer ce standard, essentiel pour les futures technologies de rendu HDR.

De la même manière que pour les couleurs, il est prévu dans les métadonnées HDR un système de correspondance des tons (tone mapping) qui permettra à l’écran d’adapter la plage dynamique de la source vidéo à la sienne. Ce système pourrait donc bénéficier aussi aux écrans qui pourront décoder un signal HDR sans en avoir les capacités d’affichage.

Afficher un taux de contraste gigantesque

Voilà un autre défi très difficile à relever, en directe relation avec la nouvelle notion de Perceptual Quantizer. Dans cette logique de perception visuelle, les écrans devront satisfaire l’une ou l’autre de ces deux conditions :

  • Afficher des pics lumineux de 1000 cd/m² tout en préservant des noirs à 0,05 cd/m². Cette condition s’adresse clairement à la technologie LCD, capable de monter très haut dans les blancs, mais ayant du mal à afficher des noirs très profonds. C’est un taux de contraste imposé de 20 000:1, mais cette valeur n’est pas qualifiante pour autant : par exemple, un écran affichant un pic à 2000 cd/m² et des noirs à 0,1 cd/m² ne sera pas certifié UHD Premium, même si son taux de contraste est bien de 20 000:1. Des noirs d’une luminosité inférieure à 0,05 cd/m² sont indispensables.
    En l’état actuel des technologies, seuls les écrans LCD dotés d’un rétroéclairage Full LED (ou Direct LED) avec « local dimming » seront capables de remplir ces conditions. Ces téléviseurs sont équipés d’un tapis de plusieurs centaines de LED couvrant toute la surface de la dalle. Ces LED diminuent leur luminosité ou s’éteignent derrière les zones les plus sombres de l’image. Les écrans à dalle LCD de type VA (la majorité des TV Sony, Sharp ou Samsung, par exemple) auront plus de facilité à remplir ces conditions, car ils peuvent afficher des noirs très profonds (jusqu’à environ 0,01 cd/m²). Ce sera beaucoup plus délicat pour les dalles IPS et leur faible taux de contraste natif de 1000:1 (les TV LCD LG, par exemple).
  • Afficher un pic lumineux de 540 cd/m² en allant très loin dans les noirs, à 0,0005 cd/m². Cette condition s’adresse plutôt aux écrans à technologie OLED. Ces derniers n’ont aucune difficulté à rendre des noirs parfaits, car les pixels OLED produisent leur propre lumière. En revanche, ils sont incapables d’afficher de très fortes luminosités. Le taux de contraste imposé est donc ici de 1 080 000:1 ! Les téléviseurs OLED LG ne devraient pas avoir de difficulté à remplir cette condition.

Image 4 : Les secrets de l'Ultra HD PremiumUne illustration du rétroéclairage Direct LED à local dimmmingTout n’est donc qu’une question de perception humaine : avec des pics lumineux à 1000 cd/m², l’œil aura l’illusion d’un noir parfait à 0,5 cd/m² (iris contracté). Avec des pics à 540 cd/m², il lui faudra des noirs beaucoup plus profonds pour créer cette même illusion (iris dilaté). De même, les écrans LCD très lumineux auront l’avantage dans des pièces très éclairées, tandis que les écrans OLED seront imbattables dans une pièce très sombre.

Une question subsiste : comment ces valeurs seront-elles mesurées pendant la certification ? Sur quel type d’image ? Le pic lumineux de 1000 cd/m² doit-il être atteint sur toute la surface de la dalle ou juste sur un pourcentage de sa surface totale ? Les principaux fabricants de TV faisant partie de l’UHD Alliance, nul doute que la certification UHD Premium devrait être assez… souple !

Sommaire :

  1. Ultra HD Premium, la vraie Ultra HD
  2. La norme UHD Premium en détails
  3. Le HDR oblige à tout repenser
  4. Les sources UHD Premium arrivent tout juste
  5. Encore bien peu de téléviseurs certifiés Ultra HD Premium