Hybrid Log Gamma (HLG) : le HDR pour la télévision

Article réalisé avec la participation de Forest Finbow

Pour expliquer le HLG il est indispensable de parler du HDR (High Dynamic Range) qui est la raison même d’exister du HLG, ne pas le faire, ce serait comme parler de l’ombre, sans évoquer la lumière.

Le HDR en 2 mots :

L’oeil humain a une capacité très étendue en terme de dynamique, ce qui n’était pas le cas du support film ni du standard télévision (REC 709)

Traditionnellement, sur une pellicule ou dans le standard REC 709 de la télévision on est forcé de choisir entre restituer les hautes lumières ou les ombres mais on ne peut pas correctement afficher les deux en même temps, le contraste des écrans actuels étant insuffisant.



En corrections colorimétriques on peut naturellement forcer les choses en baissant le contraste par exemple. On peut aussi sélectivement modifier l'exposition de certaines zones, on appelle ça faire des "patates" ou du tone mapping, malheureusement le résultat est généralement peu réaliste et bien souvent insatisfaisant.



C’est tout le propos du HDR que de réussir à reproduire la totalité de la gamme dynamique (écart de luminosité entre les plus hautes lumières et les ombres les plus sombres).

Bill BAGGELAAR (Service de post production de Sony Pictures) d’insister : « La plage dynamique élevée permet à la plupart d'entre nous de voir le monde au quotidien. En effet, nos yeux sont un outil qui fonctionne avec une plage dynamique élevée et un large gamut de couleur ». Deux notions indissociables comme nous le verrons plus tard.

Les technologies ayant considérablement évolué ces dernières années, il s’avère que la plupart des téléviseurs modernes sont capables de reproduire une gamme de luminances et de chrominances beaucoup plus vaste que leurs prédécesseurs à tubes cathodiques. Restait donc à normaliser un nouveau standard pour utiliser ces nouvelles capacités (plus de détails dans les hautes et basses lumières, des couleurs plus pures).

Les premiers travaux se sont orientés autour de la couleur, avec la publication d’un nouvel espace colorimétrique nettement plus grand, spécifié en 2012 dans la Recommandation BT. 2020 et adossé aux normes définissant l’UHD (4k et 8k).

Le travail sur la luminosité cependant a pris nettement plus de temps et ce n’est qu’en 2016 que l’ITU ratifie la norme BT. 2100 spécifiant la haute dynamique en plus de l’espace colorimétrique étendu: même gamut que la norme BT. 2020 mais dynamique augmentée



C’est ainsi qu’est né la technologie HDR. Malheureusement, comme elle est le fruit de plusieurs bureaux d’études différents ce n’est pas un mais plusieurs standards qui ont vu le jour : Le Dolby Vision, l’HDR10 et le HLG.


Le Dolby Vision : c’est un standard propriétaire établi sur 12 bits, avec une courbe de reproduction de luminosité fixe et absolue : la Perceptual Quantifier (PQ). Dolby impose un flux de production rigoureux de l’étalonnage jusqu’au visionnage par l’utilisation d’un matériel certifié Dolby Vision sur tout le flux. Des métadonnées dynamiques assurent l’adaptation de l’image sur les différentes qualités de téléviseurs assurant la meilleure reproduction possible en fonction du diffuseur.

Le standard est onéreux mais c’est un label de qualité supérieure utilisé en projection cinéma et sur les téléviseurs haut de gamme.

Le HDR 10 : c’est un standard libre de droits défini par la CTA (Consumer Technology Association) exploitant également la courbe de contraste PQ mais sur une quantification 10 bits et sans métadonnées dynamiques. C’est ainsi une alternative économique au Dolby Vision, adoptée par le HDMI Forum (dans le standard HDMI 2.0a) et implémentée par un grand nombre de fabricants.

Il est utilisé pour la distribution de contenus de type fiction sur Blu-ray et OTT (Netflix, Amazon). A noter, début 2017 une extension du HDR10 a été proposée : le HDR10+ qui inclut également des métadonnées dynamiques.


Le HLG : c’est un autre standard libre de droit développé pour la télévision par la BBC et la NHK et adopté par le DVB, l’ITU et le HDMI Forum (dans le standard HDMI 2.0b). On comprend mieux le titre de l’article puisque le HLG est en train de devenir de facto le standard de diffusion TV HDR.

Il est utilisée sur YouTube, BBC iPlayer ou Travel XP (Eutelsat) entre autres et est déjà retenue pour la TNT UHD/UDR (NRJ 12, Rolland Garros 2016)


Le HLG en question :


Les courbes de contrastes du HDR10 et du Dolby Vision (PQ) sont absolues, ces standards sont conçus pour être regardés avec un téléviseur nécessairement HDR et une luminosité ambiante précise de 10 cd/m². C’est assez restrictif, particulièrement dans un environnement domestique en journée, raison pour laquelle ils sont plus indiqués pour la distribution de contenus de type fiction.
Le HLG utilise au contraire une courbe de contraste relative. Il est conçu pour que le téléviseur s’adapte aux conditions d’ambiance lumineuse et il est donc parfaitement indiqué pour la transmission de la télévision de flux (qu’on va regarder à toute heure de la journée).

Pour être plus précis pour les vidéastes, le HLG définit une fonction de transfert non linéaire dans laquelle la moitié inférieure des valeurs du signal vidéo (basses et moyennes lumières) utilise une courbe gamma classique et la moitié supérieure (hautes lumières) une courbe logarithmique.
C’est donc bien comme le nom l’indique, une courbe hybride située entre le gamma Rec 709 que nous utilisons tous les jours et le gamma Log.



Un autre bénéfice lié à cette courbe de contraste hybride c’est que le HLG va avoir l’avantage d’offrir une transmission complète HDR (de la source à la diffusion) pour les équipements HDR, tout en restant compatible tel quel sur un écran standard, dit SDR.
Attention, on a bien dit “compatible” et on n’a pas dit profitant bien ou exploitant au mieux le HDR. Nuance qui ne saute pas aux yeux du consommateur non averti.
Visionnés sur un écran standard (SDR) l’interprétation sera acceptable mais restera approximative : l’image sera un peu plus sombre, les hautes lumières un peu délavées et les couleurs légèrement modifiées par rapport aux intentions visibles sur un écran HDR, il faudra être prudent et le savoir... mais on en reparle.

Quelques points importants :

- Le HLG peut être diffusé sur n’importe quel diffuseur ancien au prix d’une légère dérive de la courbe gamma et de la colorimétrie.
Par contre seul un diffuseur compatible HDR HLG utilisera au mieux la totalité de la courbe gamma et donc les très fortes luminosité. Dans le cas contraire l’expérience visuelle est tronquée.

- Lors de son affichage en HDR, le HLG est étiré, augmenté dans la partie Log de sa courbe et pour soutenir cet étalement il a été conçu dans sa norme pour une distribution 10 bits et donc pas pour des codecs 8 bits.
Il faut être prudent si on ne veut pas rencontrer des problèmes avec des codecs 8 bits, les zones présentant peu de texture et des dégradés très lisses peuvent générer des bandes distinctes à l’affichage.


- Le HLG décrit l’image différemment en haut et en bas de la courbe donc en postprod ces 2 parties réagiront incorrectement à une correction >> c’est une difficulté supplémentaire. Capturer directement en HLG rendra plus compliquées les corrections et il faudra probablement mieux capturer en Log (intégral) si l’on compte retoucher ses images.

- Le HLG n’a pas été conçu pour la capture, c’est un moyen pour transférer/distribuer/diffuser du contenu HDR à nos chères TV. Son installation dans les caméras ne trouve véritablement son sens que pour les usages en direct ou du moins sans étapes de corrections en post-production (news).

- La bonne nouvelle c’est que la vaste majorité des caméras disposants de fonctions HLG proposent également l’enregistrement en Log, parfois même en raw. Ainsi si l’on tient à maximiser la qualité d’enregistrement et se permettre de retoucher les images on peut choisir de le faire en Log/raw.

- Pour diffuser en HDR, il faut capturer en HDR. Malheureusement la plupart des petits capteurs (inférieurs à 2/3 de pouce) ne sont pas assez dynamiques pour fournir la matière première, la faute au rendement actuel d’une puce en silicium. Ainsi les caméras disposant de fonctionnalités HLG sont typiquement des caméras à moyen ou grand capteur (2/3 de pouce, 1 pouce et plus).


En conclusion

- Une production HDR dépend autant de la caméra que de la post production : il faut des caméras à la dynamique plus large (voir le lien avec le capteur), avec un gamut étendu et un codec adapté.
Il est donc raisonnable de penser qu'un grand capteur et une quantification 10 bits seront nécessaires pour une bonne création d’un flux HDR.
Mais il faut s’assurer de comprendre les limites de la post-production avec le HLG et surtout que ce n’est pas une sorte d’Hypergamma, ni un Log. A l’instar du Rec 709 actuel, c’est avant tout un standard de diffusion.

- Si une caméra propose d’enregistrer des images en HLG, c’est pour les diffuser telles quelles, qu’on soit en direct ou en différé: Tout comme le Rec 709, le HLG est un compromis destiné être le plus fonctionnel possible.

- Malgré l’augmentation de dynamique qu’apporte le HLG, la meilleure qualité d’image restera issue d’un tournage ou l’on sépare le gamma d’enregistrement de celui de projection. Cette dernière méthode permet également de plus facilement multiplier les formats de distribution/diffusion.

- Le marché du HDR reste encore très petit pour le moment, la plupart des diffusions d’un film produit en HDR seront en réalité faites en SDR.

- Faisons attention à cette “promesse” que fait le HLG d’être diffusable sur tous les écrans :
>1° faire un master HLG rajoutera certes quelques diffusions haut de gamme et augmentera sans nul doute la pérennité d’un film au catalogue de son producteur, mais il ne peut encore se suffire à lui seul.
> 2° En effet, diffusé tel quel sur les écrans SDR, on risque de voir sa création reproduite avec une qualité inférieure que si elle avait été produite en Rec 709.
Pour bien faire, il est donc important de procéder à une conversion soignée HLG/BT2020 vers Rec709/Rec709 et faire ainsi une double masterisation HDR et SDR.

Forest Finbow
AQW333

Pour tout savoir sur comment "Filmer en Haute Dynamique" rendez-vous à notre Conf-Atelier-Apero", le 22 février à Montreuil