รู้หรือไม่? HDR ไม่ได้ถูกออกแบบมาเพื่อฉายบนโปรเจคเตอร์

รู้หรือไม่ว่าโปรเจคเตอร์ที่ใช้ในบ้านหรือใช้ในห้อง Home Theater โดยทั่วไปนั้นไม่เหมาะกับภาพแบบ HDR ตรงๆ จะต้องมีการทำ Tone Mapping หรือมีการทำเป็น SDR in HDR Container มากกว่า หลายท่านอาจจะสงสัยและอยากรู้มากขึ้นว่าทำไมภาพแบบ HDR ที่ใช้กันโดยทั่วไปในจอทีวี Flat Panel ต่างๆ ถึงไม่เหมาะสมกับจอโปรเจคเตอร์ สิ่งหนึ่งที่อาจจะพอเดาได้ก็คือว่า จอโปรเจคเตอร์มีความสว่างไม่มากก็คงไม่เหมาะกับภาพแบบ HDR แต่ในรายละเอียดนอกจากนี้แล้วยังมีอะไรอีกไหม?

ก่อนจะพูดเรื่องของ HDR และ SDR ผมเลยจะขอพูดถึงพื้นฐานในเรื่องของความสว่างและการมองของมนุษย์เป็นพื้นฐานก่อน เพื่อจะทำให้เห็นภาพของ HDR และ SDR มากขึ้น สายตาของมนุษย์เราสามารถรับค่า Contrast Ratio หรือ จากส่วนมืดสุดไปส่วนที่สว่างที่สุดได้ถึง 1,000,000:1 แต่! เดี๋ยวก่อนนะครับ บางคนคิดว่าเราสามารถมองภาพได้ Contrast Ratio ได้กว้างขนาดนั้นเลยจริงๆหรอ? ความจริงแล้วค่านี้เป็นค่าที่ความสามารถสูงสุดของสายตามนุษย์ในแต่ละสถานการณ์ที่แตกต่างกัน ไม่ได้หมายถึงในการมองภาพเพียงครั้งเดียว เพราะว่าในการมองภาพพร้อมๆกันในครั้งเดียวกันนั้น สายตาของมนุษย์จะสามารถเก็บ Contrast ได้แคบลงและคงที่ตลอดแค่ประมาณ 10,000:1 เท่านั้น ไม่สามารถเก็บ Contrast ได้พร้อมกันทั้ง 1,000,000:1

และการรับรู้ Contrast ของภาพก็ต้องอาศัยเวลา เพื่อให้มีการปรับสายตาด้วยในการมองภาพที่มีความสว่างไม่เท่ากัน เช่น ถ้าเรากำลังมองภาพออกไปนอกหน้าต่างที่มีความสว่างมาก และเมื่อหันกลับมามองภาพภายในห้องที่มืดกว่า สายตาของมนุษย์เราต้องใช้เวลาปรับหลายนาทีกว่าจะสามารถรับรู้รายละเอียดที่อยู่ในส่วนมืดของห้องได้ และในทางกลับกัน เมื่อกำลังมองภาพในห้องที่มืดแล้วกลับไปหาในส่วนที่สว่างกว่ามากๆ สายตาของมนุษย์ก็ต้องใช้เวลาในการปรับเพื่อให้สามารถมองภาพในสิ่งแวดล้อมที่สว่างนั้นได้ แต่เวลาที่ใช้ในการปรับจากการมองในจุดมืดไปในจุดที่สว่างกว่า จะใช้เวลาน้อยกว่า คือประมาณหลักสิบวินาที ไม่ได้ใช้เวลาเป็นนาทีเหมือนจากจุดสว่างไปยังส่วนมืด

การดูทีวีที่จอขนาดเล็กที่มีองศาการดูประมาณ 5-15 องศาในห้องที่มืด โดยธรรมชาติสายตาของมนุษย์จะไม่สามารถปรับ Contrast แยกเป็นส่วนๆได้ ทำให้ Contrast ที่สายตารับได้ไม่เต็มที่ เพราะมีทั้งส่วนที่มืดมากและสว่างมากอยู่พร้อมกัน ในสิ่งแวดล้อมแบบนี้การที่จะทำให้สายตาเก็บ Contrast เต็มที่จากภาพ HDR ก็คือต้องเพิ่มองศาการดูมากกว่า 45 องศา ก็จะทำให้การรับรู้ Contrast จากภาพ HDR ในจอทีวีได้มากขึ้น และไม่เกิดการเมื่อยล้าของสายตาที่ต้องจ้องมองภาพจากจอที่สว่างในสิ่งแวดล้อมที่สภาพแสงมืดมีความแตกต่างจากภาพในจอมากเกินไป หรือไม่ก็ต้องทำให้สิ่งแวดล้อมรอบๆจอภาพไม่มืดสนิท สังเกตุดูได้จากห้อง Post Production ที่ Colorist ใช้ในการปรับแต่งสีของภาพจะไม่ได้มืดสนิท แต่จะมีแสงสว่างบ้างเล็กน้อยรอบจอภาพ เพื่อไม่ให้สายตาล้าเกินไป และให้การตอบสนองต่อ Contrast ของภาพได้ดีขึ้น

diagram นี้ถูกนำเสนอออกมาตอนมีการพูดถึงเรื่องของภาพแบบ HDR ว่าดีกว่าภาพแบบ SDR ยังไง ในช่วงแรกที่ภาพแบบ HDR กำลังบูม เพราะขณะนั้นจอภาพทุกอย่างที่ออกมาต้องเป็น HDR แต่เชื่อไหมครับ diagram นี้มีหลายอย่างที่คลาดเคลื่อนจากความเป็นจริง ทำให้คนดู diagram นี้เข้าใจผิด

• อย่างแรกคือ สายตามนุษย์ไม่สามารถเก็บ Contrast ได้มากกว่า 10,000:1 ในการมองภาพพร้อมกันได้อย่างที่ได้กล่าวมาแล้ว แต่ diagram บอกว่าการมอง HDR สายตามนุษย์สามารถรับรู้ Contrast ได้ถึง 0.0005-10,000 cd/m² พร้อมกัน
• ดังนั้นคำว่า Dynamic Range ที่มนุษย์รับได้ (Human Dynamic Range) ในด้านซ้ายจึงไม่ถูกต้อง ควรจะเปลี่ยนเป็น Dynamic Range ของภาพจริง (Original Scene Dynamic Range) น่าจะเหมาะสมกว่า
• ความดำสุดของภาพจากจอภาพจอเดียวกัน ไม่ว่าจะเป็นภาพแบบ SDR หรือ HDR ก็จะมีความดำสุดเท่ากัน แต่จาก diagram เหมือนจะบอกว่าภาพ SDR ดำสุด 0.05 cd/m² ภาพ HDR ดำสุด 0.0005 cd/m² แต่ในความเป็นจริงแล้ว จอภาพจอเดียวกันก็จะให้ความดำสุดของภาพเท่ากัน ไม่ว่าจะเป็นภาพ SDR หรือ HDR
• จอภาพแบบ HDR ที่มีอยู่ในตลาดผู้บริโภคในปัจจุบัน ยังไม่มีจอไหนสามารถรองรับความสว่างได้ถึง 10,000 nits จอทีวีในปัจจุบันยังอยู่ในระดับพัน nits ส่วนโปรเจคเตอร์ไม่ต้องพูดถึง ยังอยู่ในระดับร้อย nits อยู่เลย

จากข้อมูลข้างต้น นำเอา diagram เดิมมาเขียนใหม่เพื่อให้ถูกต้องเหมาะสมกับจอภาพในปัจจุบัน ก็น่าจะเป็นดังรูปนี้

ภาพ HDR จะใช้ EOTF(Gamma) ที่เรียกว่า ST2084(PQ HDR) เป็นพื้นฐานไม่ว่าจะเป็น HDR แบบ Dolby Vision, HDR10, HDR10+ โดย ST2084 ลักษณะจะไม่เหมือนกับ Gamma ที่คุ้นเคยใน SDR เพราะ ST2084 จะมีการกำหนดมาตรฐานความสว่างเป็น nits มาเลยว่าความสว่างสูงสุดอยู่ที่เท่าไหร่ เช่น 1,000, 4,000 หรือ 10,000 nits (Absolute Standard) และความสว่างความมืดของแต่ละตำแหน่งจะอยู่ที่เท่าไร มีค่ากี่ nits ในขณะที่ค่า Power Gamma แบบเดิมจะเอาค่าความดำสุด และสว่างสุดของจอภาพนั้นๆมาคำนวณ (relative) เพื่อกำหนดเป็น curve ว่าจะเอาเป็น 1.8 ,2.0 ,2.4 , 2.6 ฯลฯ อยากให้ภาพสว่างหน่อยก็ตั้งค่าให้ต่ำเข้าไว้ 1.8, 2.0 อยากให้ภาพมืดลง มีการไล่ระดับความดำที่ละเอียดขึ้นก็เลือกค่าสูงไปที่ 2.4, 2.6 เป็นต้น ดังนั้นก็จะพบเป็นประจำว่า เมื่อเอาภาพ HDR มาเปิดกับโปรเจคเตอร์ที่มีความสว่างน้อยกว่าค่าความสว่างสูงสุดที่ใส่ลงมาในภาพยนตร์เรื่องนั้นมากๆ (1,000-4,000 nits) ภาพที่ออกมาก็จะดูมืด แต่เมื่อใช้ค่า EOTF แบบ gamma กลับให้ภาพที่ดูสว่างมากขึ้นและให้รายละเอียดในส่วนมืดได้ดีกว่า ดังนั้นโปรเจคเตอร์สำหรับ HDR จึงต้องทำให้สามารถมีการปรับค่า Tone Mapping ไม่ว่าจะเป็น Static Tone Mapping หรือ Dynamic Tone Mapping เพื่อให้ความสว่างในภาพยนตร์มีความเหมาะสมกับโปรเจคเตอร์เครื่องนั้นๆ หรือ เครื่อง External Video Processor เช่น Lumagen หรือ MadVR ก็จะใช้วิธีการตัดค่าความสว่างของ ST2084 ออกไป แล้วมีการคำนวณใช้ค่า Gamma เข้ามาปรับค่าความสว่างแทนในแต่ละฉาก (Dynamic Tone Mapping) ที่เรียกวิธีนี้ว่า SDR in HDR container อย่างที่เคยพูดเอาไว้

สำหรับ HLG (Hybrid Log Gamma) HDR ที่ในอนาคต จะมีการใช้ในการออกอากาศ broadcast ต่างๆ ก็จะมีพื้นฐานต่างจาก PQ HDR ที่ไม่ใช้เป็น absolute standard แต่จะใช้แบบ relative แทน โดย BBC HLG HDR จะออกแบบสำหรับจอภาพที่ทำความสว่างสูงสุดไว้ที่ 5,000 nits ในขณะที่ ST2084 อยู่ที่ 10,000 nits

นอกจากนี้ HLG HDR ก็มีการใช้ค่าความสว่างของสิ่งแวดล้อมเพื่อกำหนด EOTF curve ด้วย โดยถ้าสิ่งแวดล้อมที่จอภาพอยู่ในความสว่างต่างกันก็จะใช้ EOTF curve ที่ต่างกันเพื่อให้ภาพออกมามีความเหมาะสมและพอดีกับสิ่งแวดล้อม

การมองเห็นความสว่างของภาพในมนุษย์ไม่ได้มองเห็นในแบบ linear แต่จะตอบสนองเป็นแบบ logarithmic เช่นเดียวกับการรับรู้เสียงของมนุษย์ สำหรับ SDR (Standard Dynamic Range) Rec709 ที่ความสว่างสูงสุดอยู่แค่ 100 nits เมื่อเทียบกับ peak level ของความสว่างสูงสุดใน PQ HDR ที่มีสูงถึง 10,000 nits ถ้าเป็นอัตราส่วนแบบ linear ค่าความสว่างของ SDR แค่นี้คงจะเป็นเพียงเศษเสี้ยวของ HDR แต่ความจริงแล้วการรับรู้ 100 nits นี้ครอบคลุมถึง 50% ของ PQ HDR เลย เพราะฉะนั้นการปรับภาพ SDR Rec709 จึงเป็นพื้นฐานที่สำคัญสำหรับการปรับภาพแบบ HDR

จากข้อมูลต่างๆข้างต้นก็พอจะสรุปได้ว่า ณ เวลานี้ ภาพ HDR แบบตรงๆนั้นยังไม่เหมาะกับโปรเจคเตอร์ที่มีใช้ในตลาดผู้บริโภคปัจจุบัน เนื่องจากว่า ความสว่างของโปรเจคเตอร์ยังห่างไกลจากความสว่างที่เป็นมาตรฐานของ HDR ทำให้การใช้ค่า EOTF ST2084 ที่ออกแบบมาสำหรับภาพ HDR โดยเฉพาะก็จะทำให้เกิดความไม่สมบูรณ์ของภาพ ดังนั้นจึงต้องมีการใช้ระบบ Tone Mapping ที่เหมาะสม เพื่อทำการเปลี่ยนแปลงข้อมูลความสว่างที่เกินความสว่างสูงสุดและความมืดต่ำสุดที่โปรเจคเตอร์สามารถทำได้ ไปยังโปรเจคเตอร์ให้ยังสามารถได้รายละเอียดครบถ้วนทั้งในส่วนมืดและสว่างของภาพ ดังนั้นโปรเจคเตอร์ในปัจจุบันที่มีคุณภาพดีก็จะให้ความสำคัญกับระบบ Tone Mapping ของภาพ รวมถึง External Video Processor ที่มีอยู่ในตลาดผู้บริโภคก็ต้องมี Function ในการทำ Dynamic Tone Mapping ที่ละเอียด แม่นยำ และรวดเร็ว ทั้งหมดนี้ก็เพื่อให้โปรเจคเตอร์สามารถแสดงภาพ HDR ได้สว่าง สดสวย งดงามอย่างเช่นภาพ HDR ที่เห็นจากจอทีวี ก็อย่างที่เซียนด้านภาพหลายคนบอกเอาไว้ว่า “ภาพแบบ HDR นั้น เรื่องของความสว่างความดำของภาพมีความสำคัญมากกว่าความถูกต้องของสีสันที่อยู่ในภาพ”

Credit by หมอเอก