xvYCC (x.v.Colour) i Deep Colour, czyli gdy technologia prześciga standardy…

xvYCC (x.v.Colour) – nowa, szersza paleta barw?

Jako posiadacz, lub przyszły posiadacz nowego telewizora na pewno usłyszysz, od sprzedawcy w sklepie / broszury reklamowej producenta / z pokazowego video, o innowacyjnej, rewolucyjnej i w ogóle niezbędnej do życia funkcji szerszej palety barw, której oficjalna nazwa to xvYCC (inne to np. x.v.Colour, używane przez Sony).

„Zaraz, zaraz, szersza paleta barw…?” – Powie czytelnik bloga – „Przecież, w ostatniej publikacji pt. czym jest gamut pisałeś, Maciej, że standardem w jakim wydane są filmy i jakiego należy się trzymać jest Rec. 709. Czy istnieje w takim razie jakaś alternatywa?” Krótka odpowiedź zabrzmi: istnieje w teorii, w praktyce nie warto zaprzątać sobie tym głowy…

Historia narodziła się wraz z nastaniem panowania telewizorów LCD. Nowoczesne wyświetlacze nie posiadają już takich ograniczeń w reprodukcji barw, jaka dotykała ekrany CRT i są w stanie oddawać większość kolorów widzialnych. Przypomnijmy jakie spektrum barw ogarnia obecny standard ITU-R Bt. 709

Przypomnę, że całe kolorowe pole, to barwy rozróżniane ludzkim okiem. Trójkąt w środku to zakres kolorów jakie mogą powstać z mieszania barw podstawowych – czerwonej, zielonej i niebieskiej leżących na wierzchołkach, których położenie określa jednoznacznie standard Rec.709

Kolory na ekranie podlegają mieszaniu addytywnemu („dodają się do siebie”), sposobem na poszerzenie palety barw jest więc zaadaptowanie nowych punktów skrajnych (wierzchołków) i tym samym objęcie większej ilości barw. Jest jednak pewien poważny problem. Jak napisałem w temacie „czym jest gamut”.

Każde cyfrowe Video to nic innego jak ciągi  informacji o ilości mieszanych barw składowych na każdym pikselu. Czyli swoisty przepis na obraz. Równie ważną jest jednak, wiedza o tym jak każda z tych, barw składowych, dokładnie wygląda.

Jeżeli wyświetlacz jest nieskalibrowany na przykład jego składowa zieleni jest zbyt mało nasycona, jak na przykładzie obok.

Każda mieszanka barw będzie reprodukowana nie tak jak należy. „Białe” przestanie być białe. Paleta kolorów zwyczajnie się skurczy, powodując problemy z obrazem.

Powyższy problem nastąpi też, jeżeli wprowadzimy nowy (lepszy) standard. Mastering nowych produkcji, mógłby być przeprowadzony używając nowych barwników, ale co ze wszystkimi produkcjami, które zostały wydane dotychczas, z barwnikami Rec. 709? Odtwarzanie ich na wyświetlaczu o innej charakterystyce odbiło by się bardzo negatywnie na jakości obrazu. Wprowadzenie nowych norm nie jest wobec tego takie łatwe.

Próbę rozwiązania tego problemu podjęto w roku 1998, jednak ówczesne szkice techniczne nigdy nie zostały przyjęte. Powrócono do nich w 2006r. i zaowocowało to uchwaleniem standardu xvYCC (dokument IEC 61966-2-4).

Co wyróżnia przestrzeń barwną xvYCC?

Aby nie zrywać kompatybilności z dotychczasowymi normami, ustalono, że nowy standard będzie współdzielił pozycję, wszystkich trzech wierzchołków, jak i punktu bieli, z dotychczasowymi normami Rec. 709 i sRGB .

„Zaraz, zaraz…”  – mógłby powiedzieć czytelnik – „przecież nowy standard miał obejmować więcej barw, a wychodzi na to, że będzie klonem dotychczasowego…”.

Na pierwszy rzut oka może to tak wyglądać, inżynierowie znaleźli jednak wyjście w czymś, o czym nie nadmieniłem wcześniej. Strumień Video jakie jest serwowane nam na płytach DVD, Blu-Ray, czy w telewizji przenosi informacje o kolorze danego pixela w formacie YCbCr, gdzie:

Y – jasność

Cb – różnica pomiędzy kanałem niebieskim a luminancją

Cr – różnica pomiędzy kanałem czerwonym a luminancją

Pierwsza z tych wartości była do tej pory ograniczona do zakresu 16-235, pozostałe dwie 16-240. Przyczyny tych ograniczeń są zbyt długie aby się o nich rozpisywać. Tak czy inaczej, 8 bitowy kod pozwala rozróżnić 2^8 = 256 różnych wartości, a to więcej niż używano dotychczas. Wartości spoza wcześniej wymienionych zakresów były tak zwanymi „wartościami zakazanymi”, w xvYCC postanowiono zrobić z nich użytek.

Pomysł na xvYCC brzmi więc:

zapomnijmy o martwych ograniczeniach (ale nie zrywajmy kompatybilności), wykorzystajmy dodatkowe 32/37 poziomy (0 – 15, 240/235 – 255) do zakodowania nowych barw.

I tak oto rodzi się nowa figura, rzekomo 80% większa od obecnej.

 xvYCC bazuje na wierzchołkach Rec 709, punkty poza gamutem standardowym uzyskiwane są dzięki nowym kodom,

Dzięki temu wszystkie filmy powstałe przy użyciu barwników obecnego standardu mogą być odtwarzane na nowych telewizorach xvYCC bez problemu (oczywiście, o ile wyświetlacz jest poprawnie skalibrowany do przestrzeni Rec 709). Takie zachowanie kompatybilności pozwala stopniowo nasycać rynek telewizorami zgodnymi z nowym standardem.

Ale… czy ten standard faktycznie nadchodzi?

Funkcja szerokiego gamutu swoją premierę miała w 2006. W tym samym czasie pojawiła się nowa specyfikacja HDMI 1.3, która wspiera wspomnianą funkcję. Większość wyświetlaczy sprzedawanych od 06 – 07 roku też wspiera xvYCC.

Nowy standard zachowuje kompatybilność wsteczną, ale co gdy użyjemy filmu kodowanego w nim na starym sprzęcie? Na to pytanie niestety nie ma jednoznacznej odpowiedzi. W lepszym scenariuszu wyświetlacz zwyczajnie obetnie wartości wychodząca poza standardowy zakres. W gorszym efekty mogą być nieprzewidywalne.

Wygląda więc na to, że wszystko zmierza w dobrym kierunku, jednak, zanim dostaniemy pierwszy film kodowany w szerokiej palecie barw, upłynie jeszcze kilka lat. Minęło już 5 lat od uchwalenia nowych standardów, ale na rynku wciąż, większość sprzętu jest nieprzystosowana do przetwarzania video xvYCC. Żadna wytwórnia nie zdecyduje się na mastering materiału z użyciem techniki, która zawęzi grono nabywców. Funkcję należy traktować w tej chwili jako ciekawostkę, jako przygotowanie na coś nadejdzie.

Nie należy dać się zwieść prezentacją sprzedawców, pokazujących, jakich niebywałych barw dostaje obraz z pomocą xvYCC. Owszem, różnice da się zauważyć, inaczej funkcja nie miałaby racji bytu, ale to co znajdziemy w supermarketach to zwyczajna manipulacja obrazem.

Wiedz też czytelniku, że…

Nawet najnowsze płyty i odtwarzacze Blu-ray (czy zanikłe HD DVD) są wciąż ograniczone do kodowania 8 – bitowego sygnału w trybie YCbCr 4:2:0 (o którym napiszę kiedy indziej). Nie pozwalają one i nie ma w najbliższych planach możliwości transmisji strumienia xvYCC.

Przykłady precyzji kolorów
2 bity
4 bity
8 bitów
24 bity (czyli 8 bitów na subpixel)

Deep Colour

A co z „Deep Colour”? Jak już wspominałem wyżej, do tej pory (i przez najbliższe lata) każde video, jakie trafia na rynek kodowane jest w trybie 8 bitów na subpixel w przestrzeni barwnej Rec 709. Przestrzeń barwna, jak już wiemy, ewoluuje. Precyzja koloru też.

Funkcja Deep Colour, wprowadzona wraz z HDMI 1.3 daje możliwość dystrybucji video w precyzji większej niż 8 bitowej, ściślej mówiąc dostępne są nowe warianty 10, 12 i 16 bitowy.

Ilość bitów na subpixel to nic innego jak ilość tonów jakie może uzyskiwać każda składowa barwa R (czerwony), G (zielony), B (niebieski). 8 bitów to 256 możliwości, 10 daje 1024, 12 – 4096 itd.

Jaka z tego korzyść?

Kodowanie z wyższą precyzją pozwala rozbić gamut wycięty wierzchołkami R (czerwony), G (zielony), B (niebieski) na większą ilość punktów, czyli wytworzyć więcej tonów każdej barwy.

Czy nowe tony będą widoczne? Przy przejściu z 8 na 10 bitów, odpowiedź moja jest twierdząca. Dalsze pogłębianie dokładności (vel 10 -> 12 bit) nie jest już tak oczywiste. 8 bitowy przypadające na każdy subpixel pozwala uzyskać 16,7 milionów różnych barw, 10 bitów to aż 1.073 miliarda.

Funkcja deep color nie odnosi się do jakiejś konkretnej przestrzeni barwnej, większa precyzja koloru może dotyczyć zarówno xvYCC jak i Rec 709 (a nawet starego Rec. 601).

Ponownie, podczas prezentacji możliwości deep color, nie należy dać się zwieść materiałom reklamowym przeznaczonym do tego. Zjawisko bandingu kolorów, czyli widocznego odcinania się jednej barwy od drugiej (obrazek po lewo):

To, na video, którym obejrzysz, najczęściej efekt stratnej kompresji obrazu, lub celowej manipulacji, a nie niewystarczającej precyzji kolorów. 256 stopni gradacji to na prawdę dużo.

Po raz kolejny mamy więc do czynienia z funkcją ewolucyjną, a nie rewolucyjną, która jak dotąd i w najbliższych latach nie zagości pod naszymi dachami.