Vi hårdtestar Apple TV 4K

Här går Thomas Ytterberg igenom hur bra stödet för HDR och 4K är i djup detalj.

Den stora förändring runt det som kallas 4K har egentligen väldigt lite med just 4K och pixelupplösning att göra. Vad vi har är en stor förändring på gång för hela framtiden. En förändring som är den största förändringen sedan färg-tv uppfanns. För den färgstandard vi använder idag, vare sig du är medveten om det eller inte, är ITU Rec.709, även känd som HDTV-standarden. Detta är en digital 90-talsversion som i grund och botten bygger på vad som var möjligt med färg-tv år 1964. Det vill säga ett bildrör som lyser med ungefär 100 nits ljusstyrka.

Detta är grunden för rådande färgstandard. Så även standarden för webben och hur du just nu tittar på denna bild. Sedan 1964 har vi främst fått fler pixlar.

Färgen på den skärm där du läser detta baseras högst troligt på vad som var möjligt med de första färg-tv-apparaterna. En tjock-tv från förr är basen för hur färger på webben ska se ut. Det är hög tid till förändring av färg- och bildstandarder och den förändringen omfattar väldigt mycket mer än just 4K-upplösning:

Högre dynamik

Själva grundtesen är ett utökat dynamiskt omfång, HDR, High Dynamic Range, vilket bättre speglar hur öga och hjärna uppfattar olika ljusnivåer i verkligheten. Den befintliga färgstandarden, SDR, Standard Dynamic Range, och dagens tekniken bygger alltså inte på hur vår syn fungerar, utan på hur ett bildrör beter sig.

Det finns idag flera HDR-format där det viktigaste är HDR10-formatet som tillåter ljusstyrka upp till 10 000 nits. Dolby Vision är en mer avancerad variant av HDR10 som tillåter högre bildkvalitet. HLG, Hybrid Log Gamma, är en variant som kommer från broadcast-sidan för tv-sändningar. Den fungerar annorlunda och applicerar andra tonkurvor. HLG används idag främst vid satellitsändningar men även Youtube har en stor andel HDR-klipp som är kodade för HLG. Ja, det är fler HDR-format på väg.

Fler färger

Fler nyansskillnader/högre bitdjup kännetecknar HDR. Vi kan alltså återge fler färger och har mindre nyansskillnader. Vilket är ett måste för att täcka in det utökade dynamiska omfånget med HDR. Rec.709-standarden för HDTV är specificerad till 8 bitars nyansering, 256 nyanssteg, vilket lämnar i teorin 16,7 miljoner färger. I praktiken närmare 10 miljoner. All nuvarande SDR-konsumention av video är 8-bitars format, dvd, Digital-tv, Blu-ray etc. Med HDR10-standarden använder man 10 bitars färgdjup (1024 nyanssteg) Dolby Vision 12-bitars färgdjup med då 4096 nyanssteg.

Annan tonkurva, EOTF

HDR använder en ny typ av tonkurva, ”gamma” eller bättre beskrivet, EOTF, Electro-Optical Transfer Function. Alltså utbytet mellan signalnivå och nivå av faktiskt ljus. Detta beskriver hur bilden tonar från svart till vitt. För Rec.709 och SDR är tonkurvan återigen baserad på hur en bildrörs-tv beter sig. Detta beskrivs vanligtvis som ”gamma” i form av en potensfunktion, ofta med en exponent inom intervallet 2.2 till 2.5.

Det går med dagens teknik inte att växla sömlöst mellan olika frekvenser eller mellan HDR och SDR. Signalen måste synka om och du måste även varje gång bekräfta att signalen fungerar.

Med HDR10 och Dolby Vision används istället en PQ-tonkurva, Perceptual Quantizer, som bygger på hur våra ögon fungerar. Som namnet antyder bygger detta på forskning som kvantifierar vår uppfattning av ljus. Formellt beteckning är SMPTE ST 2084. PQ-tonkurvan är drastisk olika gentemot SDR och ”gamma”. Dels arbetar PQ-tonkurvan med absoluta nivåer av ljus. Ett kodvärde motsvaras av fysikalisk ljusstyrka. Dels ger PQ-tonkurvan ett mycket större omfång av mörka nyanser.

HLG-formatet, Hybrid Log Gamma, använder en annan tonkurva med anpassning för hur ljust rummet är. Apple TV 4K hanterar i dag inte HLG-formatet.

Större färgrymd

Eftersom gamla Rec.709 och dagens normala standard bygger på vad bildrörs-tv:n i praktiken kunde ge på 60-talet är det en ganska snäv färgrymd. Många nyanser synliga för ögat kan inte återges på Rec.709. Särskilt starkt mättade toner. Den nya standarden är ITU Rec.2020 och rymmer mycket mer av de synliga nyanserna. För filmskapande stämmer detta också mer överens om digital biografstandard, DCI-P3 i fråga om vilka nyanser som ska och kan synas. Nyanser som kan fångas av kameran men aldrig kunde återges med befintlig standard kan nu återges.

UHD-standardern använder Rec.2020-färgrymden. I praktiken idag når man dock till DCI-P3-färgrymden (grå triangel) och material för 4K/UHD och HDR mastras ofta mot DCI-P3. Med skillnaden att man fortfarande använder D65-vitpunkten och inte DCI-vitpunkten. SDR/rec.709 är den minsta färgrymden (vit triangel). Hela färgseglet är det för ögat synbara färgerna.

Fler pixlar

4K-upplösning med UHD och 3 840 × 2 160 pixlar i all ära. Såklart skadar det inte att få möjlighet till mer detaljer och skärpa i bilden. Fast detta är det minst viktiga av alla nyheter som sker på den här fronten. Ändå är det vad som oftast diskuteras mest. Förmodligen för att vi har diskuterat pixlar i många år. Pixlar är mindre komplext att begripa, enklare att diskutera och lättare för tillverkarna när de bygger nya tv-apparater. Men det är det minst viktiga av alla de nyheter som är på väg.

4:2:0 och 4:2:2 – reducerade färger

Det Apple kallar Krominans i Apple TV:s menyer är något som annars benämns som chroma subsampling. Det är enkelt uttryckt en reducering av färginformationen i signalen för att spara bandbredd. Metoderna och förklaringen bakom detta är mer än tillräckligt komplex. I grunden handlar det om vår syn med stavar och tappar i ögonen. Vi har många stavar och stavarna är de som känner av ljusstyrka. Tapparna har vi (vanligtvis) tre sorter av vilka reagerar på rött, grönt och blått ljus. I fråga om mängd är de betydligt färre än stavarna och den konkreta effekten är att vi inte ser detaljerat i färg utan i ljusstyrka eller svartvitt om man så vill.

Digital video lagras i formatet YCbCr med luminans (Y) och två krominanskomponenter (Cb och Cr). Det går att minska färginformationen i bildens krominanskomponenter med vad som är minimal eller ingen synbar kvalitetsförlust. Detta beskrivs på följande sätt:

Ett annat sätt att beskriva detta är att med 4:2:0-subsampling har vi en fjärdedel så hög upplösning i färgerna. Vid 4K-UHD har vi alltså 3 840 × 2 160 pixlar av Y, luminans, det vill säga ljusstyrka och detaljer våra ögon kan uppfatta, men endast 1/4-del så mycket färginformation i Cb och Cr, alltså 1 920 × 1 080 pixlar. Detta samplas sedan upp och det kan ske redan i källan eller i tv:n men också både och. Förr eller senare måste bildsignalen omvandlas till RGB för att driva displayens RGB-subpixlar. Den omvandlingen kan också sker både i källan och i Displayen.

Källan är så gott som alltid 4:2:0

Algoritmerna och metoderna bakom detta är förstås betydligt mer komplexa än beskrivet ovan. Det viktiga är att förstås varför detta sker och det svaret finns i halvering av bandbredden med 4:2:0. Därför används 4:2:0-subsampling på all konsumentvideo som vi tar del av. UHD Blu-ray, vanlig Blu-ray, dvd, digital-tv, Youtube, Netflix och så vidare – även jpeg-bilder – alla använder sig av 4:2:0-subsampling. Det spar så mycket plats i fråga om rå bildata som måste komprimeras med mpeg2, mpeg4, HEVC eller vilka kompressionsalgoritmer som sedan används.

Fast detta är också något som varit mer eller mindre osynligt för dig som slutanvändare. Du har egentligen inte behövt tänka på de här alternativen tidigare. Vad som händer med 4K-upplösning och HDR är att vi också talar om att öka färgdjupet i signalen från 8 bitar till 10 eller 12 bitar. Det vill säga gå från 256 till 1 024 eller 4 096 nyanssteg. När vi då talar om att köra en bildsignal på 60 Hz får vi bandbreddsproblem vid uppspelning. Det som skickas över HDMI-kabel är knappast någon mpeg-ström eller liknande utan det råa formatet pixel för pixel. Då får chroma subsampling återigen stor betydelse i fråga om bandbredd med 4K-signal.

RGB-signal endast i SDR-läge på ATV 4K

Det går också att skicka signalen som RGB-signal. Då har YCbCr-innehållet redan omvandlats i källan till RGB. Poängen med detta är att olika typer av färgformat har olika viktningar på RGB-balansen. Sker omvandling mellan YCbCr och RGB med fel RGB-viktning återges färgerna fel. Inte väldiga fel, men tillräckligt för att sabotera precisionen i bilden. Apple TV 4K kan endast skicka HDR-signal som YCbCr 4:2:0 eller 4:2:2. Först när du stänger av HDR kan du välja RGB eller 4:4:4 ut ur Apple TV 4K.

HDMI har två specificerade bandbreddsgränser, 10,2(*) respektive 18,0 gigabit per sekund. Detta brukar också beskrivas som pixelklocka om 340(*) respektive 600 MHz. Ofta, men inte alltid, när du på en tv aktiverar UHD-läget eller ”UHD Deep Color” ställer man om tv:ns HDMI-kretsar till den högre bandbredden. Det vill säga alla signalformat som kräver mer än 9 Gbps vanligtvis kräver att du på något sätt aktiverar en funktion i tv:n för utökad bandbredd.

(*) I praktiken är kretsarna HDMI-begränsade till 9 Gbps/300 MHz.

• (-) Formatet ej specificerat i HDMI-standarden, men kan i praktiken fungera ändå

• (!) Kräver mer bandbredd än rådande HDMI-standard

Som jämförelse ställer 60 Hz 1080p-signal, full hd, med 12-bitars 4:4:4-subsampling ett bandbreddskrav om ca 6 Gbps. Sällan problem någonstans idag.