# High Dynamic Range (formats)

Le HDR (abréviation du terme High Dynamic Range signifiant grande plage dynamique) est un type de formats et de normes de vidéos et d'images numériques permettant de représenter des niveaux de luminance plus élevés que la limite de 100 nits des contenus du standard SDR$^,$$^,$. Selon le format utilisé, une vidéo HDR permet de représenter des pics de luminance jusqu'à une valeur de 1 000 nits (via le format HLG (en)) ou jusqu'à 10 000 nits (via les formats Dolby Vision, HDR10, HDR10+). Le HDR a été initialement déployé dans le domaine de la vidéo et s'est par la suite étendu aux images. AVIF est un format d'image basé sur le codec AV1 et compatible HDR.
Le HDR permet d'augmenter la gamme dynamique pouvant être enregistrée dans une image ou une vidéo numérique et permet d'obtenir des hautes-lumières plus lumineuses, plus détaillées et plus saturées en couleur. Les technologies liées au HDR permettent également d'améliorer le détail dans les zones sombres$^,$.
Bien que cela ne soit pas techniquement obligatoire, les vidéos au format HDR couvrent habituellement le Rec. 2020 qui est un gamut de couleur étendu$^,$. Cela permet d'augmenter le niveau de saturation à laquelle une couleur peut être représentée. La combinaison du HDR et du Rec. 2020 permet augmenter mutuellement leurs effets et aboutit à un grand volume de couleur$^,$.
La compatibilité HDR d'un appareil garantit uniquement la capacité de lire ou d'enregistrer une vidéo dans au moins un des formats HDR et ne garantit pas que l'appareil est capable d'exploiter le potentiel d'une vidéo HDR. Toutefois, des certifications facultatives existent afin de pouvoir garantir les capacités d'affichages des écrans HDR.

## Intérêt

Certaines technologies permettent d'augmenter la quantité de pixels d'une image numérique. Les standards HD, Full HD, Ultra HD, 4K, 8K, etc permettent d'augmenter la définition d'une image. Le nombre d'images par seconde (24, 25, 30, 60, 120, etc.) permet d'augmenter la quantité de pixels par seconde. D'autres technologies permettent d'augmenter la qualité des pixels. C'est le cas pour les standards d'images ayant un gamut de couleur étendu (DCI-P3, Adobe RGB, Rec. 2020), c'est également le cas pour le HDR.
Les normes de luminance des vidéos standards (SDR) sont basées sur les caractéristiques des télévisions à tube cathodique (luminance maximale de 100 cd/m²)$^,$. Or, la luminance maximale des écrans modernes est en constante augmentation et a dépassé ces limites. Les standards d'images HDR ont été développés dans le but de s'affranchir de ces limites.
La dynamique des caméras et appareils photographiques a aussi largement dépassé celle des vidéos SDR notamment à l'aide de la technologie de capture d'image HDR. La technologie HDR en photographie ne doit pas être confondue avec les standards d'images numériques HDR. La première permet d'augmenter la dynamique des images capturées, la deuxième permet d'augmenter la dynamique que l'on peut enregistrer dans une image ou dans une vidéo numérique en dépassant les limites du SDR (100 nits).
Les images générées par ordinateur (comme les effets spéciaux numériques ou les images des jeux vidéo) ont généralement un rendu interne effectué avec une grande dynamique. Du contenu HDR peut donc d’ores et déjà être créé.
Les télévisions modernes sont aussi capables de couvrir un espace de couleur plus grand qu’auparavant. La combinaison du HDR et d’un gamut de couleur étendu (tel que celui du Rec. 2020) permet l’apport d’un conséquent volume de couleur.
Les images et vidéos SDR ont comme défaut de ne pouvoir présenter qu'un faible niveau de détail dans les zones sombres de l'image et une faible saturation des couleurs à mesure qu'elles se rapprochent d'une luminance de 100 cd/m² (ce qui blanchit les hautes-lumières).
Des études ont montré qu’augmenter la luminance et le détail des hautes lumières ainsi que le détail dans les zones sombres permet d’améliorer l’expérience visuelle du spectateur.

## Technologies

Le HDR repose sur un ensemble de technologies et varie selon le format utilisé.

### Fonction de transfert

Les images et vidéos SDR utilisent une courbe gamma comme fonction de transfert (standardisée par la recommandation BT.1886 ; limitée à 100 nits). Elle correspond au comportement des écrans cathodiques face à un signal vidéo.
Perceptual Quantizer (PQ) est une fonction de transfert développée par Dolby spécifiquement pour le HDR et publiée en norme en tant que SMPTE ST 2084. PQ est capable de représenter la luminance jusqu’à 10 000 nits.
Hybrid Log-Gamma (en) (HLG) est une fonction de transfert développée par la BBC et NHK pour le HDR et présente la particularité d'offrir un certain niveau de rétrocompatibité avec la courbe de transfert des écrans SDR.

### Métadonnées

Certains formats HDR utilisent des métadonnées aidant à adapter le contenu HDR aux capacités d'affichage de chaque écran.
Les métadonnées statiques donnent des informations concernant l'ensemble de la vidéo.
Les métadonnées dynamiques donnent des informations concernant une seule scène ou une seule image au sein de la vidéo.

### Gamut de couleur

Rec. 709 est le gamut des images et vidéos haute définition.
DCI-P3 est un gamut étendu.
Rec. 2020 est un gamut encore plus étendu et utilisé au sein des vidéos HDR.
Actuellement, la plupart des vidéos HDR sont masterisés dans les limites du DCI-P3 mais sont contenus dans le format Rec. 2020.

### Profondeur de couleur

Les vidéos et images SDR à destination du grand public sont généralement diffusées avec une profondeur de couleur de 8 bits.
Étant donné la grande plage dynamique du HDR, une profondeur de couleur de 10 bits voire 12 bits est utilisée afin de ne pas introduire de la postérisation.

### Espace de couleur

IC$_T$C$_P$, ICtCp, or ITP est un espace de couleur développé par Dolby spécifiquement pour le HDR. Il est équivalent au IPT.

## Normes et spécifications

En juillet 2016, l’ITU a publié la recommandation BT.2100 définissant les normes de la télévision à haute gamme dynamique. La Rec. 2100 (en) recommande l'arrêt de l’utilisation des fonctions de transfert conventionnelles à courbe gamma et le remplacement de celles-ci par la fonction de transfert du Perceptual Quantizer (PQ) ou du Hybrid Log-Gamma (en) (HLG). La Rec. 2100 se construit au-dessus des recommandations Rec. 709 (HD-TV) et Rec. 2020 (UHD-TV). La Rec. 2100 autorise le HDR sur la haute définition et sur l'ultra-haute définition, requiert une profondeur de couleur d'au moins 10 bits et établit un écran de référence avec un pic de luminance supérieur à 1000 cd/m² et un niveau de noir inférieur à 0,005 cd/m² .

## Normes et formats compatibles

Résumé :
| Nom | Concepteur(s) | Droits d'utilisation | Année | Profondeur de couleur (bits) | Métadonnées | S'adapte à la luminosité de la pièce | Compatibilité HDMI | Notes |
| Vidéo |||||||||
| Dolby Vision | Dolby | Propriétaire | 2015 | 10 ou 12 | Dynamiques | Non | À partir de l'HDMI 2.0a | |
| Dolby Vision IQ | Dolby | Propriétaire | 2020 | 10 ou 12 | Dynamiques | Oui | À partir de l'HDMI 2.0a | |
| HDR10 | Consumer Electronics Association | Libre | 2015 | 10 | Statiques | Non | À partir de l'HDMI 2.0a | |
| HDR10+ | Samsung | Gratuit ou licence annuelle (selon utilisation) | 2018 | 10 | Dynamiques | Non | À partir de l'HDMI 2.0a | |
| HDR10+ Adaptive | Samsung | Gratuit ou licence annuelle (selon utilisation) | 2021 | 10 | Dynamiques | Oui | À partir de l'HDMI 2.0a | |
| HLG (en) | BBC, NHK | Libre | 2016 | 10 | Sans métadonnées | Non | À partir de l'HDMI 2.0b | Destiné à la diffusion en télévision |
| Photo |||||||||
| AVIF | Alliance for Open Media (AOM) | Libre | 2019 | 8, 10 ou 12 | non applicable | Non | |
Il est aussi possible de rencontrer les mentions HDR Pro ou HDR Plus mais ce ne sont pas des certifications officielles.

### Dolby Vision

La norme Dolby Vision regroupe la fonction de transfert SMPTE ST 2084 (PQ), 12 bits de profondeur de couleur, l’espace colorimétrique Rec. 2020 et les métadonnées dynamiques. L'écran de référence utilisé pour Dolby Vision doit avoir une luminance maximale d’au moins 4000 cd/m². Pour le futur, des écrans de référence avec une luminance maximale de 10 000 cd/m² sont prévus.

### HDR10

Le 10 est en référence aux 10 bits de profondeur de couleur.
Le format HDR10 Media Profile regroupe la fonction de transfert SMPTE ST 2084 (PQ), un sous-échantillonnage 4:2:0, une profondeur de couleur de 10 bits, l’espace colorimétrique Rec. 2020 et les métadonnées SMPTE ST 2086, MaxFALL, MaxCLL. En HDR10, on ajuste l’image d’un clip ou d’un film en entier.

### HDR10+

Le HDR10+ reprend le HDR10 en y ajoutant les métadonnées dynamiques.
Dans HDR10+, les choses deviennent bien plus dynamiques. Les métadonnées arrivent image par image ou scène par scène. Par exemple, si l'on regarde un film qui passe d’une scène de lever de soleil à une scène de nuit, cette transition peut bénéficier d’un réglage différent de l’espace couleur. Si ces métadonnées sont programmées dans la scène, un écran géant LCD-LED HDR peut parfaitement adapter les contenus scènes par scènes.

### HLG

Hybrid Log-Gamma (en)
Cette technologie développée par des diffuseurs britanniques (BBC) et japonais (NHK) permet de diffuser un signal HDR qui reste utilisable pour les téléviseurs qui ne gèrent pas cette technologie. Il est donc particulièrement adapté à la diffusion par des chaînes de télévision.

### AVIF

AV1 Image File Format.
AVIF est un format d'image compatible HDR et basé sur le codec vidéo AV1.

## Certifications

Un écran qualifié HDR peut être capable de lire une vidéo HDR sans pour autant être capable de l'afficher différemment qu'une vidéo standard. En effet, la compatibilité HDR d'un appareil garantit uniquement la capacité de lire ou d'enregistrer une vidéo dans au moins un des formats HDR et ne garantit pas que l'appareil est capable d'exploiter le potentiel d'une vidéo HDR.
Des certifications facultatives existent afin de pouvoir garantir les capacités d'affichages des écrans HDR.

### Ultra HD Premium

Le logo Ultra HD Premium certifie une compatibilité HDR ainsi que soit un pic de luminance supérieur à 1000 cd/m² et un niveau de noir inférieur à 0,05 cd/m² soit un pic de luminance supérieur à 540 cd/m² et un niveau de noir inférieur à 0,0005 cd/m².

### Mobile HDR Premium

La certification "Mobile HDR Premium" concerne les smartphones, les tablettes et les ordinateurs portables.

### DisplayHDR

DisplayHDR est une certification HDR développée par VESA.

## HDR et Ultra-HD

L'Ultra HD Forum a lié le déploiement de l’Ultra-HD avec celui du HDR. Toutefois, le HDR peut être déployé dans des vidéos avec une définition d'image inférieure.