Różnice w jakości obrazu odtwarzaczy Blu-ray?

WPIS ARCHIWALNY

Trudno uwierzyć, że w już w niedługim czasie nowe odtwarzacze Blu-ray nie będą w stanie przesłać sygnału 1080p poprzez złącze Componentowe. Wprowadzone przepisy (2.2.2.1 oraz 2.2.2.2 Analog Sunset) ograniczają możliwość  przesłania obrazu HD w postaci wyższej niż 480i i 576i. Oznacza to, że uzyskanie wysokiej jakości obrazu dla nowych urządzeń będzie możliwe tylko i wyłącznie poprzez złącza HDMI.

Fakt, że zawartość płyty Blu-ray zostanie przesłania cyfrowo do wyświetlacza (projektor lub telewizor) powinien być gwarancją najlepszej jakość obrazu, transferu bez jakichkolwiek problemów. W końcu przesył dotyczy materiału cyfrowego, a „bity to bity”. Nie powinno być zatem różnic pomiędzy odtwarzaczami Blu-ray dostarczającymi w ten sam sposób obraz po złączu HDMI. Jak jest w rzeczywistości?

Prawda jest nieco bardziej złożona. Zasada “bity to bity” nie ma pełnego zastosowania do standardu Blu-ray ponieważ sam nośnik Blu-ray oraz urządzenia wyświetlające rozmawiają w innych językach. HDMI dokona transferu danych pomiędzy elementami systemu w sposób prawidłowy, jednak w jaki sposób odtwarzacze i wyświetlacze poradzą sobie z danymi  – jest najbardziej istotne jeśli mowa o prawidłowym przekazie danych.

Wszystkie współczesne wyświetlacze używają standardu RGB do wyświetlanie koloru na ekranie, gdzie biały jest sumą wszystkich kolorów, a czarny brakiem wszystkich kolorów. Z całym spektrum odcieni pomiędzy nimi. Najprostszym sposobem zapisu obrazu na nośniku Blu-ray, byłoby zapisanie danych na płycie w formacie RGB, czyli takim samym jaki jest docelowo obsługiwany przez nasz TV. Niestety pojemność płyt Blu-ray znacznie odbiega od tej jaka musiałaby być, aby pomieścić zapis filmowy w postaci RGB.  Stąd też zastosowano prosty zabieg kompresji do postaci YCbCr, stosowany zresztą od dziesiątków lat w branży telewizyjnej.

Kompresja standardu RGB do postaci YCbCr jest bardzo efektywna ponieważ rozdziela element obrazu na te lepiej i gorzej postrzegane przez człowieka. Oko ludzkie znacznie bardziej wyczulone jest na czerń i biel (luma) niż kolor (chroma). Blu-ray zachowuje wszystkie informacje o czerni i bieli, jednocześnie kompresując informacje o kolorze w celu ograniczania wielkości danych. Mamy zatem różnicę pomiędzy tym w jaki sposób materiał jest zapisany na nośniku, a w jaki sposób ma trafić do wyświetlacza.

Standard YCbCr dopuszcza kilka formatów kodowania barwy różniących się częstością próbkowania składowych. Stosowanie różnych formatów jest oparte o własność ludzkiego oka polegającą na mniejsze wrażliwości na zmiany barwy niż zmiany w jasności obrazu. Format 4:4:4 odpowiada jednakowej częstości próbkowania składowych Y oraz Cb i Cr. Dla formatu 4:2:2 składowe Cb oraz Cr są w poziomie próbkowane z częstością dwukrotnie mniejszą niż składowa Y. W przypadku formatu 4:2:0 częstość próbkowania jest zmniejszana dwukrotnie zarówno w pionie, jak i w poziomie.

Ze względu, że żaden konsumencki sprzęt nie radzi sobie z formatem YCbCr 4:2:0 jaki jest zapisany na nośniku Blu-ray, w pierwszej kolejności dane muszą zostać przekonwertowane do innej przestrzeni barwnej. Przestrzenie obsługiwane przez telewizory konsumenckie to zwykle 4:2:2, 4:4:4 oraz RGB. W teorii każda konwersja przeprowadzona przez odtwarzacz do standardu obsługiwanego przez wyświetlacz powinna przebiegać prawidłowo. W praktyce jednak bardzo często dochodzi do pomyłek przy konwersji danych.

Jakby tego było mało, część urządzeń wyświetlających może prawidłowo wyświetlić tylko jeden lub dwa z trzech formatów. Zatem jeśli twój odtwarzacz Blu-ray nie dogada się prawidłowo z telewizorem, nigdy nie uzyskasz optymalnej jakości obrazu i nie zobaczysz wszystkich szczegółów, które powinieneś zobaczyć.
Stąd też niezwykle ważna z punktu widzenia doboru odtwarzacza jest możliwość wyboru formatu w jaki ma być przesłany obraz na wyjściu:  4:2:2, 4:4:4 czy też RGB.

Najlepiej gdyby odtwarzacz dysponował trybem „Source Direct”, wtedy na wyjściu uzyskujemy te same dane co odtwarzacz sczyta z płyty. Jedyną modyfikacją będzie konwersja z formatu 4:2:0 na 4:2:2. Nie zostają jednak wprowadzone żadne modyfikacje dodatkowe w obrazie. Dla płyt Blu-ray to najlepszy możliwy wariant dla pracy odtwarzacza, ponieważ sygnał omija obróbkę przez układy odtwarzacza Blu-ray przesuwając obraz do wyjścia HDMI.
Jakiekolwiek błędy przy takiej transmisji mogą wynikać jedynie z błędów układów cyfrowych, których często nie da się skorygować poprzez aktualizacje oprogramowania ponieważ tkwią w samych układach. Tryb „Source Direct” jest najlepszym rozwiązaniach w sytuacji, kiedy odtwarzacz jest podpięty bezpośrednio do zaawansowanego procesora Video oraz kiedy mamy pewną informację, że nasz TV/projektor prawidłowo obsługuje format 4:2:2.

Czytając to możesz sobie zadać pytanie „Jakie to ma znaczenie, że konwersja kolorów nie jest idealna?” lub „I tak nie wiem w jaki sposób wybrać przestrzeń kolorów, więc ten problem i tak mnie nie dotyczy”.
Jeśli twój odtwarzacz Blu-ray nieprawidłowo przeprowadza konwersję kolorów, obraz na ekranie może cierpieć na kilka poważnych problemów: strata zakresu dynamiki obrazu (mniejszy zakres tonalny, przejść pomiędzy wyświetlanymi elementami); sceny na zewnątrz mogą nie być na tyle jasne aby odróżnić jasne elementy od bardzo jasnych; nocne sceny nie będą dostatecznie ciemne. W skutek błędnej konwersji, informacja zostanie ograniczona, przez obraz co nie będzie wyglądała na ekranie w taki sposób, w jaki powinien wyglądać naprawdę.

Kolory będą inaczej wyglądały podczas seansu filmowego z odtwarzacza Blu-ray, a inaczej z telewizji kablowej czy satelitarnej. Nawet po kalibracji telewizora, kolor dany kolor będzie inaczej wyglądał z Blu-ray, a inaczej z tunera HDTV.
Stracisz ostrość i rozdzielczość w kolorach oraz bieli i czerni, która powinna występować. Pojawią się artefakty, których nie powinieneś zobaczyć. Błękitne niebo może cierpieć na brak gładkich przejść tonalnych, które na ekranie powodują widoczne i skokowe („zagięcia”) przejścia tonalne pomiędzy poszczególnymi odcieniami.

W skrócie, podsumowując to co zostało napisane powyżej. Nigdy nie uzyskasz pełnej wydajności swojego systemu, nie ważne co zrobisz, jeśli konwersja kolorów i wybór przestrzeni kolorów jest nieprawidłowy.  Należy odnotować, że generalnie większość odtwarzaczy Blu-ray dostarcza dobrej jakości obraz HD. Wiele osób twierdzi, że obraz z Blu-ray nawet nie różni się pomiędzy jednym a drugim odtwarzaczem. Wynika to z tego, że opisane powyżej problemy i błędy nie są na tyle ewidentne, że zaraz po podłączeniu odtwarzacza do TV zobaczymy, że jest jakiś problem. Jeśli tak by było,  producenci dołożyliby wszelkich starań, aby te problem rozwiązać i naprawić. Najczęściej tego typu problemy są wyłapywane przez specjalistyczne magazyny branżowe takich jak Widescreen Review, czy Secrets of Home Theater and High Fidelity, które dokładnie testują urządzenia również pod tym kątem.

Płyta testowa Spears and Munsil Blu-ray  posiada zestaw plansz testowych, które pozwalają na sprawdzenie poprawności konwersji kolorów dokonywanych przez odtwarzacz, niezależnie czy dla formatu RGB czy dla YCbCr. Przy użyciu analizatora Quanum Data HDMI (podobnej klasy sprzęt używamy gdy testujemy kabel hdmi do 4k – FiberPro), można odczytać dokładne wartości dla obu odczytów i porównać je z tymi zapisanymi na płycie Blu-ray.

W ten sposób nie ma miejsca na zgadywania bądź subiektywne oceny wzrokowe. Wszelkie wnioski są wyciągane na podstawie aktualnych danych pomiarowych.  Na podstawie takich właśnie testów przyjrzymy się różnej intensywności kolorom podstawowym (R,G,B) oraz komponentom YCbCr (Y, Cb, Cr) i porównamy uzyskane wartości z wartościami referencyjnymi. Będziemy przyglądali się poziomom natężenia 0%, 25%, 50%, 75% oraz 100%. Czyli skokowo od czerni (0) do bieli (255).

Na koniec, na podstawie uzyskanych danych przedstawimy obliczone Delta Error (dE) dla wszystkich konwersji przy użyciu formuły CIE1994. dE jest różnicą pomiędzy kolorem jaki powinien być, a jaki w rzeczywistości jest. Przy projekcji uznaje się, że dE mniejsze niż 1 skutkuje niewidocznymi różnicami, do takiego właśnie wyniku dąży się podczas kalibracji. Wartość powyżej 10 jest wysoka, a błędy w kolorach są widoczne. Za bezpieczną granicę uznaje się dE=3.
Prawie każdy monitor, telewizor, projektor jaki można zakupić będzie posiadał odchylenie od wzorca dE dla wszystkich kolorów. Nawet po kalibracji. Można zredukować wartość błędu podczas kalibracji, jednak nadal będzie on występował (choćby minimalny). Jeśli dodatkowo dorzucimy znaczące odchylenia dE ze źródła obrazu, wtedy będzie jeszcze ciężej uzyskać satysfakcjonujące odchylenie poniżej dE wynoszące 3 niż w sytuacji gdyby źródło posiadało dE = 0. Innymi słowy, powinno się dążyć do tego, aby odtwarzacz Blu-ray za pomocą którego najczęściej ustawiamy parametry telewizora posiadał dE możliwie najbliższe 0. Jeśli błędy w odtwarzaczu będą większe, poprzez kalibrację będziesz wprowadzał dodatkowe błędy do każdego innego komponentu podpiętego do telewizora (wprowadzając je do urządzeń które mogą nie posiadać takiego błędu). Kalibrując telewizor na podstawie wadliwie pracującego odtwarzacza dokonujesz modyfikacji ustawień telewizora. Wtedy modyfikacje te odnoszą się również do innych źródeł, takich jak np. tuner TV SAT, który być może nie posiada identycznych błędów jak odtwarzacz Blu-ray.
Idealnie, gdyby urządzenie źródłowe wypuszczało wartości dokładnie odpowiadające referencyjnym wartościom zapisanym na płycie, przy dE wynoszącym 0. Wspierając przy tym wszystkie przestrzenie barwne 4:2:2, 4:4:4, RGB oraz Source Direct.

Jako przykładowe urządzenia testowe weźmiemy odtwarzacze Blu-ray  Sony BDP-S570 oraz OPPO BDP-93/BDP-93EU.  Ze względu, że sekcja Video jest identyczna w modelu BDP-95/BDP-95EU wyniki dla modelu BDP-93/BDP-93EU odnoszą się również do modelu wyższego.
Wszystkie wymienione powyżej odtwarzacze są bardzo popularne i zdobyły wiele nagród w prasie branżowej. Jak jednak wypadają w zaawansowanych testach, których zwykle nie przeprowadza się w popularnych magazynach?

Na początek odtwarzacze OPPO. Wspierają one wszystkie przestrzenie kolorów jakie byśmy sobie zażyczyli oraz posiadają tryb Source Direct. Dodatkowo wyposażone są w podwójne wyjścia HDMI. Cyfry na zielono w tabelkach oznaczają, że odtwarzacz pomyślnie przeszedł test, na czerwono – że oblał test.

OPPO posiada 2 wyjścia HDMI różniące się chipsetem odpowiadającym za przygotowanie materiału wyjściowego, sprawdzimy które z nich zachowuje się lepiej. Przedstawione wyniki są identyczne dla modelu BDP-93EU oraz BDP-95EU (identyczna sekcja Video).

Dla obu wyjść HDMI wszystkie wartości testowe dla przestrzeni 4:2:2 oraz 4:4:4 są idealne. Jedyne minimalne błędy pojawiają się na złączu HDMI2 i dotyczą tylko poziomu RGB przy wartościach 0 i 255, które wynoszą odpowiednio 1 i 254. Wszystkie pozostałe wartości RGB z tego zakresu są idealne. Z punktu widzenia technicznego występujące odchylenia są nieistotne. Potwierdza to, że najlepiej użyć złącza HDMI 2 OPPO do systemu AUDIO lub drugiego wyświetlacza.

Dla formatów 4:2:2 oraz 4:4:4 informacje wyglądały idealnie zarówno na HDMI 1 jak i HDMI2. OPPO radzi sobie ze zmianą przestrzeni perfekcyjnie i wypuszcza dane w prawidłowej postaci. Jest to odtwarzacz, który można polecić do każdego systemu i sprawdzi się w nim znakomicie.

Przejdźmy do odtwarzacza Sony. Obsługuje on przestrzenie 4:2:2, 4:4:4 oraz RGB, jednak nie posiada trybu Source Direct w który wyposażony jest OPPO. Posiada także pojedyncze złącze HDMI.  Przyjrzyjmy się zatem wynikom testu dla SONY:

W odróżnieniu od OPPO, tutaj mamy wiele wyników które odbiegają od referencyjnych poziomów. Przyjrzyjmy się niektórym problemom i wyjaśnijmy je.

• Wartość Y dla przestrzeni barwnej 4:4:4 oraz 4:2:2 jest niewłaściwa. W tym przypadku wartość luminancji, która odpowiada za biało–czarny obraz oraz większość szczegółów, które widzimy na ekranie została zmodyfikowana przez urządzenie Sony;
• Informacje typu WTW (bielsze niż biel) oraz BTB (czarniejsze niż czerń), które istnieją na płycie Blu-ray, lecz zwykle ich nie powinniśmy widzieć, będą widoczne na prawidłowo skalibrowanym telewizorze/projektorze  pomimo, że nie powinniśmy ich zobaczyć. Wartości dla WTW (bielsze niż biel) obejmujące obszar powyżej 235 powinny być niewidoczne po kalibracji. W odtwarzaczu Blu-ray Sony najwyższa wartość Y na wyjściu osiąga 232. Wszystkie wartości powyżej tego zostały przesunięte poniżej poziomu WTW. Wartość odpowiadająca standardowo za jasną biel (235) została automatycznie obniżona przez odtwarzacz do 224. W uproszczeniu, zamiast jasnej bieli ujrzymy bardzo jasny odcień szarości;
• Poprzez nieprawidłowe manipulacje przestrzenią barwną odtwarzacz ogranicza zakres dynamiki obrazu. Dla szczytowej wartości bieli 235, wartość 225 powinna być dokładnie 10 kroków poniżej wartości bieli. Sony jednak identyfikuje biel 235 jako 224, a 225 jako 219. Zakres dynamiki z 10 skurczył się do 6. Całkowity zakres dynamiki (od czerni do bieli) skurczył się z 220 wartości (16-235) do 208 (16-224);
• Przyglądając się wartościom RGB, widzimy dE dla każdego z 5 przedziałów (0%/25%/50%/75%/100%) dla każdego koloru (R/G/B). Pomińmy na chwilę odczyty dla 0, ponieważ wartość ta jest mniej istotna i widoczna na ekranie. Uwzględniając pozostałe przedziały dE, dla Czerwonego wynosi średnio 0,9, dE, dla Niebieskiego wynosi 0.1, jednak dE dla Zielonego wynosi aż 4.7. Z powodu wyraźnego błędu w zielonym, nie ma szansy, aby skalibrować telewizor/projektor eliminując ten problem, a nie wprowadzając  dodatkowych błędów.
• Najgorsze, że problemy dotyczą wszystkich przestrzeni barwnych, nie tylko RGB. Z tego powodu nie można wybrać innej przestrzeni aby pozbyć się problemu.

Można być bardzo zdziwionym widząc jak duże kłopoty ma odtwarzacz Blu-ray Sony. Porównując jakość obrazu na wyjściu z odtwarzacza Sony z odtwarzaczem OPPO na skalibrowanym projektorze przy użyciu płyty testowej Spears and Munsil HD Benchmark Blu-ray można zidentyfikować wszystkie te problemy.  Przejścia i odcienie w kolorach przebiegają idealnie płynnie na OPPO, lecz tracą płynność i dynamikę na Sony. Na planszach WTW można było zobaczyć wszystkie białe bloki z zakresu powyżej bieli maksymalnej dlatego, że były one dostrojone do poziomu poniżej tego skalibrowanego właściwie na projektorze. Na OPPO bloki na planszach WTW perfekcyjnie wtopiły się w białe tło.

Uwzględniając te kwestie, trudno jest rekomendować odtwarzacz Blu-ray Sony. Wypuszcza on nieprawidłowy sygnał i obniża wydajność całego systemu video. OPPO może być nieco droższe od tanich odtwarzaczy, lecz oferuje każdą przestrzeń barwną, tryb Source Direct i przeprowadza prawidłową konwersję przy dE wynoszącym 0. Zatem w żaden sposób nie ograniczy jakości obrazu w systemie.

Do testów został użyty: Quantum Data 882 HDMI Analyzer. Wszystkie pomiary były kilkukrotnie sprawdzane i potwierdzane. Dochodzimy na koniec ponownie do pytania – Co jest ważniejsze, opierać się na danych z pomiarów, czy własnej ocenie subiektywnej?  Oba podejścia mają swoje zastosowanie. Błędy opisywane w niniejszym artykule są dość trudne do wychwycenia na płycie Blu-ray (trudniejsze niż na DVD). Większość osób może nawet stwierdzić, że obraz wygląda identycznie na obu odtwarzaczach. Jednak jeśli będziemy przesiadali się na coraz większy ekran, błędy zaczynają być coraz bardziej widoczne. Inna kwestia, to fakt że problemy w innych częściach łańcucha systemu Video mogą powodować błędy, które blokują informację zarówno z dobrego, jak i złego źródła (np. TV wprowadza błędy w obrazie, nie wyświetla pewnych zakresów informacji).

Niniejszy tekst bazuje na artykule “The Secrets Blu-ray Player HDMI Benchmark” napisanym przez Chris Heinonen przy udziale Stacey Spears.