Rec. 2020

Rec. 2020 (ITU-R BT.2020) — это международный стандарт цветового пространства и разрешения для систем телевидения сверхвысокой чёткости (UHDTV), принятый Международным союзом электросвязи (ITU) в 2012 году. Стандарт определяет параметры видеосигнала для 4K (3840×2160) и 8K (7680×4320) вещания, включая цветовую гамму (gamut), глубину цвета (10 или 12 бит на канал), частоту кадров (до 120 Гц) и характеристики передачи (передаточную функцию). Rec. 2020 является преемником стандарта Rec. 709, используемого в телевидении высокой чёткости (HDTV), и представляет собой расширение цветового охвата, способное воспроизводить значительно большее количество цветов, видимых человеческим глазом.

История и разработка

Разработка стандарта Rec. 2020 началась в середине 2000-х годов в рамках работы ITU-R Study Group 6 (Broadcasting Service). Основной целью было создание единого эталона для телевидения сверхвысокой чёткости, который бы обеспечил совместимость между различными устройствами (камерами, дисплеями, кодеками) и платформами вещания (спутниковым, кабельным, IP-телевидением). В отличие от Rec. 709, который был ориентирован на технологии CRT-дисплеев и ограниченные возможности цветопередачи, Rec. 2020 проектировался с учётом современных дисплейных технологий (OLED, квантовые точки, лазерные проекторы) и требований к высокой точности цветопередачи.

Официально стандарт был утверждён 23 августа 2012 года как рекомендация ITU-R BT.2020. Впоследствии он был дополнен рекомендацией BT.2100 (2016), которая ввела две альтернативные передаточные функции — PQ (Perceptual Quantizer, SMPTE ST 2084) и HLG (Hybrid Log-Gamma, разработанная BBC и NHK), что позволило интегрировать Rec. 2020 в системы HDR (High Dynamic Range).

Технические характеристики

Цветовое пространство и гамма

Цветовое пространство Rec. 2020 использует систему цветовых координат CIE 1931 (XYZ) и определяет первичные цвета (красный, зелёный, синий) на основе монохроматических источников света с длинами волн:

• Красный: 630 нм
• Зелёный: 532 нм
• Синий: 467 нм

Эти длины волн выбраны как границы области видимого спектра, доступные для современных лазерных и светодиодных источников. Цветовой охват Rec. 2020 покрывает приблизительно 75,8% цветового пространства CIE 1931 (по площади) и около 99,9% эталонного цветового пространства CIE 1976 u'v'. Для сравнения, Rec. 709 (HDTV) покрывает лишь около 35,9% CIE 1931, а DCI-P3 (киноиндустрия) — около 45,5%.

Разрешение и частота кадров

Стандарт поддерживает два основных разрешения:

• 4K UHDTV: 3840×2160 пикселей (8,3 мегапикселя)
• 8K UHDTV: 7680×4320 пикселей (33,2 мегапикселя)

Частоты кадров включают: 24, 25, 30, 50, 60 и 120 кадров в секунду (прогрессивная развёртка). Для 8K минимальная частота составляет 24 кадра в секунду, для 4K — 23,976 кадра в секунду (для совместимости с кинематографом).

Глубина цвета и передаточная функция

Rec. 2020 предусматривает две опции глубины цвета:

• 10 бит на канал (30 бит на пиксель) — для стандартного динамического диапазона (SDR)
• 12 бит на канал (36 бит на пиксель) — для расширенного динамического диапазона (HDR)

Передаточная функция (электрооптическая характеристика) по умолчанию — гамма-коррекция с показателем 2,4 (как в Rec. 709), но для HDR-систем используются альтернативные функции: PQ (SMPTE ST 2084) и HLG (BT.2100). PQ обеспечивает абсолютную яркость до 10 000 кд/м², HLG — относительную, совместимую с SDR-дисплеями.

Формат цветности

Стандарт использует цветовую модель Y'CbCr (luma + chroma) с субдискретизацией цветности 4:4:4 (полное разрешение), 4:2:2 или 4:2:0. Для вещания и сжатия (например, HEVC/H.265) чаще применяется 4:2:0.

Применение и совместимость

Вещание и контент

Rec. 2020 является основой для телевидения сверхвысокой чёткости (UHDTV) в стандартах DVB (Digital Video Broadcasting) и ATSC 3.0. В России стандарт используется в рамках проекта «Цифровое телевидение» для тестового вещания 4K-каналов (например, «Первый канал HD», «Россия-1 HD», «Матч ТВ HD»). Вещание в 8K начато в Японии (NHK, с 2018 года) и в Южной Корее (KBS, с 2021 года).

Производство и постпродакшн

Для работы с Rec. 2020 необходимы камеры с поддержкой широкого цветового охвата (например, RED MONSTRO 8K VV, Sony VENICE, ARRI ALEXA 65) и мониторы с покрытием не менее 90% гаммы Rec. 2020 (например, Sony BVM-HX310, Dolby Vision Pulsar). В постпродакшне цветокоррекция ведётся в системах DaVinci Resolve, Baselight, Avid Media Composer с поддержкой ACES (Academy Color Encoding System), которая позволяет конвертировать Rec. 2020 в другие цветовые пространства.

Ограничения совместимости

На практике большинство потребительских дисплеев (телевизоры, мониторы) не могут воспроизвести полный охват Rec. 2020. Типичные OLED- и QLED-телевизоры покрывают от 70% до 85% гаммы Rec. 2020 (в зависимости от модели и технологии подсветки). Полное покрытие (100%) пока достижимо только на лабораторных лазерных проекторах и специализированных профессиональных мониторах. Поэтому контент в Rec. 2020 часто мастерится в пространстве DCI-P3 (для кинотеатров) или Rec. 709 (для HDTV) с последующей конвертацией.

Сравнение с другими цветовыми пространствами

Критика и проблемы

Основной критикой Rec. 2020 является его «недостижимость» для современных дисплеев. Поскольку первичные цвета выбраны на основе монохроматических источников, ни один реальный дисплей (на основе RGB-светодиодов, квантовых точек или OLED) не может воспроизвести их с абсолютной точностью. Это приводит к тому, что контент, созданный в Rec. 2020, на практике отображается в меньшем цветовом охвате (например, DCI-P3 или Rec. 709), а разница между эталоном и реальностью может составлять до 30% цветового объёма. Кроме того, стандарт не учитывает метамерные искажения (различия в восприятии цвета при разных спектральных составах), что может вызывать несоответствия между разными типами дисплеев.

Перспективы

Rec. 2020 остаётся основным эталоном для UHDTV-вещания, но его постепенно дополняют альтернативные стандарты. В 2020 году ITU принял рекомендацию BT.2124 (Colour Volume), которая вводит понятие «цветового объёма» (luminance + chrominance) и позволяет описывать HDR-контент в трёх измерениях. В будущем возможно появление Rec. 2020 v2 с учётом технологий квантовых точек и лазерной подсветки, а также стандарта BT.2246 для виртуальной реальности (VR) с углом обзора 360°.

Источники

• ITU-R Recommendation BT.2020-2 (2015) — «Parameter values for ultra-high definition television systems for production and international programme exchange»
• ITU-R Recommendation BT.2100-2 (2018) — «Image parameter values for high dynamic range television for use in production and international programme exchange»
• SMPTE ST 2084:2014 — «High Dynamic Range Electro-Optical Transfer Function of Mastering Reference Displays»
• EBU Tech 3373 (2015) — «Production Guidelines for UHDTV-1 and UHDTV-2»
• Poynton, C. (2012). «Digital Video and HD: Algorithms and Interfaces» (2nd ed.). Morgan Kaufmann.
• Рекомендация МСЭ-R BT.2020 (русский перевод) — Федеральное агентство связи, 2013.