Dossier HDR en photo et vidéo - 4/5 : comment fonctionne un moniteur ou une télévision HDR ?

Sur un écran ou une télévision HDR, on cherche à afficher les noirs les plus profonds, les luminosités les plus élevées afin d'obtenir les contrastes les plus élevés pour que l'expérience visuelle soit la plus réaliste possible et donc la claque visuelle soit la plus forte possible. Mais comment s'y prend un écran ou une télévision pour obtenir un tel résultat et en quoi est-ce différent des écrans SDR ?

Contrairement à une image SDR, une image HDR est une image où vont être présents soit des noirs vraiment profonds, soit de très fortes intensités lumineuses soit les deux en même temps dans les cas les plus extrêmes. Mais comment s'y prennent les fabricants d'écrans et de télévisions pour obtenir des tels impacts visuels alors que nos écrans SDR sont traditionnellement bien "tranquilles" à côté... et pourtant bien suffisants dans de nombreux des cas ? En effet, la vraie vie n'est pas faite que de couleurs éclatantes, de reflets spéculaires et de contrastes diaboliques ! Cela dit, il est vrai aussi que sur les écrans "classiques" ou SDR, dit autrement non HDR, les noirs semblent parfois "seulement" gris foncés et les hautes lumières vite blanches mais un peu pâles tout de même donc sans détail et pas franchement éclatantes ou lumineuses...
Avant d'étudier les spécificités des différentes normes HDR sur la page suivante, voyons sur cette page comment les fabricants de moniteurs ou de télévisons s'y prennent en 2023 pour obtenir des images flamboyantes.

Mais alors, quelles sont les spécificités techniques des écrans HDR en 2023 ?

Maintenant que nous avons vu page précédente les points communs entre la photo et la vidéo HDR ainsi que les spécificités d'une image très dynamique, nous allons nous intéresser davantage aux spécificités de la diffusion de vidéos et donc à ce qu'essaie d'améliorer - pour le moment et j'insiste sur ce point ! - l'industrie de la vidéo et du cinéma, de la captation à la diffusion. En effet, de nombreux écrans qui arrivent sur le marché sont de plus en plus orientés "vidéo" dans mes tests et l'on voit bien que ces écrans essayent d'améliorer des points clefs très spécifiques à la diffusion de vidéos les plus réalistes possibles... alors que cela ne sert à rien pour la retouche photo, surtout quand on fait du softproofing. Mais quels sont ces points particuliers ?

Rappel - Une vidéo HDR filmant une scène, par exemple une place de village du sud en plein soleil donc avec une dynamique d'environ 16/17 diaphragmes donc supérieure à 14 diaphragmes de nos meilleurs capteurs actuels, s'affichera de la même manière sur un écran "photo" donc SDR ou un écran vidéo compatible HDR (quelque soit la norme). Le rendu global (je reparle des reflets spéculaires ci-dessous) sera "HDRisé".

Avec la diversification des usages, il est devenu de plus en plus courant de troquer sa télévision pour son écran d'ordinateur afin de se divertir et, parfois, de regarder des vidéos. Et les besoins sont alors sensiblement différents.
Nous allons voir maintenant que pour améliorer l'expérience visuelle, les écrans dits "vidéos" ou les télévisions ont besoin d’améliorer plusieurs points par rapport à des écrans typiquement orientés retouche photo et que sur ces critères spécifiques, cela fonctionne effectivement de mieux en mieux donc cela apporte réellement une plus-value visuelle et réaliste par rapport aux écrans SDR :

• Il faut des noirs profonds (pour plus de contraste),
• Une luminosité en pics très élevée (jusqu'à 10000 nits dans l'idéal) pour afficher les reflets spéculaires notamment,
• Un contraste de l'écran et/ou une ambiance lumineuse dans la pièce qui s'adaptent image/image au contraste du film.
  

L'affichage des noirs en HDR

L'affichage des noirs est un point crucial en vue d'améliorer l'affichage de nos écrans lorsqu'on veut afficher une vidéo. Un écran ou une télévision HDR doit donc afficher des noirs profonds et plus profonds idéalement que sur un écran SDR. Ce n'est pas facile à obtenir sur les écrans "classiques" (classiques dans le sens que nos écrans sont à technologie LCD depuis longtemps), et c'est bien pour régler ce problème qu'ont été inventées les dalles OLED... qui évidemment possèdent d'autres inconvénients majeurs, comme nous le verrons plus bas.

Revenons un instant en arrière pour commencer... Les écrans n'ont longtemps servi qu'à une seule chose finalement : permettre de retoucher correctement nos images en vue d'une impression. On appelle cela le softproofing (image ci-contre). Et le cahier des charges des constructeurs étaient du coup très simple : il fallait une luminance (on parle souvent de luminosité mais ce n'est pas le terme exact si vous voulez impressionner dans les salons mondains) ne dépassant guère 100 cd/m² et un noir vers 0,5 cd/m² au minimum. J'explique pourquoi en détail sur ma page consacrée à l'impression de nos photos . Pour rappel, cela représente un contraste de 200 : 1 environ donc on est très loin des 100000 : 1 dont on a parlé au début de la page précédente. Et avec les technologies d'écrans LCD (à cristaux liquides), c'est très simple à obtenir.

Or, quand on est plongé dans l'ambiance sombre d'un home cinéma, une luminance du point noir à 0,5 cd/m² est alors perçue comme... un gris foncé tout au plus ! Une image avec beaucoup de dynamique n'est alors plus assez contrastée. Les caractéristiques du noir des écrans LCD SDR - et je ne parle même pas des vidéoprojecteurs ! - sont donc parfaitement adaptées à la retouche photo mais pas du tout à la diffusion de film ou vidéo dans une pièce sombre. Il fallait donc fabriquer une nouvelle génération d'écrans aux noirs beaucoup plus sombres. Et un simple calcul nous montre que si on se fixe une luminance maximum à 100 cd/m² il faut des noirs à 0,001 cd/m² si l'on veut respecter la dynamique de l'œil à un instant t de 100000 : 1. Il faut des noirs entre 100 et 500 fois plus sombres !

Maintenant, regardons comment les fabricants d'écrans s'y prennent pour obtenir les noirs les plus profonds afin d'améliorer très sensiblement les contrastes selon la technologie de dalle qu'ils ont choisie. En effet, pour obtenir le plus de contraste possible et puisque qu'on fixe "normativement" la luminance de l'écran à 100 cd/m², il faut s'atteler aux noirs et il faut idéalement des noirs à 0,001 cd/m² au minimum si l'on veut se rapprocher des performances de l'œil humain et ses 100 000 : 1. Avec les technologies LCD "classiques", donc qui n'utilisent pas de techniques particulières dont nous allons bien entendu reparler, on en est très loin en 2023. Avec les dalles OLED, beaucoup plus récentes et complètement différentes, la donne est bouleversée. Voici la situation en 2023 car les Leds des écrans LCD n'ont pas dit leur dernier mot...

1 - Obtenir des noirs profonds sur les dalles LCD : Leds, Mini-Leds, etc.

Sur les dalles LCD de base - donc à cristaux liquides - il était impossible d'obtenir une grande profondeur de noir jusqu'en 2020/2021 car les Leds qui constituent le rétroéclairage, (beaucoup moins nombreuses que les pixels), doivent être allumées en permanence et les cristaux liquides qui s'interposent entre elles et les pixels RVB de la dalle n'arrivent pas à les cacher complètement. Il persiste de très légères pertes de lumières qui font que les dalles LCD affichent le plus souvent un noir à 0,1 ou 0,075 cd/m² au maximum... sans utiliser d'artifices. Le contraste maximum d'une dalle LCD de "base" calibrée à 100 cd/m² est alors au mieux de 1500 : 1. On n'est effectivement loin des 100000 : 1 demandé par notre œil.
Maintenant, les ingénieurs des écrans LCD ou des télévisions utilisant des Leds ne sont pas restés les bras croisés et ont cherché à améliorer l'idée du rétroéclairage car il possède tout de même un sérieux avantage par rapport aux écrans OLED... dont nous parlerons dans le paragraphe suivant. Comment s'y sont-ils pris ? En jouant sur plusieurs points techniques :

a - la disposition des Leds du rétroéclairage,
b - sur leur nombre, leur taille, et sur la distance entre les Leds et les cristaux liquides.

Toutes ces idées ou améliorations sont parfois géniales vous allez voir... mais ont un prix, vite conséquent... comme on s'en serait douté !

a) La disposition des Leds

Il est possible de disposer les Leds soit uniquement autour de l'écran donc sur ses bords ou bien uniformément sur toute la dalle. Cela coûte évidemment moins cher sur les bords.

• Rétroéclairage sur les bords (Edge LED) - Le plus simple et le moins cher - Les Leds sont placées sur les bords ou tout autour de la dalle. C'est moins cher mais c'est également la solution la moins performante. Cela peut convenir pour un usage photo mais en vidéo on sera loin de prendre une claque visuelle ! Surtout, il n'est pas possible de mettre en place le fameux Local Dimming dont on va reparler ci-dessous. Que ce soit pour les écrans photo, vidéos ou les téléviseurs, passez votre chemin...
• Rétroéclairage Direct LED ou Full LED - Là, évidemment c'est beaucoup mieux - donc c'est plus cher ! - mais on va voir qu'il y a encore deux cas de figures, très significativement différents : si le rétroéclairage Full LED contient peu de Leds (image ci-contre), ou s'il possède de très nombreuses Leds qui sont alors des Mini-Leds (ci-dessous).

b) Le nombre de Leds ou Mini-Leds et l'avantage technique que cela offre...

Il est donc possible de placer plus ou moins de Leds sur une dalle LCD : mais pour quel avantage ? Eh bien pour pouvoir éteindre les Leds quand elles sont inutilisées car cela permet alors afficher des noirs vraiment plus profonds à cet endroit, pardi (image ci-contre) ! Et pour cela il faut placer des Mini-Leds dans le rétroéclairage afin d'en augmenter le nombre. On appelle cela le Local Dimming ou Affichage dynamique local.

Annexe 1 - Le Local Dimming - Cette technique permet donc d'éteindre ou diminuer le rétroéclairage sélectif des Leds là où ce n'est pas nécessaire. L'idée est vraiment ingénieuse. Mais on comprend immédiatement que pour que cela fonctionne bien il faut beaucoup de Leds ! C'est pour cela que certaines dalles Direct ou Full Led sont à rétroéclairage Mini-Leds. C'est le Nec Plus Ultra en 2023. L'écran Apple Pro Display XDR en possède par exemple 576 mais le dernier Dell UP3221Q que j'ai adoré en possède 2000 ! Sur la photo ci-dessous, vous pouvez en compter 960 :

Cette dalle LCD possède 960 Mini-Leds afin d'activer le local dimming.

Vous l'aurez compris, plus il y aura de Leds et plus le Local Dimming sera utilisé finement et précisément. Et vous l'aurez également compris, le Graal serait d'avoir autant de Leds que de pixels or cela n'est possible qu'avec des Micro-Leds. On en est loin à grande échelle industrielle car cela coûte très cher (1000 euros le pouce en 2022 selon PPWorld).

Note février 2021 - Dans une interview vraiment très éclairante d'un ingénieur du fabricant de dalles TCL, PPWorld nous révèle qu'ils ont réussi grâce à une nouvelle technique appelée OD ZERO (Optical Distance = zéro) à tellement réduire la taille des Mini-Leds - sans pour autant parler de Micro-Leds - tout en les collant sur le panneau des cristaux liquides (d’où son nom), à éliminer l'effet de blooming car les zones de local dimming sont alors considérablement réduites. Ils parlent en effet de zones de seulement 150 microns alors que sur un écran à Leds conventionnelles on parle de bloc Led de 3000 microns. C'est effectivement très petit ! Rappelons enfin qu'un pixel sur un écran de 55 pouces possède une taille d'environ 0,31 mm.

Annexe 2 - Le Blooming - Oui, mais il y a un hic ! et cela s'appelle le Blooming que l'on peut traduire par "halo". En effet, lorsqu'on allume seulement les Leds utiles, elles ne suivent pas toujours les contours de l'objet éclairé à afficher et s'il est placé sur un fond noir, alors cela "fabrique" un halo artificiel autour de lui. Voici deux exemples que j'espère parlant de l'effet de blooming sur des dalles LCD à Mini-Leds avec Local Dimming :

Lors de l'essai de l'écran haut de gamme Apple - l'Apple Pro Display XDR, Juan Salvo a mis en évidence ce phénomène avec une séquence filmée parfaitement adaptée (ci-dessus). L'écran de comparaison est un moniteur FSI réputé à plus de 45000 € ! Sur ce deuxième exemple, nous allons prendre un cas de figure bête et méchant :

On voit très bien le halo bleuté autour de la croix lumineuse (très lumineuse !). Les Leds allumées pour afficher la croix "débordent" et créées ce halo gênant. Jusqu'à l'arrivée prometteuse début 2021 - sur le papier du moins car nous n'avons pas encore la possibilité de le voir - de l'OD ZERO des écrans TCL, il n'y a qu'en plaçant autant de Leds que de pixels que l'on pourra régler définitivement ce problème... À moins d'utiliser une autre technique d'affichage : l'OLED.

2 - Obtenir des noirs profonds sur les dalles OLED

Les dalles OLED, par construction, n'ont plus besoin de rétroéclairage et cela change tout du point de vue de l’affichage des noirs. En effet, les dalles OLED sont des dalles dites "organiques" (du matériaux vivant pour faire court) qui ne produisent de la lumière que quand elles reçoivent une impulsion électrique. Donc chaque pixel est indépendant de son voisin et le Blooming fait : "pschitt" car quand un pixel n'est pas excité il est parfaitement noir !!!

Donc sur les dalles OLED on va bénéficier de deux avantages énormes par rapport aux noirs donc nous avons besoin pour atteindre notre objectif d'affichage HDR : les noirs sont parfaits et il n'y a plus de blooming. Sur ce critère, l'OLED est parfait.

Remarquez la profondeur des noirs dans le ciel, ils sont gris sur les dalles LCD à Leds.

L'image ci-dessus montre clairement cette différence entre les deux technologies.

Note ! Sur le papier, le noir est si parfait qu'on atteint même 1 000 000 : 1, ce qui est flatteur ... mais inutile puisque l'œil est déjà bien servi avec 100000 : 1, je le rappelle ! Bon, ne boudons pas notre plaisir et considérons que cette technologie règle vraiment le problème de l'affichage des noirs, même dans une pièce sombre.

Note marketing ! Ne vous laissez pas totalement embarquer par les films de démonstration diffusés sur les TV OLED dans les magasins : ils mettent toujours en valeur les noirs en filmant toujours les objets sur fond noir, justement. Et franchement c'est très beau. Mais, avez-vous fait attention à la luminosité des hautes lumières, dans les reflets spéculaires sur ces mêmes dalles ? C'est moins flatteur cette fois. J'en reparle plus loin...

L'affichage des hautes lumières et autres reflets spéculaires en HDR

Comme nous l'avons déjà vu, la luminosité de notre écran, surtout si nous sommes plongés dans le noir, ne dépassera guère 100 cd/m². Or, de la même manière que des noirs profonds ajoutent un réalisme saisissant à nos films et vidéos, si nous arrivions à afficher les points lumineux vraiment très lumineux alors l'expérience visuelle sera... éblouissante ! Il nous faut donc, pour compléter nos noirs vraiment noirs, des blancs vraiment éclatants.

Démystifier la luminosité maximum des écrans !

Mais puisqu'il est inutile car éblouissant d'afficher une luminosité supérieure à 100 cd/m² dans un home cinéma (la norme pour les salles de cinéma est même de 48 cd/m²), pourquoi voit-on apparaître une surenchère de chiffres pour la luminosité maximum des écrans : 1000 cd/m² par ici, 1600 cd/m² chez Apple et son écran Apple Pro Display XDR, et la norme Dolby Vision prévoit même 4000 nits au minimum !?

Eh bien, il s'agit juste de pics de luminosité sur des objets ponctuels comme des reflets du soleil sur une voiture (on parle de reflets spéculaires ci-dessous), la partie la plus brillante d'une flamme de bougies, etc. En effet, toujours pour améliorer la sensation de véracité dans l'image, les fabricants se sont aperçus qu'il serait encore plus réaliste de "balancer" énormément de lumière uniquement sur ces reflets ou autres soleil et bougies... comme dans la vraie vie quoi !

Donc, quand les marques précisent dans les spécifications techniques de leurs écrans la luminosité, ils parlent bien de pics de luminosité maximum donc diffusés sur quelques pixels seulement s'en quoi nous serions éblouis car, je le répète, nous sommes alors plongés dans le confort ouaté de notre salon ou home cinéma ! Et cette technologie n'est possible qu'avec la technologie HDR.

Note important ! Ce n'est donc pas pour afficher une image plus lumineuse que nous avons besoin d'écrans plus lumineux mais seulement pour afficher de manière plus brillante les éclats de lumières et autres reflets spéculaires. Pour être complet, il faut tout de même préciser que certains écrans sont regardés en plein jour, par exemple dans les magasins, donc dans ce cas, il faut effectivement des écrans plus lumineux mais on parle alors de 600 cd/m² et non de 2000, 4000 ou même 10000 nits !

Résumé sur les luminances maximales des écrans vidéo - Les normes HDR se penchent donc également sur les parties les plus lumineuses des vidéos et ont fixé des objectifs en terme de luminance maximales pour nos futurs écrans. En 2022, on en est encore loin car les meilleures dalles actuelles, très spécialisées car pour les vitrines des magasins, affichent "seulement" 4000 nits. Je rappelle que pour en bénéficier, il faut évidemment que le film ait été tourné en HDR et que l'écran soit compatible HDR.

Où a-t-on vraiment besoin de beaucoup de lumière ?

Puisque la luminosité maximum ne sert qu'à afficher correctement des reflets et autres sources très lumineuses et très ponctuelles, il est donc primordial de pouvoir n'éclairer très fortement que les quelques pixels concernés. Or c'est un vrai challenge en 2023 ! En effet, alors qu'avec l'OLED on arrive vraiment à avoir des noirs profonds sans inconvénient, il est impossible d'avoir des reflets spéculaires lumineux sans inconvénient en 2023, quelque soit la technologie utilisée. Voyons pourquoi.

a) Avec les dalles LCD à Led ou Mini-Leds

Obtenir une forte luminance avec les Leds et autres Mini-Leds devient de plus en plus aisé. À partir de 2020, lors de mes tests d'écrans dédiés au montage vidéo, j'ai mesuré plusieurs dalles au-delà des 1000 cd/m² en pic. Mon record reste les 1600 nits de l'Apple Pro Display XDR.

Sommaire Dossier : le HDR en photo et vidéo

1 - Qu'est-ce que le HDR en photo et vidéo ?
2 - A-t-on besoin d'un écran HDR pour la photo HDR ?
3 - Comment s'affiche une vidéo HDR ?
4 - Les spécificités des moniteurs et télévisions HDR

• Préliminaire : spécificités des écrans HDR
• Comment obtenir des noirs en HDR ?
• Comment afficher les reflets spéculaires en HDR ?
• Comment adapter le contraste de l'écran en HDR ?

5 - Les normes HDR : HDR10, HDR10+, Dolby Vision



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