SDR vers HDR à l’épreuve de la mesure : retaguer, éclaircir en bloc et une courbe statique

L’essentiel

La conversion SDR vers HDR transforme une vidéo à plage dynamique standard, faite pour un écran de 100 nits, en vidéo HDR encodée selon l’UIT-R BT.2100 : la fonction de transfert devient PQ ou HLG, les primaires deviennent BT.2020 et la profondeur passe à au moins 10 bits par canal.

Bien faite, elle fait aussi monter les hautes lumières au-dessus du blanc de référence HDR, tandis que les ombres et les tons chair bougent à peine. Dans ce guide, vous verrez ce que trois méthodes calculées font d’une même image d’un film libre, où le faux HDR se trompe, comment le modèle d’IA de KwaFlux calcule le PQ et le HLG étape par étape, et comment convertir et vérifier vous-même. Le choix entre PQ et HLG est plus bas.

• Une vraie conversion SDR vers HDR passe deux tests : le signal est juste (PQ ou HLG, BT.2020, 10 bits, balises correctes) et le contenu est étendu (les hautes lumières s’ouvrent, les ombres et la peau restent en place). N’en passer qu’un, c’est du faux HDR.
• Nous avons converti une même image SDR de trois façons et calculé la luminance affichée de chaque pixel. En changeant seulement les balises, le ciel monte à 6 207 nits. En éclaircissant linéairement, les visages arrivent à 346 à 373 nits, plus de trois fois le haut de la plage que BT.2408 donne pour une peau claire (65 à 110 nits).
• Le rapport BT.2446 de l’UIT le dit lui-même : la mise à l’échelle linéaire ne convient pas pour étendre la luminance, et ses trois méthodes sont statiques, indépendantes du contenu.
• SDR vers HDR dans KwaFlux est un modèle d’IA maison : la linéarisation, le passage en BT.2020 et l’encodage PQ ou HLG se font dans le modèle, la luminance et la couleur suivent des branches séparées, la luminosité est une entrée que chaque couche voit, et le calcul se fait en 16 bits avant un export en 10 bits.
• Inutile de juger un fichier HDR à l’œil : ffprobe lit les balises, signalstats mesure le pic et la luminosité d’un visage. Commandes et tables de conversion plus bas.

Qu’est-ce qu’une vraie conversion HDR ?

Une vraie conversion SDR vers HDR réussit à la fois le signal et le contenu. Le signal est une question de format : le fichier est en PQ ou HLG, avec des primaires BT.2020, en 10 bits ou plus, et les balises correspondent aux pixels. Le contenu est une question d’image, et le rapport UIT-R BT.2446 liste ce qu’une conversion doit faire. En bref :

• Garder les ombres et les tons moyens proches de l’original, pour que les détails d’ombre ne disparaissent pas à côté de hautes lumières vives.
• Ne pas trop remonter les tons moyens, sinon le niveau moyen de l’image grimpe et elle devient pénible à regarder.
• Étendre les hautes lumières au-dessus du blanc de référence : c’est là que doit aller la marge supplémentaire du HDR.
• Ajuster la couleur quand la luminance change, pour que les teintes ne dérivent pas.
• S’attendre à ce que les artefacts de compression existants soient amplifiés, et ne pas pousser trop haut des images très compressées.

Un fichier qui ne passe que le test du signal fait basculer le lecteur en HDR, mais l’image peut éblouir, paraître délavée ou ressembler à l’original. Une image seulement rendue plus claire et plus saturée, sans encodage HDR, reste du SDR. Les deux sont du faux HDR.

Les quatre méthodes en un coup d’œil

① et ② sont les plus simples à mettre en place. Si l’export HDR d’un outil semble simplement plus clair partout, les vérifications de la section 8 vous diront vite s’il s’agit de la méthode ②.

Une image, mesurée pixel par pixel

On ne voit pas le HDR sur une page web SDR : la capture la plus lumineuse plafonne autour de 100 nits. Nous l’abordons donc autrement : chaque pixel produit par une méthode est converti en luminance affichée, en nits, puis coloré selon sa plage. Le bleu et le vert correspondent à ce qu’un écran SDR peut montrer, le jaune va jusqu’au blanc de référence HDR de 203 nits, l’orange et le rouge sont des hautes lumières de 203 à 1 000 nits, le magenta et le blanc dépassent 1 000 nits.

Notre méthode de mesure. Les images proviennent du film libre Tears of Steel de la Blender Foundation (CC BY 3.0), version H.264 en 1280 × 534, décodée en BT.709. La source est affichée selon BT.1886 (gamma 2,4, blanc à 100 nits). La méthode ① lit les valeurs de code comme du PQ et les primaires comme du BT.2020. La méthode ② linéarise et multiplie par 10, pour placer le blanc à 1 000 nits. La méthode ③ applique pixel par pixel les formules de la méthode A de la section 4.2 de BT.2446-1, avec un pic de 1 000 nits. Toutes les luminances utilisent les coefficients de luma de BT.2020. Les cartes et les tableaux ci-dessous couvrent ces trois méthodes.

Médianes des zones encadrées :

Le rapport BT.2408 donne des niveaux de référence pour la production HDR : 65 à 110 nits pour une peau claire, 40 à 85 pour une peau moyenne et 203 nits pour le blanc de référence HDR. À cette aune :

• Avec les balises seulement, le ciel est lu à 6 207 nits, bien plus que ce que la plupart des téléviseurs HDR peuvent produire, et les visages à 513 à 636 nits, deux à trois fois le blanc de référence (pensez à une feuille de papier blanc). La rambarde noire, elle, bouge à peine. Le sombre reste sombre, le clair s’envole, et les couleurs BT.709 lues comme du BT.2020 rendent le tout sursaturé.
• L’éclaircissement linéaire multiplie tout par 10. Les visages atteignent 346 à 373 nits, plus de trois fois le haut de la plage peau claire, et la rambarde noire passe de 2 à 20 nits : les noirs deviennent gris. C’est l’origine du fameux «  avec le HDR, on dirait un voile blanc et une peau en plastique  ». BT.2446 le dit sans détour : la mise à l’échelle linéaire fait trop monter la luminance moyenne, les tons moyens deviennent trop clairs pour un visionnage confortable, et elle ne convient pas pour étendre la luminance.
• La méthode A de BT.2446 est bien plus mesurée : visages à 163 à 180 nits, ciel à 762, ombres remontées à seulement 6 nits. Ce film est étalonné sombre (les visages sont à 35 nits dans la source), si bien que les visages restent malgré tout au-dessus de la plage de référence, mais à la moitié du niveau de l’éclaircissement linéaire.

Ensuite, une image avec un grand ciel couvert :

Avec les balises seulement, 50 % des pixels dépassent 1 000 nits et l’image atteint en moyenne 1 141 nits, 29 fois la source. L’éclaircissement linéaire transforme le ciel couvert en un mur lumineux entre 400 et 1 000 nits. BT.2446 met précisément en garde contre cela : de grandes zones proches du signal maximal deviennent désagréablement claires sous une forte extension, c’est pourquoi sa méthode B plafonne le pic plus bas.

À noter : ces cartes ne répondent qu’à une question, le nombre de nits envoyé à chaque pixel. Elles ne disent pas si le résultat est beau ; pour cela, il faut un écran HDR.

Les méthodes en courbes

Faites varier le signal SDR du noir au blanc maximal et tracez les nits que renvoie chaque méthode :

• La courbe du retaguage dépasse l’éclaircissement linéaire vers 63 % du signal et atteint 10 000 nits au blanc maximal. Les valeurs de code PQ désignent des luminances fixes, si bien que des valeurs de code SDR lues comme du PQ veulent dire tout autre chose.
• L’éclaircissement linéaire est la courbe source décalée vers le haut sur une échelle logarithmique : les ombres sont elles aussi multipliées par dix, d’où des noirs grisâtres.
• La méthode A de BT.2446 reste à peine au-dessus du placement sans extension de BT.2408 dans les ombres, puis se redresse vers les hautes lumières. C’est une courbe soigneusement conçue, mais elle reste unique : une même valeur de luminance donne le même résultat, qu’elle tombe sur un visage, un mur blanc ou un nuage.

Le rapport le reconnaît d’emblée : ses trois méthodes sont statiques, avec un traitement fixe indépendant du contenu et de l’environnement de visionnage ; des méthodes adaptatives, dynamiques et spatialement variables existent, et une méthode dynamique adaptée pourrait faire mieux sur davantage de contenus. Le tone mapping inverse par IA va dans cette direction : la correspondance n’est plus une courbe écrite à l’avance, mais ce qu’un modèle apprend d’un grand nombre de paires d’images SDR et HDR.

Comment le modèle d’IA de KwaFlux produit du HDR

SDR vers HDR dans KwaFlux repose sur un modèle maison. Il ne devine pas une image HDR avec une courbe pour la faire retoucher ensuite par un réseau. La science de la couleur est intégrée au graphe de calcul du modèle, et ce qui sort de la dernière couche est un signal HDR prêt à encoder.

Les calculs de couleur vivent dans le modèle. La première étape du réseau décode le gamma SDR en lumière linéaire, si bien que chaque opération suivante travaille sur des quantités de lumière réelles. L’image passe ensuite de BT.709 au conteneur BT.2020, plus large, et le dernier étage l’encode en PQ ou en HLG. Aucune LUT ajoutée après coup, aucune courbe greffée à l’export : les primaires BT.2020, les luminances fixes du PQ et la luminance relative du HLG sont des contraintes sur lesquelles le modèle est entraîné.

Luminance et couleur suivent des branches séparées. L’échec classique du HDR : tout remonter jusqu’à ce que les visages paraissent en plastique et que les néons se couvrent de halos blancs. KwaFlux sépare le travail. La branche luminance gère la lumière : elle libère les hautes lumières du plafond de 100 nits du SDR tout en laissant les ombres et les tons moyens à leur place. La branche couleur tient la teinte quand la lumière augmente, pour que le ciel garde son bleu et le rouge à lèvres son rouge. Les mesures ci-dessus montrent pourquoi la séparation compte : une courbe qui ne suit que la luminance ne peut pas s’occuper à la fois d’un visage et d’un nuage.

La luminosité est une entrée du modèle, pas un multiplicateur appliqué après. Chaque séquence demande un HDR différent : un portrait souffre d’être trop clair, un paysage peut s’ouvrir, et une scène de nuit veut des lampes qui brillent sans transformer les enseignes en blocs blancs. La luminosité de KwaFlux est une valeur continue de 2,0 à 5,0, et chaque couche du modèle la voit. Déplacez le curseur et la lumière comme l’éclat changent ensemble, en douceur, sans le saut d’un changement de LUT ni l’aplat d’une simple multiplication.

Un seul jeu de poids, PQ ou HLG. Le PQ et le HLG ne diffèrent que par la fonction de transfert utilisée à la fin, si bien que KwaFlux livre les deux à partir des mêmes poids. Pas de modèle distinct par format, et les deux exports concordent.

16 bits à l’intérieur, 10 bits à la sortie. Le modèle calcule en lumière linéaire BT.2020 sur 16 bits, puis encode en H.265 ou AV1 10 bits dans l’espace colorimétrique choisi. Une fois les hautes lumières étirées, les dégradés ont besoin de plus de niveaux ; ne pas arrondir les résultats intermédiaires à 8 bits évite le banding dans les ciels et sur les murs.

Assez léger pour traiter un film entier. Le modèle ne fait que la lumière et la couleur : pas d’upscaling, pas de recadrage, pas de texture inventée. Le réseau lui-même est petit. Sur les machines à court de mémoire GPU, l’image est découpée automatiquement en tuiles, avec le même objectif de qualité et un traitement plus stable.

PQ ou HLG ?

Le choix entre PQ et HLG est dans le tableau plus haut. Pour YouTube et le HDR10, exportez en PQ.

Convertir du SDR en HDR dans KwaFlux

Étape 1 : ouvrir l’Étalonnage IA et choisir SDR vers HDR. Importez un clip dans l’Étalonnage IA et choisissez le mode SDR vers HDR. Il ne traite que la vidéo ; pour les photos, utilisez Couleur intelligente ou Étalonnage par filtre.

Étape 2 : choisir une scène. Scène propose Paysage (par défaut), Paysage nocturne et Personnalisé. Paysage et Paysage nocturne utilisent une luminosité prédéfinie (3,8 et 3,5) ; seul Personnalisé affiche le curseur Luminosité, de 2,0 à 5,0. Les points de départ ci-dessous sont nos suggestions ; ajustez-les à vos images :

Étape 3 : prévisualiser d’abord. Rendez un aperçu de 1, 3 ou 5 secondes sur la partie la plus lumineuse du clip et sur celle qui montre le plus de visages. Sur un écran SDR, vous voyez une version ramenée en SDR où la séparation des tons et de la peau reste visible ; sur un écran HDR, activez d’abord le HDR dans le système.

Étape 4 : exporter. Dans les réglages d’export, Espace colorimétrique propose HDR PQ (Rec.2020) (par défaut), HDR HLG (Rec.2020) et SDR (BT.709). Choisissez H.265 (recommandé) ou AV1 ; le conteneur recommandé est MKV. Les exports HDR sont en 10 bits, et KwaFlux écrit la fonction de transfert correspondante, les primaires et la matrice BT.2020, ainsi que des balises de plage limitée.

Astuce : si les images sont floues, bruitées ou pleines de blocs, nettoyez-les avec la Réparation de qualité avant SDR vers HDR. Le HDR amplifie les défauts de la source avec le reste ; réparer d’abord puis étendre donne un résultat bien plus propre que l’inverse.

À noter : SDR vers HDR ne permet pas pour l’instant d’empiler des filtres de style ; en empiler un assombrit l’export. Les filtres réglés sont conservés et s’appliquent de nouveau quand vous passez à Couleur intelligente ou à Étalonnage par filtre.

Vérifier un fichier HDR sans se fier à ses yeux

Vérifiez d’abord les balises. Cette commande liste les balises de couleur :

ffprobe -v error -select_streams v:0 -show_entries stream=pix_fmt,color_range,color_space,color_transfer,color_primaries -of default=nw=1 output.mkv

Un fichier PQ affiche smpte2084, un fichier HLG arib-std-b67, les primaires et la matrice bt2020 et bt2020nc, et un format de pixel 10 bits comme yuv420p10le.

Mesurez ensuite le pic. signalstats indique la valeur de code de luma la plus haute de chaque image :

ffmpeg -i output.mkv -vf "signalstats,metadata=print:key=lavfi.signalstats.YMAX:file=ymax.txt" -f null -

Pour un fichier PQ 10 bits en plage limitée, reconvertissez la valeur de code en nits avec cette table (calculée d’après la formule SMPTE ST 2084) :

Sur un fichier de test PQ, la commande a renvoyé YMAX 715, soit environ 920 nits, cohérent avec le pic de 910 nits calculé pixel par pixel par notre script. YMAX mesure la luma (Y′) : les hautes lumières colorées s’écartent donc un peu de la luminance réelle, mais l’ordre de grandeur suffit. Si la plupart des images sont à 940, le blanc maximal est lu comme 10 000 nits et le fichier a très probablement été seulement retagué.

Mesurez enfin un visage. Un visage en dit plus que le pic sur un éventuel relèvement global de l’image. Choisissez une image avec un visage tourné vers la caméra et mesurez la valeur de code moyenne dans un cadre autour de lui (les quatre nombres de crop sont la largeur, la hauteur et les coordonnées x et y du coin supérieur gauche ; adaptez-les à votre image) :

ffmpeg -ss 10 -i output.mkv -frames:v 1 -vf "crop=30:40:712:100,signalstats,metadata=print:key=lavfi.signalstats.YAVG:file=-" -f null -

Sur notre image de portrait, la version éclaircie linéairement a donné 618, soit environ 330 nits ; la version méthode A de BT.2446 a donné 549, soit environ 155 nits. Un étalonnage source plus sombre ou plus clair déplace les visages, mais quand un visage est nettement plus clair que le blanc de référence, toute l’image a très probablement été remontée.

Problèmes courants

Ce que l’IA ne peut pas faire

• Récupérer un détail écrêté dans la source. Là où un ciel ou une lampe SDR est déjà un aplat à 255, toute méthode ne peut que deviner ce qu’il y avait, pas le restaurer.
• Corriger au passage la compression de la source. Le tone mapping inverse amplifie les blocs et le bruit existants ; réparez d’abord les images très compressées.
• Remplacer un écran HDR. Sur un écran de 100 nits, le HDR ne peut être vu que ramené en SDR ; la luminosité supplémentaire n’apparaît que sur un écran HDR.
• Générer des métadonnées dynamiques Dolby Vision. KwaFlux exporte du PQ (famille HDR10) ou du HLG.

Conclusion

Le faux HDR est facile : changez une balise ou éclaircissez tout, et le lecteur affiche son badge HDR. Le vrai HDR doit réussir à la fois le signal et le contenu. La prochaine fois qu’on vous remet une vidéo «  HDR  », lancez les commandes ci-dessus : la position du pic et la luminosité des visages vous diront de quel genre elle est.

Testez sur vos propres images

KwaFlux exécute l’Étalonnage IA sur votre propre GPU, y compris les exports SDR vers HDR en PQ ou HLG. Le traitement IA tourne sur votre propre GPU et vos fichiers média ne sont pas envoyés pour être traités. KwaFlux fonctionne sous Windows 10 (64 bits, version 1809 ou plus récente), Windows 11 et macOS 12 ou plus récent sur Apple Silicon. Les aperçus ne demandent pas de compte : rendez un aperçu de 1, 3 ou 5 secondes sur n’importe quel clip. Une connexion avec un forfait payant n’est requise que pour exporter, convertir, réparer un fichier ou télécharger un fichier depuis un lien.

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