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Altissma Definizione: verso un formato TV definitivo?

Mentre si sta affermando la televisione UHDTV (4k), all'orizzonte si staglia già il passaggio successivo, che dovrebbe soddisfare in pieno i requisiti più stringenti della fisiologia. Vediamo come sarà (e come invece dovrebbe essere) questa TV "definitiva".

Introduzione

 Il titolo può apparire un pò eccessivo, dato che siamo ancora lontani alla TV "olografica" che, forse, un giorno sarà in grado di ricreare l'illusione perfetta di essere sul posto. Tuttavia, in questi ultimi anni, la tecnologia legata alla riproduzione delle immagini ha fatto progressi rapidissimi e oggi possiamo dire di essere giunti vicini all'obiettivo di immagini praticamente perfette, con risoluzione, dinamica e colori capaci di “ingannare” anche gli spettatori più attenti ed esigenti.

 A questo punto, per garantire la diffusione di questa tecnologia, è necessario definire uno standard unico che garantisca l'eccellenza, senza sconfinare nell'eccesso ovvero nello spreco di risorse, soprattutto in termini di pixel e banda impiegata. Ovviamente, il principio ispiratore deve essere la fisiologia dell'occhio umano, con le sue capacità e i suoi limiti; come vedremo, finora questo principio ispiratore non è stato rispettato, prima per i limiti imposti dalle vecchie tecnologie, oggi soprattutto per ragioni economiche e di “marketing”.

 Facciamo innanzitutto un pò di chiarezza sui termini utilizzati, per chi non è troppo addentro ai vari formati televisivi:

  • Il termine Full-HD TV si riferisce al formato in alta definizione più utilizzato, quello con risoluzione 1920x1080 (2,07 milioni di pixel); in pratica, è lo standard utilizzato anche nei dischi Blu-Ray e in molti broadcast, anche se la maggior parte dei canali televisivi nazionali sono ancora in bassa definizione.
  • Il termine UHDTV 4k si riferisce al più recente formato da 3840x2160, che raddoppia le dimensioni del Full-HD e ne quadruplica il numero di pixel (circa 8,3 milioni). Anche se televisori capaci di mostrare questa risoluzione sono in vendita da qualche anno, nessun broadcast "free" trasmette normalmente con questo standard in Italia; per ora è riservato ad alcuni canali a pagamento, molti dei quali basati su Internet. Recentemente, sono usciti anche titoli Blu-Ray con questa risoluzione.
  • Il termine UHDTV 8k, è il passaggio successivo, con ulteriore quadruplicazione del numero di pixel (7680x4320=33.2 Mpixel). Il formato è stato sperimentato negli ultimi anni soprattutto in Giappone, dove presto dovrebbero iniziare anche le trasmissioni, ma la tecnologia di ripresa e di restituzione è ancora in fase di sviluppo e la banda richiesta è molto ampia, il che ne limita fortemente la diffusione per ora.

 Per ulteriori dettagli, si veda la pagina Wikipedia.

 

Acuità visiva e risoluzione

 Un occhio sano ha una acuità visiva, intesa come capacità di distinguere le linee adiacenti o i tratti elementari di un carattere, pari a circa 1 primo d'arco; questo valore, ampiamente riportato in letteratura, viene indicato come “frazione di Snellen”. Per “ingannare” l'occhio, dunque, è necessario (e sufficiente) che i pixel di una immagine sottintendano un angolo di poco inferiore, anche tenendo conto delle inevitabili piccole differenze tra individui. Un valore ragionevole è 0,86' (51,6 secondi d'arco) che corrisponde esattamente a 0,25 milliradianti, dunque una risoluzione di 4000 pixel/radiante1, valore che chiameremo risoluzione ottimale.

 Qui arriva la prima grossa sorpresa: già gli studi effettuati negli anni '70 e '80 sulla TV ad alta definizione suggerivano una distanza ottimale di visione intorno ai 2,5 m e, in effetti, nella maggior parte dei salotti la distanza tipica da cui osserviamo la televisione è compresa tra 2,4 e 3 m. Ora, se calcoliamo le dimensioni che dovrebbero avere i pixel per poter soddisfare la suddetta “risoluzione ottimale”, il risultato è 0,60÷0.75 mm al centro dello schermo (che è il punto più vicino allo spettatore). Queste dimensioni corrispondono a un televisore “Full HD” piatto con diagonale di 52÷65 pollici, che risulta dunque il range ottimale di dimensioni per questo standard. Peccato che la maggior parte degli schermi Full-HD che troviamo nelle case hanno dimensioni intorno ai 42”, dunque sono sottodimensionati e si perdono molti dettagli, a meno che non ci si avvicini a poco meno di 2 metri dallo schermo (provare per credere!); una parziale giustificazione di questa situazione è che non sempre le trasmissioni sono in alta definizione e quindi si tratta di un compromesso; questa però è una scusa sempre meno valida, che in futuro è destinata ad esaurirsi.

 La situazione, poi, diventa drammatica con i nuovi televisori UHDTV 4K, per i quali la taglia più “gettonata” è attualmente intorno ai 55 pollici (se ne vendono comunque tra 40 e 80 pollici); dato che la risoluzione di questi schermi è esattamente il doppio di quelli Full-HD, bisognerebbe invece fabbricarli di dimensioni molto maggiori, tra 105 e 130 pollici (a patto di osservarli sempre a distanza di 2,4-3 metri). In pratica, come legge empirica, bisogna porsi a una distanza in cm pari al doppio della diagonale in pollici, quindi uno schermo UHDTV da 40" funge bene da monitor per PC mentre dovrebbe essere circa 3 volte più grande per essere usato come televisore. E' ovvio che, per ora, il costo proibitivo impedisce la diffusione di televisori con pannelli così grandi; anche gli ingombri non giocano certo a favore di questa scelta che però risulta obbligata se si vuole realmente godere di questa risoluzione. Il problema dei costi dovrebbe tendere a scomparire in futuro, con il graduale diffondersi di televisori UHD di grandi dimensioni, mentre per gli ingombri eccessivi è possibile trovare delle soluzioni con schermi a scomparsa o a geometria variabile, come vedremo in seguito.

 

Fattore di forma o ”aspect ratio”

 Il rapporto tra larghezza e altezza di uno schermo, detto “aspect ratio”, sembra l'unico parametro che l'industria voglia tenere fisso negli ultmi anni, sempre attorno al famoso valore di 16:9 (≈1,78:1). In realtà, queste proporzioni derivano da un compromesso ormai superato: esso era motivato dalla necessità di accomodare i due formati più diffusi svariati anni fa, quello televisivo classico (4:3≈1.33:1) e quello cinematografico panoramico del Cinemascope (47:20=2,35:1); in effetti, il 16:9 è quasi esattamente la media geometrica dei due. Oggi che il formato televisivo tradizionale è praticamente scomparso, ha senso spostarsi definitivamente verso il formato cinematografico, invece di continuare a vedere nella maggior parte dei film inutili bande nere in alto e in basso, con conseguente riduzione dell'informazione che potrebbe essere contenuta nell'immagine. La mia proposta è quella di adottare un aspect ratio compreso tra 2:1 e 2,35:1, possibilmente spostato verso quest'ultimo; un valore ottimale potrebbe essere 7:3≈2,33, poichè si tratta di una proporzione semplice da trattare e numericamente compatibile con molti formati precedenti. Un ulteriore motivo per scegliere un formato più allungato è di tipo pratico e si lega all'ingombro verticale del televisore; come vedremo, il televisore "definitivo" deve ricreare un angolo orizzontale molto ampio mentre in verticale ci sono limitazioni legate all'altezza dello schermo e al fatto che difficilmente può essere reso curvo anche in quella direzione e quindi l'altezza va limitata per evitare distorsioni eccessive.

 

Campo di vista e numero di pixel

 Parlando sempre di fisiologia, il nostro campo visivo si estende tantissimo e viene sfruttato solo in minima parte dai dispositivi attuali. Come si vede nella figura sottostante, il campo orizzontale si estende per oltre 200° mentre, verticalmente, è di oltre 150°. In realtà, va detto che le prestazioni dell'occhio calano drasticamente alla estrema periferia del campo (la regione in verde) poichè lì la densità di fotoricettori della retina è molto bassa e quindi l'immagine è confusa; inoltre, si tratta di regioni visibili solo con “un occhio alla volta” poichè il naso fa da schermo. In pratica, per vedere bene quella zona siamo costretti a muovere la testa! Volendo evitare il torcicollo, quindi, è meglio limitarsi alla regione medio-periferica (in azzurro). Naturalmente, per apprezzare in ogni parte dello schermo la risoluzione elevatissima, l'occhio dovrà comunque spostarsi ed esplorare continuamente zone diverse uilizzando le aree centrale e paracentrale del campo visivo (che corrispondono alla cosiddetta "regione foveale" della retina, a maggiore acuità visiva), ma questo lo facciamo già normalmente senza accorgercene e senza particolare fatica.

CampoVisiv

Source: Wikipedia, author: Zyxwv99 under Creative Common Licence

 Nella figura ho evidenziato con due rettangoli rossi il possibile intervallo di dimensioni apparenti di uno schermo con l'aspect ratio vicino a 7:3. In pratica, il campo orizzontale dovrebbe essere compreso tra 90° e 135° mentre quello verticale tra 40° e 60°. In termini di angolo solido, si va da 1 a 2 steradianti circa. Da ora in poi, ci concentreremo su un sistema con campo intermedio di circa 110°x 47°; adottando una risoluzione ottimale, questo corrisponde a 7680x

32922 pixel, dunque curiosamente la stessa larghezza del formato UHD 8k ma con 25 Mpixel anzichè 33 Mpixel.

 L'ampio angolo orizzontale di cui abbiamo appena parlato, strettamente legato al grande numero di pixel, implica NECESSARIAMENTE il ricorso a uno schermo ricurvo in quella direzione. Una tale necessità non viene esplicitamente enunciata negli standard ad alta/altissima definizione esistenti, probabilmente perchè si vuole lasciare la libertà di utilizzarli anche in sale cinematografiche dove la presenza di uno schermo fortemente ricurvo causerebbe seri problemi di distorsione dovuti all'ampia dispersione della platea, con spettatori posti anche lontano dal centro della sala. Qui stiamo parlando però di un utilizzo domestico e si presume che i pochi spettatori siano concentrati in una zona ristretta, centrale e a distanza ottimale dallo schermo. In tal caso, è necessario avere uno schermo avvolgente per raggiungere un angolo visuale così grande, senza contare il fatto che uno schermo piatto di grandi dimensioni introdurrebbe una grande escursione di distanza dallo spettatore, con una fortissima distorsione prospettica nell'immagine e un inaccettabile "spreco di pixel". Tale spreco è quantificato dal parametro "efficienza di risoluzione", pari al quoziente tra l'angolo solido sotteso dallo schermo e quello sotteso da un singolo pixel osservato alla distanza ottimale e frontalmente (detto "angolo solido elementare" nelle tabelle più sotto) moltiplicato per il numero totale di pixel; tale efficienza sarebbe pari al 100% solo nel caso di uno schermo che sia una porzione di sfera, con tutti i pixel equidistanti dall'osservatore e quindi curvo in tutte le direzioni (si potrebbe pensare anche a un complicatissimo schermo piatto con pixel di dimensioni e forma variabile andando dal centro verso i bordi, per assecondare le distorsioni prospettiche, ma sarebbe una follia...).

 

L'implementazione tecnologica (il "monolito con le ali")

 Realizzare schermi concavi in senso orizzontale oggi non è un problema, anche senza ricorrere alla videoproiezione: i pannelli LCD e, ancora di più, quelli dotati della nuova tecnologia OLED si prestano benissimo a essere curvati e se i televisori curvi già in commercio, per ora, non hanno riscosso un grande successo è semplicemente perchè il vantaggio che ne deriva non è evidente su uno schermo relativamente piccolo rispetto alla distanza di visione. Per apprezzare la resa di un televisore curvo, infatti, è necessario che esso abbracci nel campo visivo un angolo di almeno 50°; questo è impossibile con un normale Full-HD senza incorrere in una violazione del criterio di "risoluzione ottimale" (e quindi pixel troppo grandi e immagine poco definita, con conseguente affaticamento nella visione prolungata) mentre, per un televisore UHD 4k, comincia ad avere senso se lo si osserva abbastanza da vicino da apprezzare i dettagli.

 Naturalmente, a meno che lo spettatore non sia uno solo, il raggio di curvatura dello schermo dovrà essere maggiore della distanza minima schermo-osservatore; un buon compromesso, se ci sono due o tre spettatori seduti uno accanto all'altro, potrebbe essere un raggio di curvatura compreso tra 1,5 e 2 volte la distanza di osservazione. Il caso all'estremo opposto è quello della sala cinematografica di cui abbiamo parlato in precedenza, oppure di una stanza in cui gli spettatori sono "sparpagliati" per qualche motivo invece di stare vicini. Allora sarebbe auspicabile una curvatura molto ridotta, simile a quella effettivamente utilizzata negli attuali schermi curvi in vendita. Riguardo al tipo di curvatura, qui considererò un profilo circolare (arco di circonferenza) ma nessuno vieta di adottare altri profili; in particolare, un profilo ellittico con asse maggiore perpendiclare alla linea di vista è probabilmente più adatto nel caso di una platea ristretta e concentrata, poichè dovrebbe garantire distorsioni ancora minori; tuttavia, non ho effettuato calcoli al riguardo ed eviterò di addentrarmi nella questione per non appesantire la trattazione.

 La seguente tabella mostra gli ingombri e gli angoli apparenti relativi ai diversi standard3 ; si sono applicati i criteri di "risoluzione ottimale" e di distanza di 2,5m dal centro di uno schermo piatto:

 TV flat1

  Di seguito, la stessa tabella per uno schermo moderatamente curvo (raggio di curvatura pari a 5 m); si noti che la "profondità" esprime in realtà l'entità dello scostamento da uno schermo piatto:

TV family1

 Come si vede, i due sistemi 8k ora abbracciano angoli orizzontali decisamente più ampi (100°); se poi i calcoli vengono ripetuti quando il raggio di curvatura coincide con la distanza dell'unico spettatore centrale, raggiungiamo il fatidico angolo orizzontale di 110°:

TV single1

 Come si vede, in ogni caso c'è anche un problema di ingombro del televisore, che rischia di monopolizzare una intera parete della stanza (quasi 5m in larghezza e oltre 2 in altezza)!

 Ecco allora "l'uovo di Colombo" che risolve brillantemente entrambe le problematiche legate a una curvatura fissa e ad un ingombro orizzontale eccessivo: lo schermo non deve essere rigido e monolitico ma ripiegabile e a "geometria variabile" come un uccello che dispiega le ali, a seconda dell'uso che se ne deve fare.

 Quando il televisore è spento oppure quando non si deve visionare alla massima definizione, le due ali sono ripiegate e gli ingombri orizzontali sono più che dimezzati, come dimostrato nelle due seguenti simulazioni realizzate con il programma 3D Builder.

TV schema

 Quando le ali si dispiegano, è possibile regolarne la curvatura in maniera da soddisfare una platea "sparpagliata", "concentrata" o "singolare" (spettatore unico). Di seguito, un'altra visualizzazione nel caso di un raggio di curvatura di 5m.

TV OPENING2 

 Il meccanismo alla base della geometria variabile potrebbe essere di tipo meccanico, con dei micro-ingranaggi montati sopra e sotto lo schermo flessibile OLED, oppure con un sistema gonfiabile. 

Da notare che, anche quando le ali sono richiuse, è possibile seguire fino a 3 programmi Full-HD disposti in verticale, sulla porzione di schermo centrale fissa. Inoltre, se lo schermo è spento, dovrebbe avere un aspetto molto simile (per colore e proporzioni) al monolito di "2001 Odissea nello Spazio", una curiosa (e a mio parere bellissima) coincidenza...

 

Conclusioni

 Il termine "alta definizione" è di per se fuorviante; come abbiamo visto, lo scopo del susseguirsi impetuoso di nuovi formati con un numero crescente di pixel non è quello di rendere più dettagliata una immagine che già adesso è estremamente nitida, se guardata alla giusta distanza. Il vero obiettivo, in realtà, è di restituire quella ricchezza di dettagli su una zona sempre più ampia, al limite sull'intero campo visivo dei nostri occhi. Ebbene, con il formato più avanzato di alta definizione, il cosiddetto UHDTV-8k, è possibile ottenere questo risultato, a patto di riprendere e restituire la scena con un sistema grandangolare. Questo significa, dal punto di vista del display, ricorrere a uno schermo decisamente ricurvo, per lo meno in direzione orizzontale. La variante qui discussa è un formato "8k panoramico" che si distacca dal tradizionale rapporto d'aspetto 16:9 per venire incontro alle esigenze del formato cinematografico e, al tempo stesso, per evitare la complicazione di dover curvare lo schermo anche in direzione verticale e di doverlo porre troppo in alto, in una posizione fisiologicamente stancante. Viene presentata anche una soluzione tecnologica al problema dell'ingombro eccessivo dello schermo (quando non utilizzato) e alla regolazione della curvatura in base al numero e alla disposizione degli spettatori. C'è da sperare che qualcuno ne prenda atto e faccia tesoro di simili consigli...

 

1 : Questo significa che la più fitta alternanza di righe chiare/scure percepibile dall'occhio è di circa 2000 cicli al radiante, facendo riferimento al teorema del campionamento di Nyquist. Le prove effettuate artigianalmente dal sottoscritto sul proprio sistema visivo (quando avevo una buona vista) davano esattamente questo risultato, mentre esperimenti qualitativi più recenti da me effettuati su vari televisori dimostrano un risultato ottimale con circa 3500 pixel/radiante.

2 : L'altezza di 3292 pixel fornisce un aspect ratio molto vicino, ma non coincidente, con 7:3 (cosa, del resto, impossibile da ottenere con una larghezza di 7680 pixel poichè questo numero non è multiplo di 7); inoltre, scomponendo in fattori primi, 3292=4x823, dunque un numero decisamente scomodo da usare. Volendo invece una proporzione vicina a 2,35:1, bisognerebbe utilizzare una altezza di 3268 (=4x19x43) oppure 3264 pixel; quest'ultima scelta è preferibile perchè, anche se fornisce un aspect ratio leggermente "maggiorato" (40:17 ovvero circa 2,353:1) è divisibile per 26=64 e per 3; questo, da ora in poi, nell'articolo mi concentrerò su questa risoluzione. Un'ultima opzione sarebbe il formato 64:27=(4:3)3, che costituisce una ulteriore "anamorfizzazione" del 16:9=(4:3)2; questo implicherebbe una risoluzione verticale di 3240 pixel, esattamente il triplo del Full-HD; tuttavia, l'aspect ratio arriverebbe a 2,37, leggermente più largo del Panavision (v. sotto).

3 come si vede, le colonne colorate rappresentano dei nuovi "standard"; in aggiunta alla "UHDTV 8k pano" descritta nell'articolo (sfondo rosa), ci sono altri due formati 5k e 6k panoramici (in giallo), da me ideati per soddisfare i requisiti sul campo visivo più ampio in direzione orizzontale e che possono essere visti come passaggi intermedi verso l'8k. Il "5k" ha un formato 7:3 e la stessa risoluzione verticale del 4k mentre il 6k aumenta del 50% la definizione del 4k e copre un campo apparente di circa 1 steradiante, come suggerito dal nome; la sua risoluzione verticale sarebbe la stessa menzionata alla fine della nota precedente e potrebbe quindi costituire, di fatto, l'anello di congiunzione tra gli attuali formati 16:9 e il formato 8k "superanamorfico", faciltandone l'affermazione.

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

Sito web: https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58
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2 commenti

  • Link al commento Marco Di Lorenzo (DILO) Mercoledì, 29 Marzo 2017 05:20 inviato da Marco Di Lorenzo (DILO)

    Massimo. lo schermo 49" UHD curvo ha poco senso se osservato da lontano mentre è una cosa ragionevole se ci guardi materiale in risoluzione 4k stando però alla giusta distanza (circa 1m); questo però lo rende più simile a un monitor per PC che non a un televisore da salotto! Il discorso del costo stratosferico riguarda in realtà gli schermi grandi più che quelli curvi, anche se le due cose, come avrai capito, devono andare di pari passo...

  • Link al commento Massimo Martini Martedì, 28 Marzo 2017 18:55 inviato da Massimo Martini

    Molto interessante! L'idea dello schermo ampliabile la presenterei a qualche costruttore... chissà che nel 2040 non potremmo avere un 'monolito' in ogni casa...
    Mi hai poi confermato un'impressione che avevo sugli schermi curvi attuali che (a parte il costo stratosferico) hanno poco senso.
    Io ho un 4k Philips di 49 pollici e devo dire che sono molto soddisfatto anche se la massima risoluzione non l'ho mai sperimentata.

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