High Dynamic Range (HDR)

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Aktualisierung Mai 2017

Dynamische HDR-Formate

Bei statischen HDR-Verfahren wie PQ werden die Eckdaten für Kontrast, Helligkeit und Gamma nur einmal für den gesamten Film festgelegt. Dynamische HDR-Verfahren definieren pro Szene oder gar Frame den gewünschten Bildeindruck. Dolby Vision von Dolby ist bereits am Markt, Samsung und Amazon Video entwickeln HDR10+. Beide Verfahren basieren auf der PQ-Kurve, ergänzt um dynamische Metadaten. Sie setzen für den vollen HDR-Genuss entsprechende Inhalte voraus, sind aber abwärtskompatibel zu heutigen SDR-TV-Geräten.

Ausblick
Die Standardisierung von HDR im Rundfunkbereich ist im ersten Schritt abgeschlossen. Es ist jedoch denkbar, dass in Zukunft weitere HDR-Verfahren aufgenommen werden. Dies zieht fortlaufend entsprechende Anpassungen der HDMI-Schnittstelle nach sich. HDMI 2.0b unterstützt seit Dezember 2016 die HDR-Wiedergabe mit HLG. PQ wird bereits seit HDMI 2.0a unterstützt. HDMI 2.1 ist für das zweite Quartal 2017 angekündigt und soll höhere Auflösungen und HFR ermöglichen, bis hin zu 8K/120 Hz, und alle relevanten Formate für dynamisches HDR (High Dynamic Range) unterstützen.


Letzte Fassung vom Oktober 2016

Um das volle Potenzial der Bildqualität ausschöpfen zu können, genügt es nicht, nur die Anzahl der Pixel sowie den Farbraum und die Farbtiefe zu erhöhen. Für natürliche und originalgetreue Bildwiedergabe ist ein erweiterter Kontrastumfang unerlässlich. Diese Erweiterung wird als „High Dynamic Range” (HDR) bezeichnet. Der bisherige Dynamikumfang für TV-Übertragungen und Filme wird hingegen „Standard Dynamic Range” (SDR) genannt.

High Dynamic Range ist ein wichtiges Element der Phase 2 von UHD-1. Bislang bewegte sich der Helligkeitsbereich für Bildinhalte zwischen 0.05 cd/m2 und 100 cd/m2 („Candela pro m2” – auch „nits” genannt) was in etwa das Spektrum vom Mondlicht bis zu dem Licht einer Lampe abdeckt.

Nur innerhalb dieses Bereiches konnten sich die Farben „entfalten”. Mit HDR erweitert sich das Helligkeitsfeld theoretisch auf 0.0005 cd/m2 bis zu 10.000 cd/m2, was den Helligkeitsbereich von einem Sternenhimmel bis zu einem blauen Himmel bedeutet. In der Praxis werden diese Werte von Geräten für Verbraucher derzeit jedoch noch nicht erreicht.

Unsere Augen stehen auf Schatten!
Spätestens seit Marktstart der Ultra HD-Blu-ray rückt HDR zunehmend in den Fokus von Herstellern und Medien. Denn das Auge reagiert viel sensibler auf Helligkeits- als auf Farbabstufungen. Um unseren Augen also eine bessere Bilddarstellung bieten zu können, benötigen wir einen deutlich erweiterten Kontrastbereich. Bereits bei der typischen Farbabtastung von Inhalten (z.B. Ultra HD Blu-ray) werden mehr Helligkeits- als Farbinformationen übertragen. Es überwiegt also die Helligkeit (Luminanz) gegenüber der Farbigkeit (Chrominanz).

UHD HDR SDR Auge

TV-Kontrastumfang: SDR und HDR im Vergleich zur wirklichen Welt

High Dynamic Range – ein wichtiger Baustein
Obwohl HDR und der (erweiterte) Farbraum technisch gesehen zwei verschiedene Aspekte der Bildwiedergabe darstellen, werden diese beiden Elemente meist in Standards vereint. Die daraus resultierende Palette an verfügbaren Farben mit all ihren Intensitäten nennt man Farbvolumen.

High Dynamic Range ist somit eine von drei wichtigen Komponenten für das Farbvolumen, welche vom Zuschauer wahrgenommen werden kann.

Die drei wichtigen Eckpfeiler für das Farbvolumen sind:

  • HDR ➡ Erweiterter (derzeit noch theoretischer) Kontrastbereich von 0,0005 cd/m2 bis zu 10.000 cd/m2
  • Farbtiefe ➡ min. 10 bit (1,07 Mrd.Farbabstufungen, statt 16,8 Mio. bei 8 bit)
  • Farbraum ➡ BT.2020

Es ist wichtig zu verstehen, dass es bei HDR nicht (nur) um mehr Helligkeit geht, sondern viel mehr um einen erweiterten Kontrastumfang insgesamt, also den Abstand zwischen dem dunkelsten und hellsten Bereich in einem Bild. Eine Spitzenleuchtdichte von z.B. 1.000 cd/m2 ist wenig wert, wenn gleichzeitig auch eigentlich dunkle Bildbereiche zu hell erscheinen.

Kommunikation zwischen Inhalt und Bildschirm
Um dieses größere Farbvolumen abrufen zu können, müssen HDR-Inhalte und HDR-fähige Flachbildschirme nach einer neuen Logik miteinander „kommunizieren”. Es gilt neue Regeln aufzustellen, wie der Fernseher die (elektronischen) Daten interpretiert und wieder in (optische) Lichtsignale umwandelt, die er darstellen kann. Deswegen heißt diese Funktion – Electro-Optical Transfer Function – kurz EOTF. Dieser Prozess ist quasi die Umkehrfunktion zur Produktion von Inhalten. Hier „wandelt” die Kamera Lichtsignale in Daten, was folgerichtig Opto-Electrical Transfer Function (OETF) genannt wird.

Allerdings „sieht” eine Kamera solche Lichtsignale anders als unser Auge. Zudem ist das menschliche Sehorgan extrem anpassungsfähig hinsichtlich unterschiedlicher Lichtsituationen. EOTF und OETF sind daher nicht einfach linear, sondern „Kurven”. Für HDR gibt es mehrere Vorschläge aus der TV- und Videoindustrie, wie diese Kurven aussehen sollten. Einer dieser Vorschläge kommt bereits bei der Ultra HD Blu-ray oder der Übertragung von Ultra HD-Streams via Internet zum Einsatz: der von den Dolby Laboratories entwickelte „Perceptual Quantizer”, kurz PQ.

Dolby Vision
Eine auf der PQ-Kurve basierende Alternative ist das von Dolby unter dem Namen „Dolby Vision” vertriebene proprietäre Format, das einerseits den vollen Kontrastumfang der PQ-Kurve unterstützt (bei einer Farbtiefe von 12 bit) und andererseits volle SDR-Kompatibilität zu heutigen TV-Geräten verspricht. Es wird bereits von einigen CE-Herstellern unterstützt, setzt aber auch entsprechende Dolby Vision-Inhalte voraus. Er bietet eine gute HDR-Qualität, ist aber nicht rückwärtskompatibel zu Ultra HD-Fernsehgeräten, die nur SDR können. 

Hybrid Log-Gamma
Ein anderes HDR-Verfahren ist Hybrid Log-Gamma (HLG): HLG-Inhalte liefern sowohl für UHD-TVs mit SDR wie auch mit HDR ein gute Bildqualität. PQ und HLG sind durch die Internationale Fernmeldunion ITU in BT.2100 für Programmproduktion und -austausch spezifiziert und auch vom DVB-Konsortium in UHD-1 Phase 2 für die HDR-Distribution vorgesehen.

 

 

UHD HDR SDR Grafik

Zwei HDR-Favoriten für TV: Perceptual Quantizer (PQ) und Hybrid Log-Gamma (HLG)

Ausblick
Die Standardisierung von HDR im Rundfunkbereich ist weitgehend abgeschlossen, letzte formale Schritte sollten bis Anfang 2017 erledigt sein. Dies wird auch entsprechende Anpassungen der HDMI-Schnittstelle nach sich ziehen, damit dem Ultra HD-TV-Gerät oder der Ultra HD-Set-Top-Box signalisiert werden kann, welche „Kurve” in Bezug auf HDR vom jeweiligen Inhalt genutzt wird. Es ist wahrscheinlich, dass künftige HDR-fähige Flachbildschirme beide Verfahren, also PQ und HLG, unterstützen und je nach Signalisierung umschalten. Weitere Informationen zu HDR - inklusive Geräteliste - unter: 4kfilme.de.

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