Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/hdr-wir-brauchen-bessere-pixel-1610-123630.html    Veröffentlicht: 25.10.2016 11:59    Kurz-URL: https://glm.io/123630

HDR

Wir brauchen bessere Pixel

Die nächste Fernsehgeneration bietet nicht nur mehr, sondern vor allem reichhaltigere Pixel. Dank High Dynamic Range (HDR) mitsamt sehr hell ansteuerbaren Pixeln und anderen Farbstandards ist die Darstellung von starken Kontrasten zwischen hell und dunkel kein Problem mehr.

HDR10, Dolby Vision, HDR Pro, trueHDR, Ultra-HD Premium, 4K HDR oder HDR perfect? HDR-Video hat viele Namen. Nach Ultra-HD scheint die Technik High Dynamic Range zur kontrastreicheren Helligkeitsdarstellung von Videos das nächste Verkaufsargument für Geräte sowohl in der Videoproduktion als auch im Consumer-Bereich zu sein. Vor allem die TV-Hersteller werfen dabei mit allerlei Namen und Labels um sich. Doch worin unterscheiden sich die Technologien und worauf ist zu achten? Wir haben versucht, ein wenig Ordnung ins Chaos zu bringen.

Die Umstellung auf HDR erfordert ähnlich wie eine Erhöhung der Pixelzahl von zum Beispiel Full-HD auf Ultra-HD eine Anpassung der gesamten Kette von der Video- und Filmproduktion über die Verteilungskanäle bis hin zu den Endgeräten. Statt die Zahl der Pixel sowohl bei den Videoinhalten als auch bei den Endgeräten zu erhöhen, wird bei dieser Technik versucht, die Qualität der bereits vorhandenen Pixel zu verbessern. Der Ansatz scheint durchaus sinnvoll, da die stetige Erhöhung der Pixelzahlen in den vergangenen Jahren nur eine geringe subjektiv wahrgenommene Verbesserung bei Auflösungen über 4K gebracht hat.

HDR-Displays und Projektoren sind deutlich heller als bisher verwendete oder erreichen bessere Schwarzwerte oder verbessern sich sogar in beiden Belangen. Die daraus resultierenden Kontraste stellen erhöhte Anforderungen an die Formate, die zur Übertragung verwendet werden, um ungewollte Stufenartefakte zu verhindern.

Lichtquellen werden samt realistischer Blendung gezeigt

In der Praxis ermöglicht HDR beispielsweise eine realistische Darstellung von Lichtquellen im Bildausschnitt wie etwa Feuer oder Autoscheinwerfer. Ebenso werden Farben mit hoher Helligkeit und gleichzeitig hoher Sättigung dank der Nutzung des neuen Farbraums REC2020 ermöglicht.

Mit HDR-Displays und -Projektoren wird versucht, eines der grundsätzlichen Probleme der Foto- und Videografie zu lösen: Bislang konnten die Ausgabegeräte nur einen Bruchteil des Dynamikumfangs darstellen, der von professionellen Kameras aufgenommen werden kann. Für die Postproduktion von Filmen lag dabei die Herausforderung darin, durch sogenanntes Tone Mapping den eingefangenen Dynamikumfang so zusammenzustauchen, dass auch bei der Anzeige auf einem Standardmonitor sowohl sehr helle als auch sehr dunkle Bereiche gut zu erkennen sind, beziehungsweise zu entscheiden, welcher Teil des Dynamikumfangs verloren gehen darf.

HDR-Video sollte nicht mit dem aus der Fotografie bekannten Vorgehen verwechselt werden, wobei Einzelbilder aus Belichtungsreihen desselben Motivs miteinander kombiniert werden, um den Dynamikumfang des Kamerasensors künstlich zu erweitern, wodurch man später dunkle Bildbereiche anheben und hellere Bildbereiche dunkler werden lassen kann.

Wie zuvor erwähnt, wird ein ähnliches Tone Mapping auch bei der Filmproduktion betrieben und HDR bietet dabei Filmemachern die Möglichkeit, ein kontrastreiches Bild an die Konsumenten zu liefern, ohne Details in den hellen und dunklen Bildbereichen zu verlieren. Zudem verbessern HDR-Geräte maßgeblich die Farbwiedergabe, das heißt, der darstellbare Farbraum und die Anzahl der Farbnuancen werden erweitert.

Displays werden heller

Die entscheidende Verbesserung vieler neuer Displays und Projektoren ist die maximal erreichbare Helligkeit. Diese wird als Leuchtdichte in Nit, auch Candela pro m2, angegeben. Der bisherige TV-Farbstandard ist auf eine Helligkeit von 100 Nit ausgelegt. Um HDR-Material darzustellen, werden für Displays höhere Leuchtdichten von 500 bis zu mehreren Tausend Candela benötigt. Die Helligkeit von HDR-Kinoprojektoren ist mit der von Displays nicht direkt zu vergleichen. 100 Nit wirken im Kino aufgrund der großen Fläche und der dunklen Umgebung bereits gleißend hell.

Bisherige Geräte mit Standard Dynamic Range (SDR) nutzen den Standard REC709, der mittlerweile in die Jahre gekommen ist und ursprünglich für CRT-Monitore bestimmt war. REC709 nutzt eine Farbtiefe von 8 Bit, also 256 Helligkeitsabstufungen pro Farbkanal. Was für reguläre Geräte mit SDR ausreichend war, würde bei erheblich angehobenen Kontrasten zu Streifenbildung (Banding) führen.

Um eine Bildung von solchen Artefakten zu verhindern, setzen die HDR-Standards auf 10 bzw. 12 Bit pro Farbkanal, also 1.024 beziehungsweise 4.096 Abstufungen. Statt 16,7 Millionen Farben (8 Bit) werden 10,7 Milliarden (10 Bit) oder 68,7 Milliarden Farbabstufungen (12 Bit) ermöglicht. Farbnuancen können durch die erhöhte Farbauflösung besser wiedergegeben werden.

Dolby Vision, HDR10 oder doch beides?

Bei der Implementierung in aktuelle Geräte setzen die meisten Hersteller auf zwei Standards: das mit Lizenzgebühren verbundene Dolby Vision und den freien Standard HDR10. Dolby hat für den HDR-Standard Dolby Vision die menschliche Wahrnehmung genauer untersucht: Demnach liegt der für Entertainment geeignete Helligkeitsbereich für das menschliche Auge zwischen 0 und 10.000 Nit. Dabei ist der Dynamikumfang einerseits groß genug, um Szenerien realistisch abzubilden, andererseits wird eine zu starke Blendung des Zuschauers vermieden. Zwar können aktuelle TVs diese angestrebten Werte noch nicht erreichen, jedoch ist das Format so zukunftssicher ausgerichtet.

Um diesen Helligkeitsbereich so effizient wie möglich zu speichern, hat Dolby eine Helligkeitskurve namens "perceptual quantiser" oder PQ basierend auf der menschlichen Wahrnehmung entwickelt. PQ setzt mehr Bildinformationen für dunkle Bildbereiche ein, da das menschliche Auge in dunklen Bildbereichen wesentlich feinere Helligkeitsunterschiede ausmachen kann als in hellen. Dies spart zusätzlich Datenrate, ohne dass dabei Artefakte generiert werden. Ohne die Helligkeitsverteilung von PQ würde Dolby laut eigenen Angaben 14 statt 12 Bit pro Farbkanal benötigen, um das Helligkeitsspektrum frei von Artefakten abzubilden.

Die Gammakurve PQ wurde anschließend von SMPTE in dem Standard "ST-2084" festgehalten und von HDR10 übernommen.

Worin unterschieden sich die beiden Formate und was soll den Verbraucher dazu bewegen, einen möglicherweise höheren Preis für Dolby-Vision-fähige Geräte zu zahlen, wo doch im Grunde genommen beide Formate auf dieselbe PQ-Kurve setzen?

Dolby Vision vs HDR10 - ein neuer Formatkrieg?

Dolby wirbt mit smarten Pixeln, dahinter steht eine Technik namens Dynamic Metadata. Dabei werden neben dem Inhalt zusätzliche Informationen zum Dynamikumfang der abgebildeten Szenerie übertragen. So wird der Content am Endgerät auf dessen Eigenschaften (maximale Helligkeit, unterstützter Farbraum) angepasst und wie vom Inhaltsersteller gewünscht ausgegeben.

Jedes Wiedergabegerät erhält denselben Datenstrom, unabhängig davon, ob es beispielsweise 600 oder 1.200 Nit unterstützt, jedoch wird jede Szenerie durch die Metadaten individuell angepasst und ausgegeben. Für Inhaltsersteller wie Filmstudios und Gamedesigner ist das ein wichtiger Aspekt, da nur eine Version für Endgeräte unterschiedlicher Helligkeiten verbreitet werden muss.

Zudem ist Dolby Vision mit bis zu 10.000 Nit bei 12 Bit Farbtiefe zukunftssicher ausgelegt. Dennoch ist es Dolby wichtig, nicht von einem Formatkrieg zu sprechen. So wird in dessen Whitepaper darauf hingewiesen, dass HDR10 eher als "abgespeckte" Version von Dolby Vision zu sehen ist und zukünftig beide Formate koexistieren können.

Umstellung im Produktionsworkflow

Auf der International Broadcasting Convention, einer der beiden weltweit größten Fachmessen für Film- und Fernsehproduktion, waren in diesem Jahr zwei Trends zu erkennen: Einerseits wurden diverse Ansätze für Virtual und Augmented Reality vorgestellt, andererseits wurde deutlich, dass sich die Branche um die Verbesserung der Qualität der klassischen Bildmedien Film und Fernsehen bemüht.

Während die Produktion in UHD schon fast selbstverständlich ist, höhere Auflösungen bis hin zu 8K momentan aber noch in der Entwicklungsphase sind, waren HDR-Video und der damit verbundene Produktions- und Distributionsworkflow eines der wichtigsten Themen auf der Messe. Für die Produktion von HDR-Content wird bei der Aufnahme von Kinofilmen zunächst kaum eine Umstellung stattfinden: Aktuelle Kinokameras erreichen einen Dynamikumfang von circa 16 Blendenstufen.

Eine Blendenstufe entspricht dabei jeweils der doppelten Lichtintensität. Damit nehmen sie deutlich mehr Dynamikumfang auf, als mit SDR-Displays (ca. 5 Blendenstufen) und sogar Dolby-Vision-Displays dargestellt werden kann, was heißt, dass nur der Postproduktionsworkflow auf die verbesserten Wiedergabegeräte umgestellt werden muss. Dazu gehört, dass für das Mastering ein HDR-Monitor verwendet wird und die Software die HDR-Verarbeitung unterstützt.

Mittlerweile ermöglichen auch preisgünstigere Kameras Filmaufnahmen mit 10 oder sogar 12 Bit Farbtiefe (z.B. die Blackmagic Cinema Cameras oder die auf der Fotomesse Photokina angekündigte Panasonic Lumix GH5). So wird die Technologie für eine breitere Masse an Filmemachern zugänglich und dürfte dazu führen, dass in absehbarer Zeit deutlich mehr HDR-Content produziert wird. Eine Verbreitung über Youtube wird ebenfalls bald möglich sein.

Wenig echtes HDR

Es ist sehr wichtig, dass die Regisseure und Filmproduzenten die erweiterten Möglichkeiten sinnvoll und nicht in übertriebener Weise einsetzen. In einigen Situationen kann die Ausnutzung der vollen Helligkeit sehr realistisch wirken und einen gewollten Blendeffekt verursachen, die ständige Nutzung von sehr hellen Tonwerten ist hingegen sehr anstrengend und unangenehm für den Zuschauer.

Momentan gibt es nur wenige Gelegenheiten, Filme in HDR zu erleben: Dolby Cinemas mit HDR-fähigen Projektoren sucht man in Deutschland bisher vergeblich. Wer sich HDR im Kino anschauen möchte, muss derzeit nach Österreich oder in die Niederlande fahren.

HDR-fähige TVs sind ebenfalls kaum verbreitet, jedoch wurde auf der Ifa eine ganze Schar neuer Geräte mit HDR-Unterstützung vorgestellt. Doch auch hier ist Vorsicht geboten: Einige Geräte können zwar mit HDR-Signalen (z.B. HDR10 oder HLG) umgehen, haben jedoch kein geeignetes Panel. Die TVs "quetschen" in diesen Fällen das Signal so gut wie möglich auf ein veraltetes SDR-Panel, was eigentlich nicht Sinn und Zweck der HDR-Technologie ist. Hilfe beim Kauf verschaffen hier Siegel wie UHD-Premium oder Dolby Vision.

Mit veralteten Panels an die Grenzen des Machbaren

"Echte" HDR-TVs gehen im Gegensatz zu abgespeckten Varianten mit veralteten Panels bis an die Grenzen des derzeit technisch Machbaren. LCD-TVs erreichen sehr hohe Helligkeiten und durch local Dimming akzeptable Schwarzwerte, während OLED-TVs perfekte Schwarzwerte liefern und meist einen größeren Farbraum abdecken, jedoch nicht an die Helligkeit von LCDs herankommen.

In abgedunkelten Räumen erreichen OLED-TVs ähnlich hohe Kontraste. Die UHD Alliance vergibt das UHD-Premium-Label deshalb schon an OLED-TVs ab 540 Candela, während LCDs mit schlechteren Schwarzwerten über 1.000 Candela hell sein müssen. Auf der IBC wurde ein LCD-Prototyp mit 10.000 Candela vorgestellt. Der Vorteil bei solch immensen Helligkeiten: Der Raum muss nicht völlig abgedunkelt werden, um hohe Kontraste zu erreichen.

Streaming liefert Inhalte

Bis auf einen Testkanal gibt es momentan keine TV-Sender, die HDR-Inhalte über Satellit ausstrahlen, zukünftig ist jedoch, verbunden mit UHD-Kanälen, auch die HDR-Ausstrahlung in Planung. Vorreiter ist die japanische Rundfunkanstalt NHK, die während der Olympischen Spiele in Rio bereits erfolgreich 8K-HDR-Video als Testprojekt über Satellit verbreitete.

Bis zu den Olympischen Spielen 2020 in Tokio soll NHK regulär in 8K HDR empfangen werden können. Dazu wurde in Kooperation mit der BBC der Standard Hybrid Log Gamma entwickelt, der vollständig kompatibel zu nicht-HDR-fähigen Geräten ist. SDR- und HDR-Geräte erhalten dasselbe 10-Bit-Signal, jedoch interpretieren HDR-fähige Geräte die zusätzlich gesendeten HLG-Metadaten und zeigen ein kontrastreiches Bild.

Das spart Bandbreite in der Verbreitung, da gerade Satellitenkapazitäten sehr kostbar sind. HLG ist im Gegensatz zu HDR10 und Dolby Vision auf die Verwendung im Rundfunkbereich ausgelegt und kein konkurrierendes Format. Der Streaminganbieter Netflix hat zum Zeitpunkt des Verfassens circa 100 Stunden HDR-Content im Programm, bis zum Ende des Jahres sind über 150 Stunden geplant.

Ultra-HD in HDR benötigt laut Netflix eine Bandbreite von bis zu 30 MBit/s. Auch Amazon bietet über Prime Video seit geraumer Zeit einige HDR-Inhalte und benötigt dafür rund 25 MBit/s. Youtube hat Anfang dieses Jahres HDR-Support noch für 2016 angekündigt, bisher gibt es allerdings keine neuen Informationen, wann das Feature umgesetzt wird. Auch der neue Blu-ray-Standard Ultra-HD Blu-ray unterstützt die benötigten Farbräume und Datenraten, besonders interessant ist dies auch für Besitzer der Xbox One S, die solche UHD-Blu-ray-Discs wiedergeben kann und HDR10 unterstützt.

HDR im Kino? Selten

HDR-Video entfaltet sein volles Potenzial in abgedunkelten Umgebungen. Dolby-Cinema-zertifizierte Kinos haben deshalb auch bauliche Vorgaben einzuhalten, so ist die gesamte Ausstattung in Schwarz gehalten und teilweise wird sogar auf beleuchtete Notausgangsschilder verzichtet.

In Kombination mit weiteren Features wie hohen Bildraten (HFR), 3D-Projektion und einem objektbasierten Audiosystem (Dolby Atmos) sind beeindruckende und extrem immersiv wirkende Szenen möglich, wie uns auf der IBC von Regisseur Ang Lee ("Life of Pi") eindrucksvoll demonstriert wurde. Sein neuer Film "Billy Lynn's Long Halftime Walk" (Kinostart Januar 2017) wurde in 4K, 3D, HDR und 120fps produziert.

Wir hatten in diesem Rahmen die Möglichkeit, bereits erste Szenen zu sehen. Das volle Potenzial der HDR-Laserprojektoren zeigte sich zum Beispiel bei Feuerwerksszenen vor tiefschwarzem Hintergrund oder Aufnahmen mit direktem Gegenlicht. Nebenbei bemerkt, trägt vor allem die hohe Framerate einen großen Teil zum besseren Seherlebnis bei. 3D wird in 120 fps butterweich wiedergegeben, während bei 48 fps 3D noch leichtes Ruckeln zu verzeichnen ist. Besonders beeindruckend wirkte auf uns eine Szene, in der Personen in einem stark wackelnden Militärjeep gezeigt wurden.

Derartig verwackelte Bilder hätten mit normalen Bildraten ein völlig unscharfes Bild ergeben, dank der 120 fps waren jedoch die Gesichtsausdrücke im Detail zu erkennen. Hier wird allerdings auch ein Problem deutlich: Mit den aktuellsten Aufnahmetechniken stehen Filmemachern und Regisseuren zwar erweiterte Möglichkeiten der Bildsprache zur Verfügung, um die Story bestmöglich umzusetzen, jedoch sehen Szenen, die zum Beispiel von HFR oder HDR leben, in älteren Kinosälen oder zu Hause ohne geeigneten TV bei weitem nicht mehr so aus, wie vom Regisseur gewünscht.

Der Dolby-Cinema-Aufbau auf der IBC bestand aus dem Dolby-Atmos-System mit objektbasiertem Surround Sound sowie sechs 4K-Laserprojektoren von Christie. Ob sich in naher Zukunft mehr Kinobetreiber finden, die sich den teuren Umbau ihrer Vorführsäle leisten, bleibt abzuwarten. In Deutschland sind nach aktuellen Informationen noch keine Dolby Cinemas geplant.

Die Hersteller machen es kompliziert

Für die Endnutzer, die einen HDR-TV mit bestmöglicher Bildqualität kaufen möchten, machen es die Hersteller derzeit besonders kompliziert. Käufer von Dolby-Vision oder UHD-Premium-zertifizierten Geräten machen zumindest in Bezug auf HDR nichts falsch. Wer weniger Geld ausgeben möchte, muss sehr genau aufpassen, ob der TV echte HDR-Unterstützung bietet oder nur die entsprechenden Formate kennt.

Am beeindruckendsten wirken Filme nach wie vor auf der großen Kinoleinwand. Wer die Chance hat, einen in Dolby Vision produzierten Film in bester Qualität zu sehen, sollte sich das Erlebnis nicht entgehen lassen. HDR-Video im Allgemeinen ist definitiv ein großer Schritt in die richtige Richtung zur Verbesserung der Bildqualität.  (sif)


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