Dieser Text ist eine Übersetzung eines am 22. August 2017 durch ITmedia veröffentlichten Artikels aus dem Japanischen. Copyright 2017 ITmedia Inc. Alle Rechte vorbehalten.

Was ist die neue HDR (High Dynamic Range)-Technologie?

HDR-Referenzmonitor ColorEdge PROMINENCE CG3145

In den letzten Jahren ist der Begriff HDR überall im Zusammenhang mit der Bilddarstellung aufgetaucht. HDR steht für High Dynamic Range. Sie kennen diese Bezeichnung möglicherweise als Feature, mit dem Ihr örtlicher Händler für ein Fernsehgerät wirbt – sie bedeutet, dass dieses Fernsehgerät einen größeren Dynamikumfang als herkömmliche Fernsehgeräte darstellen kann.

Wenn Sie sich ein wenig in der Fotografie auskennen und auf die Bezeichnung HDR stoßen, denken Sie vielleicht an eine Ähnlichkeit mit HDR-Fotos. Seit Smartphones wie das iPhone HDR-Aufnahmen ermöglichen, wurde die Bezeichnung HDR geläufig und die Chancen stehen gut, dass Sie dem Begriff zumindest begegnet sind, selbst wenn Sie sich für Fotografie nicht besonders interessieren. Allerdings verfolgt die HDR-Fotografie einen vollkommen anderen Ansatz, als im Video-Kontext.

Der Unterschied zwischen HDR-Fotos und HDR-Video

Worin besteht der Unterschied zum HDR-Modus eines iPhone?

„Dynamikbereich“ bezeichnet den Unterschied (oder den Bereich) zwischen der dunkelsten und hellsten Stelle eines Bilds, das ein Gerät darstellen und dabei die Fähigkeit zur Unterscheidung verschiedener Töne noch beibehalten kann. Wenn Sie beispielsweise einen Innenraum so aufnehmen, dass Sie sehen, was sich im Raum befindet, erscheint der durch die Fenster sichtbare sonnenhelle Außenbereich überbelichtet und ausgewaschen. Wenn das Bild jedoch den Lichtverhältnissen im Freien entsprechend belichtet wird, erscheint der Innenraum viel zu dunkel. Sie kennen das sicher selbst aus der Praxis.

Der Grund dafür liegt darin, dass der Unterschied zwischen dem hellsten Bereich (durch das Fenster einfallendes Sonnenlicht) und dem dunkelsten Bereich (das Innere des Raums) zu groß ist. Nehmen wir für dieses Beispiel an, dass wir den Dynamikbereich beliebig erweitern können, sodass die hellsten Bereiche nicht ausgewaschen und vollständig weiß und die dunkelsten Bereiche nicht verrauscht und vollständig schwarz erscheinen. Je größer Sie diesen Bereich werden lassen, desto realistischer wirkt das Bild, weil es sich dem Bereich annähert, den unser Auge wahrnehmen kann.

Bei der Betrachtung von realen Objekten ist der Dynamikbereich überwältigend groß. Wenn Sie beispielsweise von der Oberfläche der Erde aus direkt in die Sonne sehen, hat diese eine Helligkeit von 1,6 Milliarden Candela pro Quadratmeter (cd/m²), wogegen für die Helligkeit im Freien 2.000 cd/m² als normal gelten. Der von Menschen wahrnehmbare Dynamikbereich ist auf etwa 30 % des tatsächlich in der natürlichen Umgebung vorhandenen Bereichs beschränkt, kann jedoch durch Anpassungen der Pupille erweitert werden. Dies ist bereits eine beachtliche Größenordnung.

Aufnahmegeräte wie Kameras dagegen werden hinsichtlich des Dynamikbereichs auf der Grundlage von alten Standards aus der Zeit der Bildröhren konstruiert und hergestellt. Dies wird als „Standard Dynamic Range“ oder SDR bezeichnet. SDR-Geräte können nur einen kleinen Helligkeitsbereich von 0,05 bis 100 cd/m² reproduzieren. Mit anderen Worten: Die SDR-Bildstandards können bis heute nur einen winzigen Teil dessen abbilden, was das menschliche Auge wahrnimmt.

Age of HDR_SDR Display
Der Dynamikbereich der vorhandenen SDR-Standards ist auf 0,05 bis 100 cd/m² beschränkt. In der Folge gehen Details in ausgewaschenem Weiß und verrauschtem Schwarz verloren. Entsprechende Inhalte wurden in der Annahme produziert, dass sie auf Röhrenmonitoren wiedergegeben werden.

Der im iPhone und anderen Smartphones verfügbare HDR-Fotomodus verwendet Daten von mehreren Fotobelichtungen (je eine Aufnahme für Details im dunklen und hellen Bereich). Die jeweils korrekt belichteten Bereiche werden kombiniert und der Helligkeitsbereich wird auf diese Weise komprimiert. Dadurch wird der Verlust der Lichter- und Schattenzeichnung verhindert und es entsteht ein realistischer Effekt – ähnlich wie bei direkter Betrachtung mit dem menschlichen Auge. Unglücklicherweise muss diese Kompression der Farbtöne noch immer in den SDR-Bereich fallen. Der Detailverlust im hellsten und dunkelsten Bereich wird zwar vermieden, aber der tatsächliche Dynamikbereich des Bilds selbst wird nicht erweitert.

HDR Smartphones
Beim HDR-Modus von Smartphones werden mehrere, bei unterschiedlichen Helligkeiten belichtete Fotos zu einem HDR-Foto kombiniert, das innerhalb des SDR-Dynamikbereichs bleibt.

Die HDR-Technologie von moderner Videokameras hingegen ist in der Lage, einen wesentlich breiteren Helligkeitsbereich von 0,0005 bis 10.000 cd/m² ohne Kompressionsbedarf aufzuzeichnen. Dies entspricht vereinfacht ausgedrückt der hundertfachen Helligkeit von SDR. Die heute erhältlichen HDR-kompatiblen Fernsehgeräte können natürlich nicht einen solch großen Dynamikbereich wiedergeben. Die Wiedergabebedingungen für die Produktion von Inhalten (ITU-R BT.2100) sind auf eine maximale Helligkeit von 1.000 cd/m² und eine minimale Helligkeit von 0,005 cd/m² ausgelegt. Zweifellos können HDR-Inhalte so deutlich originalgetreuer dargestellt werden. Szenen mit starkem Kontrast werden eindrucksvoller, beispielsweise ein Sonnenstrahl, der in einen dunklen Raum fällt, während Szenen wie Sonnenuntergänge trotz Wiedergabe auf Ihrem Fernsehgerät im Wohnzimmer bemerkenswert realistisch sind.

HDR Display
Mit HDR wird der als Daten speicherbare Helligkeitsbereich auf 0,0005 bis 10.000 cd/m² erweitert. Dadurch wird es möglich, einen Kontrast herzustellen, der der menschlichen optischen Wahrnehmung ähnelt.
HDR Photo Video
Der Unterschied zwischen HDR für Fotos (komprimierte Helligkeitskurve) und HDR für Videoaufnahmen (erweiterter Helligkeitsbereich).

Ein wesentlicher Schritt, um HDR im Bereich der Bilddarstellung zu fördern, besteht in der Weiterentwicklung der Hardware. Kamerass haben bereits eine Empfindlichkeit erreicht, die SDR (0,05 bis 100 cd/m²) bedeutend überschreiten kann, und Displays  verfügen über eine LCD-Hintergrundbeleuchtung, welche die Helligkeitsanforderungen von SDR-Bildern bereits mehrfach übertrifft. Mithilfe von OLED-Anzeigen dürfte dieser Bereich problemlos noch weiter auszudehnen sein.

Daraus ergibt sich eine spürbare Nachfrage nach Kameras und Displays, die – anders als das überkommenen SDR – einen maximale Realitätsnähe ermöglichen. HDR-kompatible Fernsehgeräte sind im Unterhaltungselektronikhandel inzwischen fast überall erhältlich. Aber wie unterscheidet sich HDR-Video tatsächlich?

HDR-Video: Ein weitaus eindrucksvollerer Unterschied als beim Wechsel zu 4K- oder 8K-Video!

ColorEdge PROMINENCE CG3145

Über dieses Thema wurde viel geschrieben, aber anders als bei durch Zahlenangaben leicht verständlichen Technologien wie 4K oder 8K ist die Auswirkung von HDR kaum mit Worten beschreiben. Hier gilt einfach: Sobald Sie es selbst sehen, wird Ihnen der Unterschied zwischen SDR und HDR unmissverständlich klar. Falls Sie dazu noch keine Gelegenheit hatten, lassen Sie mich in meiner Funktion als Autor dieser Zeilen einige Gedanken über den HDR-Referenzmonitor ColorEdge PROMINENCE CG3145 mit Ihnen teilen.

Mein erster Eindruck der vom ColorEdge PROMINENCE CG3145 angezeigten Bilder war, dass sie unglaublich realistisch wirken. Bevor ich diesen Monitor in Betrieb sah, hatte ich eine Vorstellung, die von HDR-Fotos geprägt war. Diese werden aus verschiedenen Helligkeitsbereichen kombiniert, also erwartete ich etwas übersättigte Farben und ähnliche Effekte – stattdessen war mein vorherrschender Eindruck, dass Schatten und Spitzlichter realistisch dargestellt wurden. Weil der Dynamikbereich so weit gefasst war, wurden selbst feine Details korrekt wiedergegeben, was der Darstellung auf dem Bildschirm eine unglaubliche Tiefe verlieh. Es mutete so realistisch an, als wären die abgebildeten Gegenstände tatsächlich vorhanden.

Ich hatte zwar davon gehört, dass das menschliche Auge sehr präzise Tonwertunterschiede in dunklen Bereichen wahrnehmen kann, aber dies selbst zu erleben, war für mich eine große Überraschung. Bei dem Beispiel sah ich nächtliche Reflexionen der Lichter der Stadt auf einer Wasseroberfläche, deren sanfte Bewegung nur in Schatten sichtbar war, während die direkt angrenzenden Reflexionen der Lichter hell und lebendig wirkten, nicht ausgewaschen und Weiß. Szenen wie diese mit einer Mischung aus dunklen Schatten und hellen Spitzlichtern sind normalerweise schwer zu anzuzeigen. Dennoch ist genau das dem ColorEdge PROMINENCE CG3145 hervorragend gelungen.

Fernsehbildschirme im Elektronikhandel mit 4K- und HDR-Technologie.

Es bedurfte keines Vergleichs mit einer SDR-Anzeige (obwohl sich direkt daneben tatsächlich eine befand) – der Unterschied war offensichtlich. Natürlich war der ColorEdge PROMINENCE CG3145, den ich begutachten konnte, ein Prototyp: ein Referenzmonitor für Profis, die HDR-Inhalte erstellen. Daher war er vielleicht ein extremes Beispiel im Vergleich zu HDR-kompatiblen Standardfernsehgeräten. Dennoch lohnt sich ein Besuch bei Ihrem örtlichen Unterhaltungselektronikhandel und ein Blick auf die ausgestellten HDR-kompatiblen Fernsehgeräte, wenn Sie in den Genuss einer HDR-Sicht auf unsere Welt kommen möchten.

Was benötigen Sie, um HDR-Inhalte ansehen zu können?

Es ist unumstritten, dass HDR ein einzigartiges Betrachtungserlebnis bieten kann. Was benötigen nun normale Benutzer, um in den Genuss von HDR zu kommen? Zunächst muss Ihr Fernsehgerät mit HDR10-Signalen kompatibel sein. Dies können Sie recht einfach dadurch erkennen, dass es als HDR-kompatibel beworben wird. Prüfen Sie dies aber dennoch, denn es werden noch immer 4K-Fernsehgeräte vertrieben, die nicht HDR-kompatibel sind.

Außerdem gibt es Fernsehgeräte, die diese Signale zwar verarbeiten, aber nur eine relativ niedrige Helligkeit haben und einen geringen Kontrast bieten. Natürlich kann das Bild umso realistischer sein, je höher diese Werte sind, aber aus unerfindlichen Gründen werden sie bei vielen Fernsehgeräten noch immer nicht transparent angegeben. In diesem Fall können Sie darauf achten, ob das Ultra HD Premium-Logo vorhanden ist. Um Verwirrung auf Kundenseite zu vermeiden, hat die UHD Alliance diese Zertifizierung für Geräte, Vertrieb und Inhalte ins Leben gerufen. Sie garantiert, dass Sie zertifizierte HDR-Inhalte auf zertifizierten HDR-Geräten entsprechend betrachen können.

Ultra HD Logo
Ultra HD Premium-Logo der UHD Alliance
4K HDR Logo
Sony 4K HDR-Logo

Ohne jetzt zu sehr ins Detail dieser Spezifikationen zu gehen, müssen entsprechend gekennzeichnete Displays eine Spitzenhelligkeit von mindestens 1.000 cd/m² und einen Schwarzwert von 0,05 cd/m² oder alternativ mindestens 540 cd/m² bei einem Schwarzwert von 0,0005 cd/m² anzeigen können. Der Haken ist derzeit noch, dass diese und andere Anforderungen recht hoch sind, sodass zertifizierte Geräte fast ausnahmslos noch entsprechend teuer sind.

Hat man nun ein HDR-kompatibles Display, braucht man im nächsten Schritt nun entsprechende Inhalte. Auch wenn es natürlich auf die Art der Inhalte ankommt, sind hier die beiden folgenden Formate relevant: HDR10 und Dolby Vision. HDR10 ist ein standardisiertes Format für HDR-Inhalte und Inhalte, die als HDR-kompatibel beworben werden, sind mit Sicherheit HDR10-kompatibel. Dolby Vision dagegen ist, wie der Name bereits andeutet, ein von Dolby entwickelter separater HDR-Standard. Mit einer höheren Bittiefe von 12 Bit (im Vergleich zu den 10 Bit bei HDR10) wird dabei das Ziel verfolgt, realistischere Bilder mit stärkerer Präsenz zu erzeugen.

Die herausragendste Eigenschaft von Dolby Vision ist sein Metadatenformat. HDR10-Metadaten gelten für einen Inhalt absolut, wogegen Dolby Vision über Metadateneinstellungen für jedes Einzelbild verfügt und somit erlaubt, die Helligkeit dynamisch für individuelle Szenen festzulegen. Dadurch können Dolby Vision-kompatible Fernsehgeräte entsprechend ihrer jeweiligen Helligkeit Inhalte optimal darstellen.

Streaming-Dienste bieten nun 4K-/HDR-kompatiblen Inhalt an (im Bild: Netflix).

Beim derzeitigen Stand der Verbreitung von Dolby Vision lässt sich in Japan beobachten, dass Netflix, Hikari TV und andere Streaming-Dienste Dolby Vision übernehmen und entsprechende Inhalte liefern. Die Geräte selbst müssen natürlich ebenfalls Dolby Vision-kompatibel sein. Mehr und mehr Fernsehgeräte unterstützen den Standard und lange erwartete Player sind inzwischen auf dem Markt, sodass sich der Standard verbreiten wird.

Auch Videospielkonsolen zu Hause sind HDR-kompatibel (abbgebildet: Microsoft Xbox One X).

Außer von Fernsehgeräten wird HDR auch von Videospielkonsolen wie der PlayStation 4 und Xbox One S unterstützt. Die von HDR erzielte realistische Darstellung kann auf computergenerierte Grafikdarstellung ebenso angewendet werden wie auf Live-Inhalte. Bei genauerer Betrachtung ist HDR-Darstellung in der PC-Spielewelt nicht sehr weit verbreitet. Obwohl es kaum zu vermeiden war, dass der Dynamikbereich durch SDR eingeschränkt wird, wurden im Sommer 2017 einige HDR-kompatible PC-Monitore angekündigt. Zusammen mit dem Einfluss der Fernsehgeräte könnte dies dazu führen, dass HDR schnell eingeführt wird.

Schöner und realistischer – fünf Faktoren für bessere Bildqualität

Lassen Sie uns den großen Fortschritten dieser Technologien im Hinblick auf realistischere Bilder auf den Grund gehen. Im Grunde sind für bessere Bildqualität fünf Faktoren entscheidend: Auflösung, Bittiefe, Bildwiederholfrequenz, Farbraum und Helligkeit. Die ersten drei Faktoren hängen mit der Pixeldichte zusammen und haben sich im Lauf der Zeit weiterentwickelt. Beim Farbraum gab es lange Zeit keine Fortschritte. Vor einigen Jahren jedoch wurde der große Rec. 2020-Farbraum eingeführt. Also verbleibt als letzter Faktor die Helligkeit. Diesbezüglich stellt HDR eine Weiterentwicklung der vorhandenen Technologie dar.

HDR Factors
Die fünf Faktoren für bessere Bildqualität. HDR stellt eine Weiterentwicklung in puncto Helligkeit dar.

Wie bereits erwähnt, können durch Hardwarefortschritte bei Fernsehgeräten und anderen Displays die von Kameras aufgenommenen Bilddaten ohne Abstriche dargestellt werden. Dies bildet die Grundlage für realistischere und schönere Bilder. EIZO ist  mit dem zuvor erwähnten ColorEdge PROMINENCE CG3145 (erhältlich ab Anfang 2018) Teildieser Entwicklung und präsentiert einen LCD-Monitor für professionelle Produzenten von HDR-Inhalten.

Der ColorEdge PROMINENCE CG3145: konzipiert für Produktion im HDR-Zeitalter

Im ColorEdge PROMINENCE CG3145 ist ein IPS-LCD-Panel verbaut. Normalerweise können LCD-Panels und insbesondere IPS-Panels keine sehr tiefen Schwarztöne darstellen, wodurch sie ein relativ niedriges Kontrastverhältnis erzielen. Es gibt jedoch eine Technologie, mit der auch LCD-Anzeigen hohe Kontrastverhältnisse erreichen können: Local Dimming. Bei dieser Technologie wird die direkte LED-Hintergrundbeleuchtung in verschiedene Segmente  unterteilt und die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung jeweils segmentweise dem Bildinhalt angepasst. dadurch kommt es allerdings zu Schwankungen der Helligkeit und der Farbdarstellung kommt.

HDR Local Dimming
Local Dimming ermöglicht eine feine Einstellung der Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung, um Szenen mit stärkerem Kontrast zu reproduzieren (links:Local Dimming, rechts: kein Local Dimming). Die Technologie des Local Dimmings tendiert jedoch dazu, Lichthöfe (Auswaschungen durch Lichtlecks) in Bereichen mit starkem Hell-Dunkel-Unterschied zu verursachen, wie links abgebildet.

Außerdem tendieren Bereiche mit starkem Hell-Dunkel-Unterschied zu Lichthöfen, also Auswaschungen der Konturen heller Bereiche durch Lichteinstrahlungen in Bereiche, die dunkel sein sollten. Diese Nachteile mögen zwar bei Anzeigen zur reinen Wiedergabe zu vernachlässigen sein. Bei einem Referenzmonitor für Produktion sind sie jedoch ganz sicher unerwünscht.

EIZO verwendet dagegen einen neuen Typ IPS-LCD-Panel, der auch ohne lokales Dimmen seine Helligkeit so reduzieren kann, dass er erfolgreich Schwarzwerte von 0,005 cd/m² und weniger darstellen kann. Im Ergebnis beträgt das native Kontrastverhältnis 1.000.000:1. Darüber hinaus ist ein weiterer gewichtiger Vorteil des ColorEdge PROMINENCE CG3145 seine Fähigkeit, eine durchgehende Helligkeit und Farbdarstellung bei jeder Art von zu bearbeitendem Bildmaterial beizubehalten. Viele andere Referenzmonitore besitzen eine Funktion, die bei der Anzeige heller Szenen die Helligkeit vorübergehend begrenzt, um die Lebensdauer der Anzeige zu verlängern.

Der ColorEdge PROMINENCE CG3145 wurde als Color Grading-Referenzmonitor im oberen Preissegment positioniert. Es gibt selbstverständlich auch andere Schritte im Postproduction-Workflow von der Aufnahme bis hin zum Schnitt und Compositing, bei denen kein derart hoher Grad der Reproduzierbarkeit gefordert ist. Für diese Schritte bietet EIZO einen Upgrade-Service an, um (Pseudo-)HDR-Unterstützung für die vorhandenen Monitore der ColorEdge CG-Serie zu ermöglichen, indem ihren Farbmodi PQ (Perceptual Quantization)-Gammakurven (PQ1000 und PQ300) sowie HLG (Hybrid-Log Gamma) hinzugefügt werden. Damit wird eine HDR-Lösung für die Produktion von Streaming-Inhalten und Filmen bereitgestellt. Dieser Service wird für Produzenten empfohlen, die eine HDR-Vorschauumgebung zu geringeren Kosten ermöglichen möchten, um einen zukünftigen HDR-Workflow aufzubauen.