Uhd Bilder

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UHD ("Ultra HD", 4K) wird noch lange nicht als HDR bezeichnet.

Die hohen Dynamikbereiche (HDR) stammen im Wesentlichen aus der Bildverarbeitung. Dies sind so genannte kontrastreiche Bilder, die große Helligkeitsdifferenzen im Detail abbilden, weshalb wir in diesem Zusammenhang von hochdynamischen Aufnahmen sprechen. Im Gegensatz dazu stehen LDR - Digitalbilder mit niedrigem Dynamikumfang: Low Dynamic Range. Bei HDR kann der gesamte Bereich der optischen Einzelheiten dargestellt werden - sowohl im Lichte als auch im Dunkeln.

Wer sich vor Augen hält, dass die Wahrnehmungen des Menschen der Technologie weit voraus sind, stellt fest, dass die gleichzeitige Erfassung und Anzeige von Hell- und Dunkelbereichen eine vielfältige Aufgabe für Konstrukteure und Produzenten ist. Bisher konnte man entweder Einzelheiten im Licht anzeigen, aber dann war im Dunkel des Bilds nichts zu sehen.

Durch HDR wird es in Zukunft möglich sein, sowohl die dunklen als auch die hellen Bildkomponenten so zu erzeugen und zu reproduzieren, wie wir sie in der freien Wildbahn und auf Wunsch der Hersteller und Direktoren nachempfinden. Man unterscheidet zwischen dem diffusen Weiss und den so genannten Highlights, was eine wesentlich genauere Unterscheidung in der Bildtiefe ermöglicht.

Das Informations- und Werbungsversprechen der Produzenten lässt uns vermuten, dass HDR nun dazu gehört und mit 4K oder Ultra HD gleichgesetzt werden kann. Wurde der so genannte Dynamikbereich - also das Quotient aus maximaler und minimaler Luminanz - noch vor wenigen Jahren bei mageren 100 Nit erreicht und es wurden Videomaterialien im gleichen Kontrast umfang von 100:1 in der gleichen Größenordnung des Kontrastes erzeugt, so waren es bis 2014/2015 etwa 400 Nit.

Der HDR-Tauglichkeit sgrad der Bauelemente steht somit in direktem Zusammenhang mit den Anforderungen sowohl an die oben genannte Maximalhelligkeit als auch an den Schwarzpegel, der im Zuge der UHD Alliance-Zertifizierung weniger als 0,05 Nit für LED-LCD-Displays und weniger als 0,0005 Nit für OLED-Displays beträgt. Für diesen großen Dynamikbereich (0,05 bis 10000 Nits) und die damit verbundene hohe Kontrastwiedergabe ist dagegen eines unerlässlich: eine höhere Quantifizierung.

Es werden in der Praxis Messwerte zwischen 0,01 und 4000 cd/qm erreicht, was einem Dynamikbereich von 400.000:1 entspr. ist. Mit der HDR-Technologie und der dazugehörigen Farbintensität lassen sich nun Bilder und Filme erzeugen und wiedergeben, die noch bunter und detaillierter sind als mit 4K/UHD und zudem dem Naturmodell ähneln.

Mit Hilfe des softwareunterstützten HDR-Verfahrens wird es künftig auch in der Fernsehtechnologie möglich sein, mit dem Film-Material spezifische Information (Metadaten) zu übermitteln, die die Displayhelligkeit in der Anzeige dynamisiert. Diejenigen, die besonders großen Wert auf gestochen scharfe Bilder und einmalige Gegensätze legen, sollten auf die entsprechenden Vorgaben und Minimalanforderungen achten, die unter anderem von der UHD Alliance mit dem Gütesiegel "Ultra HD Premium" definiert und bescheinigt werden.

Ein Grund dafür ist, dass es in absehbarer Zeit sowohl SDR- als auch HDR-Angebote gibt, denn natürlich hat nicht jeder ein HDR-fähiges Endgerät zu Haus. Allerdings verheißt das technologisch anspruchsvollere Dolby -Vision-Format bereits eine noch höhere Brillianz. Deshalb dürfte sich diese Technologie in naher Zukunft weiter am Markt etablieren.

Prinzipiell unterscheidet sich der einzelne HDR-Standard im Mastering-Prozess und im Übertragungsformat der verwendeten Daten. HDR-10 zum Beispiel hat eine Farbintensität von 10 Bits, während DolbyVision mit 12 Bits funktioniert, d.h. einem viel größeren Helligkeitsbereich, der für eine bessere Qualität des Bildes bürgt. Außerdem kann der Bildinhalt besser an das Erscheinungsbild angepaßt werden, da die Information pro Aufnahme übermittelt wird.

Die ersten TV-Hersteller (z.B. LG, Sony) wenden sich dabei an "Dolby Vision", mit dessen Hilfe die HDR-Implementierung noch erfolgreicher sein soll. Bei allen Neuentwicklungen geht es darum, ein Optimum für so viele konventionelle und künftige Bildschirme mit sehr verschiedenen Systemanforderungen (z.B. Peak-Helligkeit, Schwarzwert) wie möglich zu erreichen, die sowohl SDR als auch HDR beinhalten.

Um auch solche Aufzeichnungen mit großem Dynamikbereich zu ermöglichen, die auf kontrastarmen Endgeräten dargestellt werden können, wird das so genannte Tone Mapping verwendet, das im Folgenden näher erklärt wird. Diese Gamma-Voreinstellung als Powerfunktion mit Exponent 2.4 ist der Kontrastwahrnehmung des Menschen sehr nahe, weshalb sie sowohl im HDTV-Standard BT.709 (mit 8 oder 10 Bit) als auch im BT.2020 für UHDTV Signale (mit 10 oder 12 Bit) erhalten geblieben ist.

Also ist der einzigste Unterschied hierbei die Quantifizierung. Die unterschiedlichen Gerätehersteller verwenden für den entsprechenden Bildsensor spezielle, optimale Protokollfunktionen, damit die Kamera einen größtmöglichen Kontrastumfang und ein geringes Datenaufkommen aufzeichnet. Der OETF (Aufzeichnung) ist also veränderlich und darüber hinaus nicht festgelegt. Das ist das eigentliche Dilemma.

Wenn dies nicht bekannt ist, wird es schwierig oder sogar nicht möglich, den ganzen Dynamikbereich der Aufzeichnung während der Aufzeichnung beizubehalten. Heute können TV-Kameras auch mit einem grösseren Dynamikbereich aufnehmen. Die TV-Signale werden direkt ausgestrahlt, so dass eine anschließende Handverarbeitung, wie beim Filmen, bei der Ausstrahlung selbstverständlich ist.

Zur direkten Übermittlung von HDR-Inhalten sind automatische Prozesse erforderlich, die eine hersteller- und systemübergreifende Signalaufbereitung ermöglichen und eine hohe Wiedergabequalität sowohl im HDR als auch im SDR erreichen. Die HDR-Entwicklung zielt daher nicht nur darauf ab, die technische Voraussetzung für HDR sowohl bei der Aufzeichnung (Kamera) als auch bei der Aufzeichnung (Display/Fernsehen) zu erreichen.

Das Problem besteht in der Verträglichkeit zwischen Sende- und Empfangsgerät und der Abwärtskompatibilität der jeweiligen Normen (HDR - SDR). In diesem Zusammenhang gibt es die so genannte hybride Log-Gamma-Funktion (HLG), die dafür Sorge trägt, dass der Dynamikbereich rückwärtskompatibel ist. Im Gegensatz zu Einzelbildern müssen Filmszenen zeitliche Gleichmäßigkeit und Echtzeittauglichkeit aufweisen und zudem müssen Kunstwerke vermieden werden.

Zum einen das Global Tone Mapping, bei dem jedes einzelne Bildpunkt mit der gleichen Transmissionskurve auf der Grundlage einer mittleren und höchsten Luminanz bewertet wird. Die Vorteile liegen in der geringeren Rechenleistung, der möglichen Rückgewinnung des Originalsignals (inverses Tone Mapping) und der geringeren Artefaktbildung. Bei der Darstellung eines größtmöglichen Kontrastumfangs bieten die lokalen Tonwertkarten jedoch größere Möglichkeiten, einen größeren Bildkontrast beizubehalten.

Betrachtet man, dass ein UHD/4K Bild mehr als 8 Mio. Bildpunkte hat und das BT.2020 in Zukunft bis zu 120 Bilder pro Sek. (120 Hz) aussenden soll, kann man sich die enorme Rechenpower und das damit verbundene Datenaufkommen wenigstens bis zu einem gewissen Grad vorzustellen. Dies wirft die Fragen nach dem besten Übertragungsverfahren auf, d.h. wie man am besten und gleichzeitig am besten die notwendigen Daten vom Transmitter zum Receiver überträgt und welche Kodierung/Dekodierung Sinn macht.

Wie bei 2D/3D oder SD/HD und dem zukünftigen erweitertem Farbspektrum müssen sowohl SDR- als auch HDR-Inhalte simultan gesendet und kodiert werden. Es werden keine weiteren Daten benötigt, aber der Dynamikbereich ist beschränkt. Doppelte Einzelschicht: Bei einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung wird die Szenerie in zwei separaten Datensätzen gesendet, von denen einer den SDR-Inhalt und der andere den HDR-Inhalt wiedergibt.

Dual Layer: Auch hier werden zwei verschiedene Ströme (SDR: Base Layer/HDR: Enhancement-Layer) verwendet, die jedoch nur über einen einzigen Dateisystemstrom gleichzeitig gesendet werden. Durch die zusätzlichen gelieferten Daten wird sichergestellt, dass beide Systeme im entsprechenden Gerät voneinander separiert oder individuell abgefragt werden können. Das Hinzufügen von zusätzlichen Daten zum Datenfluss ist ein großer Fortschritt in Sachen Datenkompatibilität.

Auch hier ist die Echtzeitübertragung eine spezielle Anforderung, wie beim Rundfunk/Fernsehen, da die Information synchrone und verlustfreie übertragen wird und die Verzögerungen in der Signalaufbereitung so klein wie möglich sein müssen. Für Nicht-Echtzeit-Anwendungen können Sie sich Zeit nehmen und die Daten auch während der Bearbeitung hinzufügen oder speichern.

Ausschlaggebend ist dabei die Information über die Entstehung des Filmmaterials während des Masteringprozesses, um es bestmöglich wiederzugeben. Um sicherzustellen, dass Aufzeichnung und Playback die gleiche Programmiersprache beherrschen, wurden im SMPT Standard ST-2086 genaue Angaben zum Mastering-Display gemacht. Hierzu zählen die X/Y-Koordinaten der drei Display-Primärwerte sowie der Weißpunkt und die maximale bzw. minimale Luminanz.

Sie sind in den jeweiligen Metalldaten angegeben, damit die Musikwiedergabe dem Mastern folgen kann. Mit 4K Blu-ray/HDR ist es möglich, zusätzliche Information (Metadaten) einzufügen, die sich im RGB-Kontext auf den Maximalwert in einer Szenerie (Maximum Content Light Level: MaxCLL) und den Durchschnittswert (Maximum Frame-Average Light Level: MaxFALL) von Szenerie zu Szenerie bezieht.

Dieses dynamische Metadatum wird hauptsächlich für die Vereinbarkeit von Mastering-Darstellung und Screens mit niedrigem Dynamikbereich verwendet. Farbabstufung: Hier werden gewisse Vorgaben definiert, wie und wo (manuell oder automatisch) Helligkeits- und Farbänderungen vorzunehmen sind, die dann in die entsprechenden Daten übernommen werden. Unterscheidung: Aus dem HDR Inhalt und den zusätzlichen mitgelieferten Daten wird ein SDR Bild erstellt.

Vorgabe: Ausgehend von der maximal möglichen Helligkeit der Master- und Wiedergabeanzeige werden mit Hilfe von Tone Mapping Algorithmen bestimmte Kenngrößen errechnet, um das HDR-Material während der Aufzeichnung bestmöglich wiederzugeben. Dolby Vision's Entwicklungsansatz basiert auf dem Transfer von Meta-Daten in der Enhancement-Schicht. Technisch basiert dies auf der sogenannten Preceptual Quantizer Curve (PQ) nach SMPTE ST-2084 Beim Mastern des EDR-Materials ( "Extended Dymanic Range") werden auch noch weitere Daten generiert, die weitere Angaben zur Bildrepräsentation beinhalten.

Der Datendurchsatz der Enhancement Layer erhöht sich mit der Menge der verwendeten Daten und ist um etwa 25 Prozentpunkte höher als der der Basisschicht. Bei DolbyVision basiert Dolby Vision auf der automatischen Umsetzung des oben genannten Prozesses (Content Mapping Unit: CMU), bei dem das SDR-Material aus der High-Definition-Version erzeugt wird. Zu diesem Zweck werden die zugehörigen Einstellwerte aus der HDR-Sortierung ermittelt und die notwendigen Angaben für die SDR-Sortierung bei der Wiedergabe bereitgestellt.

Für die Übermittlung verwendet Philips eine Basisschicht sowie weitere Informationen, aus denen die entsprechende Variante (SDR/HDR) im Anzeigegerät nachgebildet werden kann. Das SDR-Signal kann z.B. verwendet werden, um Daten über HEVC/Main 10 zu codieren, zu senden und auf einem SDR-Display darzustellen. Wie bei Philips werden die zusätzlich benötigten dynamische Modulationsdaten im HDR in so genannten SEI-Paketen (Supplemental Enhancement Informationen ) an ein geeignetes Anzeigegerät weitergegeben und dort auf ein HDR-Bild abgebildet.

Amazon hat die ersten Videotitel mit einem HDR-Label im Angebot, aber auch Netflix erfüllt sein Ziel und stellt vermehrt sowohl hochauflösende als auch dynamische Videos und Videoserien her. Jetzt müssen auch weitere Informationen zur Luminanz an die Anzeige im Messdatenstrom übergeben werden.