Ultra HD Tech-Talk: HDR

Hintergrundinformationen zu Standards und Technik mit HDR-Verfahren 

HDR – für eine natürliche Bildwiedergabe

Um das volle Potenzial der Bildqualität von Ultra HD ausschöpfen zu können, genügt es nicht, nur die Anzahl der Pixel zu erhöhen. Für eine natürliche und originalgetreue Bildwiedergabe ist neben einem größeren Farbraum und einer höheren Farbtiefe 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.

Bislang bewegte sich der Helligkeitsbereich für Bildinhalte im TV 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“. Damit 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.

Es ist wichtig zu verstehen, dass es bei dabei 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.

Standards und HDR-Verfahren

Um das 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 die Technik 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 zum Einsatz: der von den Dolby Laboratories entwickelte „Perceptual Quantizer“: kurz PQ, die Grundlage für HDR10.

Zwei Standards für statisches HDR: PQ (HDR10) und Hybrid Log-Gamma (HLG)

Bei statischen HDR-Verfahren werden die Eckdaten für Kontrast, Helligkeit und Gamma nur einmal für den gesamten Film festgelegt. PQ (HDR 10) bietet eine gute HDR-Qualität, ist aber nicht rückwärtskompatibel zu Ultra HD-Fernsehgeräten, die nicht HDR-fähig sind. Die PQ-Inhalte würden darauf falsch dargestellt, Zuschauer bekämen nur „ausgewaschene“ Bilder zu sehen. Aufgrund der großen Zahl bereits verkaufter Ultra HD-Geräte ohne HDR ist es für viele Anbieter aber wichtig, ihre Programme auch für diese TV-Haushalte in bestmöglicher Qualität zu verbreiten. Daher setzen TV-Sender anstelle von PQ auf eine andere „Kurve“: Hybrid Log-Gamma (HLG).

HLG-Inhalte sind bei der Wiedergabe auf HDR-Flachbildschirmen bis zu einer bestimmten Helligkeit nicht von PQ-Inhalten zu unterscheiden. Bei der Wiedergabe auf SDR-Flachbildschirmen ist die Darstellung (im Farbraum BT.2020) jedoch vergleichbar mit einem herkömmlichen TV-Signal ohne HDR. PQ (HDR10) und HLG sind durch die Internationale Fernmeldeunion ITU in BT.2100 für Programmproduktion und -austausch spezifiziert und auch vom DVB- Konsortium in UHD-1 Phase 2 für die HDR-Distribution vorgesehen.

Standards für dynamisches HDR: Dolby Vision und HDR10+

Das DVB-Konsortium hat mittlerweile auch dynamische Verfahren in ihre Spezifikation aufgenommen. Sie definieren pro Szene oder gar Frame den gewünschten Bildeindruck. Dafür gibt es derzeit zwei Verfahren mit Marktrelevanz: Dolby Vision und HDR10+. Geräte mit Dolby Vision sind schon einige Zeit erhältlich, neu kommt jetzt das von Samsung vorgestellte Verfahren HDR10+ hinzu, das u. a. auch von Panasonic und Philips unterstützt wird. Beide Verfahren basieren auf der PQ-Kurve, ergänzt um dynamische Metadaten. Sie setzen für den vollen Genuss entsprechende Inhalte und Geräte voraus, sind aber abwärtskompatibel zu heutigen SDR-TV-Geräten.

Tipp: Wer Wert auf HDR legt, sollte auf die Version der HDMI-Schnittstelle der Geräte achten. Die Wiedergabe von HDR10 (PQ) erfordert mindestens HDMI 2.0a, die Wiedergabe von HLG mindestens HDMI 2.0b. Fast alle aktuellen Ultra HD-Fernseher unterstützen diese Standards. Dynamische HDR-Verfahren wie Dolby Vision und HDR10+ werden offiziell ab der HDMI-Version 2.1 unterstützt. In unserer Geräteliste kannst du nachsehen, welche HDR-Verfahren von welchen Geräten unterstützt werden.