UHDTV – HDR und WCG

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UHDTV – HDR und WCG

 

Verständnis von UHDTV Displays mit PQ/HLG HDR und WCG.

UHDTV, die Kombination von High Resolutions (nominal 4K) mit HDR (High Dynamic Range) über PQ (Perceptual Quantizer) oder HLG (Hybrid Log-Gamma) EOFT (Gamma) und WCG (Wide Colour Gamut) Bilder gewinnt als nächste Erweiterung unserer Seherfahrung an Dynamik. Allerdings ist das gesamte UHDTV-Konzept mit HDR & WCG noch sehr schlecht definiert, und selbst die Grundlagen können sehr schwierig zu handhaben sein.

 

UHDTV

hdr
hdr

UHDTV (Ultra High Definition TV) hat etwas von einer schwierigen Geburt gehabt, mit verschiedenen Display-Herstellern, die effektiv ihre eigenen „Ultra HD“ Spezifikationen definieren.

Als Antwort darauf hat die UHD Alliance eine (vorläufig) endgültige Ultra HD-Spezifikation namens Ultra HD Premium“ veröffentlicht, während Eurofins das 4K HDR Ultra HD Logo“ eingeführt hat.

Die einzelnen Aspekte der UHDTV-Spezifikation können und werden jedoch oft isoliert verwendet. Beispielsweise steht einem Standard-Gamut-Display (Rec709) mit Standard-HD- oder sogar SD-Auflösung, das mit einem HDR-EOTF mit hohem Helligkeitsbereich arbeitet, nichts mehr im Wege.

Das Problem bei HDR ist ein allgemeines Unverständnis darüber, was die technischen Aspekte von HDR und WCG wirklich sind und was sie für das Bild bedeuten. Diese technische Seite wird eine Reihe solcher Probleme aufzeigen und versuchen, die damit verbundenen potenziellen Vorteile und Probleme zu erklären.

 

HDR – PQ & HLG

Auf dieser Seite konzentrieren wir uns speziell auf PQ & HLG HDR und was sie für die Display-Kalibrierung, Bild-Workflows und das Endbild-Erlebnis bedeuten. Die Formate Philips/Technicolor und EclairColor HDR sind in LightSpace CMS als Standardformate enthalten, werden aber noch nicht häufig verwendet und wurden daher auf dieser technischen Seite aus Gründen der Verständlichkeit weggelassen.

Einige der angesprochenen Themen sind:

 

  • HDR – nicht nur heller
  • Absolut vs. Relativ – Betrachtungsumgebungen
  • Metadaten – warum benötigt?
  • PQ-basiertes HDR – Dolby Vision, HDR10, & HDR10+
  • HLG HDR – BBC
  • HDR – Die Realität & verwandte Themen
  • WCG – Breites Farbspektrum
  • UHD – Auflösung

Hinweis: PQ HDR definiert HDR10, HDR10+ und Dolby Vision, da alle den gleichen Zielfarbraum verwenden – Rec2020 Gamut, mit PQ EOTF. Somit ist die Kalibrierung für alle gleich.

 

HDR & HELLIGKEIT

Die größte Verwirrung in Bezug auf HDR besteht darin, dass nicht versucht wird, das ganze Bild heller zu machen, was leider die meisten Leute von HDR denken, sondern darauf abzielt, zusätzlichen Helligkeitsspielraum für spektrale Highlight-Details – wie Chromreflexionen, sonnenbeleuchtete Wolken, Feuer, Explosionen, Glühbirnen usw. – zu schaffen.

Natürlich steht es dem Coloristen/DoP und allen anderen Hängern, die das Aussehen des fertigen Bildes beeinflussen, frei, den erweiterten Helligkeitsbereich zu nutzen, wie sie es für richtig halten. Aber, weg von der erwarteten Anwendung der Beibehaltung der durchschnittlichen Bildqualität im Einklang mit SDR wird zu unerwarteten Ergebnissen führen, und was wird vom Endbetrachter als von schlechter Bildqualität bewertet werden.

Es ist zu beachten, dass die meisten HDR-Displays keine lineare Ausgangshelligkeitsreaktion auf Helligkeitsänderungen des Eingangssignals aufrechterhalten können, wenn der durchschnittliche Bereich des Bildes, der „hell“ ist, hoch ist. Nur ein kleiner Prozentsatz der Bildschirmfläche kann’HDR hell‘ sein. Das Eizo CG3145 Prominence ist eines der wenigen HDR-Displays, das eine lineare Ausgangshelligkeitsreaktion auf die Helligkeit des Eingangssignals aufrechterhalten kann, da es effektiv eine „Hintergrundbeleuchtung pro Pixel“ verwendet.

 

HDR – WAS ES WIRKLICH FÜR DIE BILDEBENEN BEDEUTET

Das Folgende ist direkt der ST2084 (PQ EOTF) Spezifikation entnommen.

Diese EOTF (ST2084) soll die Erzeugung von Videobildern mit einem größeren Leuchtdichtebereich ermöglichen; nicht die Erzeugung von Videobildern mit insgesamt höheren Leuchtdichten. Für eine konsistente Darstellung auf Geräten mit unterschiedlicher Ausgangshelligkeit würden die durchschnittlichen Bildwerte im Inhalt wahrscheinlich den aktuellen Leuchtdichten entsprechen, d.h. die mittleren Szenenbelichtungen würden die derzeit erwarteten Leuchtdichten für Video oder Kino ergeben.

 

Die PQ-basierte ST2084 HDR-Spezifikation definiert Referenzweiß (normales diffuses Weiß) als 100 nits, was genau dasselbe ist wie bei SDR-Displays (Standard Dynamic Range), wie bei Mastering (Grading) Grade-1-Anwendungen. Mit PQ HDR, über 100 nits ist nur für spektrale Highlight-Details. Dies zeigt, dass sich der Average Picture Level (APL) eines PQ HDR-Displays nicht wesentlich von einem SDR-Display unterscheidet.

Unabhängig von der maximalen Spitzenhelligkeit, die das Display erzeugen kann, liegt das diffuse Weiß immer bei etwa 100 nits.

Der HLG HDR-Standard der BBC verwendet 75% des Signal-(Eingangs-)Bereichs als nominales diffuses Weiß, was offensichtlich eine „Variable“ ist, da der HLG-Standard ein „relativer“ Standard ist, nicht „absolut“ wie bei PQ. Dieses ist mit jedem vorhandenen SDR Fernsehapparat gleichbleibend und läßt es an den höheren Höchstlumastufen für Tagesbetrachtung laufen, wie der Fall in den meisten Hauptlounges ist.

Der nominale nits-Wert für diffuses Weiß variiert mit der Spitzenhelligkeit des Displays, bei einem 1000-nit-Display mit diffusem Weiß um 175 nits und einem 4000-nits-Display um 600 nits, je nach System-Gamma (siehe später für Informationen zum HLG-System-Gamma).

Die Realität ist also, dass HDR dem bestehenden Helligkeitsbereich der SDR-Bildschirme nur hinzugefügt werden sollte, was bedeutet, dass mehr Details in den helleren Bereichen des Bildes zu sehen sind, wo vorhandene SDR-Bilder einfach den Bildausschnitt abschneiden oder zumindest abrollen.

Das folgende Histogramm ist eine vereinfachte Darstellung des Unterschieds zwischen einem SDR-Bild (Standard Dynamic Range) und seinem PQ-HDR-Äquivalent.
Beachten Sie, dass der APL (Average Picture Level) zwischen den SDR- und ST2084-HDR-Bildern annähernd konstant bleibt, wobei nur der Kontrastumfang und die Glanzlichtwerte steigen.

hdr_range
hdr_range

Während dies ein PQ-basierter Graph ist, gilt das gleiche für HLG-basierte HDR.

Wenn diese Herangehensweise an HDR verstanden wird und die Bilder auf Basis des zusätzlichen Helligkeitsbereichs für spiegelnde Highlights erstellt werden, wird das wahre Potenzial von HDR realisiert.

 

ABSOLUTE VS. RELATIVE

Eines der Dinge, die wir einfach akzeptieren, wenn wir zu Hause fernsehen, ist, dass wir die Spitzenhelligkeit des Fernsehers so einstellen, dass er die vorhandene Betrachtungsumgebung in dem Raum, in dem sich der Fernseher befindet – am häufigsten der Aufenthaltsraum. Dieses ignoriert offensichtlich die videophiles, die Klima kontrollierte Mannhöhlen mit zutreffenden Hauptkinoinstallationen haben, aber sie sind nicht die Norm für Hauptfernsehapparat Betrachtung.

Während wir wissen und verstehen, dass die SDR-Sortieranzeige auf 100 nits kalibriert wurde, verstehen wir auch, dass sie in einer kontrollierten Sortierumgebung mit wenig Umgebungslicht untergebracht sein wird. Das Schöne an SDRs relativem Gamma-Ansatz ist, dass der Fernseher einfach heller gemacht werden kann, um unkontrollierbare lichtverschmutzte Umgebungen zu überwinden, einschließlich der Verwendung verschiedener Gamma-Werte.

Eines der oft übersehenen potenziellen Probleme mit PQ-basierten HDRs für das Home Viewing ist, dass es keine Möglichkeit gibt, die Lichtleistung des Displays zu erhöhen, um die Umgebungshelligkeit zu überwinden – die Spitzenhelligkeit kann nicht erhöht werden, ebenso wenig wie die feste Gamma-Kurve (EOTF).

Wie bereits erwähnt, entspricht der Average Picture Level (APL) bei HDR dem von normalen SDR-Bildern (Standard Dynamic Range). Das Ergebnis ist, dass in weniger als idealen Betrachtungsumgebungen, in denen die Umgebungshelligkeit relativ hoch ist, der Großteil des HDR-Bildes sehr dunkel erscheint und Schattendetails möglicherweise sehr schwer zu erkennen sind.

Um PQ-basierte’absolute‘ HDR-Bilder betrachten zu können, müssen die Umgebungslichtwerte sehr sorgfältig kontrolliert werden. Viel mehr als bei der SDR-Betrachtung. Das bedeutet wirklich, eine echte Heimkinoumgebung zu nutzen.

Um diese Aussage zu untermauern, beträgt die durchschnittliche Surround-Beleuchtungsstärke, die für die PQ-basierte HDR-Betrachtung erforderlich ist, 5 nits, während sie für SDR als 10% der maximalen Helligkeit des Displays angegeben ist.

 

PQ – EIN ABSOLUTER STANDARD

Die Bezeichnung PQ als „absoluter“ Standard bedeutet, dass es für jeden Eingangsdatenpegel einen absoluten Ausgangsleuchtdichtewert gibt, der eingehalten werden muss. Abweichungen, wie z.B. die Änderung der Gammakurve (EOTF) oder die Erhöhung der Lichtleistung des Displays, sind nicht zulässig, da diese bereits ausgeschöpft ist.
(Diese Anweisung ignoriert dynamische Metadaten, mehr dazu später.

Die folgende Tabelle zeigt ein Beispiel PQ EOTF für einen 1000 Nit TV.

Eingangsdaten – 10 Bit Ausgang Leuchtdichte – nits
0 0
100 0.306
200 2.258
300 9.211
400 29.386
500 82.382
600 214.612
700 536.845
769 998.932

 

Bei HLG-basierten’relativen‘ HDRs ist dies jedoch weniger problematisch, da der HDR-Standard genau so skaliert werden kann wie herkömmliche SDR-Fernseher und außerdem eine System-Gamma-Variable auf Basis der Surround-Beleuchtungsstärke enthält, die speziell auf die Überwindung von Umweltproblemen ausgerichtet ist.

Weitere Informationen zu den EOTF-Kurven des PQ- und HLG-Standards finden Sie weiter unten.

 

META-DATA

PQ-basierte HDR verwendet Metadaten, die in das Signal eingebettet sind, um der empfangenden Anzeige Informationen über die Parameter der Gradieranzeige und den Bildinhalt zu liefern, mit denen die empfangende Anzeige ihre beste Konfiguration zur Anzeige des Bildinhalts „errät“.

Hinweis: Der Begriff’guess‘ wird nicht als negativ verwendet, sondern weil die Anwendung der Metadaten von der zu kalibrierenden Anzeige abhängt, und leider gibt es noch keine wirklich brauchbare Möglichkeit, HDR-Fernseher zu kalibrieren: UHD/HDR/WCG-Kalibrierung.

PQ-basierte HDR-Metadaten haben zwei Formen – statisch und dynamisch.

Sowohl statische als auch dynamische Metadaten enthalten die Farbortkoordinaten für die RGB-Primärfarben des Mastering-Displays, die Weißpunktchromatizität und die Min/Max-Leuchtdichte. Es enthält auch den Max Frame-Average Light Level (MaxFALL), der die höchste durchschnittliche Bildhelligkeit innerhalb des gegebenen Programms bzw. der gegebenen Sequenz ist, und den Max Content Light Level (MaxCLL), der die Luminanz des hellsten Pixels definiert.

Statische Metadaten, wie Sie annehmen würden, verwenden die gleichen Werte für die gesamte Dauer eines bestimmten Programms, während dynamische Metadaten sich so oft wie nötig ändern – möglicherweise auf Frame-by-Frame-Basis.

HDR10 verwendet statische Metadaten, Dolby Vision und HDR10+ verwenden Dynamic.

 

ABER WARUM BRAUCHEN WIR METADATEN?

Metadaten werden eigentlich nur aus einem Grund benötigt – als HDR eingeführt wurde, gab es keine Fernseher, die die Peak-Luma- und Gamut-Abdeckung der Mastering/Grading-Displays erreichen konnten – speziell Peak-Luma. Mit dem’absoluten‘ Charakter von PQ-basierten HDRs ist es ein Problem, nicht die gleiche Peak-Luma wie beim Mastering-Display zu haben, da das Bild abgeschnitten wird. Um dies zu überwinden, wurden Metadaten eingeführt, die es dem HDR-Fernseher ermöglichen, den Bildinhalt neu zuzuordnen, um seine geringeren Fähigkeiten zu überwinden – wenden Sie einen Tone Map Roll-Off auf die EOTF/Gamma-Kurve an.

Wie diese dynamischen Metadaten erzeugt werden, hilft auch, die Art und Weise zu definieren, wie sie bei der Wiedergabe funktionieren, und unterstützt das Verständnis des Gesamtansatzes.

Aber die Realität ist, dass die Verwendung von Metadaten einfach das betrachtete Bild von der Absicht des Regisseurs und Coloristen verzerrt, wodurch die beabsichtigte emotionale Reaktion, die durch die Farbskala erzeugt wird, möglicherweise verloren geht.

Siehe HDR – The Reality & Associated Issues unten.

 

METADATEN-GENERIERUNG & ANWENDUNG

Der grundlegende Ansatz zur Generierung von Metadaten beim Gradieren/Mastering besteht darin, den HDR-Inhalt auf einem professionellen HDR-Display ohne jegliche Form von Roll-Off/Tone-Mapping mit der höchsten verfügbaren Helligkeit und Farbpalette (nominal P3-Gamut und zwischen 1000 und 4000 nits) zu gradieren. Das HDR-gestufte Filmmaterial wird dann durch ein Analysesystem geleitet, das die HDR-Bilder in SDR umwandelt und versucht, die ursprüngliche HDR-Intention beizubehalten, indem dynamische Metadaten hinzugefügt werden, um die Änderungen zwischen dem HDR-Original und der SDR-Version zu definieren. Häufig hilft der Colorist mit einem „Trimm“-Pass, um die ursprüngliche künstlerische Absicht beizubehalten.

Auf diese Weise beschreiben die Metadaten die „Grading“-Änderungen vom HDR-Master zur SDR-Version.

Wenn das HDR-Material auf einem HDR-Display mit einer geringeren Spitzenhelligkeit und/oder einem geringeren Farbraum als das ursprüngliche Mastering-Display wiedergegeben wird, werden die dynamischen Metadaten vom Display verwendet, um das Material auf einen Punkt zwischen dem SDR-Grad und dem vollen HDR-Grad, basierend auf den Fähigkeiten des Wiedergabefernsehers, abzubilden.

Das Problem ist, dass nur wenige Home-TVs die korrekte Abbildung korrekt anwenden, was die ursprüngliche künstlerische Absicht des Filmmaterials stark verzerrt.

Viele Heimfernseher kommen jedoch den Spitzenwerten des Grading-Displays nahe, zumal die meisten HDR-Master auf Displays mit 1000 bis 2000 Nits gradiert werden, was die Anforderung an Metadaten für die Zukunft interessant macht. Warum werden Metadaten benötigt, wenn das Fernsehgerät mit der Notenanzeige übereinstimmen kann? Die Antwort ist, es gibt keine….

Und nicht-PQ-basierte HDR, wie z.B. HLG, benötigen keine Metadaten. Einer der Hauptunterschiede bei der Verwendung eines relativen HDR-Standards statt eines absoluten.

 

HDR DISPLAY-KALIBRIERUNGSVERGLEICHE

Wenn man das oben Gesagte über die Notwendigkeit von Metadaten versteht, oder nicht, kann man sich Gedanken darüber machen, wie verschiedene HDR-Displays verglichen werden können.

Unter der Annahme, dass moderne HDR-Displays alle einen bestimmten minimalen Luma-Spitzenwert erreichen können, z.B. 1000 nits, sollte eine HDR-Quelle, die mit 1000 nits gemastert wurde, mit einem Gamut, der innerhalb der UHD-Spezifikation von 90% P3 liegt, keine „Metadaten“-basierte Verarbeitung (Tone Mapping/Roll-off) innerhalb der Wiedergabeanzeige auslösen, was einen direkten Vergleich der zugrunde liegenden Kalibriergenauigkeit der verschiedenen Displays ermöglicht.

Ausgehend von diesem ersten Vergleich wäre es dann ein relativ einfacher zusätzlicher Schritt, die gleichen Displays mit unterschiedlichem Ausgangsmaterial zu vergleichen, das mit mehr als 2000 Nits gemastert wurde, mit vollem P3-Bereich, so dass die Tonabbildung des Displays separat verglichen werden kann.

Basierend auf diesem Konzept haben wir LightSpace um eine’Colour Sub-Space-Fähigkeit‘ erweitert, mit der beispielsweise P3 mit einem Rec2020-Container profiliert werden kann.

colour-sub-space
colour-sub-space

 

Hinweis: Ein weiterer möglicher Grund für die Verwendung von Metadaten ist, dass der empfangende Fernseher verstehen kann, welche Komponente des Bildstroms er auf Dual-Stream-HDR-Discs verwenden soll. HDR mit dieser Form von Metadaten verwendet einen zweischichtigen Bildstrom, mit einer SDR-Basisschicht und einer Erweiterungsschicht für HDR und WCG. SDR-Fernseher, die kein Verständnis für HDR haben, verwenden einfach die Basisschicht, während HDR-kompatible Fernseher die Basisschicht mit der Erweiterungsschicht kombinieren können. Diese Metadaten haben jedoch keinen Einfluss auf die Farbmessung und Kalibrierung des Displays.

 

PQ HDR – DOLBY VISION, HRD10 UND HDR10+

ST2084 definiert die EOTF (Gamma) für die PQ-basierten Formate Dolby Vision, HDR10 und HDR10+ HDR.

PQ HDR basiert auf einem theoretischen’Reference‘-Display mit einer maximalen Leuchtdichte von 10.000 nits, wobei sich alle’real world‘-Displays auf dieses theoretische Display beziehen, und hat eine Gamma-Kurve (EOTF – Electro Optical Transfer Function) wie unten beschrieben.

Es ist erwähnenswert, dass die PQ-basierte HDR-Spezifikation darauf abzielt, einen EOTF zu definieren, der die Erzeugung von Videobildern mit einem größeren Leuchtdichtebereich ermöglichen soll, nicht für die Erzeugung von Videobildern mit insgesamt höheren Leuchtdichten. Das bedeutet, dass das Referenzweiß (normales diffuses Weiß) bei 100 nits bleibt, was genau das gleiche ist wie bei SDR-Displays (Standard Dynamic Range), die auf 100 nits peak kalibriert sind. Bei PQ HDR zeigen über 100 nits nur spektrale Highlights. Dies zeigt, dass sich der Average Picture Level (APL) eines PQ-basierten HDR-Displays nicht wesentlich von einem Standard-SDR-Display unterscheidet (siehe Histogramm-Diagramm oben).

parametric_gamma_st2084
parametric_gamma_st2084

Vergleicht man dies mit einer normalen Rec709-Gammakurve, so ist der Unterschied offensichtlich.

parametric_gamma_rec709
parametric_gamma_rec709

Hinweis: Da PQ-basiertes HDR ein’absoluter‘ Standard ist, der auf einer Peak-Luma von 10.000 nits basiert, und Rec709 ein relativer Standard ohne eingestellten Peak-Luma-Wert ist, ist es eigentlich sehr schwierig, die Gamma-Kurven (EOTF) direkt zu vergleichen. Am nächsten ist es, eine Auswahl von Rec709 Peak Luma Werten mit einem 1000 nit ST2084 Display zu vergleichen, wie folgt.

gamma_st2084_1000_rec709
gamma_st2084_1000_rec709

Interessanterweise zeigt dies, wie’dunkel‘ PQ-basiertes HDR im Vergleich zur Rec709-basierten Display-Kalibrierung im Schatten liegt, besonders wenn die Peak-Luma des Rec709-Displays angehoben wird. Dies ist eines der Hauptprobleme bei PQ-basierten HDRs – die Gesamthelligkeit des Bildes ist viel geringer als bei den meisten Heimanwendern, was das Betrachten unter normalen hellen „Wohnzimmer“-Bedingungen sehr schwierig macht. Dies wird weiter unten im Abschnitt Betrachtungen zur Betrachtungsumgebung erläutert.

Für PQ HDR haben verschiedene Displays unterschiedliche Helligkeits-Spitzenwerte und erfordern daher modifizierte Gammakurven, wie z.B. für Dolby’s 4000 nit Pulsar Monitor, der eine HDR-Gammakurve benötigt, die etwa 90% des PQ-Standards erreicht.
Hinweis: Es ist NUR der Schnittpunkt, der anders ist. Die Kurve ist absolut, also bleibt sie konsistent – siehe 4.

parametric_gamma_4000-nits
parametric_gamma_4000-nits

Der BVM-X300-Monitor von Sony benötigt eine Gammakurve, die bei 75% des PQ-Standards liegt, da der BVM-X300-Monitor einen Spitzenwert von 1.000 nits gegenüber dem Maximum von 10.000 nits für die PQ-Referenzanzeige hat.

parametric_gamma_sony
parametric_gamma_sony

Und die folgende PQ HDR EOTF-Kurve zeigt im Vergleich, was ein 100 Nit Monitor anzeigen würde.

parametric_gamma_100-nits
parametric_gamma_100-nits

Hinweis: Die obigen Grafiken sind alle auf einen Bereich von 0 bis 1 normiert. Für einen verständlicheren Vergleich müssen wir wirklich alle Kurven auf ihre wahren absoluten Werte abbilden, wie folgt.
(Denken Sie daran, dass diese Diagramme linear und nicht logarithmisch sind, so dass der visuelle Effekt, wie er vom menschlichen Auge gesehen wird, übertrieben ist!

st2084_peak_levels
st2084_peak_levels

Wenn wir den Graphen so ändern, dass er die Log-Skalierung anzeigt, so dass die Ausgabe für das menschliche Auge wahrnehmbar ist, erhalten wir folgendes.

perception_st2084
perception_st2084

Dasselbe ist in der Grafik’HDR-Weißpegel‘ weiter unten auf dieser Seite zu sehen.

 

Hinweis: Unabhängig davon, was an anderer Stelle gesagt wird, kann kein HDR-Standard „dunklere Schwarze“ erzeugen, da sie durch den minimalen Schwarzwert, den die Anzeigetechnologie erreichen kann, festgelegt werden, und der heutige SDR (Standard Dynamic Range) Rec709-Standard verwendet bereits das auf einem bestimmten Display erreichbare Minimum an Schwarz. Und ebenso wenig kann HDR verbesserte Schattendetails erzeugen, wobei der Unterschied zwischen dem heutigen 8-Bit-SDR-Blu-ray-Standard und 10-Bit für HDR ignoriert wird. 10 Bit SDR hätte weitaus bessere tatsächliche Schattendetails.

 

HDR – DIE REALITÄT DES SCHWARZEN

Die folgende Aussage stammt aus Dolby’s eigenem Whitepaper’Dolby Vision for the Home‘.

„Die aktuellen TV- und Blu-ray-Standards begrenzen die maximale Helligkeit auf 100 nits und die minimale Helligkeit auf 0,117 nits….“

Leider ist dies bestenfalls eine ungenaue Aussage, schlimmer noch, es ist eine Marketingübertreibung, da das Blu-ray Format keine solchen Grenzen für die minimale oder maximale Helligkeit hat, da diese Werte durch die Einstellung des Displays definiert sind – denken Sie daran, dass SDR ein relativer Standard ist, nicht absolut. Der minimale Pegel (der Schwarzwert) ist normalerweise nur das Minimum, das das Display erreichen kann, und kann von sehr dunkel (z.B. 0,0001 nits) auf OLED-Displays bis zu höheren Pegeln (etwa 0,03 nits oder höher) auf billigeren LCD-Displays reichen. Die maximale Helligkeit ist bei Heimfernsehern oft viel höher eingestellt, um die Umgebungshelligkeit zu überwinden, wobei viele Heimfernseher auf 300 nits oder mehr eingestellt sind.

Hinweis: Die Aussage „Der minimale Pegel (der Schwarzwert) ist in der Regel nur das Minimum, das das Display erreichen kann“ bezieht sich auf die Tatsache, dass OLED-Schwarz oft zu niedrig sein kann, und die Benutzer haben sich oft dafür entschieden, es anzuheben, um Schattendetails zu vermeiden, und das wird bei HDR-OLEDs zu Hause noch deutlicher.

Wenn das ursprüngliche SDR-Blu-ray-Material gradiert wird, werden die verwendeten Displays auf 80-120 nits (100 nits sind der übliche Durchschnittswert) kalibriert, wobei der Schwarzwert je nach verwendetem Display zwischen 0,001-0,03 nits liegt (obwohl der höhere Wert oft verwendet wird, um „angenehme“ Bilder zu erhalten, wenn man sie auf dem größeren Bereich von Heimfernsehern betrachtet, mit variablen Schwarzwerten! Und wie oben erwähnt, ist es bei der Betrachtung der Blu-ray in einer häuslichen Umgebung oft notwendig, den Fernseher auf hellere Werte einzustellen, um die Umgebungshelligkeit zu überwinden.

 

HDR – AUCH SCHATTEN

Wie wir gesehen haben, ist die Realität PQ-basierte HDR tut nichts für Schwarzwerte, und das gilt auch für Schattendetails – egal, was die weniger kenntnisreichen oder Marketingmaterialien sagen mögen.

Ein gutes Beispiel für ungenaue Informationen, die zur Förderung der „Vorteile“ von HDR verwendet werden, kann in dieser Präsentation auf YouTube gesehen werden, wo verbesserte Schattendetails als Beispiel für die Vorteile von HDR gegenüber SDR angeführt wurden…. was falsch ist. Die Realität ist, dass das SDR-Bild wahrscheinlich nur schlecht bewertet ist, sogar potentiell absichtlich, um HDR zu fördern. HDR bietet keinen solchen Vorteil gegenüber SDR-Schattendetails.

Und in Wirklichkeit wird durch die EOTF-Kurve, die bei PQ-basierten HDRs verwendet wird, das Schwarz unter normalen Heimbedingungen im Vergleich zu SDR-Versionen desselben Bildes oft „zerdrückt“. Dies ergibt sich aus der Surround-Beleuchtungsstärke, die für HDR mit 5 nits und für SDR mit 10% der maximalen Helligkeit des Displays angegeben ist. Das ist eine große Diskrepanz und zeigt, dass HDR-Schwarz/Schatten bei Betrachtung in jeder Umgebung, in der das Umgebungslicht nicht kontrolliert werden kann, oft ausgewaschen/geschnitten werden.

In Wirklichkeit hat ein 10-Bit-SDR-Bild potenziell bessere Schwarz/Schatten-Details als ein PQ-basiertes HDR-Bild.

Unterschiedliche Betrachtungsumgebungen benötigen wirklich unterschiedliche Display-Gammawerte, die der’Absolute‘ PQ-basierte HDR-Standard nicht adressieren kann.

 

SCHWARZES SCHNEIDEN/ZERKLEINERN

Es gibt ein weiteres potentielles Problem mit Schwarzpegeln, da keine Anzeige Null Schwarz erreichen kann und somit das Eingangssignal aufgrund der „absoluten“ Natur des PQ-EPTFs nativ auf dem Bitpegel relativ zu seinem Min-Schwarz schneiden würde. Dies bedeutet, dass jedes PQ-Display eine Art „Schatten“-Roll-Off benötigt, um ein Clipping zu verhindern, aber diese Drehung wird die Schattenbildung auf Displays mit höheren Schwarzwerten verärgern.

Dieses Problem wurde weitestgehend ignoriert, und ja kann die Ursache für sehr schlechtes Shadow-Clipping/Crushing von HDR-Displays mit schlechter PQ-EOTF-Implementierung sein.

 

Die folgenden Bilder simulieren den Vergleich eines SDR-Bildes mit seinem PQ-HDR-Äquivalent.
(Da Ihr Display seine Spitzenhelligkeit nicht anpassen kann, ist diese Simulation natürlich ziemlich kompromittiert! Es zeigt jedoch, dass der Hauptteil des Bildes in der Helligkeit konstant bleibt, wobei der erweiterte Dynamikbereich zusätzliche Details in den Highlights erlaubt.

SDR PQ HDR
sdr_simulation_normalised hdr_simulation_normalised

Leider bilden die meisten HDR-Demonstrationen den Kontrastumfang nicht korrekt ab, mit dem Ergebnis, dass das Gesamtbild einfach viel, viel heller ist, was nicht der Hauptzweck von HDR ist, wie oben gezeigt.

Natürlich wird in der realen Welt der mit HDR verfügbare zusätzliche Dynamikumfang verwendet, um das Bild kreativ neu zu ordnen, um von dem zusätzlichen Dynamikumfang zu profitieren – aber das erweiterte Highlight-Detail ist die wahre Realität und der potenzielle Nutzen von HDR.

 

VERSCHIEDENE DISPLAYS & PQ-BASIERTE HDR

Verschiedene HDR-Displays haben offensichtlich unterschiedliche Peak-Luminanzfähigkeiten, so dass das angezeigte Bild auf den verfügbaren Peak-Nits-Wert, wie in den obigen PQ-EOTF-Diagrammen definiert, abgeschnitten werden muss. Dieser’Peak-Luma-Clip‘ wird durch Metadaten innerhalb des Signals gesteuert, die die Peak-Luma des Displays definieren, das für die Bewertung verwendet wird, die von der Präsentationsanzeige verwendet wird, um den korrekten’Clip‘-Level einzustellen.

Wie dieser Clip ausgeführt wird – ein harter Clip, wie in den obigen EOTF-Kurven beschrieben – oder ein weicher Clip mit Roll-Off, wurde nicht außerhalb von Dolby Vision definiert, einem vollständig definierten HDR-Standard, bei dem alle Aspekte von der Erstellung bis zur Auslieferung nach vorgegebenen Spezifikationen verwaltet werden, sondern für jeden Display-Hersteller eine Lizenzgebühr anfällt.

Die Realität ist also, dass es unwahrscheinlich ist, dass zwei Displays das gleiche Bild auf die gleiche Weise darstellen, selbst wenn sie genau die gleiche Peak-Nits-Fähigkeit haben, da das Verfahren für das Peak-Luma-Tone-Mapping nicht identisch sein wird.

 

SPITZENLEUCHTDICHTE & BITPEGEL

Da der PQ-Standard ein absoluter, nicht relativer Standard ist, hat jeder einzelne Leuchtdichtepegel einen äquivalenten Bitwert. Für ein 10-Bit-Signal sind die Pegel wie folgt.

hdr_luminance_levels
hdr_luminance_levels
  • 10.000 nits = 1023
  • 5.000 nits = 948
  • 4.000 nits = 924
  • 2.000 nits = 847
  • 1.000 nits = 769
  • 400 Nissen = 668
  • 100 Nissen = 519
  • 0 nits = 0
  • HDR Luma Stufen

Dies bedeutet, dass jedes PQ-basierte HDR-Display nur eine Teilmenge des gesamten Signalbereichs verwendet, mit einer maximalen Anzeige von 1.000 nits bei 769 Bit und den restlichen 254 Pegeln.

Hinweis: Diese Verwendung eines Subsetbereichs für das angezeigte Bild ist ein großer Teil der Gründe, warum Dolby 12 Bit und nicht 10 Bit für PQ-basierte HDRs angibt.

Außerdem gibt es, wie oben erwähnt, ein Problem mit Schwarz, da keine Anzeige Null Schwarz treffen kann und somit das Eingangssignal aufgrund der absoluten Natur des PQ-EPTFs nativ auf dem Bit-Pegel relativ zu seinem Min-Schwarz schneiden würde. Dies bedeutet, dass jedes PQ-Display eine Art „Schatten“-Roll-Off benötigt, um ein Clipping zu verhindern, aber diese Drehung wird die Schattenbildung auf Displays mit höheren Schwarzwerten verärgern.

Der alternative HLG-Standard ist ein relativer Standard, d.h. er verwendet immer die vollen Bitpegel, unabhängig von der Peak-Luma eines beliebigen Displays, und zeigt das Bild an, das zwischen den Displays min. schwarz und max. weiß gemappt ist, so dass kein schwarzes Clipping/Crushing entsteht.

 

HLG HDR

Im Gegensatz zum PQ-basierten HDR ist der BBC HLG HDR-Standard kein absoluter Standard, sondern relativ, wobei die EOTF-Gammakurve immer den vollen Bereich darstellt, unabhängig vom tatsächlichen Luma-Spitzenwert eines Displays. Zusätzlich enthält der HLG-Standard auch einen EOTF-Modifikator, der die EOTF auf Basis der Surround-Beleuchtung des Displays verändert.

Hinweis: Der BBC HLG-Standard verwendet keinen festgelegten Referenzweißpunkt in Nits, sondern setzt ihn auf 75% des Eingangssignals.

bbc_hlg_nits
bbc_hlg_nits

 

Der BBC HLG Standard ist für Displays bis zu 5.000 nits ausgelegt, also niedriger als die 10.000 nits des ST2084 Standards, aber mit der Realität, wozu HDR Displays tatsächlich in der Lage sein werden, ist es wahrscheinlich mehr als genug.

Alle obigen BBC HLG-Kurven basieren auf einer niedrigen’Surround‘-Beleuchtung von 10 nits.

Dieser „Surround“-Wert ist besonders wichtig für den Einsatz im Heimfernsehen, da neben dem Spitzenwert des Displays zur Berechnung des EOTF auch die Surround-Beleuchtung des Displays verwendet wird, wie unten für ein 1000-Nit-Display gezeigt.

bbc_hlg_surround
bbc_hlg_surround

 

VERSCHIEDENE DISPLAYS & HLG

Da das HLG-Format nicht auf Metadaten angewiesen ist, ist die wahrscheinliche Bildkonsistenz über verschiedene Displays hinweg wesentlich besser.

Zusätzlich versucht die Verwendung der Surround-Beleuchtung des Displays zur Änderung des System-Gammas, die Display-Kalibrierung an den Zähler für unterschiedliche Betrachtungsumgebungen anzupassen. Ein erster echter Versuch, „Konsistenz“ über verschiedene Betrachtungsumgebungen hinweg anzubieten.

Dies ist ein Bereich, in dem PQ-basierte HDR kämpft, da es eine gut kontrollierte Betrachtungsumgebung erfordert….

 

HLG & RGB TRENNUNG

Der HLG-Standard der BBC hat eine Kompensation für variables System-Gamma eingebaut.

Der Standard berechnet zunächst die Leuchtdichte der Quelle (vor System-Gamma) aus einer gewichteten Summe der RGB-Komponenten, wie üblich. Die Zielleuchtdichte wird durch Anwendung einer rein mathematischen Gamma-Funktion auf die Quellleuchtdichte berechnet, wobei die RGB-Kanäle durch das Verhältnis von Quell- zu Zielleuchtdichte skaliert werden.

hlg_rgb-separation
hlg_rgb-separation

Dies führt zu einer Farb-Kreuzkopplung, wie sie im RGB-Separationsgraphen zu sehen ist, und ist sowohl zu erwarten als auch kein Grund zur Sorge bei der Kalibrierung von HLG-Displays.

 

HDR – DIE REALITÄT & DIE DAMIT VERBUNDENEN FRAGEN

Es gibt eine Reihe von Problemen mit HD, insbesondere PQ-basierte, und eines der größten potenziellen Probleme ist, sie können tatsächlich schmerzhaft zu beobachten, aufgrund dessen, was oft als übermäßige Augenmüdigkeit bezeichnet wird.

 

HELLIGKEIT & DAS MENSCHLICHE AUGE

Das Problem bei übermäßiger Helligkeit ist der Unterschied zwischen dem großen Dynamikbereich des menschlichen Auges, der ein dynamisches Kontrastverhältnis von etwa 1.000.000:1 oder etwa 24 Blendenstufen aufweist, und dem statischen Dynamikbereich des Auges.

Es ist die dynamische Anpassungsfähigkeit des Auges, die es uns ermöglicht, Details sowohl in dunklen Umgebungen als auch in hellem Sonnenlicht zu sehen.

Allerdings ist das menschliche Sehsystem zu einem bestimmten Zeitpunkt nur in einem Bruchteil dieser großen Reichweite einsetzbar. Es ist dieser statische Dynamikbereich, der auftritt, wenn sich das menschliche Sehsystem in einem Zustand voller Anpassung befindet, der beim Fernsehen zu Hause und bei einigen Theatervorstellungen in „normalen“ Betrachtungsabständen aktiv ist. Während es nur wenige genaue Zahlen für den statischen Dynamikbereich des menschlichen Auges gibt, sind sich viele einig, dass er etwa 10.000:1 beträgt, für durchschnittliche Betrachtungsumgebungen, das sind etwa 12 Stopps.

human-eye
human-eye
human-eye-adaption
human-eye-adaption

Zusätzlich muss die adaptive Reaktion des menschlichen Sehsystems berücksichtigt werden – die Zeit, die benötigt wird, um sich zwischen dunklen Szenen und hellen Szenen anzupassen und umgekehrt, wobei helle zu dunkle Übergänge normalerweise viele Minuten dauern, während dunkle zu helle Anpassungen deutlich schneller sind, aber immer noch oft in vielen 10 Sekunden, wenn nicht gar Minuten, gemessen werden.

Das ist einfach zu erleben, wenn man aus einem dunklen Raum herausschaut und die Augen vom Fenster in den Raum schwenkt. Das Raumdetail löst sich langsam auf, wenn sich das Auge an die Helligkeitsänderung anpasst.

Durch die relativ geringe Größe der Fernseher, kombiniert mit dem Standard-Betrachtungsabstand – etwa 3 m – liegt der gesamte Fernsehbildschirm innerhalb des hochauflösenden, zentralen Blickwinkels des menschlichen Auges (5° bis 15°), so dass das menschliche Sehsystem nicht unabhängig auf unterschiedliche Helligkeitsbereiche reagieren kann – und sich in einem Zustand voller Anpassung befindet, so dass der Betrachter nur den statischen Dynamikbereich des menschlichen Auges nutzen kann.

Um tatsächlich von dem Konzept des HDR zu profitieren, müsste der tatsächliche Betrachtungswinkel des Displays in der Größenordnung von 45° liegen, was bei einem durchschnittlichen großen Fernseher von 55″ nur 65″ vom Bildschirm bedeuten würde.
(Siehe auch den Abschnitt „Auflösung“.

viewing_position
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Sitzt du wirklich so nah an deinem Fernseher?

Was das alles wirklich bedeutet, ist ein Display mit übermäßigem HDR, das bei normalen Betrachtungsabständen eine echte Augenermüdung verursachen kann und sehr wahrscheinlich schwer zu beobachten ist.

 

HDR – FALSCHE ANNAHMEN

Ein Beispiel dafür, wie HDR oft dargestellt wird, ist die Verwendung eines Diagramms ähnlich dem folgenden, das zeigt, wie der große Dynamikbereich der realen Welt derzeit auf den begrenzten Dynamikbereich von SDR-TV (Standard Dynamic Range TV) reduziert wird und wie HDR mehr vom ursprünglichen Szenenbereich beibehält.

the_eye_and_hdr_incorrect
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Das obige Bild ist im Internet weit verbreitet, obwohl es den Anschein hat, dass es aus einer AMD-Präsentation stammt, und wird verwendet, um die angenommenen Vorteile von HDR vs. SDR aufzuzeigen. Aber das Bild enthält eine Reihe von Fehlern und falschen Annahmen.

Wie zuvor definiert, kann das menschliche Auge nicht gleichzeitig einen Dynamikbereich über etwa 10.000:1 „sehen“.

  • Basierend auf dem obigen Punkt ist die Beschreibung der linken Bilder als’Human Dynamic Range‘ falsch.
    (Die Beschreibung sollte’Original Scene Dynamic Range‘ lauten.
  • Der Schwarzwert einer Anzeige hat nichts mit SDR vs. HDR zu tun – Schwarz ist immer nur das schwärzeste Schwarz, das die Anzeige erreichen kann.
    (Die gleiche Anzeigetechnologie, die für SDR oder HDR verwendet wird, erzeugt exakt den gleichen Schwarzwert, wobei die Auswirkungen von Bereichen mit hoher Helligkeit auf den Bildschirm bei der HDR-Projektion ignoriert werden, die den gesamten Schwarzwert „anheben“.
  • Aufgrund des obigen Punktes ist das Bild oben rechts falsch und zeigt fälschlicherweise angehobene Schwarze.
  • Auch aus diesem Grund ist die Angabe von 0,05 nits min für SDR und 0,0005 nits min für HDR falsch.
  • Kein HDR-Display kann 10.000 nits erreichen.
  • Die meisten Home-TVs liegen bereits weit über 100 nits – in der Regel im Bereich von 250-400 nits.

Wenn wir die Anzeige korrigieren, erhalten wir folgendes, auch wenn wir freundlich sind und 0,0005 nits für Schwarz angeben, kombiniert mit 1000 nits für HDR, was, wie wir unten sehen können, mit der heutigen Displaytechnologie nicht möglich ist, da jedes Display mit einem so hohen Spitzenweiß einen viel höheren Schwarzwert haben wird.

the_eye_and_hdr_corrected
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HDR – SCHWARZWERTE

Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass kein HDR-Standard, egal was anderswo gesagt wird, „dunklere Schwarztöne“ erzeugen kann, da sie durch den maximalen Schwarzwert, den die Displaytechnologie erreichen kann, festgelegt werden, und der heutige SDR-Standard (Standard Dynamic Range) Rec709 verwendet bereits das auf einem bestimmten Display erreichbare Minimum an Schwarz.

 

In der Realität der realen Welt wäre ein übermäßiges HDR-Display eines mit einer Spitzenhelligkeit von etwa 650 bis 1000 nits.
(Je dunkler die Betrachtungsumgebung, desto niedriger ist der Spitzenwert vor Augenermüdung, was ein weiteres Problem für HDR darstellt – siehe’Betrachtungen zur Betrachtungsumgebung‘ weiter unten).

 

Die Ultra HD Alliance scheint sich dessen bewusst zu sein und hat eigentlich zwei verschiedene Spezifikationen für die heutigen HDR-Displays:

  • 0,05 nits bis ≥ nits
  • 0,0005 nits bis ≥ nits

Diese Doppelspezifikation gibt es, da jedes Display mit hoher Peak-Luminanz auch einen höheren Schwarzpunkt hat, während Displays mit niedrigerem Schwarzpunkt weitaus niedrigere Peak-Weißwerte haben – z.B. LCD vs. OLED.

 

PQ HDR – WEIßWERTE

Es sei darauf hingewiesen, dass aufgrund der logarithmischen Reaktion des menschlichen Auges auf Veränderungen der Lichtverhältnisse der heutige SDR (Standard Dynamic Range) Rec709 `Standard‘ von 100 nits tatsächlich etwa 50% des 10.000 nits Peakpegels des PQ-basierten HDR beträgt.
(Anmerkung: „Standard“ ist in Kommas angegeben, da Rec709 ein relativer Standard ist, und daher ist die Skalierung der Luminanzspitzenwerte zur Überwindung von Umgebungslichtproblemen ein akzeptabler Ansatz, während PQ HDR ein absoluter nits-basierter Standard ist und daher nicht skaliert werden kann.)

Das folgende Bild zeigt die Realität, wenn man sich auf verschiedene Weißspitzenwerte bezieht.

hdr_peak_luma
hdr_peak_luma

 

DISPLAY-HELLIGKEITSSCHWANKUNGEN

Eines der größten Probleme, insbesondere bei PQ-basierten HDRs, obwohl auch HLG betroffen sein kann, ist die Bildschirmhelligkeit/Leuchtdichtevariation, die durch eine Reihe von Problemen mit der Funktionsweise von HDRs auf den meisten Displays verursacht wird.

Das Grundproblem ist, dass HDR den Bildschirm/Bildhelligkeit/Leuchtdichte in einer Weise verändern kann, die grundlegende Variationen im betrachteten Bild verursacht, möglicherweise in einer Weise, die die ursprüngliche künstlerische Absicht des abgestuften Filmmaterials, wie vom Regisseur und Koloristen des Films definiert, verzerrt.

Solche Probleme können als Teil des „erwarteten“ HDR-Workflows definiert werden, wie z.B. dynamische Metadaten, technische Einschränkungen bei der verwendeten Anzeigetechnologie wie ABL (Auto Brightness Limiting) und Local Dimming, oder unerwartete Helligkeits-/Leuchtdichteänderungen aufgrund falscher Implementierung innerhalb des Displays, insbesondere bei Heimfernsehern, wo die Anzeige vom erwarteten HDR-Standard abweicht, da die Hersteller glauben, dass sie ein „besseres“ Endbild erzeugen.

Dynamische Metadaten

Die Verwendung von Metadaten zur dynamischen Definition der Helligkeit des angezeigten Bildes wird von vielen HDR-Liebhabern als echter Vorteil von PQ-basiertem HD vermarktet, so dass dunkle Szenen aufgehellt“ und helle Szenen abgedunkelt werden können, um hohe Details zu erhalten.

Aber ist das wirklich gut?

Wenn ein Film benotet wird, wird der „Look“ verwendet, um Emotionen zu definieren und die Erwartung des Zuschauers an das, was der Regisseur zu porträtieren versucht. Wenn man sich mit der Helligkeit beschäftigt, riskiert man, den geplanten Look zu stören und damit die ursprüngliche künstlerische Absicht des Films/Programms zu zerstören.

Während dynamische Metadaten vom Coloristen/Regisseur über einen sekundären Grading-Pass definiert werden sollen, ist es aufgrund von Einschränkungen in der visuellen Wahrnehmung des Prozesses unwahrscheinlich, dass die gleiche visuelle Absicht beibehalten wird.

In Wirklichkeit ist das nominale diffuse Weiß auf ca. 100 nits festgelegt, wobei nur die spektrale Highlightinformation darüber hinausgeht, so dass die inhärente visuelle Absicht des Bildes unterhalb der 100 nits-Ebene liegt, was bedeutet, dass für eine korrekt abgestufte HDR der theoretische „beste“ Ansatz zur Darstellung des Bildes auf einer Anzeige mit niedrigerer Spitzenleuchtdichte darin besteht, einfach die maximale Leuchtdichte des Displays anzuklipsen, möglicherweise unter Verwendung von Roll-off, um ein „Blockieren“ der Hervorhebung zu verhindern, ohne Verwendung von dynamischen Metadaten.

Und wie bereits erwähnt, macht die Erhöhung der erreichbaren Spitzenhelligkeit für viele Displays und Fernseher auch den Bedarf an Metadaten, dynamisch oder statisch, überflüssig.

ABL

Ein weiteres der oft übersehenen potenziellen Probleme mit HDR hat mit der (gesetzlichen) Notwendigkeit zu tun, den Strombedarf des Displays zu begrenzen, da offensichtlich extreme Helligkeit zu einem übermäßigen Stromverbrauch führt. Das ist an sich schon ein Grund zur Sorge, sowohl in Bezug auf die Energiekosten als auch auf mögliche Umweltprobleme. Beides kann hoffentlich mit effizienteren Display-Hintergrundbeleuchtungstechnologien überwunden werden.

Um jedoch extreme Leistungsanforderungen zu überwinden, verwenden fast alle HDR-Displays die eine oder andere Form von ABL (Auto Brightness Limiting – in der HDR-Terminologie oft als Power Limiting bezeichnet). Ganz einfach: ABL reduziert die Leistung des Bildschirms in Abhängigkeit von der prozentualen Bildschirmfläche, die über eine vorgegebene Helligkeitsstufe hinausgeht, und reduziert so die Gesamthelligkeit der Szene. Die PQ HDR-Spezifikation definiert die sogenannten MaxCLL (Maximum Content Light Level) und MaxFALL (Maximum Frame-Average Light Level), die Teil der HDR-Metadaten sein sollen, aus denen die Anzeige berechnet, wie das Bild angezeigt werden soll.

Dies führt natürlich dazu, dass das gleiche Bild auf verschiedenen Displays unterschiedlich dargestellt wird, mit unterschiedlichen Aufnahmen derselben Szene, mit unterschiedlicher Rahmung, auch auf demselben Display unterschiedlich dargestellt wird, da die durchschnittliche Bildhelligkeit je nach Rahmung der Aufnahme unterschiedlich ist, was dazu führen kann, dass das Display auf eine fast perzeptiv zufällige Weise unterschiedliche Leistungsbegrenzungen anwendet.

Solche Abweichungen führen zu ernsthaften Problemen bei der genauen Display-Kalibrierung und Bildwiedergabe.

Lokales Dimmen

Local Dimming wird in LCD-basierten HDR-Displays verwendet und besteht aus einer Reihe von Hintergrundbeleuchtungen, um lokalisierte „helle“ Bildbereiche bereitzustellen, ohne dass eine einzige Hintergrundbeleuchtung erforderlich ist, die immer „hell“ ist, da dies den Schwarzwert stark anheben würde, was die Anzeige stark beeinträchtigen würde.

Eine „partielle“ Lösung besteht darin, die Hintergrundbeleuchtung in mehrere Zonen aufzuteilen, die unabhängig vom Bildinhalt gesteuert werden können, so dass die Hintergrundbeleuchtungsbereiche bzw. -zonen mit dunklem Inhalt im Vergleich zu Bereichen mit hellem Inhalt „gedimmt“ werden.

Das offensichtliche Problem bei diesem Ansatz ist, dass die Bereiche/Zonen der Hintergrundbeleuchtung eine definierte Größe/Position haben, so dass die Objekte, die einen hellen Bereich/Zone der Hintergrundbeleuchtung erfordern, mit Licht bedeckt werden.

Je größer die Anzahl der Hintergrundbeleuchtungsflächen/Zonen, desto weniger sichtbar ist das Problem der Wolkenbildung.

Einige neuere LCD-Displays haben eine effektive Hintergrundbeleuchtung pro Pixel, wie das neue Eizo Prominence CG3145 und das XM310K von FSI, wodurch das Problem der lokalen Dimmung völlig überwunden wird.

OLED-Displays haben von Natur aus eine Hintergrundbeleuchtung pro Pixel, da jedes Pixel selbstleuchtend ist, aber nicht die hohen Spitzenleuchtdichten von LCD-Displays erreichen kann.

Abweichung von der HDR-Spezifikation

Ein letzter Punkt bei vielen Displays, insbesondere bei Heimfernsehern, ist, dass die Hersteller bewusst von der HDR-Spezifikation abweichen und versuchen, das zu erzeugen, was sie als „bessere“ Bilder betrachten.

Dies bedeutet natürlich, dass das gleiche Quellmaterial auf verschiedenen Displays sehr unterschiedlich dargestellt wird, auch wenn die Displays als „kalibriert“ definiert sind.

Wir haben jedoch Verständnis für dieses Problem, denn wie bereits erwähnt, ist die PQ HDR-Spezifikation fehlerhaft, da der Standard „absolut“ ist und keine Möglichkeit beinhaltet, die Lichtleistung des Displays zu erhöhen, um die Umgebungshelligkeit zu überwinden. Das Ergebnis ist, dass in weniger als idealen Betrachtungsumgebungen, in denen die Umgebungshelligkeit relativ hoch ist, der Großteil des HDR-Bildes sehr dunkel erscheint und Schattendetails möglicherweise sehr schwer zu erkennen sind.

Viele Home-TV-Hersteller „verzerren“ daher bewusst die PQ HDR EOTF (Gamma-Kurve), um dieses Problem zu überwinden.

 

WCG – BREITER FARBRAUM

Als Teil des sich entwickelnden UHDTV-Standards wird WCG mit HDR kombiniert, um eine stärkere Differenzierung von den bestehenden HDTV-Standards zu erreichen, wobei der Farbraum Rec2020 als Zielfarbraum verwendet wird.

Das Problem ist, dass kein (realistisch) kommerziell erhältliches Display Rec2020 erreichen kann, was bedeutet, dass verschiedene UHDTV-Displays den angezeigten Bildumfang auf Basis der tatsächlichen Gamut-Fähigkeiten des Displays „anpassen“ müssen. Dies wird durch die Verwendung von eingebetteten Metadaten innerhalb des UHDTV-Signals (in Verbindung mit den oben erwähnten HDR-Metadaten) ermöglicht, die den Quellbildumfang definieren, mit dem Ziel, die Anzeige „intelligent“ auf den verfügbaren Farbraum der Anzeige umzustellen.

Das Problem ist, dass wieder einmal, und wie bei HDR-Metadaten und Peak-Luma-Clipping, gibt es keine festgelegte Gamut-Re-Mapping-Technik vorgeschlagen. Das Ergebnis ist, dass verschiedene Displays das erforderliche Gamut Re-Mapping auf unterschiedliche Art und Weise verwalten und unterschiedliche Endbild-Ergebnisse erzeugen.

uwg_clipping
uwg_clipping

 

Das obige Bild zeigt das Problem mit dem Versuch, einen großen Bereich auf einem Display mit einem kleineren Bereich darzustellen. In diesem Fall hat die Anzeige einen Gamut ähnlich, aber nicht identisch mit DCI-P3, was die angegebene’Präferenz‘ für den kleinsten Gamut für UHDTV-Displays ist (das kleinere interne Gamut-Dreieck), während das größere Gamut-Dreieck Rec2020 anzeigt.

Die Anzeige wurde auf Rec2020 kalibriert, innerhalb der Grenzen des verfügbaren Gamut, wie die Gamut-Sweep-Plots zeigen (die gemessenen Kreuze stimmen mit den Zielkreisen überein). Der ungesättigte Bereich außerhalb des verfügbaren Farbraums des Displays und innerhalb von Rec2020 zeigt jedoch Farben an, die nicht korrekt angezeigt werden, wobei jede Farbe innerhalb dieses Bereichs effektiv an den Farbraumrand des Displays zurückgezogen wird.

Offensichtlich, je breiter die tatsächliche Gamut-Fähigkeit des Displays ist, desto weniger wird die Beschneidung und desto weniger werden die verschiedenen Gamut-Fähigkeiten sichtbar sein, besonders in der realen Welt, die nur wenige Farben sind, die in die Nähe der Ränder des Rec2020-Gamuts kommen.

Um die Härte des Gamut-Clippings zu reduzieren, kann das Gamut-Re-Mapping verwendet werden, um die Frequenzweiche von In-Gamut zu Out-of-Gamut zu „erweichen“.

uwg_gamut_re-mapping
uwg_gamut_re-mapping

Im obigen Diagramm zeigt der Bereich zwischen dem neuen, kleineren inneren Dreieck und dem tatsächlichen Farbskala-Dreieck einen Bereich, in dem die Display-Kalibrierung „abgerollt“ wird, um die Farbdetails auf Kosten der Farbungenauigkeit besser zu erhalten und alle Farben im ungesättigten Bereich effektiv in den kleineren Bereich zwischen dem maximalen Farbskala des Displays und dem reduzierten inneren Farbskala-Dreieck zu komprimieren.

In Wirklichkeit muss das Gamut Re-Mapping viel komplexer sein, da die menschliche Farbwahrnehmung auf verschiedene Farben unterschiedlich reagiert, so dass das Re-Mapping dies wirklich berücksichtigen muss.

Das Problem ist, dass die UHDTV-Spezifikationen das zu verwendende Gamut Re-Mapping nicht spezifizieren.

Daraus lässt sich jedoch ablesen, dass in der realen Welt keine zwei Ultra-HD-Displays mehr gleich aussehen werden, wenn die gleichen Bilder angezeigt werden….

Zusätzlich legt die Ultra HD-Spezifikation bei Verwendung von Rec2020 als Zielfarbraum fest, dass jedes Ultra HD-Display nur 90% des DCI-P3 erreichen muss, um als UHDTV-Display akzeptiert zu werden – und ein volumetrischer Wert von 90% des DCI-P3 ist grundsätzlich Rec709!

uhdtv_gamut
uhdtv_gamut

Das obige CIEuv-Diagramm (CIEuv wurde verwendet, da es wahrnehmungsmäßig einheitlicher ist als CIExy) zeigt den Farbraumunterschied zwischen 100% DCI-P3 und Rec709 sowie Rec2020.

Wie man sieht, sind 90% des DCI-P3 Farbraums nicht viel größer als Rec709….

 

PROBLEME BEI DER ANGABE DER PROZENTUALEN ABDECKUNG DES TONUMFANGS

Ein echtes Problem mit der Art und Weise, wie die UHDTV-Spezifikation für Gamut definiert wurde, ist, dass sie einen generischen Prozentwert von 90% der Abdeckung des P3-Gamut verwendet, aber P3-Gamut-Primärfarben sind nicht mit Rec2020-Primärfarben ausgerichtet, was bedeuten kann, dass eine Anzeige mit einem geringeren Gamut-Abdeckungswert tatsächlich besser sein kann als eine mit einem höheren Wert, wenn die Anzeige mit dem niedrigeren Gamut-Abdeckungsgrad Primärfarben hat, die besser mit Rec2020farben ausgerichtet sind.

uhdtv_gamut_issues
uhdtv_gamut_issues

Die obige Grafik zeigt das Problem mit einer (ca.) 90%igen P3-Gamut-Abdeckung im Vergleich zu Rec2020-Primärfarben. Wie man sehen kann, unterscheiden sich die Peak-Primärfarben der 90% P3 Green und Red deutlich von den Rec2020-Primärfarben, was bedeutet, dass die Farben, die entlang der Rec2020-Primärvektoren liegen sollten, verzerrt werden, so dass die wahre Gamut-Abdeckung des Displays deutlich unter den angegebenen 90% liegt.

 

FARBWAHRNEHMUNG

Und zum Schluss noch eine Frage zur Farbwahrnehmung, für alle Heimkinobegeisterten….

Sie sehen einen neuen Film im Kino, in digitaler Projektion, mit einer DCI-XYZ-Farbraumhülle für die Projektion, die DCI-P3-Bilder enthält.

Sie kaufen dann den gleichen Film auf Bluray und sehen ihn auf Ihrer Rec709/BT1886 kalibrierten Heimkinoumgebung an.

Nehmen Sie einen Verlust an Farbtreue wahr, wenn der Bluray-Master korrekt generiert wurde?

Die Realität ist, dass es nur wenige Farben in der Natur gibt, die außerhalb des Rec709/BT1886 Spektrums existieren. Farben, die es außerhalb des Rec709/BT1886 Farbraums gibt, sind in der Regel künstliche Farben, wie z.B. Neonschilder und dergleichen….

 

UHD – AUFLÖSUNG

Eine weitere Komponente von UHD ist die Erhöhung der Auflösung auf 4K (3840×2160).

Während eine solche Erhöhung der Auflösung auf den ersten Blick ein echter Vorteil von UHDTV zu sein scheint, bringt sie doch die Frage mit sich: „Können die Vorteile wirklich gewürdigt werden?

 

RESOLUTION VS. BETRACHTUNGSABSTAND

Je höher die Auflösung, desto kürzer muss der Betrachtungsabstand zum Bildschirm sein.

Umgekehrt, je größer der Betrachtungsabstand, desto geringer kann die tatsächliche Bildschirmauflösung bei gleicher scheinbarer Bildauflösung/Qualität sein.

 

Das bedeutet in sehr einfachen Worten, dass ein’großer‘ 55″ 4K UHD-Bildschirm den Betrachter nicht weiter als einen Meter vom Bildschirm entfernt sitzen lässt, um Vorteile gegenüber einem 55″ HD-Bildschirm zu erzielen….

Dies wird in der folgenden Tabelle für Bildschirmgröße und -auflösung im Vergleich zur Betrachtungsentfernung angezeigt.

screen_resolution
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Quelle: https://www.lightillusion.com/uhdtv.html

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