SPECIAL: Die Krönung bestmöglicher Bildqualität - was verbirgt sich hinter HDR, Rec.2020, Ultra HD Premium und Dolby Vision?

Spätestens seit der CES 2016 sind Abkürzungen wie HDR, Rec.2020 oder auch Technologien wie Dolby Vision oder das Ultra HD Premium-Logo der UHD Alliance in der breiten Öffentlichkeit angekommen. Wir möchten Ihnen in diesem kleinen Special etwas Grundinformationen zu diesen Begriffen mit auf den Weg geben. 

Nicht nur TVs, auch z.B. aktuelle Denon AV-Receiver sind bereits für Rec.2020 ausgelegt

• BT.2020, auch als Rec.2020 bekannt, ist eine Bildnorm (ITU-R-Empfehlung, ITU = Internationale Fernmeldeunion) für die Ultra HD-Ära. Seit August 2012 existiert diese Norm, die Bildschirmauflösung, Bildfrequenz, die Digitale Darstellung, die Farbmetrik, die Luma-Koeffizienten und die Übertragungsfunktion festlegt. Hinsichtlich der Auflösungen werden exakt zwei Auflösungen definiert: 3.840 x 2.160 Bildpunkte als UHD/4K (genau diese Auflösung besitzen UHD-Panels) und 7.680 x 4.320 (8K, in dieser Auflösung gibt es bereits TV-/Display-Prototypen). Beiden Auflösungen gemein ist das Seitenverhältnis von 16:9. Was die Bildfrequenz angeht, sind folgende einzelne Frequenzen verbrieft: 120p, 119,88p, 100p, 60p, 59,94p, 50p, 30p, 29,97p, 25p, 24p, 2,976p. Als Farbtiefe sind 10 oder 12 Bit, jeweils pro abgetastetem Wert, vorgesehen. Die Helligkeitswerte-Skala unterscheidet sich natürlich, je nach dem welche Farbtiefe vorliegt. Bei 10 Bits/Abtastwert ist der Schwarzwert auf den Code 64 und der Weißpunkt auf den Code 940 festgelegt. Die Codes 0 bis 3 sowie 1.020 bis 1.023 werden für die Zeitreferenz verwendet. Die Codes 4 bis 63 werden als Helligkeitspunkte unterhalb des Schwarzwertes verwendet, die Codes von 941 bis 1.019 stehen für Helligkeitswerte oberhalb des Helligkeits-Nennspitzenwertes. Bei 12 Bits/Abtastwert wird der Schwarzwert in der Skala auf den Code 256 und der Weißpunkt auf den Code 3.760 spezifiziert. Die Codes 0 bis 15 und 4.080 bis 4.095 werden für die Zeitreferenz eingesetzt. Die Codes 16 bis 255 sind die Helligkeitswerte unterhalb des Schwarzpunktes, die Codes von 3.761 bis 4.079 umschreiben Helligkeitswerte oberhalb des Helligkeits-Nennspitzenwertes. Zur Farbmetrik. Weißpunkt und die Grundfarben sind innerhalb eines Koordinatensystems präzise festgelegt. Daher kann man, wenn man z.B. einen UHD-TV durchmisst, genau sehen, wie nahe der TV an die von der ITU in der BT.2020 Norm als ideal festgelegten Werte kommt. Rec.2020 kann Farben darstellen, den der Rec.709 Farbraum der Full HD-Ära nicht wiedergeben kann. Übrigens entsprechen die von Rec.2020 verwendeten RGB-Grundfarben einfarbigen Lichtquellen im CIE-Normfarbsystem von 1931. Hierin sind die Wellenlängen genau definiert. 630 nm für Rot, 532 nm für Grün und 467 nm für blau. Vom CIE-Farbraum deckt Rec.2020 einen Bereich von 75,8 Prozent, während Rec.709 nur 35,9 Prozent abdeckt. Ein größerer Farbraum erhöht den Abstand zwischen benachbarten Farbwerten, aufgrund dieser Tatsache ist ein weiteres Bit für jeden Abtaster notwendig, damit die identische oder eine größere Farbpräzision als bei Rec.709 erzielt werden kann. Hinsichtlich der Luma-Koeffizienten legt Rec.2020 RGB- und YCbCr Signalformate mit 4:4:4, 4:2:2 und 4:2:0 Farbunterabtastung fest. Der Standard definiert ferner eine nichtlineare Übertragungsfunktion, die zur Korrektur des Gammawertes bei RGB und YCbCr eingesetzt werden kann. RGB kommt dann zum Einsatz, wenn es um optimale Qualität geht, YCbCr kann verwendet werden, wenn es um die Kompatibilität zu SDTV/HDTV (Full-HD) geht. Farbunterabtastung ist bei YCbCr Nutzung möglich. Dies kennen wir aus dem Beginn der UHD-Ära, als verschiedene TVs noch kein HDMI 2.0 Terminal besaßen, sondern nur HDMI 1.4a. Und hier war dann aufgrund er Bandbreitenbeschränkung eine Farbunterabtastung erforderlich, um das UHD-Signal entsprechend verarbeiten zu können. 

HDR-Content, von der Produktion bis zur Darstellung auf dem UHD-TV, ist ein großes Thema

Überall auf der CES fanden sich HDR-Demonstrationen

Für HDR verbaut Samsung Displays mit 1.000 Nits Leuchtkraft in selektierte SUHD-Modelle

• HDR (High Dynamic Range): Hierbei handelt es sich um Bildmaterial mit besonders hohem Dynamikumfang. Vorzug dieser Form eines digitalen Bildes ist die Fähigkeit, enorme Helligkeitsunterschiede darstellen zu können. HDR ist ein absolutes Trend-Feature bei den 2016er UHD-TVs gehobener Preisklassen. Allerdings brauchen die TVs ein spezielles Display, was die erforderliche hohe Maximalhelligkeit überhaupt darstellen kann (1.000 Nit-Display als Mindestanforderung). HDR-Material kann von entsprechend geeigneten Kameras kommen (selbst die Kamera z.B. im iPhone von Apple unterstützt HDR). Früher musste HDR-Content in Low Dynamic Range (LDR) Material umgewandelt werden, weil die Panels HDR-Content nicht anzeigen konnten. Dabei wurden die Helligkeitskontraste deutlich reduziert (Dynamik-Kompression/Tone Mapping). Vorzüge von HDR-Content: Über- sowie Unterbelichtungen werden eliminiert, Bilddetails kommen sehr viel besser heraus. Das sieht man sehr gut, wenn z.B. auf dem HDT-geeigneten Display die Skyline von Shanghai oder New York nachts zu sehen sind. Detaillierung, Leuchtkraft und Maximalkontrast sind deutlich verbessert. Auch ein Gebirgspanorama während des Sonnenuntergangs beispielsweise gewinnt, wenn es HDR-Content ist, sichtbar an Qualität. Ein normales LDR-Bild hat nur 256 verschiedene Helligkeitsstufe, ein HDR-Bild hingegen kann Werte von 0,18 bis 560 vorweisen. Speziell Details in hellen Bildteilen werden bei HDR-Content viel besser sichtbar. Man kann HDR-Bilder mittels geeignet Kamera direkt produzieren, auch die Erstellung einer Computergrafik kann nach HDR-Spezifikation erfolgen. Dritte Variante ist die Kreation eines Hdrs-Bildes aus einer Reihe unterschiedlich belichteter LDR-Bilder. 

TCL z.B. bietet TVs mit Dolby Vision an

• Dolby Vision: Dolby hat unter "Dolby Vision" auf der CES 2016 (z.B. bei LG und TCL) ein System im Portfolio, das auf eine Kombination aus Bildern mit Hochkontrast und besonders brillanter Farbwiedergabe setzt. Dabei kann Dolby Vision ein Bild mit einer Standarddynamik in ein Hochkontrastbild transformieren. VoD-Dienste wie Netflix oder VUDU setzen im Übrigen auch auf Dolby Vision. Im einzelnen führt Dolby auf der Website folgende Aspekte auf: Extreme Helligkeit, tiefstes Schwarz - beides hat zur Folge, dass natürlich auch der Gesamtkontrast deutlich steigt. Weiter geht es mit einer extrem feinfühligen Farbwiedergabe. All dies findet auch in einer besonders präzisen Detaillierung kleiner Einzelheiten Ausdruck. Das Bild eines TVs mit Dolby Vision erscheint besonders dreidimensional, plastisch. Wir konnten uns auf der CES 2016 bereits von den Vorzügen der Dolby-Technologie überzeugen. 

Panasonic DX900 als weltweit erster TV, der die Ultra HD Premium-Anforderungen erfüllt 

• Ultra HD Premium: Definierte Spezifikation der UHD Alliance, wenn ein TV dieses Logo trägt, muss er hohe Anforderungen an die visuelle Leistungsfähigkeit erfüllen. Nur TVs, die High Dynamic Range-Content (HDR-Content) wiedergeben können, werden als "Ultra HD Premium" TV definiert. Alle Spezifikationen in der Übersicht: Ein Ultra HD Premium-Display hat minimal 3.840 x 2.160 Bildpunkte Auflösung und minimal 10 Bit Farbtiefe. Ein Minimum von 90 Prozent des P3 Farbraums muss dargestellt werden können. Der DCI P3 Farbraum ist nicht identisch mit dem hier vorgestellten Rec.2020 Farbraum der ITU. Weiter legt die Ultra HD Premium Norm einen minimalen Dynamikumfang fest, den der TV erfüllen muss: Option 1 ist ein Helligkeitspeak von mehr als 1.000 Nits und weniger also 0,05 Nits Schwarzpegel. Oder aber mehr als 540 Nits Maximalhelligkeit und weniger als 0,0005 Nits Schwarzpegel. Panasonic hat den laut Unternehmensangaben weltweit ersten TV mit Ultra HD Premium-Label auf der CES 2016 vorgestellt. 
• Helligkeit in Nit (Leuchtdichte): 1 Nit entspricht 1 Candela/Quadratmeter. Die Maßeinheit "Nit" rückt aktuell in den Fokus bei Displays mit der Fähigkeit, High Dynamic Range (HDR) Content darzustellen. Dazu ist ein Display mit mindestens 1.000 nits erforderlich. Die SI-Einheit "nit" wird besonders in den USA verwendet. Die Abkürzung "Nit" kommt vom lateinischen Wort "nitere", was "scheinen" bedeutet. Ursprünglich wurde die Angabe der Leuchtdichte von PC-Monitoren in Nit angegeben. In Deutschland ist Nit keine gesetzliche Maßeinheit. 

Was heißt das für die Panels in hochwertigen UHD-TVs sowie die Bildverarbeitung-Elektronik?

Für die optimale Wiedergabe eines erweiterten Farbraums setzt Sony schon seit einigen Generationen auf die "TRILUMINOS"-Technologie

Samsungs Fernseher, die einen erweiterten Farbraum wiedergeben können, heißen "SUHD"

Klar dürfte sein, dass durch die neuen Möglichkeiten, 4K-Content brillant darzustellen, auch die Anforderungen an das Panel und die Elektronik massiv wachsen. Was ist erforderlich? Wir führen in Kürze auf:

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• Panel, das die Fähigkeit hat, hohe maximale Helligkeitswerte > 1.000 Nits zu erzeugen
• Panel, das die Fähigkeit hat, tiefstes Schwarz zu erzeugen. Dies ist bei einem LCD-Panel, welches, wie wir wissen, eine Hintergrundbeleuchtung benötigt, nicht unbedingt einfach. Erforderlich sind möglichst viele LEDs, die sich in möglichst kleinen Clustern (mehrere LEDs werden zu einem Cluster zusammengefasst) sehr präzise mittels hochleistungsfähiger Dimming-Technologien ansteuern lassen, um auch kleine Kontrastdifferenzen darstellen zu können. 
• Panels, die einen erweiterten Farbraum wiedergeben können. Hier sind Technologien wie SUHD von Samsung oder Triluminos von Sony zu nennen. Diese "Quantum Dot" Display offerieren durch spezielle zusätzliche Nano-Partikel die Darstellung besonders vieler Farben. Im Detail arbeiten die Technologien unterschiedlich, ihre Aufgabe ist aber stets die selbe: Einen besonders weiten Farbraum zu garantieren. 

Und wie sieht die Zukunft von LCD-Displays für perfekte HDR-Wiedergabe aus? Wie sie aussehen kann, konnte man auf der CES bei der neuen Technologie „Backlight Master Drive“ von Sony visuell entdecken. Sony hat sich bei der Entwicklung dieser Technik vorgenommen, das volle Potential von 4K und HDR Inhalten auszuschöpfen. Eine besonders präzise „Backlight Boosting Technology“ wird hier kombiniert mit Direct LED Backlight in besonders hoher Dichte. Die Technologie wird durch X-tended Dynamic Range PRO weiter verbessert und verfeinert. Extrem tiefes Schwarz und extreme Bildhelligkeit konnte man während der Demonstration ausmachen. Sony spricht von bis zu 4.000 Nits als enormer Helligkeits-Peak. Wie wir sehen konnten, wirkt das Bild mit dieser Technologie enorm lebensecht, sehr tief, mit feinsten Kontrastübergängen und enormer Leuchtkraft. In dunklen Sequenzen ist das Schwarz so gut, dass es genauso ein OLED-TV sein könnte, der hier Dienst tut. Wir sind sehr gespannt, wann Sony diese Technik zur Serienreife bringt und in TV-Devices einfließen lässt.

Samsung 8K-Prototyp

8K-TV von Hisense

Dass zudem bei UHD noch nicht das "Ende der Fahnenstange" erreicht ist, beweisen zahlreiche 8K-Prototypen, die auf der CES zu bestaunen waren. Derzeit aber wird ersteinmal die Blu-ray "fit" gemacht für 4K/Ultra-HD, da wird man noch eine Weile warten müssen, bis es Content in 8K gibt. 

Special: Carsten Rampacher
Datum: 20. Januar 2016