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Was ist HDR?

Ein kontrastreiches Kunstwerk in Spanien
Ein kontrastreiches Kunstwerk in Spanien
High Dynamic Range (HDR) ist eine unglaublich wichtige Entwicklung in der Display-Technologie. Dieser Artikel dient als eine Einführung in die Technik-Grundlagen von LED-Displays und soll abklären, was HDR für das Erlebnis am Bildschirm beisteuern kann.
Christopher Thomas, Stefanie Voigt (übersetzt von Christian Hintze), 🇺🇸

Wie LED-Displays funktionieren

Um zu verstehen wie genau HDR funktioniert, bedarf es einiger Basiskenntnisse über die Funktionsweise moderner LED-Displays. Unsere technisch versierteren Leser werden anmerken, dass unsere Darstellung sehr vereinfacht ist, aber das reicht bereits aus, um ein grundlegendes Verständnis davon zu bekommen, wie HDR funktioniert. LCD-Panels, die seit einiger Zeit (und wahrscheinlich vorerst auch weiterhin) der führende Panel-Typ sind, bestehen aus geschichteten Komponenten, die jeweils eine ganz spezifische Rolle einnehmen.

Die erste Schicht ist die Hintergrundbeleuchtung, die sich entweder ganz hinten auf dem Panel oder bei Edge-Lit-TVs (kantenbeleuchteten TVs) an den Seiten befindet, wo das Licht gesammelt und übertragen wird, um die gesamte Fläche des Bildschirms zu beleuchten. Basic- oder Budget-Displays haben eine Ein-Zonen-Hintergrundbeleuchtung, die nur im Gesammten gedimmt und aufgehellt werden kann.

Von der Hintergrundbeleuchtung aus wandert das Licht durch eine Schicht aus so genanntem Flüssigkristall. Um es in nicht-technischer Hinsicht zu veranschaulichen: Diese Schicht enthält im Wesentlichen ein superfeines Netz, das zwischen zwei ultradünne transparente Scheiben gelegt ist. Das Netz ist in Teilpixel unterteilt, auf die wir gleich noch einmal zurückkommen werden. Dieses Netz ist jedoch der Ort, an dem das eigentliche "Flüssigkristall" ins Spiel kommt. In jedem der im Grunde winzigen Fenster befindet sich ein winziges Stückchen Materie, das Eigenschaften sowohl von Flüssigkeiten als auch von Festkörpern aufweist.

Je nach LCD-Typ nehmen diese "Kristalle" (bei denen es sich übrigens technisch gesehen weder um Kristalle noch um Flüssigkeiten handelt) eine bestimmte Form ein, wenn keine elektrische Ladung anliegt, und ändern ihre Form fast augenblicklich, sobald eine entsprechende Ladungsmenge angelegt wird. Die drei Haupttypen sind vertikale Ausrichtung (VA), Twisted Nematic (TN) und In-Plane-Switching (IPS), und alle haben jeweils Vor- und Nachteile in Bezug auf Betrachtungswinkel, Pixel-Reaktionszeit, Farbräume, Bildwiederholraten und Kontraststufen. Letztendlich erreichen sie jedoch alle dasselbe Ziel. Auf der Grundlage von Informationen aus dem Grafikprozessor lassen sie mehr oder weniger Licht durch die Schicht, um die spezifische Helligkeit jedes Pixels von Bild zu Bild zu bestimmen.

Nach dem Passieren der Flüssigkristallschicht bewegt sich das Licht durch Farbfilter, die in rote, grüne und blaue Subpixel unterteilt sind. In dieser Hinsicht ist wohl die neue Technologie namens Quantum Dot Filtration (Quantenpunktfilterung) in Form der beliebten QLED-Fernseher und -Monitore von Samsung bekannt, welche als erste dieser Art für den "Ottonormalverbraucher" am Markt erschienen sind. Quantenpunkt-Verbesserungsschichten nehmen tatsächlich das durch die Farbfilter emittierte Licht auf und reproduzieren es auf eine Weise, die den Farbdaten selbst getreuer ist. Das Ergebnis sind klarere und lebhaftere Farben sowie in vielen Fällen eine Reduzierung des gefürchteten "Backlight Bleed", das Schwarz in Grau verwandelt und den effektiven Kontrast verringert. Das technische Gesamtsystem ist nicht perfekt, aber es bietet bei richtiger Implementierung eine deutliche Verbesserung der Bildqualität.

Daneben gibt es eine aufstrebende und ebenfalls sehr interessante Technologie namens OLED, die sich immer größerer Beliebtheit erfreut. Um es klar zu sagen: LED steht für "light emitting diode" (Leuchtdiode), und in Bezug auf LCD-Displays bezieht sich die Bezeichnung auf die Hintergrundbeleuchtung selbst, die aus LEDs besteht. Organische LEDs hingegen fügen dem Subpixel-Mix verschiedene organische, kohlenstoffhaltige Substanzen hinzu, wodurch die von LCD-Panels verwendeten Farbfilter minimiert oder gleich ganz überflüssig werden. Die OLED-Technologie verzichtet nämlich auf eine Hintergrundbeleuchtung, da die organischen Pixel ihr eigenes Licht ausstrahlen, weshalb die Panels auch als emissive Displays bezeichnet werden. Aus diesem Grund ist jedes einzelne Pixel in der Lage, sich vollständig abzuschalten, was bei OLED-Bildschirmen zu beeindruckend tiefen Schwarzwerten führt. LCD-Bildschirme können hier wegen der nicht komplett abschaltbaren Hintergrundbeleuchtung nicht mithalten.

Da die Schwarzwerte für den Kontrast so wichtig sind, sind OLEDs im Hinblick auf HDR gewissermaßen im Vorteil. Allerdings kann die maximale OLED-Helligkeit noch nicht mit der LCD-Helligkeit im High-End-Bereich konkurrieren, sodass sich wie bei vielen Techniken Vor- und Nachteile für beide ergeben. Es sollte auch beachtet werden, dass einige OLED-Bildschirme, insbesondere die von Fernsehern, nicht alle Farben tatsächlich über Subpixel erzeugen und stattdessen immer noch Farbfilter verwenden, die denen von LCDs ähneln. Kleinere Bildschirme, wie z. B. die von Smartphones, können RGB-Subpixel verwenden, die kräftigere und genauere Farben erzeugen können, aber große TV-Panels neigen dazu, Farbfilter zu verwenden. Im Großen und Ganzen bieten OLEDs jedoch im Vergleich zu LCDs in der Regel jedoch eine schnellere Pixelreaktion und eine geringere Verzögerung bei der Eingabe. 

Was also ist jetzt High Dynamic Range (HDR)?

Gustae Le Gray's "Brig Upon the Water" von 1856, möglicherweise das erste HDR-Bild der Geschichte
Gustae Le Gray's "Brig Upon the Water" von 1856, möglicherweise das erste HDR-Bild der Geschichte

Dynamischer Kontrast und sein moderner digitaler Einsatz High Dynamic Range sind im 21. Jahrhundert nicht neu - zumindest konzeptionell gesehen. Es geht um den Luminanzbereich, und bereits 1856 nahmen erste Fotografen Bilder einer Szene mit unterschiedlichen Belichtungsstärken auf und fügten diese dann zu einem lebendigeren Bild zusammen, was sonst mit der damaligen Technologie noch nicht möglich gewesen wäre. Tatsächlich erreichten viele berühmte Werke bekannter Künstler wie Ansel Adams ihren einzigartigen visuellen Reiz dank einem Verfahren, das als Dodging and Burning bekannt ist. Dabei handelt es sich um eine Methode des 20. Jahrhunderts, bei der man die Belichtung innerhalb einer einzigen Aufnahme erhöht hat, während der Film in der Dunkelkammer entwickelt wurde. Dies war die früheste Form des Tone Mappings.

Beim Tone Mapping werden absolute Helligkeits- und Farbwerte nicht auf Grundlage einer festen, unflexiblen Referenz dargestellt. Stattdessen werden die Werte mit benachbarten Bereichen oder Pixeln verglichen und entsprechend angepasst, so dass es so aussieht, als gäbe es einen effektiveren Kontrast als im ursprünglichen Ausgangsmaterial. Ähnlich wie Ansel Adams Dodging and Burning benutzte, um das Yosemite Valley wie einen Traum aussehen zu lassen, arbeiten moderne Nachbearbeitungsalgorithmen, um sowohl Live-Action als auch animiertes Kino so real wie möglich aussehen zu lassen.

Der erste für die HDR-Fotografie entwickelte Farbfilm wurde durch einen Vertrag mit dem US-Militär entwickelt, und 1986 wurde die erste Methode zur Erstellung von HDR-Videobildern eingeführt. Mitte der neunziger Jahre wurde dann ein als Global HDR bekanntes System geschaffen, das dem, was heute als HDR bezeichnet wird, vage ähnelte. Zugegeben, die Ähnlichkeit war eher konzeptionell, aber es berücksichtigte immerhin schon den Luminanzkontrast über ein ganzes Videobild und bildete das Ergebnis in Tonemaps ab, um ein lebendigeres Bild zu erzeugen, als es das Aufnahmematerial vermochte.

So sehr sie es auch versuchen (und es ist ein nobler Versuch), bislang haben Ingenieure noch keine Kameras oder Panels entwickelt, die so gut funktionieren wie das menschliche Auge. LCD-Bildschirme z. B. neigen oft zum Light Bleeding, und obwohl die Quantenpunktfiltration dies etwas abgeschwächt hat, ist es bei vielen Panels noch immer ein Problem. Außerdem ist nicht nur der Pixel-Cross-Talk ein Problem - selbst einige der besten LCD-Bildschirme lassen die Hintergrundbeleuchtung noch durchscheinen. 

Moderne HDR-Implementierung

Ein gutes Beispiel für ein stark überbearbeitetes HDR-Bild
Ein gutes Beispiel für ein stark überbearbeitetes HDR-Bild

Der statische Kontrast ist ein Maß für die hellsten Bereiche eines Panels im Vergleich zu seinen dunkelsten Schwarztönen. Er ist ein wichtiger Faktor für das Erscheinungsbild eines Displays, aber er ist nicht der einzige, der beim HDR einen Unterschied macht. Das Local Dimming (lokale Dimmung) ist ein solches Merkmal, das für ein Panel nahezu unumgänglich für eine echte HDR-Darstellung ist.

Vor Local Dimming wurde die gesamte Hintergrundbeleuchtung eines TVs für jedes Bild bzw. jeden Frame auf eine bestimmte Helligkeit eingestellt. Durch die lokale Dimming-Technik kann ein Panel die Helligkeit bestimmter Panel-Zonen, so genannter Dimmbereiche, senken, wenn es Schwarztöne oder besonders dunkle Schattierungen anzeigt. Tatsächlich kann man mit Sicherheit sagen, dass Bildschirme ohne lokale Dimmung nicht ernsthaft behaupten können, HDR zu unterstützen, und tatsächlich verfügen selbst viele große Panels mit lokaler Dimmung nicht über genügend Zonen - oder einen ausreichend effektiven Dimm-Algorithmus -, um bei der Anzeige von HDR-Inhalten einen großen Unterschied zu machen.

Die Helligkeit ist natürlich ein weiterer wichtiger Faktor, der einen hohen Dynamikbereich ermöglicht, und es ist einer der Aspekte, der HDR in der jüngsten Vergangenheit auf vielen TVs zurückgehalten hat. In den ersten Jahren des 4K-Fernsehens hat ein gutes Gerät bei Tests unter realen Bedingungen im Durchschnitt nur einige wenige Nits erreicht. Bei SDR-Inhalten, d. h. Inhalten mit Standard-Dynamikbereich, sind 400 Nits ein guter Richtwert für eine qualitativ hochwertige Anzeige in einem mäßig beleuchteten Raum, während reale Messwerte von 650 Nits und mehr für gute HDR-Highlights sorgen. Es ist wichtig, hier zu erwähnen, dass sich dies auf tatsächliche Tests bezieht, da die von den Herstellern angegebenen Werte bei perfekten Testbedingungen und idealen Angaben oft überhöht sind.

Ein weiteres Merkmal, auf das man achten sollte, ist das Chroma-Sampling (Farbunterabtastung). Das Auge reagiert empfindlicher auf Helligkeitsänderungen als auf Farbunterschiede. Um die Bandbreitenanforderungen zu reduzieren, übertragen viele Panels daher weniger Farbdaten als Helligkeitsdaten. In vielen Fällen ist das Subsampling von 4:2:2 kaum von einer unkomprimierten 4:4:4-Ausgabe zu unterscheiden. Mit dem Trend zu leistungsfähigeren Panels mit größerem Farbraum wird dies jedoch weniger zutreffend.

Die Subsampling-Rate von 4:2:0 ist besonders weit verbreitet, weil sie jahrelang auf einer Vielzahl von DVD- und Blu-Ray-Produkten verwendet wurde (und sogar Teil der 4K-Blu-Ray-Spezifikationen ist), aber mit der verbesserten Panel-Technologie ist ihre minderwertige visuelle Wiedergabetreue offensichtlicher denn je. Besonders auffällig ist sie bei Anwendungen, bei denen ein gestochen scharfes, statisches Bild von größter Bedeutung ist, z. B. wenn ein TV als PC-Monitor für alltägliche Aufgaben verwendet wird, und vor allem bei der Anzeige von Text.

Wie bereits erwähnt, ist ein breiter Farbraum für die HDR-Ausgabe äußerst wichtig, und eine 10-Bit-Farbtiefe ist der beste Weg, um zu einem breiten Farbraum zu gelangen. Ein 8-Bit-Panel kann bis zu 16,7 Millionen verschiedene Farben durch Variationen von jeweils 256 Werten für Rot, Grün und Blau erzeugen. 10-Bit-Panels können bis zu 1.024 Farbtöne pro Pixel erzeugen, was zu sage und schreibe 1,07 Milliarden möglicher Farben führt. Einige Hersteller simulieren 10-Bit-Farben, indem sie ein 8-Bit-Panel mit einem Algorithmus ausstatten, der zwischen benachbarten Farben hin- und herwechselt, um die Farbe zu simulieren, die im Wesentlichen zwischen ihnen liegen würde, die aber mit nur 8 Datenbits nicht ausgedrückt werden kann. Ein echtes 10-Bit-Panel ist eine der Grundvoraussetzungen für High-End-HDR-Funktionen.

Mini-LED-Bildschirme, die noch ein wenig davon entfernt sind, in die Verkaufsregale zu gelangen, sind mit Hintergrund-Beleuchtungen ausgestattet, die jeweils nur eine geringe Anzahl von Pixeln bedienen. Im Wesentlichen handelt es sich bei der Mini-LED-Technologie um eine sehr raffinierte Form der lokalen Dimmung. Möglicherweise bahnbrechender ist jedoch die Micro-LED-Technologie, die vom Konzept her den OLED-Panels recht ähnlich ist. Bei ihr hat jedes Pixel seine eigene individuelle Hintergrundbeleuchtung, die nahezu perfekte Schwarzwerte und beeindruckende Kontrastwerte ermöglicht, angeblich ohne den Nachteil der geringen Spitzenhelligkeit, die viele OLED-Panels plagt. Das Hauptproblem der Micro-LED besteht derzeit darin, dass sie noch recht weit davon entfernt ist, zum Mainstream zu werden, und de facto gibt es derzeit keine Verbraucherprodukte auf dem Markt. 

Aktuelle und zukünftige HDR-Standards

Aus fünf Einzelaufnahmen zusammengesetzt und nur ein wenig übersättigt
Aus fünf Einzelaufnahmen zusammengesetzt und nur ein wenig übersättigt

HDR in seiner einfachsten Form wird nicht offiziell reguliert oder durchgesetzt, aber es gibt eine Reihe von Protokollen mit spezifischen Anforderungen, die den Markt zumindest in die richtige Richtung bewegen. HDR10 ist das grundlegendste dieser Protokolle, und jedes HDR-Display, das sein Geld wert ist, ist dafür zertifiziert. Diese Basisspezifikation erfordert 10 Bit Farbtiefe, 4:2:0-Chroma-Sampling oder besser und die Fähigkeit, den gesamten Rec.-2020-Farbraum darzustellen. Im Allgemeinen sollten die meisten neuen Fernseher diesen Standard unterstützen, aber zusätzliche Aspekte wie die lokale Dimmung bestimmen mit, wie effektiv die HDR10-Darstellung eines Fernsehers ist.

Ein Game-Changer unter den Protokollen ist Dolby Vision, welches sich nachhaltig auf die Akzeptanz von HDR ausgewirkt hat. Dolby Vision, das erstmals von LG in Verbraucher-Panels eingesetzt wurde, enthält dynamische Metadaten, die aktiv Helligkeit und Farbe über den gesamten Bildschirm szenenweise oder sogar Bild für Bild anpassen. Es handelt sich um eine bedeutende Verbesserung von HDR10, aber seine Einführung wurde durch einen Mangel an Inhalten verlangsamt. Um es nutzen zu können, benötigt man eine speziell dafür konzipierte Quelle, und es gibt einfach noch nicht so viele Filme, die mit den entsprechenden Metadaten auf ihren Discs gebrannt wurden. 

Dann ist da noch HDR10+, das in seiner Verwendung dynamischer Metadaten Dolby Vision ähnelt, aber als Konkurrenzprotokoll entwickelt wurde und daher als solches nicht mit Dolby Vision kompatibel ist. So nutzen beispielsweise alle High-End-Fernseher von LG das Dolby-Protokoll, während die Modelle von Samsung auf HDR10+ setzen, da Samsung der Entwickler und Lizenzinhaber dieser Technologie ist. Andere Hersteller haben sich jedoch für beide Formate entschieden, was immerhin dazu beiträgt, die Menge an Inhalten zu erhöhen, die ein typischer High-End-TV in Sachen HDR wiedergeben kann.

Die beiden sind sich in ihrer Ausgabe nicht völlig unähnlich, obwohl HDR10+ deutlich höhere Spitzenhelligkeiten als Dolby Vision unterstützt. Das im Entstehen begriffene HDMI-2.1-Protokoll hingegen hat dynamische HDR-Metadaten integriert (und beeindruckende Bandbreitenwerte dazu, welche zur Unterstützung erforderlich sind, sowie 4:2:2 oder besseres Chroma-Sampling), was die Technologie nun noch weiter verbreiten und zugänglicher machen sollte.

Dann gibt es Hybrid Log Gamma (HLG), das man im Auge behalten sollte, weil es der Standard ist, an den sich die Rundfunkmedien halten. Im Gegensatz zu HDR10+ und Dolby Vision verwendet HLG keine Metadaten, sondern kombiniert SDR- und HDR-Anweisungen in einem einzigen Stream, so dass er mit allen Bildschirmen kompatibel ist. Dadurch hat der Stream die geringe Bandbreitenanforderung, die für Rundfunkmedien erforderlich ist, und ermöglicht gleichzeitig, dass höherwertig ausgestattete Bildschirme bei Bedarf Farbe und Helligkeit verbessern können.

Ein großer Nachteil von HLG ist die Unfähigkeit, Schwarzwerte zu verbessern, aufgrund der fehlenden Metadaten. Es sollte auch beachtet werden, dass, obwohl HLG noch nicht in großem Umfang eingeführt wurde, eine ganze Reihe moderner Fernsehgeräte behauptet, sie auf ihrem Weg nach vorn zu unterstützen. Aber es gibt noch einen weiteren Punkt zu erwähnen: Technicolor hat vor einigen Jahren mit LG zusammengearbeitet, um Advanced HDR zu entwickeln, das womöglich ebenfalls eine Zukunft hat, bislang fehlen aber noch große Inhalte dafür.

HDR wird auch auf Spielkonsolen beworben, und mit dem richtigen Fernseher kann es das Spielerlebnis auch erheblich steigern. Das Feature wird mit der nächsten Konsolengeneration eher noch stärker in den Vordergrund treten. Wenn es um PC-Spiele geht, sind die Dinge allerdings umstrittener. Es gibt nur sehr wenige PC-Monitore mit effektiven HDR-Fähigkeiten, was zum Teil auf die allgemein geringe Helligkeit und einen erheblichen Mangel an Optionen mit lokaler Dimmung zurückzuführen ist.

Darüber hinaus könnte Windows 10 und seine oft pingelige Interaktionen mit GPUs der Implementierung von HDR auf breiter Front einen schweren Schlag versetzen. Einige Spieler berichten von einer deutlichen Steigerung der visuellen Wiedergabetreue, während andere behaupten, dass viele Titel mit dieser High-End-Funktion eindeutig schlechter aussehen. Dies könnte durchaus darauf zurückzuführen sein, dass der PC-Hardware-Markt ungleich stärker fragmentiert ist als der Markt für Konsolen. Zu hoffen bleibt, dass kommende GPUs mit HDMI 2.1 ausgestattet werden, und dass PC-Monitore besser oder HDR-Fernseher deutlich billiger werden, da eine Kombination dieser Faktoren dazu beitragen würde, dass HDR für mehr PC-Benutzer eine lohnende Überlegung ist. 

Sollte man einen HDR-Fernseher kaufen?

Der krasse Unterschied zwischen einem HDR- und einem SDR-Bild
Der krasse Unterschied zwischen einem HDR- und einem SDR-Bild

Zunächst einmal dürfte es schwer sein, einen Fernseher zu finden, der nicht mit HDR-Kompatibilität beworben wird. Natürlich bedeutet dies aus den oben genannten Gründen noch nicht allzu viel. Edge-Lit-TVs und alle, die nicht über eine sinnvolle Anzahl an Local-Dimming-Zonen verfügen, können zwar behaupten, dass sie HDR unterstützen, aber ihr Dynamikbereich wird einfach nicht ausreichen, um das Gerät zu einem lohnenden Teil der Erfahrung zu machen.

Eine Möglichkeit ist die Suche nach einer VESA-DisplayHDR-Zertifizierung. Dies ist eigentlich eher eine Marketingkampagne, die darauf abzielt, mehr Fernseher zu verkaufen, aber sie ist auch ein guter Ausgangspunkt für die Suche nach dem richtigen Fernseher oder Monitor für ein HDR-Setup. Die Zahl, die der Zertifizierung eines Produkts beiliegt (DisplayHDR 600, 1000, 1600 usw.), gibt eine grobe Schätzung der Spitzenhelligkeit des Geräts in Nits sowie der Spezifikationen wie Bittiefe und Farbumfang. Die Liste solcher offiziell zugelassenen Displays wird immer länger. 

Die Wahrheit ist, dass HDR trotz dem massiven Branchenrummel um die Technik nicht ganz so mächtig ist, wie es den Anschein hat. Dies ist zum Teil auf einen Mangel an Inhalten zurückzuführen, aber ähnlich wie bei der Einführung von 4K ist es wahrscheinlich, dass es, sobald es einmal gestartet ist, keinen Blick zurück mehr geben wird. 

Wer also ein erstklassiges Unterhaltungserlebnis sucht, für den könnte HDR letztendlich ein wichtiger Teil des Entscheidungsprozesses sein. Wenn man bereit ist, tief in die Tasche zu greifen, und wenn man weiß, auf welche Funktionen man achten und was man erwarten kann, dann könnte es sich durchaus als eine gute Entscheidung erweisen, bei einem High-End-LCD oder OLED zuzuschlagen. Wenn man im Moment noch unschlüssig ist und sich nicht davor scheut, erst in ein oder zwei Jahren aufzurüsten, sollte man vielleicht in Erwägung ziehen, auf Mini-LED- oder, besser noch, Micro-LED-Sets zu warten. 

Momentan sind die Ergebnisse mit HDR durchweg gemischt, aber die gesamte Erfahrung wird mit fast jedem neuen Fernsehgerät besser, und die Zukunft ist unglaublich vielversprechend für diese fortschrittliche Technologie. Mit der richtigen Beleuchtung, ständig wachsenden Hardware-Fähigkeiten und Quellen, die für HDR richtig ausgelegt sind, wird diese Technologie zweifellos noch viele Jahre lang ein ernstzunehmendes Merkmal sein, das bei der Betrachtung eines neuen Displays in Betracht gezogen werden muss. 

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Autor: Christopher Thomas, 26.06.2020 (Update: 25.06.2020)
Christian Hintze
Translator: Christian Hintze - Editor
Aus Interesse an Computer-Spielen habe ich ein Informatikstudium begonnen, bin dann doch Diplom-Psychologe geworden, aber den Spielen und der Hardware treu geblieben. Z.B. beim Auslandsjahr in London als Spieletester bei Sega. In meiner Freizeit finde ich neben PC-Spielen Ausgleich beim Sport (mittlerweile vorwiegend Hallenfußball und meinem Kleinkind hinterher laufen), Gitarre spielen und Bambusräder bauen (na gut, bisher nur ein einziges unter Anleitung).