High Dynamik Range Formatkampf im vollem Gange

Im Gegensatz zu Formaten wie Stereo oder 36O-VR, die beide immer noch mit Qualitätsproblemen zu kämpfen haben und werden, wage ich zu behaupten, dass HDR sich wie HD oder 4K behaupten und auf breiter Front bleiben wird, weil jeder Laie den Vorteil im Vergleich deutlich sehen kann. Allerdings müssen dazu einige Mindestwerte erreicht oder überschritten werden, sonst wird auch das nichts.

Wie so oft wird nicht nur auf der Seite der Consumer-Geräte mehr versprochen als gehalten und mit Zahlen operiert, die nicht erreicht werden – im Folgenden wollen wir darüber aufklären, was es braucht, damit es funktioniert bzw. der Realität näher kommt.

High Dynamic Range – Begriffsdefinition

Fotografen kennen den Begriff HDR schon lange und arbeiten meist täglich damit. In den Kameras nennt man den dafür notwendigen Belichtungsvorgang Bracketing oder Belichtungsreihe, ein weit verbreitetes Feature: Es wird dabei z.B. die normale Belichtung ausgelöst plus jeweils eine um eine Blende unterbelichtete Variante plus eine um eine Blende überbelichtete Variante. Um ein HDR-Bild in der Postproduktion zu verarbeiten, braucht es spezielle Programme, die dafür entwickelt wurden (Photoshop bietet schon länger entsprechende Funktionen).

Dynamic Range abhängig von minimalem Schwarzwertleuchten bis maximaler Lichtausgabe.
Dynamic Range abhängig von minimalem Schwarzwertleuchten bis maximaler Lichtausgabe.

Selbst Filmscanner wie der von Arri haben genau solche Funktionen für die Digitalisierung von analogem Negativ-Film eingebaut, um die Kontrastumfangsschwächen der Digitalisierungssensoren im Scanner zu kompensieren.
So weit, so gut. Aber was ist jetzt neu? Das HDR, das jetzt kommt, hat ausschließlich mit der Art der Bildwiedergabe zu tun. Konnte man schon lange in der Aufnahme und Postproduktion HDR verarbeiten, kommt es jetzt beim Zuschauer an – indem mehr Bilddetails differenzierbar sind. Was in dem Fall tatsächlich ein Qualitätsmerkmal darstellt, selbst bei Filmproduktionen.

Missing Links für HDR-Workflows von hdr.avtop.com – AVTOPcontroller – für 99 Euro (zzgl. MwSt.), dazu HDfury Integral HDR tool
Missing Links für HDR-Workflows von hdr.avtop.com – AVTOPcontroller – für 99 Euro (zzgl. MwSt.), dazu HDfury Integral HDR tool

Man sieht also kein TV- oder videotypisches Clipping von Highlights, sondern homogene, natürliche Übergange mit hinreichend Details, wozu analoger Film schon immer fähig war, aber analoge oder selbst digitale Sensoren bisher nur bedingt. Wobei aktuell gute Sensoren fast bei der Qualität von Negativ-Film angekommen sind, wie Arri bei der Alexa oder RED mit der Dragon, und ebenso etliche Fotoapparate.

HDR in der Bildgestaltung

Die HDR-Bildwiedergabe bei HDR-tauglichen Bildschirmen bedeutet, dass wir endlich auch am Bildschirm einen Kontrastumfang (Dynamic Range) und eine Maximalhelligkeit bekommen, die von der Anmutung her der tatsächlichen Realität nahe kommt.
Mehr Realität diesbezüglich kann gerade beim Spielfilm mitunter weniger erwünscht sein. Somit wird HDR als maximale Bildhelligkeit bei der Wiedergabe bei Spielfilm eher von einer kreativen Entscheidung abhängig sein – zum Beispiel, wenn der Regisseur den Zuschauer regelrecht blenden und mitunter sogar stressen will oder eben nicht.
Bei Werbung oder Dokumentarfilm wird es sicher häufiger eine entscheidende Rolle spielen, denn mit HDR geht auch eine verbesserte Farbwiedergabe einher. Also wird beispielsweise der Metalliclack realistisch wiedergegeben, sowohl von der Farbintensität also auch von den Spekular-Highlights, dass somit das Produkt besser präsentiert wird und als wertiger empfunden und wahrgenommen wird.

Der beste „Consumer-Referenzmonitor“ mit genug Lichtleistung ist der Panasonic TX-65DXW9O4 (LCD): Über 8OO Nits bei 1OO%, derzeit bester HDR-Bildschirm. Und wenn er gut kalibriert wurde, übertrumpft er sogar den Sony X3OO, was den HDR-Effekt angeht.
Der beste „Consumer-Referenzmonitor“ mit genug Lichtleistung ist der Panasonic TX-65DXW9O4 (LCD): Über 8OO Nits bei 1OO%, derzeit bester HDR-Bildschirm. Und wenn er gut kalibriert wurde, übertrumpft er sogar den Sony X3OO, was den HDR-Effekt angeht.

HDR-Grundlagen

Einer der zentralen Begriffe (und Herausforderungen) ist die Peak-Luminanz, also die maximale Bildhelligkeit: 80-120 cd/m2 (die Maßeinheit cd/m2 bzw. Candela wird heute gerne auch als Nits gekennzeichnet) war in der Postproduktion von Bewegtbild schon seit der Zeit der Bildröhren der Studio- bzw. der Referenz-Bildschirme Standard.
In der Grafik links unten ist dargestellt, was für einem Belichtungsumfang die entsprechende maximale Bildhelligkeit in Abhängigkeit vom minimalen Schwarzwert entspricht: Mit 7 Stopps sind 7 F-Stopps bzw. Blenden gemeint. Zur Vorstellung: Wenn ich mit einem Fotoapparat den Monitor ablichte und der Fotoapparat 10 Blenden Belichtungsumfang schafft, dann bedeutet das, dass das Bild auf dem HDR-Bildschirm vollständig reproduziert werden kann – inklusive der Tatsache, dass der Rahmen noch schwärzer ist als das noch leicht leuchtende Schwarz (mit 0,5 Nits) am Bildrand des HDR-Schirms. Das Bild, welches auf dem Monitor zu sehen ist, kann von einer Arri Alexa aufgenommen worden sein und zeigt einen Sonnenuntergang. Selbiger wurde gut farbkorrigiert und die rund 14 Blenden der Kamera werden somit – zumindest als Gesamtkontrast – mit den meisten Details im HDR-Bildschirm vollständig reproduziert.

Sony BVM x3OO (OLED): 1.OOO Nits (bei bis zu 2O% Bildfläche) Eizo CG CG3145 (LCD): 1.OOO Nits (kommt demnächst auf den Markt, Testgeräte sind im Umlauf) Dolby Pulsar (LCD): 4.OOO Nits (nicht kommerziell kaufbar, nur ausgewählte Produktionen für high-end Kino / Bluray Post­produktion)
Sony BVM x3OO (OLED): 1.OOO Nits (bei bis zu 2O% Bildfläche) Eizo CG CG3145 (LCD): 1.OOO Nits (kommt demnächst auf den Markt, Testgeräte sind im Umlauf) Dolby Pulsar (LCD): 4.OOO Nits (nicht kommerziell kaufbar, nur ausgewählte Produktionen für high-end Kino / Bluray Post­produktion)

HDR und F-Stopps

Was also bedeutet der Kontrastumfang vor der Kamera, wenn die Realität am Ende nicht zum Zuschauer gebracht wird – zumindest nicht, was die Bildhelligkeit angeht? Der Zuschauer kann ins Bild vom Sonnenuntergang schauen und die Sonne direkt betrachten, ohne seine Augen zu schädigen. Das wird er auch noch können, wenn der UHD-TV-HDR-Bildschirm mit 500 Nits Peak-Luminanz dann eine Dynamic Range von 12 Stopps reproduziert oder mit 1.000 Nits die 14 Blenden. Aber warum?
Weil der reale Kontrastumfang von der Sonne im Gegenlicht dramatisch höher liegt als 14 Blenden. Um einen Menschen mit einer Reproduktion eines Sonnenuntergangbildes zu blenden, muss das bildwiedergebende System rund 10.000 Nits oder noch mehr herausbrezeln. Diese Lichtmenge schaffen derzeit nur große Projektoren in der Rückprojektion auf eine Scheibe (also wenn man in den direkten Lichtstrom von 2 Projektoren schaut), und das ist noch Zukunftsmusik.
Bildgröße und der Abstand des Zuschauers spielt bei Licht und Lichtstärke eine entscheidende Rolle. Maximal der zweifache Bildschirmhöhenabstand sollte die Entfernung bei HDR betragen, bei 4K nur das anderthalbfache, sonst geht auch schon wieder zu viel verloren. Ein zusätzliches Problem ist die Situation des Umgebungslichts und die Menge an Reflexion im Raum.
Das größte Problem selbst im Kino ist es, hinreichend dunkel zu sein, damit der Kontrastumfang überhaupt erreicht wird. Je mehr Licht ein Bildschirm oder Projektor herausbrezelt, umso heller wird es im Raum – wenn dessen Wände, Möbel und Zuschauerkleidungen nicht gerade vollständig mit schwarzem Samt ausgestattet wurden. Im Kino kommen noch die Brandschutzverordnungen hinzu, welche die Notlichter notwendig machen, deren Licht natürlich nicht auf die Leinwand fallen soll.
12 bis 13 F-Stopps ist etwa der Bereich, den die menschliche Wahrnehmung ohne Adaption wie Iris-Anpassung (ähnlich wie eine Kamerablende) oder Augenzukneifen verarbeiten kann. Mit Adaption sollten es etwa 20 Blenden sein.
12 Blenden liefern die meisten in naher Zukunft zu kaufenden Geräte. Im Konsumerbereich ist mehr Lichtausgabe auch deswegen problematisch, weil es Energie kostet und darüber Umweltprobleme verursacht – das bringt auch Vermarktungsprobleme mit sich. Damit die derzeitigen UHD-TVs den gängigen Umweltlabels gerecht werden, müssen sie im HDR-Modus auf Sparflamme fahren. Das bedeutet, dass sie meist nur die Hälfte oder ein Drittel der Lichtleistung bringen, die maximal möglich wäre – und auch als Peak angegeben werden.
Hier steckt nun die Mogelpackung. Der Konsumer (aber auch der Profi) muss erst einmal lernen, was er alles abschalten oder umschalten muss (vor allem die Ener­giesparfunktion abschalten), um die versprochenen HDR-Bilder wirklich zu sehen. Dazu wird er erfahrungsgemäß schneller bei Google fündig als im Handbuch.

Signalwandler

In der Postproduktion fehlt den meisten Videoausgängen eine Funktion, dem SDI- oder HDMI-Output eine notwendige Metadateninformation einzuspeisen, welche das Consumer-Gerät triggert, in den HDR–Modus zu schalten und dabei bitte auch noch den richtigen Farbraum und das richtige Gamma zu wählen.
Der Missing Link wurde aber vor kurzem durch eine Münchner Firma geschlossen: Florian Friedrich von AVTOP hat eine Software entwickelt, welche eine kleine HDMI-Wandlerbox (deren Entwicklung auch von AVTOP angeregt wurde) steuert, die fehlende Metadaten einspeist:
Der HDfury Integral zusammen mit der Software AVTOPcontroller.

Per Preset lässt sich mit dem AVTOPcontroller z.B. ein HLG BT2100 Steuersignal über den HDfury an den UDHTV schicken, welches dann folgende Schaltungsinfo an den LG-HDR-Bildschirm liefert:
Ohne diese kleine Wunderbox ist es aufwendig (manuelle Kalibration) bis unmöglich, die Consumer-Geräte dazu zu bringen, richtig für HDR-Grading parallel zum Referenzbildschirm als Consumer-Proof zu funktionieren. Auch reichen die mitgelieferten Presets nicht aus – erst der AVTOPcontroler liefert das HLG-Preset, um wie im Bild oben den LG ins Hybrid-Log-Gamma zu zwingen.

Referenzmonitore

Ein weiterer Faktor, der die Bildqualität eines HDR-Bildschirms bestimmt, ist die maximale Lichtmenge, die in Abhängigkeit der Bildfläche geleistet wird. Hier kommen viele Geräte schnell an ihre Leistungsgrenzen, sowohl Profi- als auch Consumer-Geräte. Der einzige Referenzmonitor, der im Profisegment derzeit erhältlich ist, ist der Sony BVM X300. Es kommt aber bald der neue von Eizo, der sehr ähnliche Leistungswerte aufweist.
Allgemein kann man spätestens von einer signifikant anderen Bildwirkung ausgehen, wenn der Bildschirm 1.000 Nits bringt und das auf einer anteiligen Bildschirmfläche ab 20 % – insbesondere im Vergleich zu einem 100-Nits-Bildschirm, der regelrecht farblos und stumpf von den Highlights wirkt. Eine schöne Funktion am HDR–Referenzmonitor von Eizo ist, dass man von HDR zu SDR mit definierten Color Modes direkt hin- und herschalten kann – besonders gut, um Kunden den Unterschied einfach zu demonstrieren.

HDR in der Praxis

Inzwischen gibt es aber in den besseren Bildbearbeitungsprogrammen wie Photoshop auch intelligentere Tools, die Details insbesondere in den Schatten noch herauskitzeln. Fotografen sind schon seit Jahren mit Raw-Aufzeichnung und hohen Bit-Tiefen (12 Bit und mehr) verwöhnt und können herumspielen, ohne allzu schnell an Grenzen zu stoßen. Bei Bewegtbildaufzeichnungssystemen haben die meisten Videografen mit mangelhaften Bit-Tiefen wie 8- oder 10-Bit und hohen Kompressionen zu kämpfen.
Zudem kann man die Highlight-Details nicht zurückzaubern, wenn sie gar nicht aufgezeichnet worden sind. Wie schon immer gilt auch bei HDR, dass die Belichtung auf die Highlights ausgerichtet sein sollte, wenn sie dramaturgisch hinreichend relevant sind und wenn man dabei nicht alles andere zu weit herunterdrückt, was später wieder hochgeholt werden muss – wie z.B. Hauttöne.

Typische Abweichungen der diversen Bildschirmen: Links unten: Perfekter Schwarzwert – der HDR-Referenzmonitor Eizo CG3145 Unten Mitte klein: Atomos Shogun Inferno (bekannt schlechter Schwarzwert, aber der ist ja auch eher für Outdoor gedacht, wo der Mangel weniger auffällt). Oben: LG UHDTV-HDR Consumer TV Rechts: HP-Dreamcolor als Resolve GUI-Monitor
Typische Abweichungen der diversen Bildschirmen: Links unten: Perfekter Schwarzwert – der HDR-Referenzmonitor Eizo CG3145 Unten Mitte klein: Atomos Shogun Inferno (bekannt schlechter Schwarzwert, aber der ist ja auch eher für Outdoor gedacht, wo der Mangel weniger auffällt). Oben: LG UHDTV-HDR Consumer TV Rechts: HP-Dreamcolor als Resolve GUI-Monitor

Je geringer der Dynamikumfang des Kamerasensors, umso höher sollte die Aufzeichnungsqualität des Kamerasignals sein. Allein 10-Bit 4:2:2 ist da schon ein Quantensprung mit Faktor 3-4 gegenüber 8-Bit 4:2:0. Aber ein 12-Bit-ProRes oder DNxHD in 4:4:4 wäre eine bessere Ausgangsbasis.
Grundsätzlich kann man aber mit allem arbeiten, was gut belichtet wurde. Die echten Problemfälle liegen bei normalem Filmmaterial meist bei etwa 5-10 %. Bei den hier auftretenden Mängeln hat man aber mehr Aufwand, als man von SDR gewohnt ist. Ohnehin sind in den meisten Filmen nur vielleicht 20 % der Szenen überhaupt HDR. Bei den meisten Szenen, insbesondere wenn die Sonne oder sonstige Lichtquellen hinter der Kamera sind, liegen die Szenenkontraste (selbst wenn Himmel mit hellen Wolken oder Berge mit Schnee vorkommen) bei kaum mehr als 10-12 Blenden. Echte HDR–Szenen mit 20 Blenden oder mehr sind Sonnenuntergänge oder ähnlich extreme Gegenlichtsituationen – somit also selten.
Hier die Ausnahme: längere Szenen bei Nacht mit viel Kunstlicht, Einkaufsstraßen oder Feste wie das Oktoberfest, wo intensive Farben durch intensive Kunstlichtquellen vorkommen.

HDR-Postpoduktion / Delivery – Die verschiedenen Formate

Bei den Consumer-Geräten stehen die Begriffe für die Gammakurven beim Marketing im Vordergrund – so heißen hier die Consumer-Standards (zu denen die Farbräume gehören):

  • HDR+: PQ-Gamma, erste Samsung Quantom Dot UHD-Premium-Serie (2016)
  • HDR10: PQ-Gamma, diverse:
    Samsung, LG…
  • HDR10+: PQ-Gamma, Samsung,
    Panasonic, Sony, Philips…
  • HLG: Hybrid Log Gamma / BBC, diverse: TV-Sender, LG, Panasonic, Sony…
  • Dolby Vision: PQ-Gamma 12bit, Dolby, LG, Bluray

Die Postproduktion von HDR richtet sich klar nach den nachgefragten oben aufgelisteten Delivery-Formaten. Wobei sich derzeit primär drei Formate konkurrierend am Markt etabliert haben: HDR10, HLG und Dolby Vision.
Letzteres ist jedoch für alle Beteiligten extrem kostenintensiv. Allein für eine vollständige Postproduktion kommt man schnell zu sechsstelligen Investitionsbeträgen für Dolby-Geräte und Encoder-Systeme. Insofern „out of range“ für nahezu alle außer Hollywood-Budgets.

HDR10 und HLG sind beide auch mit Lowbudget oder normalem Budget realisierbar. Davinci Resolve macht es möglich.
Weder die Farbräume noch die verschiedenen Gammakurven sind miteinander kompatibel (SDR und HLG auch nur bedingt). In der Praxis müssen alle Szenen entweder neu farbkorrigiert oder mindestens per Matrixumrechnung Farbräume adaptiert werden – wobei 3D-LUT-Transfers hier mitunter keine brauchbare Qualität liefern.
Nach meiner Praxiserfahrung braucht es mehr als reines Tonmapping, indem man pauschal LUTs auf die ganze Timeline legt. Detaillierte, szenenabhängige Gammakurven-Anpassungen mit neuen Masken kombiniert liefern, wie so oft, erst ein akzeptables bis gutes Bild.
Ein größeres Problem sind auch die Farbraum-Konvertierungen. Hier ist noch Feldforschung angesagt – es scheint nach bisherigen Tests bei Resolve noch Optimierungspotenzial zu herrschen. Auch hierzu liefert AVTOP Missing Links, hier in Form von OpenFX-Plug-ins für Resolve, und schließt damit Workflowlücken.

Fazit

Als Stereo aufkam, war ich sehr skeptisch, ob das sich durchsetzt. Es gab frühzeitig Anzeichen, dass es beim Endkonsumenten praktisch wenig Chancen hat. Bei HDR bin ich überzeugt, dass es nicht aufzuhalten ist, auch wenn die Anfänge noch holprig sind. Inzwischen liegen aber genügend Tools vor, die einen vollständigen Workflow bis zum Endkonsumenten bezahlbar ermöglichen. Alle Startampeln stehen also auf grün. Auf geht’s!

HDR SDR Mapping-Resolve-Plug-in

Wenn Inhalte in HDR produziert werden, soll häufig auch eine SDR-Version davon mit abgeliefert werden. Aufgrund der verschiedenen EOTFs (elektro-optische Transferfunktion) und Farbräume ist es mit den Standard-Tools im Grading nicht leicht, die bestehende Bildwirkung auch in anderen Farbräumen und bei anderen Spitzen-Helligkeiten aufrechtzuerhalten.
Für korrektes Mapping von HDR mit 1.000 Nit Spitzenhelligkeit im BT.2020 Farb­raum zu SDR mit 100 Nit Spitzenhelligkeit im 709 Farbraum sind eine Vielzahl von Berechnungen und Parametern relevant. Das Plug-in HDR SDR Mapping dröselt diese Berechnungen und Parameter auf und macht sie flexibel konfigurierbar. Die Berechnungen können unterbrochen werden, um beispielsweise einen Node im linearen Helligkeitsraum einzufügen, das Signal anzupassen und dann in einem weiteren Node mit einer neuen Instanz des Plug-ins in den Zielfarbraum zu konvertieren.

Statistics-Resolve-Plug-in

Gerade beim Erstellen von HDR-Inhalten gibt es einige technische Parameter, die man im Auge behalten sollte. MaxCLL (hellster Pixel im Bild) und MaxFALL (durchschnittliche Helligkeit des Bildes) gehören dabei zu notwendigen Metadaten, die ermittelt und an Sender weitergereicht oder für Youtube und Vimeo in die .mp4-Files eingespeichert werden müssen. Dazu ist noch ein weiteres Programm notwendig.
Nur zwei sehr teure high-end Encoder (u.a. Colorfront) können das, sowie die Software HDR-Master, wiederum von AVTOP. Mit dem Plug-in Statistics können diese Werte im aktuellen Bild eingeblendet werden. So lassen sich schon beim Grading Situationen erkennen, in denen die Helligkeitswerte über gewisse Grenzen hinausschießen. Beispielsweise kommen fast alle OLED-Displays mit einer Durchschnittshelligkeit von über 200 Nit nicht mehr zurecht und müssen somit Tone Mapping anwenden. Was bedeutet, sie greifen per Bild-Processing live ins Bild ein und verändern es. Das kann nicht im Sinne von Regie oder Kameramann sein – und am Ende wird die Arbeit des Color Graders manipuliert.

Histogram-Resolve-Plug-in

Das hierzu passende DaVinci-Resolve Projektsetup für HDR1O/PQ : Für HDR-Workflows ist es zunächst einmal entscheidend, dass das Color Management auf DaVincis eigenes CM umgestellt wird. Erst danach stehen weitere Funktionen wie ST 2O84 1.OOO Nit zur Verfügung. Dazu splittet man noch die Auswahl auf separate Farbräume und Gamma.
Das hierzu passende DaVinci-Resolve Projektsetup für HDR1O/PQ : Für HDR-Workflows ist es zunächst einmal entscheidend, dass das Color Management auf DaVincis eigenes CM umgestellt wird. Erst danach stehen weitere Funktionen wie ST 2O84 1.OOO Nit zur Verfügung. Dazu splittet man noch die Auswahl auf separate Farbräume und Gamma.

Wem die Histogrammanzeige im Resolve zu wenig Informationen liefert, insbesondere weil es keine Fokusfunktion gibt, wird sich darüber freuen. Das integrierte Histogramm von DaVinci Resolve lässt sich nicht auf verschiedene EOTFs anpassen oder im angezeigten Wertebereich anpassen.
Im Histogram-Plug-in dagegen kann das Histogramm passend zur jeweiligen EOTF berechnet und skaliert werden. So analysiert man beispielsweise den Luminanzbereich von 0-100 Nit im HDR-Signal oder findet heraus, wie viel Bildinformation unterhalb von 10 Nit sich im Video befindet. Skalen, Farben und Hintergrund sind anpassbar und das Diagramm wird in die Ausgabe gerendert. So eignet es sich beispielsweise auch dazu, den Blick durch eine Kamera mit eingebautem Histogramm zu simulieren. Veränderungen im Grading wirken sich in Echtzeit aus. Auch die Beschränkung der Analyse auf einen Teilbereich des Bildes ist – wie bei den anderen hier erwähnten Plug-ins – einfach möglich. Last but not least: Mit der Software HDR-Master kann man die Metadaten final ermitteln (also nicht nur live sehen wie im Plug-in) und exportieren, die für die TV-Sender notwendig sind (für HDR10 oder HDR10+) und auch für .mp4 / .hevc Delivery-Files z.B. für Youtube HDR-Files.
Nachdem in der HDR Mastersoftware nach mitunter langer Rechenzeit die statitischen Werte für MaxFALL und MaxCLL vorliegen, werden nur die Header der h264 oder h265 (.mp4 oder .hevc) Files umgeschrieben, das dauert nur Sekunden, das File wird also nicht reencodiert. Es tritt also kein Qualitätsverlust auf.

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