Kontrastreiche Bilder mit HDR-Displays

Der darstellbare Dynamikumfang ist nicht durch den maximalen Kontrast des Ausgabemediums begrenzt. Bedrucktes Papier hat nur einen Kontrast von rund fünf Blendenstufen, kann aber dennoch Tonwerte in einem weit größeren Helligkeitsspektrum wiedergeben, nur auf einen geringeren Kontrast komprimiert. Will man den hohen Kontrast einer fotografierten Szene ungeschmälert wiedergeben, sind jedoch selbstleuchtende Displays statt eines Mediums nötig, das lediglich das Umgebungslicht reflektiert. Gleichzeitig müssen solche Displays auch ein sehr tiefes Schwarz erzeugen können, das möglichst wenig Umgebungslicht reflektiert.

„High Dynamic Range“ (HDR) soll prinzipiell einen Kontrast von 0,0005 bis 10.000 cd/m² (24 Blendenstufen) wiedergeben, der 10.000 mal höher als der Kontrast des „Standard Dynamic Range“ (SDR) wäre. Praktisch werden höchstens 0,005 bis 1000 cd/m² erreicht, was 17,6 Blendenstufen entspricht. Das ist kein Mangel, da das menschliche Auge gleichzeitig nur einen Kontrastumfang von rund zwölf Blendenstufen bewältigen kann. Bei größeren Kontrasten kann sich das Auge an helle und dunklere Bereiche einer Szene anpassen, aber aus einem normalen Betrachtungsabstand ist ein Bildschirm oft zu klein, als dass man sich auf einzelne Teile konzentrieren könnte.

Farbräume von HDR und SDR

Der Standard-Farbraum für HDR-Bilder und Videos ist BT.2020, der 76 Prozent aller möglichen Farben enthält – der SDR-Standard BT.709 deckt dagegen nur 36 Prozent ab. Der vergrößerte Gamut erfordert auch eine größere Bit-Tiefe, damit die Tonwerte unverändert fein aufgelöst werden können, in der Bildbearbeitung also 16 statt 8 Bit pro RGB-Kanal. Kameras können HDR-Bilder im HEIF-Format (High Efficiency Image File) mit 10 Bit speichern.

Verschiedene Methoden für die Umsetzung der Tonwerte auf dem Display

HLG (Hybrid Log Gamma) ist ein Standard, der die Kompatibilität mit SDR-Displays bewahren soll und daher auf 8 Bit pro Kanal beschränkt bleibt. Die HLG-Gammakurve komprimiert die Tonwerte in den Lichtern, sodass die bildwichtigen Mitteltöne auch auf einem SDR-Display noch kontrastreich erscheinen, die Differenzierung der Lichter auf HDR-Displays aber unter dem Möglichen bleibt.

HDR-Material auf Ultra HD Blue-ray-Discs verwendet stattdessen die Methode der „Perceptual Quantization“ (PQ) nach dem HDR10-Standard mit 10 Bit. Auch neuere Canon-Modelle speichern HEIF-Bilder in diesem Format. Um das Helligkeitsspektrum des Displays optimal auszunutzen, werden die intendierten Maximalwerte von Rot, Grün und Blau in Metadaten neben den eigentlichen Bilddaten übertragen. Dieser Standard setzt eine HDMI-2.0a-Schnittstelle und ein passendes Kabel voraus, HLG dagegen die HDMI-Version 2.0b.
Die Weiterentwicklung HDR+ erlaubt mit dynamischen Metadaten eine Anpassung der Tonwertwiedergabe an einzelne Filmszenen oder Bilder und damit weitere Optimierungen.

Dasselbe gilt für den proprietären Standard Dolby Vision, der die Tonwertauflösung auf 12 Bit erhöht. Beide dynamischen HDR-Standards erfordern eine HDMI-2.1-Schnittstelle.
HDR10, HDR+ und Dolby Vision definieren absolute Helligkeiten auf dem Display, weshalb streng genommen keine Anpassung an die Umgebungshelligkeit mehr möglich ist. Bei SDR-Displays (und auch bei Verwendung des HLG-Standards) ist die Helligkeit des Displays regelbar; der hellste Lichterwert wird mit dieser Helligkeit angezeigt, alle anderen Tonwerte proportional dunkler. Die HDR-Standards geben dagegen die Helligkeit jedes Bildschirmpixels exakt vor. Dadurch können in einer hellen Umgebung Differenzierungen in den Schatten verloren gehen, die sich nicht durch gezieltes Aufhellen bewahren lassen.