UHD – alles Wissenswerte und alle Begriffe zum Ultra High Definition Format (HDR, WCG, HFR, BT.2020)

Der Artikel zum Ultra High Definition Standard soll durch den Bezeichnungsdschungel weiterhelfen, den die hochauflösende Technologie mit sich bringt. Es reicht leider nicht darauf zu achten, ob das Panel die UHD-Auflösung unterstützt, wichtig sind auch die Anschluss-, Übertragungs- und Kompressionsstandard, die das Gerät mitbringen muss. Erläutert werden Abkürzungen wie HDR, WCG und HFR.

BT.2020 – die Empfehlung der ITU zum UHD-Standard

Die „Recommendation“ BT.2020 der International Telecommunications Union (ITU) setzt Parameter für das Ultra High Definition Fernsehen der kommenden Jahr. Im weiteren Text wird Recommendation auch „Empfehlung“ genannt.

Die ITU ist hierbei die Sonderkommission der Vereinten Nationen, die sich weltweit mit technischen Aspekten der Kommunikation beschäftigt. BT steht für Broadcasting Service (Television), der Quasi-Standard BT.2020 wurde durch den Bereich ITU-R (Radiocommunications Sector) erarbeitet. An BT.2020 (auch Rec.2020 genannt) haben unter anderem die britische Rundfunkanstalt BBC und die italienische RAI mitgewirkt. Mitglieder der ITU-R sind Telekommunikationsfirmen (z.B. Deutsche Telekom, Telefonica Germany), der akademische Bereich (Universitäten, Forschungseinrichtungen) und Hersteller von Endgeräte (z.B. LG, Samsung). Die Mitglieder haben damit auch potentiell bei der Recommendation BT.2020 mitgewirkt.

BT.2020 setzt die Parameter für die Produktion und den internationalen Austausch von Ultra High Definition Bewegt-Bildern (“This Recommendation specifies UHDTV image system parameters for production and international programme exchange“, Quelle: Recommendations BT.2020). Damit erkennt man auch die Reichweite diese Quasi-Standards: von der Aufnahme des Quellmaterials über die Post-Production, Übertragung des Materials sowie das Anzeigen beim Endkunden auf dem Fernseher.

Wir wissen jetzt, wer für BT.2020 verantwortlich ist; aber was ist Inhalt der Empfehlung? Die Empfehlung selber ist sehr Technik-lastig, etwas besser aufbereitet hat es die EBU in einigen Folien, die im Folgenden Text erläutert werden.

Das Ultra High Definition (UHD) Format wird in mehreren Stufen eingeführt. Es ist der Nachfolger zum High Definition bzw. Full HD Format, welches in der Recommendation BT.709 beschrieben ist. Es beginnt mit UHD-1 Phase 1, definiert weiterhin die UHD-1 Phase 2 und hat mit UHD-2 noch einmal eine höhere Auflösung gegenüber UHD-1.

UHD-1 Phase 1

Bei UHD-1 Phase 1 sind die folgenden Parameter festgelegt:

• die Auflösung beträgt 3840 x 2160 Pixel und hat damit die vierfache Menge an Pixeln gegenüber der Full HD Auflösung von 1920 x 1080. Daher wird das Format auch QuadHD Eine weitere Abkürzung ist „4K“ (mit großem K).
• das Seitenverhältnis ist auf 16:9
• ein Pixel ist quadratisch (1:1 im Seitenverhältnis).
• das Abtastverfahren ist auf „progressiv“ oder englisch „progressive“ festgelegt. Das bedeutet, dass Vollbilder aufgezeichnet werden (Details zur Progressiv-Abtastung).
• die Bildwiederholrate liegt bei 24, 25, 30, 50 oder 60 Hz.
• die Farbunterabtastung kann 4:2:0, 4:2:2 oder 4:4:4 Das Bezeichnungsschema der Farbunterabtastung gibt an, wie stark die Farbinformation im Vergleich zur Helligkeitsinformation bei einem Bild reduziert wird. Bei 4:4:4 liegt keine Reduktion vor, bei 4:2:0 die stärkste (Details zur Farbunterabtastung), was sich auf die notwendige Datenrate auswirkt. 4:2:0 wird daher für die Übertragung empfohlen, die anderen für die Aufnahme von Videomaterial.
• die Quantisierung (Anzahl der möglichen Werte pro Farb- und Helligkeitskanal eines digitalen Videosignals) ist auf 10 Bit für die Aufnahme/Produktion und 8 Bit für die Verteilung des Videomaterials empfohlen. Eine 8 Bit Quantisierung ermöglicht 256 Stufen pro Farb- und Helligkeitskanal, eine 10 Bit Quantisierung bereits 1024 Stufen. Damit entstehen weniger Abstufungseffekte, siehe Bilder.
• der Farbraum, oder auch Gamut genannt, ist identisch zum HD-Standard, welcher in BT.709 beschrieben ist. Der Farbraum gibt an, welcher Farbbereich dargestellt werden kann. Auf der Wikipedia-Seite zum BT.709 Standard findet man eine Abbildung des Farbraums.

Beispiel für die Quantisierung eines Graustufen-Bildes mit geringer Auflösung (links) und höherer Auflösung (rechts)

Ebenfalls interessant sind weitere Begriffsdefinitionen, die es in den Folien der EBU gibt: „4K“ ist ein weiterer Begriff für die Auflösung QuadHD. „4k“ (mit kleinem „k“) ist ein Begriff für das Kinoformat mit der etwas höheren Auflösung 4096 x 2160 Pixel. Bei derselben Pixelgröße ist das Kinoformat also im Verhältnis breiter.

UHD-1 Phase 2

Mit der UHD-1 Phase 2 werden einige Parameter der Spezifikation erweitert:

• die Bildwiederholrate erweitert sich auf 100 Hz und 120 Hz (zusätzlich zu den bereits bestehenden Wiederholraten). Die höhere Bildrate wird auch „High Frequency Rate“ (HFR) genannt.
• die Quantisierung ist auf 10 Bit oder 12 Bit pro Kanal erhöht und ermöglicht damit eine höhere Auflösung der Farb- und Helligkeitsabstufungen. Die Erhöhung der Quantisierung hängt auch mit dem Begriff „High Dynamic Range“ (HDR) zusammen, siehe unten.
• Der Farbraum ist gegenüber dem BT.709 Farbraum deutlich erweitert und jetzt durch den Farbraum im 2020 abgesteckt. Damit lässt sich ein größeres Farbspektrum übertragen und darstellen. Den Unterschied im Farbspektrum lässt sich beispielsweise im videohelp.com Forum anhand eines Beispielbilds ansehen. Die Vergrößerung des darstellbaren Farbraums hängt auch mit dem Begriff „Wide Color Gamut“ (WCG) zusammen, siehe Kapitel unten.

Die Gerätehersteller von Paneln stehen beim Farbraum BT.2020 vor der Herausforderung, den gesamten Farbbereiche darstellen zu können.

UHD-2

Mit der nächsten Stufe UHD-2 werden folgende Parameter gegenüber UHD-1 Phase 2 festgelegt:

• die Bildschirmauflösung vervierfacht sich erneut auf 7680 x 4320 Pixel, was pro Bild ca. 32 MP entspricht

Alle weiteren oben dargestellten Parameter sind identisch. Weitere Begriffe für UHD-2 sind „8k“ oder auch „SHV“ für Super High Vision.

 Tabellarische Übersicht der Parameter des UHD-Standards

High Dynamic Range (HDR) und Wide Color Gamut (WCG)

Im UHD Bereich fällt auch immer wieder der Begriff HDR oder High Dynamic Range. Was bedeutet HDR im Zusammenhang mit UHD? Ebenfalls fällt immer wieder die Abkürzung WCG oder auch Wide Color Gamut. Was ist die Bedeutung von WCG?

Auf der Website der Firma Ericsson gibt es ein Whitepaper zu UHD, welches die Details im Zusammenhang mit UHD/BT.2020 erläutert.

High Dynamic Range

Das menschliche Auge hat einen sehr weiten Bereich, in dem es Helligkeitsunterschiede sehen kann: vom hellen Sonnenlicht bei Mittagssonne bis hin zu Sternenlicht bei Nacht. Beispielsweise kann ein Mensch auch bei hellem Sonnenlicht noch sehr gut Details erkennen, die beispielsweise im Schatten liegen. Eine andere Szene kann beispielsweise eine Stadt bei Nacht (siehe Wikipedia) sein, bei der man neben den Lichtern auch noch Details auf den dunklen Dächern erkennen kann. Der Kontrast ist also einfach höher.

Der Standard BT.709 hat nur ein sehr eingeschränktes Kontrastverhältnis, welches auch der eingeschränkte Quantisierung mit 8 Bit geschuldet ist. Ein Bild oder Video hat also weniger Werte, in dem es die Helligkeitsstufen auflösen kann. Mit BT.2020 erhöhen sich die Quantisierung und damit die Auflösung der Helligkeitsstufen auf 10 Bit und im weiteren Standard auf 12 Bit, was jeweils einer Erhöhung um den Faktor vier entspricht. Diese Erhöhung des Kontrasts wird als High Dynamic Range bezeichnet (im Gegensatz zu Low Dynamic Range).

Wide Color Gamut

Wie bereits oben bei UHD-1 Phase 1 angedeutet, erweitert sich der Farbraum, den der Standard BT.2020 gegenüber BT.709 vorsieht. Damit ist das Farbspektrum, welches dargestellt werden soll, höher: die Farben können „kontrastreicher“ und „knalliger“ sein.

Kompression des Videosignals – High Efficiency Video Coding (HEVC, H.265)

Damit Videosignale mit erhöhtem Kontrast, dem größeren Farbspektrum und höheren Bildwiederholraten von der Aufnahme über den Transport hin zur Darstellung auf dem Display verarbeitet werden können, braucht es ein effizientes Encoding-Verfahren.

HEVC – auch H.265 genannt – soll im Vergleich zum MPEG-4-AVC – auch H.264 – eine doppelt so starke Kompression bei gleicher Qualität bieten. Zusätzlich unterstützt es Auflösungen bis 8192 x 4320 Pixeln.

Wieso nicht einfach das bisherige Kompressionsverfahren H.264 für BT.2020 weiterverwenden? Durch die höhere Bildwiederholrate fallen mehr Bilder an, die im Videostrom codiert werden müssen. Gleiches gilt für den größeren Farbraum und die Erhöhung des Kontrasts, welches ebenfalls zu einer Erhöhung des Informationsgehalts des Videostroms erhöht. Um die Bitrate nicht explodieren zu lassen, braucht es ein effizienteres Verfahren als H.264, womit wir bei H.265 sind. Auf vcodex gibt es beispielsweise Details zu H.265 sowie Vergleichsbilder zwischen H.264 und H.265 encodierten Videos.

UHD und BT.2020 – mehr als nur höhere Auflösung

Gegenüber dem HD-Standard (BT.709) haben sich viele Bildparameter geändert und zu Gunsten der Bildqualität deutlich erhöht. Denkt man an UHD, verbindet man erst einmal die höhere Auflösung von 3840 x 2160 Pixeln. Jedoch geht der Standard noch viel weiter und erhöht die zeitliche Auflösung (HFR), das Farbspektrum sowie den Kontrast mittels HDR.

Die Fernseher, die man aktuell mit UHD-Funktion erhält, decken in gewissen Teilen den Standard BT.2020 ab. Dazu gehört u.a.:

• die Samsung JU-Serie, die im Wesentlichen die höhere Auflösung erfüllt
• die Samsung JS-Serie, die neben der höheren Auflösung auch das größere Farbspektrum mittels Nano Crystal Display Technologie abbilden kann (jedoch ist das darstellbare Farbspektrum nicht so groß wie bei BT.2020 definiert)
• die LG UF– und UG-Serie

Folgender Artikel zeigt die Unterschiede der Samsung JU- und JS-Serie:

• Samsung 2015 Fernseher Serie J, Serie JU, Serie JS: Unterschiede und Vergleich im Lineup 2015.

Die LG UF- und UG-Serie wird in dem folgenden Artikel verglichen:

• Unterschiede und Vergleich der LG UF- und UG-Serie (TV Lineup 2015)

Mit der Recommendation BT.2020 hat sich die Industrie ein hohes Ziel gesteckt und, welches in 2015 bei den Consumer-Geräten erst in den Anfängen unterstützt wird. Das normale Fernsehen via Broadcasting (DVB-T/C/S) hat noch einen langen Weg bis zum UHD-Format. Streaming-Dienste bieten bereits jetzt Filme und Serien in UHD-Auflösung und teilweise mit HDR. Content ist also in Anfängen vorhanden. Bis UHD-Content jedoch Standard wird, wird es noch eine ganze Weile dauern.

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