HDR - High Dynamic Range
Konzept zur Einführung von HDR im Broadcast mithilfe präferenzbasierter Kontrastkompression
M.Eng. Lucien Lenzen, Technische Universität Ilmenau
HDR (High Dynamic Range) ermöglicht es, einen weitaus größeren Kontrastumfang einer Szene einzufangen als es im HD-Broadcast der Fall wäre. In der Folge können Details sowohl in den Lichtern als auch in den Schatten erhalten werden. Allerdings sind die Möglichkeiten zur Wiedergabe sehr heterogen und meist deutlich limitierter. Um trotzdem alle Zuschauer von der gesteigerten Aufnahmequalität profitieren zu lassen, wird eine Anpassung - auch Kontrastkompression genannt - nötig.
Manuelle Techniken zur Kontrastkompression sind aus der filmischen Postproduktion bekannt, während automatische Verfahren in der Computergrafik Anwendung finden. Aufgrund der speziellen Anforderungen des Broadcast lassen sich diese jedoch nicht einfach übertragen. Eine grundlegende Herausforderung besteht dabei in der Präferenz des Zuschauers.
Das Ziel der Arbeit ist es deshalb, die Zuschauerpräferenz bezüglich der Helligkeits- und Farbwahrnehmung zu quantifizieren und anschließend auf diesen Ergebnissen eine algorithmische Lösung zur Anpassung der Kontrastkompression für die Anwendung beim Broadcast anzubieten. Mithilfe von objektiven und subjektiven Untersuchungen soll gezeigt werden, wie sich hierdurch die Bildqualität signifikant steigern lässt. Abschließend gilt es anhand von beispielhaften Workflows und Feldversuchen einen Weg für die flächendeckende Einführung von HDR aufzuzeigen.
| 1 | Einleitung, Grundlagen und Definitionen |
| 1.1 | Einleitung und Überblick |
| 1.2 | Definitionen und Grundlagen |
| 1.2.1 | Lichtstrom, Lichtstärke, Leuchtdichte, Helligkeit, Luma und Beleuchtungsstärke |
| 1.2.2 | Kontrastumfang, Dynamikumfang, Kontrastkompression, Kontrast und Kontrastparadoxon |
| 1.2.3 | Verhältniszahl, Blendenstufen und Dekaden |
| 1.2.4 | LDR, SDR und HDR |
| 1.2.5 | Buntheit, Chroma, Sättigung und Farbton |
| 1.2.6 | Farbeindruck |
| 2 | Menschliche Wahrnehmung und Stand der Fernsehtechnik |
| 2.1 | Motivation |
| 2.2 | Menschliche Wahrnehmung |
| 2.2.1 | Spatiale Auflösung |
| 2.2.2 | Kontrastumfang |
| 2.2.3 | Simultaner Kontrastumfang |
| 2.2.4 | Fotorezeptorreaktionskurve und Adaption |
| 2.2.5 | t.v.i., CSF und JND |
| 2.3 | Technischer Fortschritt bei Bildaufnahme- und -wiedergabesystemen |
| 2.3.1 | Entwicklung im Bereich der Kameras |
| 2.3.2 | Entwicklung im Bereich der Displays |
| 2.3.3 | Entwicklung im Bereich der Fernsehnormen |
| 2.4 | Zielsetzung der Arbeit |
| 2.5 | Potenzielle Workflows und ihre Verwendbarkeit |
| 2.5.1 | Autarker HDR- und SDR-Workflow |
| 2.5.2 | Synergetischer HDR-SDR-Workflow |
| 2.5.3 | Beispiel PQ und Dolby Vision |
| 2.5.4 | Beispiel HLG |
| 2.5.5 | Zwischenfazit bezüglich der Broadcast-Workflows |
| 3 | Tonemapping und Broadcast-Anforderungen |
| 3.1 | Funktionsweise von Tonemapping-Operatoren |
| 3.1.1 | Einleitung |
| 3.1.2 | Globale Operatoren |
| 3.1.3 | Lokale Operatoren |
| 3.1.4 | Temporaler Aspekt |
| 3.2 | Tonemapping und Broadcast-Anforderungen |
| 3.2.1 | Echtzeit |
| 3.2.2 | Szenenwechselerkennung und temporale Interpolation |
| 3.2.3 | Universale Verwendbarkeit und Robustheit gegen Artefakte |
| 3.2.4 | Akzeptanz durch den Zuschauer |
| 3.2.5 | Zusammenfassung der Broadcast-Anforderungen |
| 4 | Visuelle Präferenz bezüglich der Helligkeitswahrnehmung |
| 4.1 | Genauere Untersuchung zur simultanen Kontrastwahrnehmung |
| 4.1.1 | Kritische Betrachtungen zum Stand der Forschung |
| 4.1.2 | Testdesign und -durchführung |
| 4.1.3 | Resultate |
| 4.1.4 | Zwischenfazit bezüglich des simultanen Kontrastumfangs |
| 4.2 | Stand der Forschung bezüglich der Präferenz |
| 4.3 | Qualitätsgewinn von HDR im Vergleich zum heutigen SDR |
| 4.4 | Coloristen-Test |
| 4.4.1 | Aufbau und DurchfÜhrung Coloristen-Test |
| 4.4.2 | Ergebnisse Coloristen-Test |
| 4.5 | Probanden-Grading |
| 4.5.1 | Aufbau und Durchführung Probanden-Grading |
| 4.5.2 | Ergebnisse Probanden-Grading |
| 4.5.3 | Zusammenfassung Probanden-Grading |
| 4.6 | Zwischenfazit bezüglich der Helligkeitspräferenz |
| 5 | Visuelle Präferenz bezüglich der Farbwahrnehmung |
| 5.1 | RGB-Farbgamut |
| 5.2 | Klassische Sättigungskompensation auf RGB |
| 5.3 | XYZ-Farbraum |
| 5.4 | IPT-Farbraum |
| 5.5 | Sättigungskompensation nach Pouli |
| 5.6 | hdrIPT, ICtCp und YCbCr |
| 5.7 | Farberscheinungsmodelle |
| 5.8 | Erste Messungen der subjektiven Präferenz bezüglich der Sättigungswahrnehmung |
| 5.8.1 | Sättigung beim Coloristentest |
| 5.8.2 | Sättigung oder Chroma |
| 5.8.3 | Sättigung beim Probanden-Grading |
| 5.9 | Probandentest Farbpatches |
| 5.9.1 | Aufbau und Durchführung |
| 5.9.2 | Ergebnisse und Fehlerbetrachtung |
| 5.10 | Konstante Buntheit |
| 5.10.1 | Theorie zur konstanten Buntheit |
| 5.10.2 | Testaufbau zur konstanten Buntheit |
| 5.10.3 | Ergebnisse zur konstanten Buntheit |
| 5.11 | Zwischenfazit bezüglich der Präferenz bei der Farbwahrnehmung |
| 6 | EVI: Theoretisches Modell zum TMO-Tuning |
| 6.1 | Virtuelle Blende |
| 6.2 | Sektionales Tonemapping und bilaterale Filterung |
| 6.3 | Temporale Glättung und Szenenwechsel |
| 6.4 | Chroma-Korrektur |
| 6.5 | Zusammenfassung EVI |
| 7 | Nachweis der Qualitätssteigerung und praxistauglicher Workflow |
| 7.1 | Auswirkungen auf den PSNR |
| 7.1.1 | Stand der Forschung bezüglich des PSNR |
| 7.1.2 | Versuchsaufbau und -durchführung (PSNR) |
| 7.1.3 | Auswertung (PSNR) |
| 7.2 | Auswirkungen auf den MOS |
| 7.2.1 | Versuchsaufbau und -durchführung (MOS) |
| 7.2.2 | Auswertung (MOS) |
| 7.3 | Workflow mit Gamma- und / oder HLG-Distribution |
| 7.4 | GPU-basierter Echtzeitprototyp mit GUI-Steuerung |
| 7.5 | Praxistest und Anwendungsfälle |
| 7.6 | Zwischenfazit Praxis |
| 8 | Fazit und Ausblick |
| A | Transformationsmatrizen |
| A.1 | Transformation nach XYZ |
| A.2 | Transformation aus XYZ |
| A.3 | Transformationen Dolby |