HDR im Heimkino und Tonwertabbildung

HDR ist keine Helligkeitsstufe, sondern eine andere Art, Helligkeit zu codieren. Ein SDR-Signal sagt dem Gerät: so hell wie Du kannst, relativ zu Deinem Maximum. Ein HDR-Signal nach der PQ-Kurve sagt: dieser Bildpunkt hat 1000 Candela pro Quadratmeter. Das ist eine absolute Ansage — und ein Projektor auf drei Meter Bildbreite kann sie nicht erfüllen. Er muss die Vorgabe umrechnen, und das nennt man Tonwertabbildung oder Tone Mapping. Diese Seite erklärt, warum das nötig ist, was dabei verloren geht und warum das Ergebnis von Gerät zu Gerät verschieden ausfällt.

Der Unterschied ist die Codierung, nicht die Helligkeit

Bei SDR ist die Übertragungsfunktion relativ. Der Code für Weiß bedeutet „das hellste, was dieses Gerät darstellt", und ob das 100, 300 oder 500 cd/m² sind, entscheidet das Gerät und die Einstellung. Die Bezugskurve dafür steht in ITU-R BT.1886.

Bei HDR nach der PQ-Kurve — normativ SMPTE ST 2084, in ITU-R BT.2100 als eine von zwei HDR-Funktionen geführt — ist die Zuordnung absolut. Jeder Codewert steht für eine bestimmte Leuchtdichte in cd/m², bis hinauf zu 10.000. Wie die Codewerte über diesen riesigen Bereich verteilt sind, folgt nicht einer mathematischen Bequemlichkeit, sondern dem Kontrastempfindlichkeitsmodell des niederländischen Forschers Peter G. J. Barten: Die Stufen liegen dort dicht, wo das Auge Unterschiede sieht, und dort weit, wo es keine sieht.

Zwei Bezugswerte machen den Sprung greifbar. Das Diffusweiß — das, was im Bild ein weißes Hemd oder ein Blatt Papier ist — liegt in der PQ-Produktion bei rund 203 cd/m² (ITU-R BT.2408). Alles darüber sind Spitzlichter: Sonne, Scheinwerfer, Reflexe auf Metall. Sie dürfen bis 1000 cd/m² und höher gehen. In SDR gab es diesen Kopfraum gar nicht; dort war Weiß das Ende der Skala.

Die zweite HDR-Funktion, HLG (Hybrid Log-Gamma, ab etwa 2015 von BBC und NHK für den Rundfunk entwickelt), geht den umgekehrten Weg: Sie ist relativ und skaliert mit dem, was das Gerät kann. Damit ist sie genügsamer, aber sie gibt auch nicht vor, wie das Bild aussehen soll.

Warum die Vorgabe auf der Leinwand nicht ankommt

Hier hilft eine Rechnung mehr als jede Erklärung. Der nötige Lichtstrom für eine gewünschte Leuchtdichte folgt aus Bildfläche und Leinwand-Gain (Herleitung auf der Formelseite zum Projektor-Lichtstrom):

text Φ = π · A · L / G

Für ein Bild von 3,0 m Breite im Format 16:9, also 5,06 m² Fläche, bei Gain 1,0:

Die letzte Zeile ist der Kern der Sache. 16.000 Lumen auf der Leinwand, nach Kalibrierung, im tatsächlich genutzten Bildmodus — das ist keine Größenordnung, in der sich Heimkinoprojektion bewegt. Und dieser Lichtstrom müsste dauerhaft zur Verfügung stehen: Ein Projektor kann sein Licht nicht auf ein kleines Spitzlicht konzentrieren. Was er im Sonnenreflex zeigen soll, muss er als Gesamtlichtstrom mitbringen.

Ein Fernseher hat es an dieser Stelle leichter, aber nicht so leicht, wie die Datenblätter nahelegen: Er erreicht hohe Spitzenwerte auf kleiner Fläche, während er großflächige helle Bilder herunterregelt, um im Leistungs- und Wärmerahmen zu bleiben. Auch ein Fernseher zeigt 1000 cd/m² also selten über das ganze Bild, sondern im Sonnenreflex. Der Abstand zum Projektor ist damit kleiner, als die Datenblätter nahelegen — er bleibt aber erheblich, denn der Fernseher erreicht die Spitzen wenigstens auf kleiner Fläche, der Projektor gar nicht.

Was Tone Mapping tut

Weil die Vorgabe nicht erfüllbar ist, bildet das Gerät den Wertebereich des Signals auf den Bereich ab, den es tatsächlich darstellen kann. Eine Abbildungskurve tut dabei zwei Dinge:

• Unten folgt sie dem Original, möglichst eins zu eins. Gesichter, Kleidung, Innenräume — der Bereich, in dem das meiste Bild stattfindet, soll richtig bleiben.
• Oben knickt sie ab und staucht alles, was über dem Knick liegt, in den verbleibenden Rest bis zur Gerätespitze.

Daraus entsteht ein Zielkonflikt, den keine Kurve auflöst — sie kann ihn nur verschieben:

Damit erklärt sich auch das häufigste Missverständnis: HDR sieht auf dem Projektor oft dunkler aus als dieselbe Szene in SDR. Weder ist das Gerät defekt noch falsch eingestellt; es ist die Folge der absoluten Codierung. Die SDR-Fassung nutzt den ganzen verfügbaren Lichtstrom für den normalen Bildinhalt, während die HDR-Fassung einen erheblichen Teil ihres Wertebereichs für Spitzen reserviert, die der Projektor nicht darstellen kann. Nimmt die Abbildungskurve diesen Kopfraum ernst, bleibt für den Rest weniger übrig.

Warum es je Gerät unterschiedlich ausfällt

Die Abbildungskurve ist nicht genormt. Genormt ist, was im Signal steht; was das Gerät daraus macht, ist ihm überlassen. Zur Verfügung stehen ihm dabei drei Informationsquellen, und schon in deren Nutzung unterscheiden sich die Geräte:

1. Statische Metadaten. Die Eigenschaften des Mastering-Displays nach SMPTE ST 2086 sowie die Kennwerte MaxCLL und MaxFALL, die über die Bildschnittstelle nach CTA-861 mitlaufen. Sie gelten für den ganzen Film — ein Wert für eine Nachtszene und eine Wüstenszene.
2. Dynamische Metadaten. Formate, die szenen- oder bildweise Vorgaben mitliefern, sodass die Kurve mitwandern kann.
3. Bildanalyse im Gerät. Viele Geräte verlassen sich nicht auf die Metadaten, sondern messen das laufende Bild und setzen den Knick selbst — teils Bild für Bild.

Daraus folgen drei Dinge, die man in der Planung wissen sollte. Erstens: Derselbe Film auf zwei Projektoren ergibt zwei verschiedene Bilder, und keines davon ist „das richtige" — beide sind Interpretationen. Zweitens: Ein Firmware-Update kann das Bild verändern, weil die Abbildung in der Software des Geräts steckt. Drittens: Ein Vergleich zweier Geräte im Vorführraum vergleicht immer die Kombination aus Panel oder Lichtquelle und Abbildungskurve — die Trennung ist von außen nicht möglich.

Die Farbe gehört zur selben Frage

HDR-Material wird im Container nach ITU-R BT.2100 geliefert, gemastert wird in der Praxis meist innerhalb eines kleineren Farbraums. Kein Wiedergabegerät deckt den Container vollständig ab, also findet auch für Farbe eine Abbildung statt — und sie hängt mit der Helligkeit zusammen, denn eine kräftig gesättigte Farbe braucht Licht: Wird die Helligkeit gestaucht, verschiebt sich die Farbe mit.

Bei Projektoren kommt ein Zielkonflikt dazu, den es an Fernsehern so nicht gibt: Ein größerer Farbraum wird oft über ein Filter im Lichtweg erreicht, und dieses Filter kostet Lichtstrom. Mehr Farbraum bedeutet dann weniger Leuchtdichte — also weniger von genau der Größe, an der es bei HDR ohnehin fehlt. Zwischen beidem musst Du abwägen; eine Einstellung, die beides liefert, gibt es an dieser Stelle nicht.

Was in der Planung tatsächlich hilft

Der wirksamste Hebel sitzt nicht im Gerät, sondern im Bildmaß: Leuchtdichte steigt umgekehrt proportional zur Bildfläche. Machst Du ein 3,0 m breites Bild auf 2,5 m kleiner, gewinnst Du bei gleichem Projektor den Faktor (3,0 / 2,5)² = 1,44 — also gut 40 % mehr Leuchtdichte. Kein Bildmodus und keine Abbildungskurve holt das heraus, und deshalb ist die Bildgröße neben dem Sitzabstand auch die zentrale HDR-Entscheidung.

Der zweitwichtigste Hebel ist der Raum. HDR gewinnt vor allem am dunklen Ende — Zeichnung in Schatten, Trennung nahe Schwarz —, und genau dieses Ende zerstört Streulicht im Raum zuerst. Ein heller Raum mit einem starken Projektor liefert schlechteres HDR als ein dunkler Raum mit einem schwächeren. Das ist die AVITECT-Haltung an dieser Stelle, und sie ist dieselbe wie beim Kontrastverhältnis: Lichtkontrolle vor Gerätewahl.

Der Leinwand-Gain ist der dritte Hebel und der mit den meisten Nebenwirkungen. Er erhöht die Leuchtdichte auf der Achse, verengt aber den nutzbaren Blickwinkel und macht die Ausleuchtung ungleichmäßiger. Bei mehreren Sitzreihen ist er deshalb selten die richtige Antwort.

Grenzen und Sonderfälle

Was HDR auf dem Projektor tatsächlich bringt. Die absolute Spitzenhelligkeit kommt auf der Leinwand nicht an, drei andere Dinge aber schon: mehr Zeichnung in dunklen Bildteilen, ein größerer Farbraum und feinere Helligkeitsabstufungen, weil das Signal mehr Stufen enthält als übliches SDR-Material. Wer HDR an den Spitzlichtern misst, wird vor der Leinwand enttäuscht sein; seine Stärken liegen im Dunklen und in der Farbe — und genau die spielt ein gut verdunkelter Raum aus.

Der Bildmodus wechselt automatisch. Sobald ein HDR-Signal anliegt, schaltet das Gerät in seine HDR-Verarbeitung um — mit eigenen Einstellungen, die von denen des SDR-Modus getrennt sind. Wer ein Bild eingemessen hat und dann HDR startet, sieht ein anderes Gerät. Beide Modi gehören getrennt eingestellt.

Nicht jedes Material profitiert. Ein Großteil der Inhalte ist weiterhin SDR, und eine hochgerechnete SDR-Quelle wird durch die HDR-Verarbeitung nicht besser. Für die Anlagenplanung zählt, was tatsächlich geschaut wird — nicht, was das Gerät könnte.

Der Alterungsgang. Die Lichtquelle verliert über die Betriebszeit Leistung. Bei SDR fällt das lange kaum auf, weil die Codierung relativ ist und das ganze Bild gleichmäßig mitwandert. Bei HDR sinkt dagegen die Gerätespitze, an der die Abbildungskurve endet — mit der Alterung verschiebt sich also die Abbildung selbst. Deshalb gehört bei HDR von Anfang an Reserve beim Lichtstrom in die Planung.

Kleine Budgets. Den Raum zu verdunkeln und das Bild eine Nummer kleiner zu wählen, kostet wenig bis nichts — und beides wirkt bei HDR stärker als der Sprung in die nächste Gerätekategorie. Wo das Geld knapp ist, holt man an diesen beiden Stellen am meisten heraus.

In der Planung

Ein Wohnraum mit teilweiser Verdunklung, Wunsch nach 3,5 m Bildbreite, Budget im mittleren Bereich, HDR-Filme als Hauptinhalt. Zu klären ist zuerst: Wie dunkel wird dieser Raum wirklich? Bleibt Restlicht, greifst Du besser zuerst zur Bildgröße als zum Projektor — 3,0 m statt 3,5 m bringen bei gleichem Gerät gut ein Drittel mehr Leuchtdichte.

Daraus folgt das Verfahren:

1. Zielleuchtdichte festlegen — für das Diffusweiß, nicht für die Spitzen. Von dieser Größe geht die ganze Rechnung aus.
2. Bildbreite und Leinwand-Gain daraus ableiten und den nötigen Lichtstrom auf der Leinwand mit der Formelseite bestimmen.
3. Lichtkontrolle im Raum planen: Wände, Decke und Boden bestimmen, wie viel vom dunklen Ende übrig bleibt.
4. Erst jetzt die Geräteauswahl — und dabei nicht die Lumenzahl vergleichen, sondern das Bild mit dem Material, das später laufen soll, im verdunkelten Zustand.

Der letzte Punkt ist derjenige, den man nicht rechnen kann. Die Abbildungskurve gehört zum Gerät und lässt sich aus keinem Datenblatt ablesen; deshalb bleibt die Vorführung mit eigenem Material das einzige belastbare Prüfmittel, das Du an dieser Stelle hast.

Verknüpfte Inhalte

Die Begriffe, die diese Seite voraussetzt, haben inzwischen eigene Einträge: Was eine Übertragungsfunktion ist und wie sich PQ, HLG und die SDR-Bezugskurve unterscheiden, steht bei der Übertragungsfunktion; die SDR-Einstellgröße beim Gamma. Welche Farben ein Gerät überhaupt erreichen kann und warum ein Farbraumfilter Lichtstrom kostet, führt der Farbraum aus, die feineren Helligkeitsabstufungen die Bittiefe.

Was Zielleuchtdichte und Schwarzwert genau bezeichnen, klären die Glossareinträge dazu; was ein angegebenes Kontrastverhältnis wirklich aussagt und warum der In-Bild-Kontrast der einzig relevante ist, steht beim Kontrastverhältnis. Die photometrische Größenkette hinter cd/m² gehört zum Eintrag über Leuchtdichte. Die Rechnung für den nötigen Lichtstrom steht auf der Formelseite zum Projektor-Lichtstrom, die Nebenwirkungen eines höheren Gains beim Leinwand-Gain. Die Guide-Schritte zur Wahl zwischen Fernseher, Laser TV und Projektor sowie zur Projektorauswahl ordnen das Thema in die Planungsreihenfolge ein.

Quellen

Die Beschreibung der PQ-Kurve folgt SMPTE ST 2084 und ITU-R BT.2100, der Wert für das Diffusweiß von rund 203 cd/m² der Produktionsrichtlinie ITU-R BT.2408; Ausgabestände sind nicht am Normtext geprüft. Die Metadatenwege sind SMPTE ST 2086 (Mastering-Display) und CTA-861 (MaxCLL, MaxFALL). Die SDR-Bezugskurve ist ITU-R BT.1886. Die Lichtstromwerte in der Tabelle sind eigene Rechnung mit der AVITECT-Formelseite bei Gain 1,0 und beziehen sich auf den Lichtstrom auf der Leinwand, nicht auf Katalogangaben. Aussagen zum Tone-Mapping-Verhalten sind bewusst als Gattung gehalten, weil sie hersteller- und firmwareabhängig sind; Marken werden nicht genannt. Die beiden Beobachtungen unter „Grenzen und Sonderfälle" zum getrennten HDR-Bildmodus und zum Alterungsgang der Lichtquelle sind Gattungswissen: Sie gelten für Projektion allgemein, nicht für ein bestimmtes Gerät.