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

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. Ebenso wird auf das in 2015 verabschiedete Format UltraHD Blu-ray eingegangen, welches die hochauflösenden Filme auf eine weiterentwickelte Blu-ray Disc packen soll. Samsung ist neben Panasonic und Sony der erste Hersteller, der einen UltraHD Blu-ray Player auf den Markt gebracht hat. Details kann man sich im Artikel Samsung UBD-K8500 – der erste UltraHD Blu-ray Player von Samsung durchlesen.

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.
Verlauf_Stufen Verlauf_Stufenlos
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

Parameter UHD-1 Phase 1 UHD-1 Phase 2 UHD-2
Auflösung 3840 x 2160 Pixel 7680 x 4320 pixel
Seitenverhältnis 16:9
Abtastverfahren progressiv
Farbunterabtastung 4:2:0, 4:2:2, 4:4:4
Quantisierung 8 Bit, 10 Bit 10 Bit, 12 Bit
Farbraum BT.709 (analog zu HD) BT.2020
Bildwiederholrate 24, 25, 30, 50, 60 Hz 24, 25, 30, 50, 60, 100, 120 Hz

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).

Das unten dargestellte Bild vergleicht eine Aufnahme im Standard-Modus und eine Aufnahme im HDR-Modus von derselben Szene. Im Vergleich sieht man die klarere Abgrenzung der Wolken im HDR-Bild, der hellere Rasen sowie die Details in der Baumgruppe rechts. Insgesamt zeigt die HDR-Aufnahme mehr Details trotz des Gegenlichts.

Vergleich Standard und HDR Aufnahme
Vergleich Standard und HDR Aufnahme

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.

UltraHD Blu-ray

Die Blu-ray Disc Association (BDA), die für die Spezifikation der Blu-ray zuständig ist, hat zu Mitte 2015 die „UltraHD Blu-ray Disc“ spezifiziert. Die Whitepaper Übersicht der BDA für UltraHD Blu-ray ist für technisch versierte Leser interessant. Im Whitepaper zum Audio-Visuellen Teil (Audio Visual Application Format Specifications for BD-ROM Version 3.0) steht detailliert beschrieben, welches Video- und Audioformat die UltraHD Blu-ray Disc unterstützen wird. Im folgenden Text wird das Wort Disc weggelassen und nur von UltraHD Blu-ray gesprochen.

Die UltraHD Blu-ray (Profile 6) ist eine Erweiterung der bestehenden Blu-ray Spezifikation (Profile 2 und 5) und bringt als Key-Features mit:

  • Ultra HD Video (neben HD Video)
  • High Dynamic Range (HDR)
  • Wide Color Gamut (WDG)

Geht man von den Begriffen weg und schaut in die Spezifikation, entdeckt man zwei „Modes“, die als „HDMV“ und „BD-J“ tituliert und als Profile 6 zusammengefasst werden.

HDMV

HDMV steht für High Definition Movie Mode und definiert die Video- und Audio-Möglichkeiten der UltraHD Blu-ray.

Als Video-Stream werden die Codecs HEVC (H.265) und MPEG4-AVC (H.264) unterstützt. Mit H.265 codierte Videos können die Auflösung 1920 x 1080 und die UHD-Auflösung 3840 x 2160 haben. Zusätzlich werden Bildwiederholraten von 23.976 Hz, 24 Hz, 25 Hz, 50 Hz bis hin zu 60 Hz progressiv unterstützt. Der Videostream darf eine maximale Bitrate von 100 MBit/s haben. Mit H.264 kann nur 1920 x 1080 codiert werden, die Bildwiederholrate ist auf 23.976 Hz und 24 Hz begrenzt und der Stream darf höchsten 40 MBit/s betragen.

Bei den Farben und dem High Dynamic Range wird auf den Standard BT.2020 verwiesen. Betrachtet man die oben genannten Spezifikationen, lehnt man sich bei der UltraHD Blu-ray durch die maximale Auflösung von 3840 x 2160 und der Begrenzung der Bildwiederholrate auf 60 Hz progressiv an den Standard BT.2020 UHD-1 Phase 1 an. Um die Phase 2 mit den höheren Bildraten zu unterstützen, benötigt es also einer Erweiterung des UltraHD Blu-ray Profiles.

Die UltraHD Blu-ray Spezifikation sieht die Unterstützung für diverse Audiostreams vor, wobei sich gegenüber den bereits in Profile 2 und 5 (HD Blu-ray) definierten Formaten nichts geändert hat. Die wesentlichen Audio-Formate für Filme sind: Dolby Digital, Dolby Digital Plus, Dolby Lossless, DTS Digital Surround und DTS-HD.

Neben den Video- und Audio-Spezifikationen werden noch die Authoring-Möglichkeiten erweitert. Es besteht die Möglichkeit Video-Streams in UHD-Auflösung in den Menüs einzubinden sowie zusätzliche Erweiterungen bei der Erstellung der Film-Menüs.

Von der UltraHD Blu-ray wird nicht unterstützt:

  • Keine 3D Filme (weder in HD- noch in UHD-Auflösung); dafür wird die „normale“ Blu-ray verwendet
  • Keine Picture-in-Picture Funktion, bei denen zwei Videostreams gleichzeitig dargestellt werden können

Im Wesentlichen hat die UltraHD Blu-ray also die UHD-Auflösung mit einer höheren Quantisierung und damit einem breiten Farbspektrum und unterstützt HDR.

BD-J

BD-J umfasst die Möglichkeit, eine voll programmierbare Applikations-Umgebung auf Java Basis inklusive des Zugriffs auf das Internet zu verwenden. Dem Content Provider, also dem Ersteller der Blu-ray wird damit ermöglicht, Java Programme auf die Blu-ray zu einem Film oder einzelnen Titel zu hinterlegen. So werden Einsatzszenarien wie folgt dargestellt: nachdem ein Film von der Blu-ray abgespielt wurde, kann der Blu-ray Player über das Internet via Java Programm einen Trailer für den Nachfolger zum gerade geschauten Film herunterladen und direkt abspielen. Ebenso könnte das Programm über das Internet zusätzliche Sprachen als Untertitel oder Audio herunterladen, die zusätzlich – nach Produktion der Blu-ray – zur Verfügung gestellt werden.

Im Wesentlichen ist also spezifiziert, dass eine einmal erworbene Blu-ray durch einen Content Provider später noch weiter aufgewertet werden kann, in dem Content aus dem Internet nachgeladen und abgespielt wird und die Blu-ray so ergänzt.

Kapazitäten von 50 GB bis 100 GB

Die UltraHD Blu-ray braucht – wie oben dargestellt – durch die UHD-Auflösung und die HDR-Funktion einen höheren Bitstrom, muss also qualitativ bessere und damit größere Videos speichern. Die Blu-ray Generation davor hatte Kapazitäten bis maximal 50 GByte pro Scheibe.

Die UltraHD Blu-ray fängt bei einer Größe von 50 GB an und verwendet dafür dieselbe Technologie wie die Standard Blu-ray: 2 Layer mit jeweils 25 GB Kapazität und einer bestimmten Dichte an Daten. Die nächste Größe ist 66 GB pro Disc, die auf ebenfalls zwei Layer aufgeteilt sind. Das bedeutet, dass die Schreibdichte für die Layer auf 33 GB erhöht wurde. Die größte Disc hält laut Spezifikation 100 GB Daten, die auf 3 Layer verteilt sind.

Filme auf UltraHD Blu-ray

Zwei sehr gute Beispiele für UHD-Filme mit HDR-Features sind „Der Marsianer“ und „Life of Pi„. Bei einem ist es die Weltraum-Szenerie, beim anderen das extreme Spiel mit den Farben und Licht und Schatten, welches die Filme so interessant für 4K mit HDR macht. Bei jeder UltraHD Blu-ray ist auch jeweils die normale Blu-ray enthalten, so dass man an seinem passenden Fernseher mit HDR-Unterstützung sowie einem UltraHD Blu-ray Player die Unterschiede selber feststellen kann. Amazon hat mittlerweile auch eine eigene Kategorie für Filme in 4K auf UltraHD Blu-rays eingeführt.

Abbildung Der Marsianer - Rettet Mark Watney  (4K Ultra HD) (+ Blu-ray)
Abbildung Life of Pi - Schiffbruch mit Tiger  (4K Ultra HD (+ Blu-ray)

UHD – mehr als nur eine 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 und KU-Serie, die im Wesentlichen die höhere Auflösung erfüllt
  • die Samsung JS-Serie und KS-Serie, die neben der höheren Auflösung auch das größere Farbspektrum mittels Nano Crystal Display/Quantum Dot Display Technologie abbilden kann (jedoch ist das darstellbare Farbspektrum nicht so groß wie bei BT.2020 definiert)
  • die LG UF-, UG-, UH– und OLED-Serie

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

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

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. Die hochauflösende Blu-ray ist ebenfalls spezifiziert. Bis UHD-Content jedoch Standard wird, wird es noch eine ganze Weile dauern.