HDR und Tone Mapping (Erklärung anhand von Beispielen)

  • Da in letzter Zeit viel über HDR und Tone Mapping diskutiert wurde, möchte ich hier mal an Hand von Screenshots einige Sachverhalte zeigen. Mir geht es zum einen darum, wie HDR ohne Tone Mapping dargestellt wird und zum andere, welche Parameter madVR inzwischen implementiert hat, die das Tone Mapping beeinflussen.


    Für HDR ist bekanntermaßen eine neue EOTF (landläufig "Gammakurve" genannt) spezifiziert. Diese ist steiler als die alte Potenzfunktion und passt besser zu unserer Wahrnehmung. Das heißt, die Helligkeitswerte sind günstiger verteilt, so dass Banding in dunklen Töne reduziert wird. Zusätzlich sind die Werte in 10 Bit pro Komponente abgelegt statt wie früher nur 8. Weiterhin definiert die EOTF ein Referenzweiß (100 Nits), welches bei der Hälfte Kurve liegt. Das heißt, die linke Seite beinhaltet den "relevanten" Bildanteil und der Rechte ist für Highlights vorgesehen, die bis zu 100 mal heller dargestellt werden sollen als das Referenzweiß. "Highlights" führt allerdings zu der Erwartungshaltung, dass dort wirklich nur unwichtige Informationen untergerbacht sind. Das ist leider je nach Film nicht zwingend so. Aber dazu später mehr.


    Um HDR auf einen nicht-HDR-fähigen Anzeigegerät darzustellen, muss die EOTF in eine Potenzfunktion mit dem Faktor 2,2 konvertiert werden. Das mache ich bei all den Screenshots, sonst könntet ihr die auf dem Monitor oder Smartphone nicht so ansehen, wie sie gedacht sind. Wichtig ist, zu verstehen, dass diese Anpassung ein Bild nicht grundsätzlich anders aussehen lässt! Der Gamut ist natürlich auch auf BT.709 konvertiert.



    HDR ohne Tone Mapping

    Zunächst möchte ich zeigen, wie ein HDR-Bild ohne Tone Mapping aussieht. In diesem Fall gehen wir davon aus, dass das Anzeigegerät 10.000 Nits darstellen kann und einen sehr hohen Kontrast besitzt.



    Warum ist das so dunkel? Das liegt daran, dass nun alle Werte bis 10.000 Nits im Bild vorkommen. Der Bereich ist also extrem groß. Die relevanten Bildinformationen sind im Wertebereich ganz unten angesiedelt. Highlights über 100 Nits sind im Bild zwar vorhanden, allerdings nur bis 433 Nits. Die 10.000 werden nicht erreicht, daher ist keiner der Pixel weiß. Auf einem Anzeigegerät, dass 10.000 Nits darstellen kann, wäre der relevante Bildinhalt ganz normal hell.



    Clipping

    Nun kann man ja auf die Idee kommen, einfach nur bis 100 Nits darzustellen und alle Werte darüber abzuschneiden (Clipping). Das sieht dann so aus:



    Wie man sieht, zeigt der Hintergrund keine Details mehr. Alles Werte über 100 Nits sind auf denselben Wert (Weiß) gelegt. Das ist zwar keine praktikable Lösung, einen Film zu schauen, aber sehr aufschlussreich, wenn man wissen möchte, wo "Highlights" im Bild vorkommen.

    Das Histogramm zu dem Bild sieht übrigens so aus. Der graue Bereich links ist alles unter 100 Nits, der weiße rechts ist alles über 100 Nints. In dieser Szene ist also schon gut Bildinhalt in den Highlights vorhanden.




    Statisches Tone Mapping

    Nun können unsere Anzeigegeräte weder 10.000 Nits, noch ist ein Bild mit Clipping wünschenswert. Also bleibt nur Tone Mapping. Tone Mapping macht nichts anderes, als die Werte über 100 Nits sichtbar zu machen, ohne den Bereich darunter zu stark zu beeinflussen. Das geht, indem die Highlights komprimiert werden. Ihr relativer Abstand zueinander wird stark verkleinert. Damit sie nun unter 100 Nits noch "reinpassen", muss alles unter 100 Nits etwas dunkler gemacht werden. Das heißt, ohne Beeinträchtigung des Bereichs unter 100 Nits, funktioniert Tone Mapping nicht.


    Nun kann man beim Tone Mapping meist einstellen, welcher Bereich unangetastet bleiben soll. Also ab welcher Helligkeit überhaupt komprimiert werden soll. Hier einige Beispiele, um zu zeigen, welchen Effekt das hat:


    Tone Mapping ab 100 Nits:


    Tone Mapping ab 200 Nits:


    Tone Mapping ab 400 Nits:


    Man kann damit also steuern, wie stark die Highlights komprimiert werden sollen. Entsprechend dunkler wird der Bereich unter 100 Nits. Oder anders gesagt: eine niedrige "Target Nits" erzeugen ein durchschnittlich helleres Bild, eine höhere ein durchschnittlich dunkleres. Der "HDR-Effekt" ist bei niedriger Target Nits geringer, bei höherer stärker.

    In madVR ist das die Einstellung "display peak luminance".


    So viel zum statischen Teil.



    Dynamisches Clipping

    Nun ist die EOTF zwar bis 10.000 Nits definiert, die einzelnen Bilder reizen die oberen Werte aber nur sehr selten aus. Viel häufiger sind Bilder, in denn die 200 - 800 Nits vorkommen. Das heißt, wenn die Highlights statisch von 10.000 Nits ausgehen, wird der Kontrast des Anzeigegerätes nicht voll ausgereizt. Daher analysiert madVR jedes Bild und schneidet automatisch die Werte ab, die ohnehin nicht im Bild vorkommen. Der Effekt ist nicht groß, daher zeige ich ihn nicht. Die Highlights werden in der Regel dann etwas heller, aber den Grundcharakter des Bildes ändert das nicht.



    Dynamic Target Nits

    Das ist das, was man landläufig als "Dynamisches Tone Mapping" bezeichnet. Dabei wird jedes Bild analysiert und anhand des Histogramms ausgewertet, wie die "Target Nits" (siehe statischer Teil) angepasst werden soll. Das heißt, dass für ein Bild, das viele Highlights enthält, der Bereich unter 100 Nits dunkler dargestellt wird. Die Idee war, die Bildkomposition möglichst zu erhalten. MadVR erkennt dafür Szenenwechsel und passt jede Szene automatisch an. Damit es nicht zu Helligkeitspumpen kommt, wird zeitlich geglättet. Die Anpassung erfolgt also nicht sprunghaft.


    Hier das Beispiel von oben. Die Szene wird mit dynamischen Target Nits merklich dunkler. Rechts daneben ist noch die Blu-ray zum Vergleich dargestellt. Die sieht insgesamt eher so aus wie die statische 100-Nits-Einstellung. Das variiert aber je nach Film teilweise sehr stark.

     


    Dagegen hat das dynamische Tone Mapping keinen Einfluss auf Szenen, die gar keine Werte über 100 Nits besitzen. Hier gibt es auch keinen Grund, Tone Mapping anzuwenden.


    Das heißt, man gewichtet jede Szene unterschiedlich. Darüber muss man sich im klaren sein. Das funktioniert, aus meiner Sicht, häufig nicht besonders gut, weil der Algorithmus die Absicht des Regisseurs natürlich nicht erkennen kann. Er weiß nicht, auf welche Bildinformation die Kamera das Auge gerade lenkt. Häufig werden Szenen mit hellem Hintergrund zu dunkel dargestellt. Die Anfangszene in "Lucy", in der sie in das Hotel läuft, ist ein gutes Beispiel. Der Fokus ist auf die Darstellerin gelegt, der Hintergrund ist sehr hell, trägt aber keinen wichtigen Informationen für die Handlung. Passt sich die Target Nits dem Hintergrund an, erkennt man die Darstellerin nicht mehr, sie säuft im Dunklen ab. Daher würde ich diesen Parameter sehr zurückhaltend nutzen.

  • HSTM

    HSTM bedeutet „Histogram Shaped Tone Mapping“. Hierbei werden Bildbereiche analysiert und das Tone Mapping individuell durchgeführt. Das heißt, Bereiche mit Highlights, die den Maximalwert nicht erreichen, können angehoben werden. Der Kontrast wird somit lokal verstärkt. Dabei wird der Kontrast aber nie stärker angehoben als er im Quellmaterial kodiert ist. Die Werte unter 100 Nits bleiben von HSTM unangetastet. Man könnte HSTM also als „Kontrastwiederhersteller“ bezeichnen.


    Ohne HSTM:


    Mit HSTM:


    Clipping (ohne Tone Mapping):


    Man achte auf ihre Wangen. Hier sind die hellen Bereiche angehoben, was auch besser zu der Version mit Clipping passt. Der Kontrast wird also lokal wiederhergestellt.



    Highlight Recovery:

    Die Einstellung für das "High Recovery" in madVR sorgt dafür, dass die Struktur in Bildbereichen über 100 Nits besser erhalten bleibt. Sie hat häufig gar keinen Einfluss, in bestimmten Szenen dagegen einen relativ großen. Hier ein Beispiel für einen großen Effekt. Die Szene hat übrigens Werte > 9.000 Nits, reizt den Wertebereich also fast aus.


    Ohne Highlight Recovery:


    Mit Highlight Recovery:


    Man sieht schön die verstärkte Struktur oben Rechts in dem Nebel.


    Hier noch mal das Histogramm von der Szene, in der man sieht, wie das Verhältnis zwischen den Bereichen unter und über 100 Nits ist:

  • FoLLgoTT

    Hat den Titel des Themas von „HDR und Tone Mapping“ zu „HDR und Tone Mapping (Erklärung anhand von Beispielen)“ geändert.
  • Danke Nils, die Welt wäre ohne Dich ärmer dran (wenigsten wir, die Anderen hier):zwinker2:

    Bei so viel Wissen und Verständnis könnte man praktisch ein YouTube Kanal eröffnen um mit Werbung wenigstens etwas Geld einzunehmen.

    Ich würde es abonnieren. :poppy:

  • Nur mal zur Info!!!



    Die HTSM und nicht-HTSM Version unterschieden sich in der Forumssoftware fast nicht von einander. Beim switchen der Bilder in der Forensoftware wird ein neu aufzubauendes Bild kurz mit Helligkeitsverlauf eingeblendet. Das macht ein direktex Vergleichen sehr schwer, da man nicht direkt den Unterschied erkennt. Wenn man die beiden JW2 Bilder aber extern Vergleich ist es sofort ein rießen Unterschied.

  • Darf ich fragen was du für dich am ehesten auswählst mit Rücksicht auf deinen Projektor?

    Oder variierst du das je nach Film?

    Tja, ich spiele immer mal wieder mit den Optionen rum und versuche für mich das Optimum zu finden. Aktuell habe ich 100 Nits und "dynamic target nits" auf 10 und Highlight Recovery auf "very high" und Contrast Recovery" (HSTM) auf Soulnight's mirror" eingestellt.

    Das Problem ist, dass es immer Szenen gibt, in der eine von den Einstellungen nicht so günstig ist. Z.B. bewirkt "Contrast Recovery" genau das Gegenteil, wenn sich das Bild fast nur in den Highlights abspielt und man die Target Nits nicht hoch genug einstellt. Das dreht es sich quasi um.


    Ohne HSTM:


    Mit HSTM:


    Histogramm:


    Man könnte argumentieren, dass das nichts mehr mit ordentlichem Grading zu tun hat, wenn sich fast alles in den Highlights abspielt. Aber es gibt auch in Filmen immer mal wieder helle Szenen, bei denen HSTM kontrastmindernd wirkt bei zu niedriger Target Nits. Erhöht man die Target Nits (egal ob statisch oder dynamisch), wird der Effekt geringer.


    Rücksicht auf den Projektor muss man aus meiner Sicht nicht unbedingt nehmen. Es ist einfach die Frage, wie man HDR darstellen möchte. Ein Dunkelkucker mag sicherlich mehr Dynamik für die Highlights reservieren, einem Hellkucker mag das dagegen zu dunkel sein und er stellt es sich lieber ähnlich dem Blu-ray-Pendant ein (die ja grundsätzlich auch gut aussahen). Das ist letztendlich eine Frage der Vorliebe. Man teilt sich den nativen Dynamikbereich des Projektors nur anders ein. Leider Geschmackssache.


    Was ich jedenfalls nie machen würde, ist, auf die absoluten Nits zu bestehen. Damit tut man sich keinen Gefallen und kommt nicht zwingend dahin, wie es für einen selbst am besten aussieht. Leg dir das Referenzweiß dorthin, wo du es haben willst und höre auf niemanden. Es gibt beim Tone Mapping leider keine "ultimativen Referenzeinstellungen". Wer sowas behauptet, hat nichts verstanden. Also derlei Tutorials lieber schnell überlesen! :zwinker2:

    Oder variierst du das je nach Film?

    Bisher nicht und ich will das auch nicht. Vor allem weiß man es nicht, bevor man den Film nicht gesehen hat und bestimmte Parameter ausprobiert hat. Ich wähle daher eher die robuste Einstellung, die immer gut passt. Ich bin es leid, ständig nachzujustieren. Aus dem Röhrenzeitalter sind wir lange raus...:big_smile:



    Die HTSM und nicht-HTSM Version unterschieden sich in der Forumssoftware fast nicht von einander. Beim switchen der Bilder in der Forensoftware wird ein neu aufzubauendes Bild kurz mit Helligkeitsverlauf eingeblendet. Das macht ein direktex Vergleichen sehr schwer, da man nicht direkt den Unterschied erkennt. Wenn man die beiden JW2 Bilder aber extern Vergleich ist es sofort ein rießen Unterschied.

    Danke, das ist mir auch schon aufgefallen. :sbier:


    Ich empfehle immer, zwischen den Screenshots in einem Viewer auf dem PC hin- und herzuschalten. Dann werden die Unterschiede offensichtlich. Die Umschaltzeit sollte möglichst gering sein. Ich untersuche diverse Dinge schon seit Jahren so und prüfe das immer im Heimkino am Projektor gegen. Man bekommt relativ schnell ein Gefühl dafür, wie es aussehen kann oder ggf. auch muss bzw. was Fehler sind usw.

  • Sehr schön danke Nils.


    Wenn die Leinwand hängt, würde am liebsten den Lumagen einpacken, der macht das mittlerweile auch ganz gut.

    Seit ein paar Wochen als adaptives dynamisches Tone Mapping.

    Wird aber sicher nix bringen, da eine 3 LUT für meinen Projektor drauf ist...


    Werde mir nächste Woche mal in Ruhe die Szene im Mad Max ansehen


    Viele Grüße dirk

  • 100 nits hat dein Projektor?

    Die tatsächliche Leuchtdichte des Projektors ist irrelevant, wenn man sich von der absoluten EOTF nicht treiben lässt. Man kann ja einstellen, was man möchte. Ich gebe damit an, dass ab 100 Nits Tone Mapping stattfindet.


    Über 10 nits wird tonemapped?

    Nein, welche Formel genau hinter dem Parameter steckt, weiß ich nicht. Bei 20 z.B. kommt am Ende in hellen Szenen Tone Mapping zwischen 100 und 150 Nits heraus. Wie genau sich das errechnet, hat madshi sicherlich irgendwo in den Untiefen des AVSForums mal geschrieben. Ich finde es auf die Schnelle nicht.

  • Ich gebe damit an, dass ab 100 Nits Tone Mapping stattfindet.

    Ah ok.

    welche Formel genau hinter dem Parameter steckt

    Gut, hätte mich schon etwas gewundert. Da im Parameternamen "nits" drin steckt hätte man auf die Idee kommen können.

    Irgendwelche display target nits musst du aber angeben oder? Kann mich erinnern dass man dort eigentlich die gemessene Leuchtdichte eintragen sollte. Muss man aber nicht.

    Ich habe versucht eine zeitlang mitzuverfolgen was madshi, anna und Flo da so basteln, aber das ist von der Zuschauertribüne dann irgendwann nicht mehr möglich.

    Leider konnte ich bei einem event letztes Jahr nicht früh genug da sein für Flos Vortrag. Da war das HSTM gerade neu.

    Für mich eine wichtige Erkenntnis war das Thema Hue Shifts das auftritt wenn das Tonemapping auf die RGB-Kurven angewendet wird und nicht schon auf die Y Kurve. Die Panasonicplayer scheinen hier tatsächlich etwas gegenzusteuern.

  • Guten morgen FoLLgoTT ,


    Kann man eigentlich ein Bild von der Scheibe ziehen wie damals zu Blu Ray Zeiten damit man mal das "Original Frame" hat was auf der Scheibe abgelegt ist, mit dem Mastering wie es das Studio vorgenommen hat?


    Ich hab kein PC und keine Ahnung, interessant wäre es aber mal zu Wissen ob es geht.

    Damit man mal schauen kann wie das "Original" auszusehen hat.

  • Kann man eigentlich ein Bild von der Scheibe ziehen wie damals zu Blu Ray Zeiten damit man mal das "Original Frame" hat was auf der Scheibe abgelegt ist, mit dem Mastering wie es das Studio vorgenommen hat?

    Offiziell nein. Inoffiziell...


    Ich werde dazu nicht mehr schreiben. Ihr könnt euch vorstellen, wie die Screenshots entstanden sind...:zwinker2:

  • Dann hat man noch immer das Problem, wie das Screenshot Script die Video-Farben auf PC-Farbnorm umrechnet und wer von uns nutzt einen kalibrierten, HDR fähigen Monitor? Erweiterten Farbraum können zwar viele Monitore, aber Win und die meisten Grafikformate nutzen nur einen eingeschränkten 24Bit Farbraum.

    Man kommt zwar der Sache näher, als am Projektor, aber keine Garantie, dass man das "Sollbild" sieht.


    IMHO am ehesten wird man dies auf einen hochwertigen TV sehen.

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