HDR - High Dynamic Range

Es wird ein Konzept entwickelt, um HDR (High Dynamic Range) im Rundfunk einzuführen. Dabei wird eine präferenzbasierte Kontrastkompression verwendet. HDR ermöglicht eine größere Bandbreite an Kontrasten im Vergleich zur herkömmlichen HD-Übertragung. Dadurch werden Details sowohl in hellen als auch in dunklen Bereichen einer Szene erhalten. Allerdings sind die Möglichkeiten zur Wiedergabe von HDR-Inhalten begrenzt und variieren stark. Um sicherzustellen, dass alle Zuschauer von der verbesserten Aufnahmequalität profitieren können, ist eine Anpassung der HDR-Inhalte durch Kontrastkompression erforderlich.

In der Filmindustrie werden manuelle Techniken zur Kontrastkompression in der Nachbearbeitung verwendet, während in der Computergrafik automatische Verfahren eingesetzt werden. Aufgrund der speziellen Anforderungen des Rundfunks können diese Ansätze jedoch nicht einfach übertragen werden. Eine grundlegende Herausforderung besteht darin, die Präferenzen der Zuschauer zu berücksichtigen.

Das Ziel dieses Projekts ist es daher, die Präferenzen der Zuschauer in Bezug auf Helligkeit und Farbwahrnehmung zu quantifizieren. Auf Grundlage dieser Ergebnisse soll ein algorithmischer Ansatz entwickelt werden, um die Kontrastkompression speziell für den Rundfunkbereich anzupassen. Durch objektive und subjektive Untersuchungen soll gezeigt werden, wie sich dadurch die Bildqualität signifikant verbessern lässt. Abschließend soll anhand von praktischen Beispielen und Feldversuchen gezeigt werden, wie HDR flächendeckend im Rundfunk eingeführt werden kann.

 

Inhaltsverzeichnis der Dokumentation

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

 

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