Der Standard der Zukunft: Die ITU-R-Empfehlung BT.2020

Während die Technik immer weiter entwickelt wird, ist es wichtig, dass neue und alte Technologien standardisiert werden und bleiben. Nur durch gewisse Standards sind verschiedene Geräte mit einander kompatibel und verschiedene Modelle eines Gerätetyps bleiben für Verbraucher ohne größeren Aufwand vergleichbar.

Während sich Hersteller noch immer nicht auf einen gemeinsamen HDR Standard geeinigt haben, ist seit einigen Jahren eine Empfehlung für einen neuen Standard veröffentlicht, welcher allmählich wichtig wird. Dabei handelt es sich um die ITU-Empfehlung BT.2020. Die Empfehlung, gelegentlich nur BT.2020 oder Rec. 2020 genannt, wurde im Jahr 2012 veröffentlicht. Die Einführung als verbindlicher Standard ist für das Jahr 2020 geplant.

Ein umfassender Standard

Viele Standards haben einen geringen Umfang und betreffen meist einen einzigen Aspekt von Monitoren. Dabei kann es sich um Farbräume, Auflösungen, Anschlüsse, Synchronisationstechnologien (AMD FreeSync / Nvidia G-Sync) oder andere technische Details handeln. Das Problem dabei: Jeder Hersteller sucht sich selbst aus, nach welchen Standards eigene Geräte gebaut werden. Hinzu kommen oft Hersteller-spezifische Technologien, die grundsätzlich nahezu identisch sind, jedoch den jeweiligen Herstellernamen tragen.

Die BT.2020 wurde von der Internationalen Fernmeldeunion ITU, einer Teilorganisation der UN, veröffentlicht und soll sowohl länderübergreifend, als auch herstellerübergreifend Gültigkeit haben sowie eine ganze Reihe von technischen Aspekten abdecken. Dies würde den TV- und Monitor-Markt für Verbraucher übersichtlicher machen und Hersteller dazu bringen, gemeinsam an der Weiterentwicklung einheitlicher Technologien zu arbeiten.

Die Empfehlung bezieht sich ausschließlich auf U-HD Fernseher und Monitore in 4K Auflösung mit 3.840 x 2.160 Pixeln und 8K Auflösung mit 7.680 x 4.320 Pixeln. Das Seitenverhältnis muss 16:9 betragen und die Pixel müssen eine quadratische Form haben.

Die heutige Bedeutung

Heute hat die BT.2020 noch keine umfassende Bedeutung, jedoch wird sie bereits in Tests auf besonders hochwertige Monitore angewandt. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Abdeckung von Farbräumen, welche einen maßgeblichen Einfluss auf die Bildqualität hat. Die momentan gebräuchlichsten Farbräume innerhalb des CIE 1931 Farbraumes sind, geordnet nach ihrem Umfang, sRGB, Adobe RGB und DCI-P3. Der BT.2020 Farbraum ist noch umfangreicher und würde besonders natürliche Farben erlauben. Um dies zu verstehen, muss jedoch der ursprüngliche 1931 Farbraum verstanden werden.

Der CIE 1931 Farbraum

Hierbei handelt es sich um einen Farbraum, welcher in einem Koordinatensystem angelegt ist. Seine äußersten Punkte liegen im blauen, roten und grünen Bereich. Dabei sind Blau und Rot als Ecken angelegt, während Grün eine Kurve beschreibt. Dies hat eine physikalisch begründete Bedeutung. Die Übergänge zwischen den verschiedenen Farben des Lichts sind fließend und richten sich nach seiner Wellenlänge. Die Kurve von Blau über Grün zu Rot folgt genau den Spektralfarben, also den Wellenlängen des natürlichen Lichts, wie es in einem Regenbogen sichtbar wird. Der CIE 1931 Farbraum deckt somit zumindest in der Theorie alle Farbwerte ab, die das menschliche Auge wahrnehmen kann.

Die Eckpunkte des CIE 1931 Farbraums sind folgende:

Hiervon unabhängig ist die Helligkeit der Farben. Zwar wird ein Weißpunkt, der Illuminant D65, auf 0.31271; 032902 definiert, jedoch ist physikalisch betrachtet Weiß eine Mischfarbe aus gleichen Anteilen aller Spektralfarben. Graustufen bis hin zu Schwarz werden deshalb in dem Farbraum nicht berücksichtigt.

Um eine vollständige Abdeckung dieses Farbraums zu erreichen, müsste ein Bildschirm jede Wellenlänge des sichtbaren Lichts abstrahlen können. Dies ist in der Praxis jedoch nicht möglich und mit der aktuellen Technologie, beruhend auf Subpixeln in 3 Farben, nicht realisierbar. Die Abdeckung von genannten Farbräumen erfolgt deshalb durch eine Mischung der verfügbaren Farben und einer Variation der Helligkeit. Dadurch werden zwar nicht die reinen Farben erzeugt, jedoch lässt sich das menschliche Auge durch die Mischfarben täuschen und erhält den subjektiven Eindruck die jeweilige Farbe zu sehen. Der BT.2020 Farbraum deckt den CIE 1931 Farbraum zu 75,8% ab.

Die Farbräume sRGB (kleines Dreieck mit ∙ ), Adobe RGB (großes Dreieck mit ∙ ), DCI-P3 (kleines Dreieck ohne ∙ ) und BT.2020 (großes Dreieck ohne ∙ )

Weitere Aspekte von BT.2020

Während die Farbraumabdeckung der wichtigste Aspekt der BT.2020 Empfehlung für Verbraucher ist, werden einige weitere technische Aspekte von Fernsehgeräten und Monitoren geregelt.

Frequenzen

Die BT.2020 beinhaltet eine ausgewählte Reihe von Bildfrequenzen. Dabei müssen die Bilder immer als Vollbild übertragen werden, im Gegensatz zum Zeilensprungverfahren, bei dem jede zweite Bildzeile übertagen wird und anschließend versetzt die übrigen Zeilen übertragen werden.

Die in der BT.2020 berücksichtigten Frequenzen sind (p = Hz):

• 120p
• 119,88p
• 100p
• 60p
• 59,94p
• 50p
• 30p
• 29,97p
• 25p
• 24p
• 23,976p

Farbunterabtastung und Bildübertragung

Wie bereits im Abschnitt zum Farbraum angeschnitten, beinhaltet jedes Bild Farbinformationen und Helligkeitsinformationen. Beide Komponenten für jeden Pixel zu übertragen ergibt eine sehr große Datenmenge, der die zur Zeit existierenden Anschlüsse nicht gewachsen sind. Die Bandbreiten von HDMI und DisplayPort Verbindungen sind so gering, dass es hier zu Verzögerungen kommen würde. Um diese zu umgehen wird die Farbunterabtastung eingesetzt.

Bei diesem Verfahren wird das Bild in Helligkeitswerte (Schwarz-Weiß) und Farbinformationen aufgetrennt. Das menschliche Auge kann Helligkeitsunterschiede jedoch besser wahrnehmen als Farbunterschiede, was erlaubt, an dieser Stelle die Datenmenge zu reduzieren. Dabei wird die Helligkeitsinformation in RGB-Signalen oder Y‘CbCr-Signalen für das gesamte Bild übertragen. Bei Y‘CbCr-Signalen steht das Y‘ für den sogenannten Luma-Koeffizienten bzw. den Helligkeitswert, Cb und Cr für die Chrominanzkomponenten Blue-Yellow (Blau-Gelb) und Cr Red-Green (Rot-Grün).

Während der Y‘-Wert für jeden Pixel ausgelesen und übertragen wird, geschieht dies für die Farbinformationen hingegen nicht. Durch die Farbunterabtastung werden die Farbinformationen nur von ausgesuchten Pixeln ausgelesen und übertragen. Hierdurch wird die Datenmenge stark reduziert, während das menschliche Auge den Informationsverlust kaum wahrnehmen kann. Die abgetasteten Bildpunkte müssen gemäß BT.2020 entweder 10 bit oder 12 bit haben (alles zur Farbtiefe).

Die BT.2020 legt den Luma-Koeffizienten, die Farbkoeffizienten und die Schemata für die Farbunterabtastung fest. So wird sichergestellt, dass einheitliche Helligkeits- und Farbwerte genutzt werden und dass durch die festgelegte Farbunterabtastung immer die gleichen Datenpunkte übertragen werden.

Die festgelegten Schemata der Farbunterabtastung sind:

4:4:4

4:2:2

4:2:0

Vollständiges Y‘CbCr Bild

Y‘-Komponente

Cb-Komponente

Cr-Komponente

Überlagerte CbCr-Komponenten

Bildquelle: Wikipedia

Signalübertragung

Ein letzter Punkt der BT.2020 betrifft vor allem den TV-Sektor und soll hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt werden. Dabei handelt es sich um eine Übertragungsfunktion, welche die Kompatibilität zwischen Y‘CbCr-Signalen und RGB-Signalen sicherstellt. Die beiden Signalarten sind nicht unmittelbar mit einander kompatibel und müssen in einander umgerechnet werden. Da der CbCr Farbraum anders als die verschiedenen RGB Farbräume im CIE 1931 Farbraum aufgebaut ist, muss darüber hinaus ein Korrekturwert, der sogenannte Gamma-Wert, mit berücksichtigt werden, da ansonsten wahrnehmbare Farbabweichungen zwischen Y‘CbCr und RGB auftreten. Dies sind automatisch erfolgende mathematische Berechnungen, die letztlich im Hintergrund geschehen und weder einen Einfluss auf die Qualität eines Monitors haben, noch von besonderer Bedeutung für den Verbraucher sind.

Zukunft der Empfehlung BT.2020

Heutige HDR-Monitore decken den BT.2020 Farbraum mittlerweile zu über 70 % ab. Wie die weitere Entwicklung voranschreiten wird, muss abgewartet werden. Durch die Vereinheitlichung vieler technischer Aspekte werden sich die Hersteller wahrscheinlich sehr konsequent an der Empfehlung der ITU orientieren. Davon werden Verbraucher profitieren, da es einen größeren Ansporn für die Hersteller geben wird, um Monitore mit immer natürlicheren Farbdarstellungen zu entwickeln.

Ein Hindernis, welches auch heute schon besteht und sich in der Notwendigkeit der Farbunterabtastung zeigt, ist die relativ geringe Bandbreite der momentan gängigen Anschlüsse. Hier hat die Industrie bereits jetzt schon Nachholbedarf, da die hohen Datenmengen pro Bild in UHD-Auflösungen in Verbindung mit den hohen Bildwiederholungsraten von 144 Hz von Anschlüssen wie HDMI und DisplayPort nicht bewältigt werden können. Leistungsfähige Grafikkarten der aktuellen Generation können mit den Leistungsanfoderungen umgehen.