SDR vs. HDR im Detail: PQ, HLG, Tone Mapping und HDR10-Kodierung

Das Wichtigste in Kürze

SDR und HDR unterscheiden sich darin, wie ein Video Codewerte in Licht umsetzt. SDR nutzt eine Gammakurve, die auf einen 100-Nit-Bildschirm und BT.709-Farben ausgelegt ist; HDR nutzt die PQ- oder HLG-Kurve aus ITU-R BT.2100, BT.2020-Farben, mindestens 10 Bit und oft Metadaten, die einem Bildschirm sagen, wie hell das Master war.

• SDR und HDR unterscheiden sich auf vier Ebenen: Übertragungsfunktion, Farbprimärvalenzen, Bittiefe und Metadaten.
• PQ ordnet jedem Codewert eine feste Leuchtdichte bis 10.000 Nits zu. HLG ist relativ zur Spitzenhelligkeit des Bildschirms und braucht daher keine Mastering-Metadaten.
• PQ braucht mindestens 10 Bit: Nach unserer Rechnung ist ein 8-Bit-PQ-Schritt bei etwa 100 Nits ein Lichtsprung von 4,7 %, ein 10-Bit-Schritt 1,1 %.
• Tone Mapping bringt HDR-Spitzlichter auf einen dunkleren Bildschirm, mit einer statischen Kurve pro Titel oder mit dynamischen Metadaten (HDR10+, Dolby Vision) pro Szene.
• Tags beschriften Pixel nur. Um zu ändern, was die Pixel bedeuten, braucht es eine echte Konvertierung, und ffprobe prüft beides.

Was macht ein Video zu HDR?

HDR-Video ist Video, dessen Codewerte einen weit größeren Lichtbereich beschreiben als SDR, kodiert mit der PQ- oder HLG-Übertragungsfunktion aus ITU-R BT.2100 und übertragen mit BT.2020-Primärvalenzen in 10 oder 12 Bit.

Die Ebenen sind unabhängig voneinander: Eine Datei kann 10-Bit-SDR sein oder PQ ohne Metadaten. Jede Ebene hat ihr eigenes Tag, und Player lesen die Tags, statt aus den Pixeln zu raten.

Übertragungsfunktionen: BT.1886, PQ und HLG

Eine Übertragungsfunktion bildet Signalwerte auf Licht ab. ITU-R BT.1886 definiert die SDR-Displaykurve als Potenzfunktion mit Exponent 2,4 und einem Referenzweiß von 100 Nits; die BT.709-Kamerakurve ist ihr Gegenstück, eine Potenz von 0,45 mit einem linearen Abschnitt nahe Schwarz.

PQ (SMPTE ST 2084) ist displaybezogen: Jeder Codewert steht für eine bestimmte Leuchtdichte, bis 10.000 Nits. Laut BT.2100 erreicht PQ für eine gegebene Bittiefe einen sehr großen Helligkeitsbereich, mit einer Kurve, die auf das menschliche Sehen abgestimmt ist. Rechnet man die Formel durch, liegen 100 Nits bei 51 % des Signals, 203 Nits bei 58 % und 1.000 Nits bei 75 %; die untere Hälfte des Bereichs deckt 0 bis etwa 92 Nits ab.

HLG (ARIB STD-B67) ist szenenbezogen: Das Signal beschreibt relatives Szenenlicht, und der Bildschirm entscheidet, wie hell er es zeigt. Der ITU-R-Bericht BT.2390 beschreibt eine Wurzelkurve in der unteren Hälfte des Signals, nah an SDR, und darüber eine logarithmische Kurve. BT.2100 setzt das Systemgamma des Bildschirms bei 1.000 Nits auf 1,2 und passt es für andere Spitzenwerte an (γ = 1,2 + 0,42 log10(Lw / 1000)). So passt sich ein HLG-Signal ohne Metadaten an einen 600-Nit-Fernseher oder einen 1.500-Nit-Monitor an.

Randnotiz: BT.2100 verlangt von Produktionen, ein System durchgängig zu nutzen und PQ und HLG nicht zu vermischen. Der Wechsel zwischen beiden ist eine Konvertierung, keine Umbenennung.

Farbprimärvalenzen: BT.709 vs. BT.2020

Die Primärvalenzen legen das röteste Rot, grünste Grün und blaueste Blau fest, das ein Signal beschreiben kann. BT.709 setzt sie im CIE-1931-xy-Diagramm auf (0,640; 0,330), (0,300; 0,600) und (0,150; 0,060); BT.2100 nutzt die BT.2020-Primärvalenzen bei (0,708; 0,292), (0,170; 0,797) und (0,131; 0,046). Beide verwenden den Weißpunkt D65. Nach unserer Rechnung hat das BT.2020-Dreieck etwa die 1,9-fache Fläche des BT.709-Dreiecks, und nur wenige Master füllen es aus: Grading-Monitore sind oft P3-D65, weshalb auch das Beispiel für den Mastering-String in der x265-Dokumentation einen solchen beschreibt.

Dieselbe Farbe hat in jedem Container andere Codewerte: Reines BT.709-Rot wird in BT.2020 zu linearem RGB von etwa (0,627; 0,069; 0,016). Wer BT.709-Pixel ohne Konvertierung als BT.2020 beschriftet, macht jede Farbe gesättigter; YouTube warnt, dass P3-Master mit Rec.-2020-Tags übersättigt und mit verschobenen Farbtönen erscheinen.

Bittiefe: Warum PQ 10 Bit oder mehr braucht

Banding entsteht, wenn der Lichtsprung zwischen benachbarten Codewerten groß genug ist, um sichtbar zu sein, und PQ verteilt 0 bis 10.000 Nits auf den Codebereich, den SDR für 0 bis 100 Nits verwendet. Unsere Rechnung nach den Formeln aus BT.2100 und BT.1886, für Codes im eingeschränkten Bereich:

Bei etwa 100 Nits ist 10-Bit-PQ ungefähr so fein abgestuft wie 8-Bit-SDR an seinem Weiß und deckt zugleich 10.000 Nits ab. BT.2390 vergleicht diese Schritte mit einer Sichtbarkeitsschwelle nach dem Barten-Modell: 12-Bit-PQ bleibt von 10.000 Nits bis unter 0,001 Nits darunter, 10-Bit-PQ liegt leicht darüber, was realistisches Kamerarauschen in der Praxis überdeckt.

Halten Sie Zwischenschritte also bei 10 Bit oder mehr und setzen Sie Dithering ein, wenn Sie auf 8 Bit reduzieren. In unserem Test behielt d=error_diffusion von zscale in einem per Tone Mapping umgesetzten dunklen Verlauf dieselben Stufen, löste aber die geraden Bandkanten in feines Rauschen auf. Zum Entfernen von Banding lesen Sie 8-Bit vs. 10-Bit-Video.

HDR-Metadaten: statisch und dynamisch

HDR10 ist PQ mit BT.2020-Primärvalenzen in 10 Bit plus statische Metadaten: eine Beschreibung für den gesamten Titel.

Mit statischen Metadaten bekommt ein überwiegend dunkler Film mit einer einzigen hellen Explosion eine Kurve, die mit Blick auf die Explosion gewählt wird. HDR10+ beschreibt seine dynamischen Metadaten als Anweisungen, mit denen der Bildschirm das Tone Mapping in Echtzeit optimieren kann, und laut Dolby passt Dolby Vision jedes Bild an die Fähigkeiten des Fernsehers an. HLG trägt keine Mastering-Metadaten; die Anpassung übernimmt das Systemgamma des Bildschirms.

Tipp: Beschreiben Sie Ihren tatsächlichen Grading-Monitor und gemessene Werte. Wenn Sie MaxCLL nicht messen können, erlaubt x265 den Wert 0 für „kein Maximum angegeben“, und das ist besser als eine Schätzung.

Tone Mapping: HDR auf einen dunkleren Bildschirm bringen

Tone Mapping verringert den Dynamikumfang eines Bildes, damit es auf einen Bildschirm passt; der ITU-R-Bericht BT.2446 nennt die Umkehrung inverses Tone Mapping. Ein statisches Mapping nutzt eine Kurve für den ganzen Titel, meist gewählt anhand der Mastering-Spitzenhelligkeit oder von MaxCLL. Ein dynamisches Mapping ändert sich über die Zeit, anhand von Metadaten oder durch Messen der Frames; BT.2390 weist darauf hin, dass es sich an Statistiken wie das Szenenmaximum anpassen kann.

Die EETF normiert das PQ-Signal auf den Mastering-Bereich, setzt das Knie bei KS = 1,5 × maxLum − 0,5 an (maxLum ist die Ziel-Spitzenhelligkeit auf dieser Skala) und biegt den oberen Teil so, dass die Spitzenhelligkeit der Quelle auf der des Bildschirms landet. Bei einem 1.000-Nit-Master liegt das Knie damit auf einem 100-Nit-Bildschirm bei etwa 28 Nits und auf einem 300-Nit-Bildschirm bei etwa 161 Nits.

Der FFmpeg-Filter tonemap implementiert Clip, Linear, Gamma, Reinhard, Hable und Möbius. Laut Dokumentation funktionieren die Kurven nur mit linearem Licht in Gleitkomma, deshalb linearisiert die Kette mit zscale, wendet das Tone Mapping an und wandelt zurück:

ffmpeg -i hdr10.mp4 -vf "zscale=t=linear:npl=100,format=gbrpf32le,zscale=p=bt709,tonemap=tonemap=mobius:peak=10:desat=0,zscale=t=bt709:m=bt709:r=tv:d=error_diffusion,format=yuv420p" -c:v libx264 -crf 18 -color_primaries bt709 -color_trc bt709 -colorspace bt709 -color_range tv -c:a copy sdr.mp4

npl=100 setzt linear 1,0 gleich 100 Nits, peak=10 bedeutet also 1.000 Nits; bleibt der Wert auf 0, kommt die Spitzenhelligkeit aus den Metadaten der Datei. desat=0 schaltet das standardmäßige Ausbleichen sehr heller Pixel in Richtung Weiß ab. Bei einem synthetischen PQ-Verlauf von 0 bis 1.000 Nits ergaben sich diese 8-Bit-Ausgabecodes (gemittelt, eingeschränkter Bereich, 235 ist also Weiß):

Clip machte aus allem über 100 Nits ein einheitliches Weiß; Hable hielt die Spitzlichter am deutlichsten auseinander und dunkelte die Mitteltöne am stärksten ab; Möbius ließ Werte unterhalb seines Knies unverändert. Beurteilen Sie die Kurven an Ihrem eigenen Material. Zu Symptomen auf der SDR-Seite lesen Sie Warum Videos nach dem Export ausgewaschen aussehen.

Randnotiz: tonemap hat keinen BT.2390-Modus, und der getestete FFmpeg-8.1-Build enthält keinen der Filter libplacebo, tonemap_opencl oder tonemap_vaapi, deshalb haben wir diese nicht getestet.

SDR zu HDR: einbetten vs. erweitern

Einbetten behält den Dynamikumfang des Bildes bei und kodiert es neu als PQ oder HLG, damit SDR-Material in einem HDR-Programm stehen kann. BT.2446 verweist dafür auf den ITU-R-Bericht BT.2408, und der Ankerpunkt ist das HDR-Referenzweiß, das BT.2100 mit 203 Nits definiert:

ffmpeg -i input_sdr.mp4 -vf "zscale=t=linear:npl=203,format=gbrpf32le,zscale=p=bt2020:t=smpte2084:m=bt2020nc:r=tv:npl=203,format=yuv420p10le" -c:v libx265 -preset slow -crf 18 -profile:v main10 -color_primaries bt2020 -color_trc smpte2084 -colorspace bt2020nc -color_range tv -tag:v hvc1 -c:a copy sdr_in_pq.mp4

In unserem Test kam volles SDR-Weiß als 10-Bit-Code 573 heraus, was in PQ 203 Nits entspricht; npl=100 ergab Code 509 (100 Nits) und npl=1000 Code 723 (1.000 Nits). Die Datei ist gültiges PQ, aber nichts darin ist heller als das Referenzweiß.

Erweitern ist inverses Tone Mapping: Spitzlichter werden über das Referenzweiß angehoben und die Farben erweitert. BT.2446 verlangt, dass Schatten und Mitteltöne nah am Original bleiben, ohne die mittlere Helligkeit so weit anzuheben, dass das Zuschauen unangenehm wird, und warnt, dass die Erweiterung Artefakte verstärken kann, die schon in der Quelle stecken. Die dort beschriebenen Methoden sind statische Kurven; der Bericht erwähnt, dass es auch adaptive, räumlich variierende Methoden gibt, und dort ist KI-basiertes SDR zu HDR angesiedelt. Wie sich das mit anderen Durchgängen kombinieren lässt, lesen Sie in SDR zu HDR und flüssige Bewegung.

Randnotiz: Nur die Tags zu ändern, leistet keins von beidem. Volles 10-Bit-SDR-Weiß (Code 940), als PQ gelesen, fordert vom Bildschirm 10.000 Nits.

HDR10 mit x265 und SVT-AV1 kodieren

Der Encoder muss ein 10-Bit-Profil, die Farbbeschreibung und die statischen Metadaten schreiben.

x265 (HEVC Main 10)

ffmpeg -i master_pq.mov -c:v libx265 -preset slow -crf 18 -pix_fmt yuv420p10le -x265-params "profile=main10:colorprim=bt2020:transfer=smpte2084:colormatrix=bt2020nc:range=limited:hdr10=1:repeat-headers=1:master-display=G(13250,34500)B(7500,3000)R(34000,16000)WP(15635,16450)L(10000000,50):max-cll=1000,400" -tag:v hvc1 -c:a copy hdr10.mp4

Jeder Schlüssel in -x265-params entspricht einer x265-Option (--colorprim, --hdr10, --master-display und so weiter):

Die Primärvalenzen sind das dokumentierte x265-Beispiel für einen P3-D65-Monitor mit 1.000 Nits; verwenden Sie Ihre eigenen. Für HLG setzen Sie transfer=arib-std-b67, lassen die Mastering-Werte weg und ergänzen atc-sei=18, das x265 für HLG als erforderlich aufführt; der vollständige Befehl steht im YouTube-HDR-Leitfaden. hdr10-opt=1 ergänzt die QP-Abstimmung von x265 auf Blockebene für 10-Bit-4:2:0-Material in BT.2020 PQ.

SVT-AV1 (AV1, 10 Bit)

ffmpeg -i master_pq.mov -c:v libsvtav1 -preset 6 -crf 30 -pix_fmt yuv420p10le -color_primaries bt2020 -color_trc smpte2084 -colorspace bt2020nc -color_range tv -svtav1-params "mastering-display=G(0.265,0.690)B(0.150,0.060)R(0.680,0.320)WP(0.3127,0.3290)L(1000,0.005):content-light=1000,400" -c:a copy hdr10_av1.mkv

SVT-AV1 erwartet CIE-x,y-Werte als Dezimalzahlen und die Leuchtdichte in Nits; FFmpeg reichte seine -color_*-Flags an die Farboptionen des Encoders durch. Mit FFmpeg 8.1 und SVT-AV1 4.0.1 erzeugten beide Befehle 10-Bit-Dateien mit den Tags BT.2020, PQ und BT.2020 NCL sowie Mastering- und Lichtpegel-Metadaten auf dem ersten Frame.

Fehlende Tags ohne Neukodierung ergänzen. Sind die Pixel bereits PQ, schreibt der Bitstream-Filter hevc_metadata die Farbbeschreibung neu und lässt das Bild unangetastet:

ffmpeg -i untagged.mp4 -c copy -bsf:v "hevc_metadata=colour_primaries=9:transfer_characteristics=16:matrix_coefficients=9" retagged.mp4

Bei unserer HEVC-Testdatei in MP4 hatten die dekodierten Frames vorher und nachher identische Prüfsummen, und die Tags wechselten von unknown zu BT.2020, PQ und BT.2020 NCL (Codes 9, 16 und 9; HLG ist 18). ST 2086 oder MaxCLL fügt der Filter nicht hinzu; dafür ist eine Neukodierung nötig.

Die Datei mit ffprobe prüfen

ffprobe -v error -select_streams v:0 -show_entries stream=profile,pix_fmt,color_range,color_space,color_transfer,color_primaries:frame=side_data_list -read_intervals "%+#1" -show_frames -of json hdr10.mp4

Ein Aufruf liefert die Farb-Tags und die Side Data des ersten Frames. Für die x265-Datei oben:

Die Werte erscheinen als Brüche in den Einheiten des jeweiligen Codecs: Unsere AV1-Datei zeigte max_luminance=256000/256, ebenfalls 1.000 Nits. HLG-Dateien zeigen arib-std-b67 und meist keine Mastering-Daten. Eine in HDR gegradete Datei, die bt709 oder unknown meldet, wird als SDR abgespielt.

So geht KwaFlux mit HDR um

• SDR zu HDR ist inverses Tone Mapping. In der KI-Farbkorrektur erweitert SDR zu HDR einen SDR-Clip mit einem KI-Modell in Richtung größerer Dynamik, hellerer Spitzlichter und klarerer Schatten. Szene bestimmt den Look: Landschaft (Standard), Nachtlandschaft oder Benutzerdefiniert mit einem Regler Helligkeit von 2,0 bis 5,0 (Standard 3,8).
• Exportoptionen. Farbraum bietet HDR PQ (Rec.2020) (Standard), HDR HLG (Rec.2020) und SDR (BT.709), mit H.265 (empfohlen) oder AV1, als Container empfohlen: MKV. HDR-Exporte sind 10 Bit, SDR 8 Bit, und die Exporteinstellungen versehen jede Wahl mit passenden Tags für Übertragungsfunktion, BT.2020-Primärvalenzen und -Matrix sowie eingeschränkten Bereich.
• Vor der Auslieferung prüfen. Führen Sie den ffprobe-Befehl oben auf den Export aus; braucht eine Plattform ST-2086- und MaxCLL-Werte, die fehlen, kodieren Sie mit den x265-Einstellungen neu.
• HDR-Vorschau auf SDR-Bildschirmen. Der Vorschau-Renderer dekodiert PQ und HLG, wandelt BT.2020-Farben in BT.709 um und komprimiert Spitzlichter mit einer Kurve im Reinhard-Stil; für HDR-Ausgabe hat er einen HDR-Durchreichmodus.
• Reparatur und mehrstufige Aufträge. Exporte aus der Qualitätsreparatur haben keine Farbraumoption, prüfen Sie also die Tags einer reparierten HDR-Datei. Zwischen den Schritten eines mehrstufigen Auftrags übergibt KwaFlux 10-Bit-Zwischendateien, damit sich 8-Bit-Rundungen nicht zu Banding aufsummieren.

Typische Probleme

Was das nicht leisten kann

• Tone Mapping kann 1.000 Nits nicht auf einem 100-Nit-Bildschirm zeigen. Es wählt aus, was erhalten bleibt: Details in den Spitzlichtern, Kontrast in den Mitteltönen oder Farbe.
• Inverses Tone Mapping kann abgeschnittene Details nicht zurückholen, und BT.2446 warnt, dass es Kompressionsartefakte sichtbar machen kann.
• Metadaten können kein Grading reparieren. Sie beschreiben das Master, damit ein Bildschirm es anpassen kann.
• Tags können keine Pixel umwandeln. Ändert man sie ohne Konvertierung, ändert sich das Bild.

Fazit

SDR gegen HDR ist nicht eine Entscheidung, sondern vier: Kurve, Primärvalenzen, Bittiefe und Metadaten. Legen Sie jede bewusst fest, prüfen Sie sie mit ffprobe, und wenn ein Bild zwischen SDR und HDR wechselt, konvertieren Sie es, statt es nur umzubenennen.

KwaFlux führt die KI-Farbkorrektur auf Ihrer eigenen GPU aus, einschließlich SDR-zu-HDR-Exporten in PQ oder HLG. Die KI-Verarbeitung läuft auf Ihrer eigenen GPU, und Ihre Mediendateien werden für die Verarbeitung nicht hochgeladen. KwaFlux läuft unter Windows 10 (64-Bit, Version 1809 oder neuer), Windows 11 und macOS 12 oder neuer auf Apple Silicon. Vorschauen brauchen kein Konto: Rendern Sie für jeden Clip eine Vorschau von 1, 3 oder 5 Sekunden. Anmeldung und ein bezahlter Plan sind nur für Export, Konvertierung, Dateireparatur und Datei-Download aus einem Link nötig.