HDR-Videoqualität mit Tone Mapping verbessern

High Dynamic Range (HDR) Videos bieten ein viel lebendigeres Zuschauerlebnis im Vergleich zu Standard Dynamic Range (SDR) Videos. Sie können ein breiteres Spektrum an Helligkeit und Farben anzeigen, was sie realistischer macht. Mit dem Fortschritt der Technologie wird erwartet, dass HDR-Videos die erste Wahl für Verbraucher werden. Allerdings nutzen die meisten Geräte immer noch SDR-Displays, die das volle Potenzial von HDR nicht zeigen können. Um HDR-Videos auf diesen Displays zugänglich zu machen, müssen wir sie tonemappen, um Helligkeit und Farbbereich zu reduzieren, damit sie den SDR-Standards entsprechen.

#Der Bedarf an Tone Mapping

HDR-Videos haben viel hellere und dunklere Bereiche als SDR-Videos. Zum Beispiel liegt die Helligkeit eines sternenklaren Himmels bei nur 0,0003 Nits, während ein sonniger Tag bis zu 30.000 Nits erreichen kann. Das menschliche Auge kann sich an verschiedene Lichtverhältnisse anpassen, aber alte Displaysysteme können nur etwa 100 Nits zeigen. SDR-Systeme haben auch Einschränkungen in der Farbdarstellung und decken nur etwa 35% der sichtbaren Farben ab.

Um diese Lücke zu schliessen, sind neue HDR-Systeme entstanden. Moderne HDR-Standards können Helligkeitsstufen von 0 bis 10.000 Nits oder mehr anzeigen und bieten ein breiteres Farbspektrum. Das wird möglich, indem mehrere Bilder, die bei unterschiedlichen Helligkeitsstufen aufgenommen wurden, kombiniert werden. Wenn HDR-Videos jedoch auf SDR-Displays übertragen werden, müssen sie tonemapped werden, um sich anzupassen.

#Die Herausforderung des Tone Mappings

Tone Mapping ist entscheidend, um HDR-Inhalte auf SDR-Systemen sichtbar zu machen. Allerdings kann dieser Prozess zu verschiedenen Problemen führen. Tone Mapping kann visuelle Verzerrungen verursachen, wie Verlust von Kontrast, reduzierte Details und unerwünschte Artefakte. Die Wahl der Tone Mapping Operatoren (TMOs) kann die endgültige Qualität des Videos erheblich beeinflussen.

Um diese Probleme anzugehen, haben Forscher eine grosse Datenbank mit HDR-Videos erstellt, die sowohl tonemapped als auch komprimiert wurden. Diese Datenbank besteht aus 15.000 Videos, die alle mit Qualitätsbewertungen von mehr als 1.600 Zuschauern gekennzeichnet sind. Durch die Untersuchung dieser Datenbank soll untersucht werden, wie verschiedene TMOs die visuelle Qualität beeinflussen.

#Erstellung der Datenbank

Die Datenbank wurde mit 40 verschiedenen HDR-Quellvideos erstellt. Diese Videos wurden mit verschiedenen TMOs tonemapped und anschliessend komprimiert. Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, wurde eine crowdsourcete Studie durchgeführt, um subjektive Qualitätsbewertungen zu sammeln. Die Teilnehmer sahen sich die Videos an und bewerteten sie basierend auf ihren Erfahrungen.

Die Forschung zielte darauf ab, über 750.000 Qualitätsbewertungen für alle Videos zu sammeln. Durch die Analyse dieser Bewertungen konnten Erkenntnisse darüber gewonnen werden, wie verschiedene TMOs das Zuschauerlebnis beeinflussen.

#Erklärung der Tone Mapping Operatoren

Tone Mapping umfasst zwei Haupttypen von Operatoren: global und lokal. Globale TMOs wenden dieselben Regeln auf den gesamten Frame an, während lokale TMOs die Einstellungen basierend auf bestimmten Bereichen innerhalb des Frames anpassen.

Die gewählten TMOs müssen sich auch an die Farbeinstellungen der SDR-Displays anpassen. Wenn HDR-Inhalte in SDR umgewandelt werden, sind Farbkorrekturen notwendig, um den engeren Farbraum anzupassen. Im Rahmen der Studie wurde eine Reihe von Tone-Mapping-Methoden verwendet, jede mit einzigartigen Auswirkungen auf die Videoqualität.

#Auswertung der Ergebnisse

Nach der Verarbeitung der Videodatenbank wurde ein erheblicher Fokus darauf gelegt, wie jeder TMO die Qualität beeinflusste. Die Forscher fanden heraus, dass professionelles Tone Mapping die beste Qualität erzielte, gefolgt von beliebten proprietären Optionen. Die Studie untersuchte auch, wie spezifische Einstellungen innerhalb jedes TMO die Gesamtvideoqualität beeinflussten.

Mit einem strukturierten Ansatz untersuchten die Forscher verschiedene zeitliche und räumliche Parameter, die das Zuschauerlebnis beeinflussen könnten. Die Ergebnisse halfen nicht nur bei der Identifizierung, welche TMOs besser abschneiden, sondern auch unter welchen Bedingungen sie herausragten.

#Subjektive Qualitätsbewertung

Um die Effektivität jedes TMO zu messen, wurden menschliche Zuschauer für eine subjektive Qualitätsbewertung rekrutiert. Die Teilnehmer wurden gebeten, die Videos zu bewerten, die sie sich ansahen. Bevor die grössere Studie begann, wurde eine kleinere Pilotstudie durchgeführt, um den Prozess zu verfeinern und zuverlässige Bewertungen sicherzustellen.

Während der Pilotstudie zeigten die Teilnehmer eine gute Übereinstimmung bezüglich der Qualität der tonemapped Videos. Diese Konsistenz deutete darauf hin, dass der Bewertungsprozess effektiv Unterschiede in der Videoqualität messen konnte. Die Ergebnisse sowohl der Pilotstudie als auch der grösseren Studie enthüllten interessante Einblicke in die Wahrnehmung von HDR-Inhalten durch die Zuschauer.

#Die Bedeutung von crowdsourceten Bewertungen

Crowdsourcing ermöglichte es den Forschern, schnell umfangreiche Daten zu sammeln. Mithilfe einer Plattform gab eine diverse Gruppe von Teilnehmern Feedback zu den Videos. Diese Methode erfasste nicht nur eine breite Palette von Meinungen, sondern hob auch hervor, wie unterschiedlich Zuschauer auf HDR-Inhalte unter verschiedenen Betrachtungsbedingungen reagieren.

Trotz der Herausforderungen, die mit Crowdsourcing einhergehen, brachte dieser Ansatz eine riesige Menge an Daten hervor, die unser Verständnis dafür verfeinern könnten, was HDR-Videos wünschenswert macht.

#Verständnis von Tone Mapping Verzerrungen

Tone Mapping kann verschiedene Arten von Verzerrungen hervorrufen, die das Zuschauererlebnis beeinflussen. Diese Verzerrungen können durch falsche Helligkeitsdarstellungen, Ungleichgewichte in der Farbe oder Verlust von Details auftreten, insbesondere in hellen oder dunklen Bereichen.

Durch das Studium dieser Verzerrungen können die Forscher besser identifizieren, welche TMOs unerwünschte Effekte minimieren. Dieses Verständnis ist entscheidend für die Verbesserung der Tone Mapping-Techniken und letztlich für die Qualität der HDR-Inhalte, die den Verbrauchern angeboten werden.

#Datenanalyse

Nachdem die Bewertungen gesammelt wurden, wurde eine statistische Analyse durchgeführt, um die allgemeinen Trends in den Zuschauerpräferenzen zu verstehen. Die Analyse konzentrierte sich darauf, wie verschiedene TMOs bewertet wurden, sodass Vergleiche zwischen den von jedem angebotenen Dienstleistungen angestellt werden konnten. Diese Informationen können dazu beitragen, zukünftige Videoverarbeitungstechniken zu leiten.

Durch eine sorgfältige Untersuchung, wie Zuschauer auf verschiedene TMOs reagierten, kann diese Forschung bessere Tone Mapping-Praktiken informieren. Das Ziel ist es, Entwicklern und Inhaltserstellern zu helfen, hochwertige HDR-Videos zu produzieren, die effektiv über verschiedene Displaysysteme funktionieren.

#Die Zukunft der HDR-Inhalte

Die durchgeführte Forschung bietet eine Grundlage für zukünftige Fortschritte in der HDR-Videoqualität. Durch die Analyse von TMOs und der Auswirkungen von Tone Mapping soll die Qualität von HDR-Inhalten für Verbraucher verbessert werden.

Da sich die Technologie weiterentwickelt und HDR immer mainstreamiger wird, werden die Erkenntnisse aus dieser Forschung entscheidend sein, um sicherzustellen, dass die Inhalte für das Zuschauererlebnis maximiert werden. Die entwickelte strukturierte Datenbank bietet eine wertvolle Ressource für fortlaufende Studien und Verbesserungen in der Bewertung der Videoqualität.

#Fazit

High Dynamic Range-Videos bieten eine aufregende Gelegenheit für ansprechendere Inhalte. Dennoch bleiben Herausforderungen in Bezug auf die Display-Kompatibilität und die visuelle Qualität bestehen. Durch den Fokus auf Tone Mapping und dessen Auswirkungen zielt diese Forschung darauf ab, das Zuschauererlebnis für Verbraucher zu verbessern.

Die gewonnenen Erkenntnisse aus dieser Studie können erheblichen Einfluss darauf haben, wie HDR-Inhalte verarbeitet und bereitgestellt werden. Da die Nachfrage nach HDR steigt, werden kontinuierliche Forschung und Entwicklung entscheidend sein, um sicherzustellen, dass Zuschauer die bestmögliche Erfahrung in ihren Häusern erhalten. Die durch diese Studie erstellte Datenbank dient als Werkzeug für zukünftige Verbesserungen der HDR-Videoqualität und sorgt dafür, dass technologische Fortschritte mit den Erwartungen der Zuschauer Schritt halten.