Der korrekte Signalpegel

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Der korrekte Signalpegel: Warum behandelt nVidia per HDMI angeschlossene Monitore als Fernseher?

Es könnte so einfach sein: Der PC gibt ein RGB-Signal mit 8bit pro Kanal aus und der digital angeschlossene Bildschirm stellt es korrekt dar. Pixel mit den RGB-Werten 0/0/0 liefern ein sattes Schwarz, während die Maximalaussteuerung 255/255/255 ein sauberes Weiß auf die Panelfläche zaubert. Insgesamt können so über 16 Millionen Farbabstufungen dargestellt werden (256³).

Der Teufel steckt allerdings im Detail. ITU-R BT.601 und ITU-R BT.709, die digitale SD- bzw. HD-Komponentensignale (YCbCr) spezifizieren, definieren einen eingeschränkten Tonwertumfang. Bei der im Heimbereich üblichen Quantisierung von 8bit reicht die Helligkeitskomponente (Y) damit von 16-235.

Die beiden Farbkomponenten (Cb, Cr) nutzen Werte von 16-240. Das nach geeigneter Transformation resultierende RGB-Signal beschränkt sich dementsprechend ebenfalls auf den Bereich von 16-235.

Graustufendarstellung von 0 bis 255
Ausgabe mit vollem Wertebereich (0-255)
Ausgabe von Graustufen mit eingeschränktem Video-Wertebereich (16-235)
Ausgabe mit eingeschränktem Video-Wertebereich (16-235)

Für die korrekte Wiedergabe ergibt sich damit die Notwendigkeit einer Abstimmung. Zwei Fehlerfälle sind denkbar:

  1. Der Bildschirm erwartet ein RGB-Signal, das den vollen Wertebereich von 0-255 nutzt (PC-Level). Das zugespielte Signal verwendet aber nur den eingeschränkten Bereich von 16-235 (Videolevel).
  2. Der Bildschirm erwartet ein Videolevel-RGB-Signal (16-235). Die Zuspielung erfolgt in RGB mit PC-Leveln (0-255).
Fehlerhafte Signalpegelabstimmung (Graustufen)
Fehlerhafte Signalpegelabstimmung
Fehlerhafte Signalpegelabstimmung (Graustufen)
Fehlerhafte Signalpegelabstimmung

Im ersten Fall wirkt die Darstellung sehr flau, weil der Dynamikumfang des Bildschirms nicht vollständig genutzt wird. Die zweite Variante führt zu erheblichen Verlusten in dunklen und hellen Bildbereichen. Hier werden Tonwerte einfach abgeschnitten. In beiden Fällen leiden aber nicht nur die Extremwerte. Die gesamte Mitteltondarstellung (Gradation) entspricht nicht mehr der ursprünglichen Charakteristik.

Anpassung von Farbmodell bzw. Signalpegel für Samsung LE52F96 TV
Anpassung von Farbmodell bzw. Signalpegel für Samsung LE52F96 TV
Anpassung von Farbmodell bzw. Signalpegel für Oppo DV-980H DVD-Player
Anpassung von Farbmodell bzw. Signalpegel für Oppo DV-980H DVD-Player

Glücklicherweise kann in den meisten Fällen eine korrekte Übereinstimmung erzielt werden. Sollen Videosignale wiedergegeben werden, besteht die einfachste Lösung in einer YCbCr-Zuspielung. Das impliziert Videolevel. Eine weitere Anpassung ist in der Regel nicht erforderlich.

Anpassung von Farbmodell bzw. Signalpegel für Lumagen Radiance XD Videoprozessor
Anpassung von Farbmodell bzw. Signalpegel für Lumagen Radiance XD Videoprozessor

Aber auch eine Ausgabe in RGB ist meist unkritisch: Viele Standalone-Player und TV-Geräte erlauben heute eine Angleichung des Signalpegels. Die nach RGB transformierten Werte können unverändert ausgegeben oder auf den vollen Bereich gespreizt werden.

Tonwertspreizung (Videolevel => PC-Level)
Tonwertspreizung (Videolevel => PC-Level)

Mit dem PC sollte man in RGB mit PC-Leveln zuspielen. Die meisten Inhalte sind entsprechend kodiert. Ein per DVI- oder DisplayPort angeschlossener Computerbildschirm wird keine weiteren Anpassungen erfordern. Allerdings müssen Videos nun auf den vollen Wertebereich gespreizt werden, sonst kommt es auch hier wieder zu der beschriebenen, flauen Darstellung. nVidia bietet eine entsprechende Option direkt über den Treiber an.

Einstellung des Signalpegels im nVidia-Treiber -Menü für die Videowiedergabe via Overlay / VMR
Einstellung des Signalpegels für die Videowiedergabe via Overlay / VMR

Eine böse Überraschung kann man allerdings mit Computerbildschirmen erleben, die lediglich über einen oder mehrere HDMI-Eingänge verfügen. Der nVidia-Treiber identifiziert diese Geräte als Fernseher und gibt standardmäßig ein RGB-Signal mit Videoleveln aus. Das führt zu zwei Problemen:

Tonwertkompression des nVidia-Treibers (PC-Level => Videolevel)
Tonwertkompression des nVidia-Treibers (PC-Level => Videolevel)
  1. Durch die Kompression des Wertebereichs von 0-255 auf 16-235 pro Farbkanal kommt es zu sichtbaren Tonwertverlusten. Immerhin müssen rund 16 Millionen Tonwerte nun auf weniger als 11 Millionen Abstufungen verteilt werden.
  2. Erwartet der Bildschirm ein PC-Level basiertes RGB-Signal, so ist die Darstellung wiederum flau und die gesamte Mitteltondarstellung verzerrt.
nVidia-Treiber-Einstellungen: Farbformat
nVidia-Treiber-Einstellungen: Farbformat
nVidia-Treiber-Einstellungen: Anzeige
nVidia-Treiber-Einstellungen: Anzeige

Ausgabeeinstellungen im nVidia-Treiber

Ein Lösungsansatz ist die Ausgabe in YCbCr. Der Bildschirm sollte nun Videolevel erwarten. Der reduzierte Tonwertumfang bleibt allerdings bestehen. Leider bietet der nVidia-Treiber keine Möglichkeit, den Signalpegel für die RGB-Ausgabe eindeutig festzulegen, auch wenn die Einstellung „Desktop-Programme“ zunächst hoffen lässt. Wir konnten in unserem Testaufbau damit aber keine Ausgabe in PC-Leveln erreichen. Erst die Verwendung einer ATI-Grafikkarte führte zu einem Signal im vollen Wertebereich.

Besitzer einer Grafikkarte von nVidia müssen dennoch nicht verzweifeln. Die Anpassung der vom Bildschirm übertragenen EDID-Informationen (seine Visitenkarte) verspricht Abhilfe. Benötigt werden drei Programme:

  • Phoenix EDID Designer
  • EnTech Monitor Asset Manager
  • EnTech softMCCS

Mit softMCCS werden die EDID-Informationen als „Raylar EDID file“ gespeichert.

Einstellungen unter EnTech softMCCS
Einstellungen unter EnTech softMCCS
Einstellungen unter EnTech softMCCS
Einstellungen unter EnTech softMCCS

Die Datei ist mit dem EDID Designer editierbar. Das Feld „Number of extensions“ wird nun auf den Wert „0“ gesetzt. Abschließend müssen die Änderungen gespeichert werden. Einziger Nachteil dieser Lösung: Ein eventuell anliegendes Tonsignal wird nicht mehr mitübertragen.

Einstellungen Phoenix EDID Designer
Einstellungen Phoenix EDID Designer
Einstellungen Phoenix EDID Designer
Einstellungen Phoenix EDID Designer

Die modifizierte Datei wird im Monitor Asset Manager geöffnet. Aus den Daten kann eine inf-Datei erzeugt werden.

Einstellungen EnTech Monitor Asset Manager
Einstellungen EnTech Monitor Asset Manager
Einstellungen EnTech Monitor Asset Manager
Einstellungen EnTech Monitor Asset Manager

Die Datei wird als Monitortreiber auf Betriebssystemebene hinterlegt. Nun sollte die Grafikkarte auch bei einer HDMI-Verbindung in RGB mit PC-Leveln ausgeben.

Treiber im Betriebssystem aktualisieren
Treiber im Betriebssystem aktualisieren

Letztlich bleibt aber der Hersteller in der Pflicht. Es ist daher unverständlich, warum nVidia nicht einfach eine entsprechende Auswahl anbietet.

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