Alles über den Kontrast

Nichts ist so wichtig für ein gutes Bild wie der Kontrast. Doch wer sich nur an Prospektwerten orientiert, kann auch Pech haben.

Meilensteine des Kontrasts

2002 stellt NEC den XGA-Projektor HT1000 vor, der dank neuer DLP-Generation erstmals einen Kontrast von 1.000:1 erreicht.

2005 zeigen Toshiba und Canon in Japan in Tokio Prototypen in der SED-Technik, die mit 100.000:1 angegeben werden; mehr konnten damals die Messgeräte nicht anzeigen.

2006 stellt Sharp einen LCD-Schirm vor, der angeblich eine Million zu eins erreichen soll – ohne weitere Angaben zur Technik. Später stellt sich heraus, dass man zwei LC-Schichten übereinander montiert hatte.

2007 redet Pioneer von unendlichem Kontrast bei Plasma, weil man den Zünd-impuls praktisch komplett beseitigen konnte.

2008 gehen LCD-Fernseher mit Millionenkontrast in Serie, dank regelbarer LED-Backlights.

Der Kontrastwert

Das mathematische Zeichen in der Angabe des Kontrastwertes verrät es: Es handelt sich um ein Verhältnis zweier Werte, nämlich der maximalen Helligkeit geteilt durch den Schwarzwert. Deswegen müsste man korrekt vom Kontrastverhältnis sprechen, denn der Kontrastumfang einer Kamera ist etwas anderes – nämlich die variable Spannweite, innerhalb derer etwas noch durchgezeichnet aufgenommen wird.
Das am Bildschirm ankommende Videosignal hat einen fest definierten Punkt, der als Schwarz dargestellt werden muss, und einen zweiten, der für das hellste Weiß steht. Es liegt an der jeweiligen Display-Technologie, wie dunkel und wie hell das Ergebnis ist.
Diese Werte ermittelt man bei Bildschirmen aller Art in Candela pro Quadratmeter (cd/m², auch Nits). Misst man nun die beiden Eckwerte Schwarz und Weiß, lässt sich der Kontrast durch einfach mathematische Division ermitteln, nämlich Weißwert geteilt durch Schwarzwert. Typischerweise hat ein LCD-Schirm zum Beispiel eine Maximalhelligkeit von 400 cd/m² und einen Schwarzwert von 0,1 cd/m², was einen Kontrast von 4.000:1 ergibt. Bei Projektoren verwendet man die Maßeinheit für Lichtstrom, also ein von der Fläche unabhängiges Maß.

Die Wahrnehmung

Die Augen des Menschen sind extrem anpassungsfähig, man sieht in einer Mondnacht fast genauso gut wie bei strahlendem Sonnenschein. Dabei ist die Grenze nach oben zum Beispiel erkennbar an einer Sonnenfinsternis, bei der man die Mondscheibe vor der Sonne mit bloßem Auge lange nicht bemerken kann, weil die Helligkeit immer noch zu hoch ist; nach unten beginnt die Empfindlichkeit knapp über dem bedeckten Nachthimmel. Das Verhältnis von maximaler zu minimaler Helligkeit liegt beim Auge weit jenseits von einer Milliarde zu eins (1.000.000.000:1).
Dass Bildschirme weit darunter rangieren, ist freilich kein Problem. Denn das Auge kann sich anpassen, aber nicht den gesamten Dynamikbereich auf einmal erfassen, wie man bemerkt, wenn man bei Nacht von einem entgegenkommenden Auto geblendet wird. Die Anpassung an die Umgebungshelligkeit besorgt die Blende der Kamera, also muss der Bildschirm nicht das ganze Helligkeitsspektrum wiedergeben.
So groß der Bereich ist, den das Auge sehen kann, so sehr ist auf der anderen Seite die Fähigkeit zur Unterscheidung von Helligkeitswerten begrenzt. Ob ein heller Fleck inmitten einer dunklen Fläche die 1.000- oder die 10.000-fache Leuchtstärke besitzt, ist nicht zu erkennen. Trotzdem ist es falsch zu sagen, dass Kontrastwerte über 1.000:1 unnötig sind. Denn das Auge sieht den Unterschied zwischen der dunkelsten Stelle des Bildschirms und dem Dunkel außenrum, weil es die Lichtmenge 0,1 cd/m² gut erkennen kann.
Ideal wird die Darstellung in puncto Kontrasts, wenn das Auge keinen Unterschied mehr zwischen einer dunklen Wand und dem Rand des dunklen Bildschirms erkennen kann.

Weißpegel

Vor allem konstruktiv begrenzt ist die maximale Helligkeit, der Weißwert. Egal, wie das Licht erzeugt wird, man kann die Menge nicht beliebig steigern. Lampen oder leuchtende Pixel würden einfach durchbrennen, wenn man zuviel Strom hineinpumpt. Und alle Bauteile ein paar Nummern größer auslegen ist teuer, dazu kommt mehr Hitze, die entsorgt werden müsste. Außerdem hilft mehr Licht meistens dem Kontrast nicht auf die Sprünge, weil dann auch der Schwarzwert in die Höhe geht – zumindest bei Lichtventil-Techniken wie LCD oder digitale Projektion.
Es gibt freilich nicht den einen Weißwert, sondern je nach Typ und Messung viele Möglichkeiten. Bei Bildröhren, Plasma und teilweise sogar LED-LCDs ist das Netzteil der begrenzende Faktor, was bedeutet, dass volles Weiß weniger hell ist, wenn es über den ganzen Bildschirm geht. Müssen nur einzelne Sektoren hell leuchten, ist die Lichtstärke höher. Ein Plasma kann über den ganzen Schirm zum Beispiel möglicherweise nur 100 cd/m² erreichen, aber trotzdem bis zu 1.000 cd/m² abgeben, wenn nur ein Prozent aktiv sein muss.
Bei Displays, deren Hintergrund nur komplett ausgeleuchtet werden kann, ist die Helligkeit über die gesamte Fläche identisch mit dem Spitzenwert jedes einzelnen Pixels, also etwa bei digitaler Projektion oder LCDs mit einheitlicher Hintergrundbeleuchtung. Auch hier kommt es also stark auf Messmethode und Umstände an, welcher Wert sich ergibt.

Schwarzwert

Mathematisch ist die Sache einfach: Wenn ein Bildschirm bei Schwarzdarstellung keinerlei Licht aussendet, ist der Kontrast unendlich groß. Technisch ist das jedoch mehr als schwierig. Denn bei LCD-Schirmen oder bei Projektion mit LCD, DLP oder LCoS dringt immer etwas vom Licht der Lampe durch, Plasmaschirme brauchen einen minimalen Zündimpuls – eine Art Leerlauf –, um sofort wieder aufleuchten zu können.
Damit ist der Messpunkt also nicht völlig schwarz, man sieht noch etwas Licht auf dem Schirm. Alle Technologien haben in den letzten Jahren beachtliche Fortschritte erreicht. Bei LCD wurden die Verbesserungen sowohl durch Neugestaltung der Flüssigkristallzellen als auch durch Regelung des Backlights erreicht; wenn man das Herunterfahren kann, sinkt auch der Schwarzwert deutlich. Bei Projektion versucht man ähnliches durch verstellbare Blenden, die UHP-Lampen lassen sich nämlich deutlich weniger gut regeln als CCFL-Röhren oder gar LED, wie sie bei LCDs verwendet werden. Bei Plasma konnte man zuletzt durch Effizienzsteigerung eine deutliche Verringerung des Halte-Impulses erreichen.
Dazu kommt, dass innerhalb des Schirms Licht gestreut wird. Bei Röhren oder OLED-Schirmen, die für Schwarz wirklich komplett abschalten können, reflektieren die Glaselemente, so dass jedes Aufleuchten an einer Stelle für eine Resthelligkeit an anderer führt – bei Röhren stärker ausgeprägt, bei OLED schwächer. Und schließlich hellt Licht aus dem Raum einen Bildschirm auf, wenn nicht völlige Dunkelheit herrscht.
Die Mathematik macht klar: Den Kontrast verbessern kann man am besten durch Absenkung des Schwarzpegels. Hier ist die Halbierung einfacher als die Verdoppelung des Weiß-Wertes.

Messverfahren 1: On-off

Wenn in einem Prospekt die Rede von Kontrast ist, dann handelt es sich immer um die Messmethode, die den höchsten Zahlenwert ergibt: Das Messen des Schwarzwerts an komplett dunklem Bildschirm bei Zuspielung einer Schwarzfläche, danach die separate Ermittlung des Weißwerts. Dadurch wird der Teiler sehr klein, die Angabe also sehr hoch. Hier greifen dann Lampenregelungen, etwa bei LCD: Kommt das Panel selbst auf einen Kontrast von 400:1, ergibt das in Verbindung mit dem Dimmen des Backlights auf 20 Prozent ein Verhältnis von 2.000:1. Noch extremer fällt der Wert aus, wenn LEDs als Lichtquelle komplett abgeschaltet werden können. Die Millionenwerte neuerer Fernseher kommen so zustande.
Gleichzeitig ist nicht gesagt, wie der Weißwert ermittelt wird. Auch hier ist der Hersteller frei, den Wert zu nehmen, der ihm den besten Kontrast angibt – eine feste Norm gibt es nicht. Korrekt nennt man diese Art der Messung sequeziellen Kontrast, schönfärberisch dynamischen Kontrast. On-off oder An-aus trifft es aber am besten.

Messverfahren 2: Ansi

Das American National Standards Institute entwickelte eine Norm zur Messung des Kontrastwertes, das den willkürlichen Verfahren ein Ende machen sollte. Hier nimmt man ein Testbild, das in neun gleichgroße Segmente aufgeteilt ist, wechselnd in Schwarz und Weiß. Damit ist es natürgemäß sehr schwer, zu tricksen und Fabelwerte aufzustellen.
Von Millionen ist hier nicht mehr die Rede, doch zuletzt sind beachtliche Fortschritte zu verzeichnen. Sowohl LCD- wie Plasmaschirme erreichen Werte um die 600:1, wenn sie gut sind, normal sind eher 300:1 bis 400:1. Das ist auch die Größenordnung, die man bei Projektoren findet, wobei selbst ein eher schwacher Kandidat wie der LG AF-115 mit 170:1 deswegen noch nicht unbedingt ein schlechtes Gerät ist.
Bemerkenswerterweise schneiden Bildröhren, denen man eigentlich viel Kontrast zutraut, in dieser Disziplin schlecht ab. Das liegt daran, dass sie einerseits ihre Vorteile im Spitzenweiß nicht so richtig aussspielen können, andererseits viel Licht bei ihnen auch viel interne Reflexion bedeutet.

Weitere Messverfahren

Die Ansi-Messung mag zwar etwas realistischere Werte liefern als das On-off-Verfahren, wirklich den subjektiven Kontrasteindruck widerspiegeln kann auch er nicht. Bilder, in denen 50 Prozent komplett weiß sind, kommen in der Realität selten vor und sind zudem wenig kritisch. Schwieriger wird es, wenn helle Objekte vor dunklem Hintergrund abzubilden sind. Dann sind vielleicht zehn Prozent des Bildes wirklich hell, aber der Rest muss dunkel sein, damit das Geschehen Tiefe bekommt.
Misst man also zum Beispiel eine zehnprozentige Weißfläche und den Schwarzwert im gleichen Bild, bekommt man Ergebnisse, die keines der beiden anderen Verfahren liefert. Hier schneiden zum Beispiel Bildröhren oder Plasmaschirme recht gut ab, während konventionelle LCDs sich kaum verbessern. Exemplare mit zonenweiser Hintergrundbeleuchtung (Local Dimming) dagegen schlagen sich hier schon deutlich besser – abhängig freilich auch davon, wo man den Schwarzwert ermittelt, weil das Backlight unregelmäßig ins Schwarz abstrahlt. Direkt neben dem Weiß sieht man es, zumal bei Schrägbetrachtung, noch durchscheinen, was auch bei Abspännen auffällt.
Man kann sogar auf ein Prozent Weiß heruntergehen, auch das ist nicht unrealistisch. Bei einem Full-HD-Schirm sind dann immer noch 20.000 Pixel voll gefordert, von 1.000 LEDs sind rund zehn aktiv. So kommen dann Fabelwerte wie die mehr als 27.000:1 zustande, die der Philips 52 PFL 9704 im Test (AV 11-2009) erreichte. Der Preis sind allerdings Artefakte, weil das Backlight um helle Stellen herum Höfe bildet.

Farbtemperatur und Kontrast

Man sollte glauben, dass Farben und Kontrast nichts miteinander zu tun haben. Doch über den Weißwert geht die Farbtemperatur sehr wohl in die Messung ein. Liefert ein Backlight oder eine Lampe ein unausgewogenes Spektrum, wird der Maximalwert nur dann erreicht, wenn man falsche Farben toleriert. Korrigiert man dagegen den Weißpunkt auf den Normwert, sinkt die Helligkeit und damit der Kontrast. Die richtige Einstellung erfordert immer das Kappen von Helligkeitsspitzen.
Daher müssen vor dem Vergleich von Kontrastwerten die gleichen Voraussetzungen hergestellt werden. Sonst wäre ein Gerät im Nachteil, das von Hause aus sauber kalibriert daherkommt, während ein Schirm mit heftigem Grünüberschuss angeblich mehr Kontrast bietet. Besonders betroffen sind hier wieder LCD-Schirme und Projektoren mit UHP-Lampe.
Theoretisch müsste man sogar den Schwarzwert kalibieren, doch da im Grunde genommen jedes Licht hier ein Fehler ist, nimmt man in Kauf, dass hier nicht reines Weiß durchscheint, sondern das jeweilige Spektrum der Hintergrundbeleuchtung.

Raumkontrast

Licht im Raum beleuchtet zwangsläufig auch den Bildschirm. Und damit ist der Schwarzwert höher, als er es von den technischen Fähigkeiten des Gerätes her sein müsste. Tatsächlich genügen schon kleinste Leuchteinheiten, um den Kontrast dramatisch zu reduzieren. Eine Kerze kann die Projektion auf Werte deutlich unter 100:1 verringern – einen Wert, den LCD selbst unter Neonröhren noch erreicht. Bei normaler Wohnzimmerbeleuchtung hat eine neutral weiße Leinwand kaum mehr als 10:1 zu bieten. Doch selbst wenn keine Lichtquelle eingeschaltet ist, können weiße Wände oder die Decke den Raum so hell machen, dass der Schwarzwert auf der Leinwand dramatisch leidet. Daher muss jede Kontrast-Messung in einer schwarzen Umgebung stattfinden, sonst misst man mehr die Eigenschaften des Raums als die des Bildschirms oder Projektors.
Auf der anderen Seite kommen Display-Technologien unterschiedlich mit Umgebungslicht klar. Am schlechtesten schneidet sicherlich die Projektion auf eine weiße Wand ab, eine Leinwand mit Gain über 1,0 verbessert die Bedingungen schon etwas. Plasma-Fernseher reflektieren Umgebungslicht je nach Glasfront, Aufbau und Einfärbung des Phosphors, so dass ihre Eigenschaften in hellen Räumen mehr oder weniger stark leiden. LCDs aber schlucken das externe Licht und setzen ihm auch noch überlegene Helligkeit entgegen, so dass sie hier am besten aussehen.

Kontrast im Realbild

Geht man von Testbildern weg, stellt sich die Frage, wie bei tatsächlichen Filmbildern der Kontrastwert und der subjektive Bildeindruck aussieht. Dabei gibt es freilich einen Punkt zu beachten: Nicht immer ist vom Kameramann beziehungsweise bei der Nachbearbeitung exakt der komplette Umfang von tiefstem Schwarz bis maximalem Weiß ausgeschöpft worden. Denn zu leicht schneidet man sonst die unteren Graubereiche ab oder lässt helle Sektoren überstrahlen.
Gute gemasterte Filme aber gehen in beide Richtungen bis an die Grenzen, so dass man sehr wohl innerhalb eines echten Bildes den Kontrast messen kann. Dabei gibt es durchaus überraschende Ergebnisse, wie sie von den Spezialisten bei Cine4home dokumentiert wurden, was sich mit den Erfahrungen des AV-Labors deckt. So ist nicht immer der Bildschirm mit dem besseren Ansi-Kontrast überlegen, wenn es um ein Bild mit einigen wenigen hellen und vielen dunklen Bereichen geht. In Szenen mit nur einem weißen Sektor wirkt das Ergebnis natürlicher, wenn das Display im On-off-Kontrast gut abschneidet. Sind dagegen mehrere helle bis weiße Zonen zu sehen, macht sich ein Bildschirm mit guten Ansi-Werten besser. Sogar innerhalb einer Szene ist Schwarz nicht gleich Schwarz: Was zwischen hellen Flächen liegt, wird nicht so dunkel wie schwarze Sektoren am Rand.
Insgesamt bestätigt sich, dass beide Messwerte wichtig sind, dass aber keine Methode wirklich praxisgerecht ist. Möglicherweise gibt es ein solches Verfahren auch gar nicht.

Die richtige Einstellung

Eigentlich kann man den Kontrast gar nicht einstellen – man muss nehmen, was die Technik des Displays und die Raumbedingungen erlauben. Um dieses Maximum zu erreichen, ist es wichtig, dass einerseits der Schwarzwert so dunkel wie möglich, andererseits das Weiß so hell wie nötig ist.
Für den korrekten Grenzwert nach unten kann man sich ein Standbild aus einem Film suchen. Am besten wählt man eine Szene aus, bei der man das Gefühl hat, etwas zu verpassen, weil das Bild zu dunkel ist. Konrtast- und Schärferegler gehören erstmal in Mittelstellung, die Helligkeit fährt man weit herunter. Dann tastet man sich nach oben, bis in den dunklen Sektoren Differenzierungen zu erkennen sind. Sobald mit weiterer Anhebung keine Details mehr dazu kommen, stoppt man. Die gleiche Prozedur macht man mit einem hellen Bild, etwa mit viel Himmel, und dem Kontrastregler.
Präziser geht das Ganze natürlich mit einer ordentlichen Testdisc und genormten Signalen. Gute Discs, etwa von Joe Kane ("Video Essentials") oder Burosch, enthalten immer eine ausführliche Erklärung zum Vorgehen.

Fakten zum Thema Kontrast

  • Der größte Feind des Kontrasts ist das Umgebungslicht, besonders bei Projektion, aber auch bei anderen Bildschirmen.
  • In dunkler Umgebung braucht man zwingend eine andere Kontrasteinstellung als im hellen Raum.
  • Ein gut eingestelltes Bild wirkt nicht spektakulär, aber überzeugt bei Bildmaterial jeder Art.
  • Ein kontrastreiches Bild sieht schärfer aus, auch wenn es nicht mehr Details zeigt.
  • Optimale Einstellung der Farben verschlechtert den Kontrastwert, ist aber notwendig für ein perfektes Bild.
  • Kontrastautomatiken können bei bewegten Bildern nicht vernünftig funktionieren.
  • Weder Ansi- noch On-off-Messung sind alleine aussagekräftig für reale Bilder.
  • Ein Realbild schöpft nicht immer den maximalen Kontrastumfang aus.

HDR – jenseits der Norm

In der Fotografie sorgt HDR schon für viel Wirbel, die Verfahren für High Dynamic Range, also zur Kontrastverbesserung. Damit wird versucht, das einzufangen, was das Auge sehen kann – und das liegt deutlich über allen Kameras. Spektakuläre Bilder zeigen zum Beispiel eine Häuserfront durchgezeichnet, auch wenn im Hintergrund die Sonne untergeht. Bei Fotos geht das mit Auswertung der Original-Bilddaten über spezielle Software oder Mehrfachbelichtung. Mit Video ist HDR derzeit noch nicht realisierbar. Erste Ansätze gibt es in der "Dolby Contrast"-Technik, sie betrifft aber nur die Wiedergabe.

Quelle: Ulrich v. Löhneysen