Progressive Scan - der lange Weg zum perfekten Vollbild

Veröffentlicht: Dienstag, 22. März 2011 08:45
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Früher waren CRT-TVs Standard. Daher musste man, sollten Kinofilme auf normalem Equipment dargestellt werden, die Vollbilder der Originalvorlage in Halbbilder umfunktionieren - was nicht allzu einfach zu realisieren ist, denn Kinofilme kommen auf 24 Vollbilder pro Sekunde, während PAL 50 Halbbilder pro Sekunde zu 25 Vollbildern zusammensetzt. Die 24 Vollbilder der Kino-Vorlage kann man also nicht einfach zu Halbbildern machen, dann käme man auf 48 Halbbilder pro Sekunde - unbrauchbar. Möchte man daher einen Kinofilm für PAL optimieren, muss man zu einem Trick greifen...

Es werden bei einer PAL-DVD anstatt der 24 Bilder 25 überspielt, das 50 (die PAL-Bildwiederholfrequenz in Hz) ein Vielfaches von 25 ist und die 25 Vollbilder dann einfach auf 50 Halbbilder verteilt werden können (genannt 2:2-Pulldown). Aufgrund dieser Tatsache läuft der Film minimal schneller, was bei einer PAL-DVD zu einer um 4 % kürzeren Laufzeit führt.  Herkömmliche 35- und 70-Millimeter-Filme werden ebenfalls mit 24 Bildern pro Sekunde belichtet. Hier kann man das Flimmern reduzieren, indem man den Film mit 48 Bildern pro Sekunde auf die Kinoleinwand projiziert. Jedes Bild wird dabei zweimal abgebildet - nach folgendem Schema:  A/A     B/B     C/C     D/D

Herkömmliche CRT-Fernseher hingegen arbeiten nach dem Zeilensprung- oder "Interlaced"-Verfahren, also mit Halbbildern. Flachbildschirme – also LCD- oder Plasmageräte, die sich mittlerweile auf breiter Front durchgesetzt haben – benötigen für die Ansteuerung des Panels Vollbildsignale – allerdings gibt es genug Quellen, die nur Halbbilder anliefern. Das normale DVB-T-Tunersignal, analoges SD-Fernsehen sowie die DVD basieren immer noch auf dem Halbbildverfahren, somit ist ein akkurates De-Interlacing nach wie vor elementar wichtig.

Bei NTSC mit einer Bildwiederholfrequenz von 60 Hz ist der 2:2-Pulldown untauglich. Hier muss eine andere Art des Pulldowns her, um auf eine zu den 60 Halbbildern (Video Fields) kompatible Anzahl von Einzelbildern pro Sekunde zu kommen - nicht einfach, wenn man von 24 Film-Einzelbildern pro Sekunde (fbs, Frames per second) ausgeht. Das erste Film-Einzelbild (Film-Frame), nennen wir es A, wird dreimal wiederholt und wird bei der Video-Übertragung aufgenommen auf Halbbild 1 (Field 1) und Halbbild 2 (Field 2) des ersten Videoeinzelbildes (Video-Frame) sowie auf Halbbild 1 (Field 1) des zweiten Videobildes - also dreimal. Der zweite Film-Frame B wird nur zweimal wiederholt und auch nur zweimal aufgenommen, daraus ergibt sich das Halbbild 2 des zweiten Video-Frames und das Halbbild 1 des dritten Video-Frames - Durch diese Vorgehensweise im 3:2-Rhytmus (Fachbegriff 3:2 Pulldown) wird nach sechsmaligem Wiederholen dieser Sequenzen aus den 24 Frames, die ein Film pro Sekunde erzeugt, 30 Video-Frames (fps, Frames per second)  bzw. 60 Video-Fields.

De-Interlacing von Film- sondern auch von Videomaterial

Wichtig ist nicht nur das saubere De-Interlacing von Film- sondern auch von Videomaterial. Daher gibt es von Burosch auch bewegte Realfilmsequenzen, die mit Videokameras gedreht wurden, wie hier im oberen Bild Panoramaaufnahmen von Esslingen. Sehr interessant ist es, die Struktur der Hausdächer während der langsamen Kamerafahrt zu betrachten: Flimmern die einzelnen Dachziegel, so arbeitet der De-Interlacer nicht akkurat. Ruckelt der Bewegungsablauf, so ist ebenfalls von einem unzureichenden De-Interlacing auszugehen. Bilden sich Nachzieheffekte, so erscheint das Bild unscharf, Details sind nicht mehr präzise auszumachen.

Realfilm-Sequenz mit dem Stadtbild von Esslingen

Auch dieser Teil aus der Realfilm-Sequenz mit dem Stadtbild von Esslingen sagt viel über die Qualität der signalverarbeitenden Elektronik aus. So muss die Struktur des Holzes auch während der langsamen Kamerafahrt klar erkennbar sein. Flimmern darf ebenso wenig vorkommen wie Unschärfeeffekte.

Grundsätzlich wird beim Interlaced (Zeilensprung) - Verfahren) in PAL und in NTSC nicht das ganze Bild auf einmal angezeigt, sondern zunächst ein Halbbild mit den geraden Zeilen und anschließend ein zweites Halbbild mit den ungeraden Bildzeilen. Durch den schnellen Wechsel der Halbbilder fällt dies allerdings beim Betrachten eines TV-Bildes nicht direkt auf. Nur die gut sichtbaren horizontalen Linien stören auf den ersten Blick. Wer genauer hinschaut, kann bei Interlaced-Bilddarstellung besonders bei Bewegungen Mängel wie z.B. nicht absolut saubere Konturen. Jedes Halbbild stellt ein eigenes Bild dar. Ist nun keine Bewegung im Bild, so merkt das Auge nichts, sozusagen "in Ruhe" kann aus den zwei Halbbildern ein komplettes Bild erstellt werden, da sich in den Bildinhalten von Halbbild 1 zu Halbbild 2 nichts ändert. Sind aber schnelle Bewegungen (wie z.B. der Tritt des Fußballspielers gegen den Ball, ein vorbeirasendes Formel 1-Auto) oder Kameraschwenks (z.B. ein schneller Schwenk ins Publikum bei einem Rockkonzert) zu beobachten, so ist es nicht mehr möglich, aus den beiden Halbbildern ein komplettes, von den Konturen her deckungsgleiches Bild darzustellen, da die Bewegung innerhalb der beiden Halbbilder fortschreitet und so die Schaffung eines klaren Bildes vereitelt. Das Ergebnis ist sichtbar in Form von unsauberen Konturen und einem unruhigen Bild mit störenden Streifenmustern.  Zur Lösung dieser Probleme ist Progressive Scan genau das richtige Mittel, denn hier entfällt die mängelbehaftete Halbbildwiedergabe. Übrigens: In der Computertechnik ist die Vollbildwiedergabe schon lange Standard.

Progressive Scan : Probleme in der Praxis

Der DVD- oder Blu-ray-Player muss die auf der DVD enthaltenen Halbbilder zu Vollbildern zusammensetzen. Alternativ kann auch die Videoelektronik des Bildwiedergabegeräts genutzt werden.
Erinnern wir uns: Zur Umsetzung des Vollbild-Filmmaterials wurden die (durch ein etwas schnelleres Abspielen) auf 25 erhöhten Vollbilder pro Sekunde auf 50 Halbbilder verteilt. Nun muss der DVD-Player die beiden Halbbilder, die ursprünglich zusammen ein Vollbild ergeben, wieder zusammensetzen - sozusagen das Ursprüngliche wiederherstellen.
Ohne Schwierigkeiten schafft jeder Progressive Scan-Player die Darstellung nur bei 100 % korrekt gemasterten DVDs - gemeint ist damit: Beim Erstellungsprozess, dem "Mastering" der DVD, achten die Verantwortlichen darauf, dass die DVD für Progressive Scan-DVD-Player die richtigen Informationen bereit hält bzw. dafür sorgt, dass der Progressive Scan-DVD-Player das Material auf der DVD problemlos richtig erkennt und schnell geeignet bearbeiten kann. Wer nun denkt, dass dies kein größeres Problem ist, da eigentlich die meisten DVDs  - mit nur wenigen Ausnahmen - korrekt erstellt sein müssten, der irrt. Der Grund: Die Mastering-Ansprüche beziehen sich auf eine fehlerfreie Interlaced-Signalausgabe, weil damals, als die DVD auf den Markt kam, CRT-TVs Standard waren. Das heißt: Eine Disc, die beim Anschauen via Interlaced keinerlei Fehler verursacht, kann einen Progressive Scan-DVD-Player vor schwere Aufgaben stellen, da es bei der Interlaced-Signalausgabe nur wichtig ist, dass im Endeffekt 50 Halbbilder für die Interlaced-Weiterverarbeitung herauskommen. Noch schwieriger wird für den DVD-Player die Aufgabe des De-Interlacings, wenn DVDs mit echtem Videomaterial eingelegt werden. Z.B. Fernsehserien, Live-Konzerte und Reisedokumentationen werden von Videokameras aufgezeichnet, die nach dem Interlaced-Verfahren arbeiten. Dies hat zur Folge, dass schon das Ursprungsmaterial in Interlaced vorliegt und es dem Player folglich nicht möglich ist, zwei ursprünglich zu einem Vollbild gehörende Halbbilder wieder zusammenzusetzen. Hier gibt es nur Halbbilder, die nicht aus ein und der selben Momentaufnahme (es sei denn, es sind Bilder ohne Bewegung, die über einen gewissen Zeitraum ohne Veränderungen dargestellt werden) kommen, was die Progressive-Aufbereitung deutlich erschwert. Um Video-Quellmaterial akkurat zu bearbeiten, muss der Player die fehlenden Bildinformationen aus diesem Grunde selber errechnen - denn: Insgesamt hat PAL 576 Bildzeilen, jedes Halbbild besteht aber verständlicherweise nur aus der Hälfte der Zeilen, da ja mit einem Halbbild die geraden und mit dem anderen die ungraden Bildzeilen dargestellt und dann zu einem Bild zusammengefügt werden. Also muss der Player jedem Halbbild 288 Zeilen hinzufügen, und das 50 mal pro Sekunde, was durch eine Interpolation aus dem vorhandenen Bildmaterial geschieht. Solche Interpolationsvorgänge sind nicht unbedingt unproblematisch. In der Praxis ergeben sich, je nach Qualität der Interpolation, große Qualitätsunterschiede im Bild.

De-Interlacing gleitet das Pendel ohne Nachzieheffekten

Bei einem erstklassigen De-Interlacing gleitet das Pendel, ganz gleich, in welcher Geschwindigkeit es sich gerade befindet, mit gleichmäßiger, ruckelfreier Bewegung durchs Bild.. Die schwarze Linie steht ruhig und flimmert nicht. Die Struktur des Pendels muss klar erkennbar bleiben und nicht verwischen – dies wäre eine Folge von Nachzieheffekten, die durch ein nicht überzeugendes De-Interlacing hervor gerufen werden

De-Interlacer, werden die Laufschriften bewegungsscharf dargestellt

Arbeitet der De-Interlacer korrekt, werden die Laufschriften unabhängig von der Geschwindigkeit bewegungsscharf und klar dargestellt. Die Kontur der einzelnen Buchstaben ist korrekt erkennbar. Es kommt weder zu Doppelkonturen noch zum „Ausfransen“ der Buchstbaben-Umrissen. Auch Nachzieheffekte (ein Teil der weißen Füllung der Buchstaben „verfolgt“ die Schrift) sind ein Zeichen unzureichenden Displays. Aber: Bei einem LCD-Gerät kann es auch trotz exzellentem  De-Interlacing zu Nachziehern kommen. Diese haben ihre Begründung in der zu langsamen Reaktionszeit der Flüssigkristalle im LC-Display.  
Schlecht interpolierte Bilder wirken unsauber, unnatürlich und ungenau, die Gesamtbildschärfe des Bildes sinkt. Wie stark die Bildschärfe durch die Interpolation eingeschränkt ist, hängt von der Güte ab, in der der Player den Vorgang durchführt. Was geschieht bei Bildsequenzen, in denen für einige Zeit keinerlei Bewegung zu erkennen ist? Bei solchen Bildsequenzen (z.B. mehrere Sekunden lang wird ein und die selbe Einstellung gezeigt, z.B. Palmen auf einer Insel oder eine Blume bzw. ein Tier im Detail), kann man die Halbbilder auch durch schlichtes Zusammen fügen zu Vollbildern machen - hier ist kein Unterschied vorhanden zwischen Halbbild 1 und Halbbild 2, es bewegt sich nichts. Sobald jedoch Bewegung im Bild enthalten ist, ist es aus mit dem Zusammenfügen - denn sonst taucht der berüchtigte Kammeffekt wieder auf, und einer der Hauptvorteile der progressiven Bilddarstellung - nämlich diesen unschönen Effekt zu vermeiden - ist dahin.
Um ein fehlerfreies Bild nach der Progressive Scan-Bildsignalverarbeitung zu garantieren, ist ein aufwändiger Chip notwendig. Eine schnelle und präzise Untersuchung des vorliegenden Quellmaterials, die eine pixelgenaue Analyse beinhaltet, nutzt der Player für die akkurate Bilddarstellung. Vorteil: Der Chip kann mit diesen Voraussetzungen schnell und genau die geeignete Form des De-Interlacings anwenden, je nach dem, ob Video- oder Filmmaterial vorliegt.  Zudem sorgen zwei verschiedene Progressive-Modi bei Blu-ray- und DVD-Playern für eine optimale Anpassung - je nach dem, ob der Player selber die komplette Quellmaterialanalyse vornimmt (dabei analysiert der DVD-Player permanent das Bildmaterial, was sehr rechenaufwändig ist, soll das Ergebnis stimmen) oder auf der DVD die Progressive-Flags korrekt gesetzt sind und der Player sich sozusagen auf die Informationen auf der DVD verlassen kann (in der Praxis prüft er diese aber nochmals genau nach und rekonstruiert so exakt den Filmverlauf).