Version 1.6 | Datum 06/10/2009
  mediajournal
 
       
 


Ralf Erhardt

 

Progressive Abtastung bei DVD-Playern

Technik, Nutzen und Probleme des neuen Vollbildstandards

Fachhochschule Stuttgart, Nobelstraße 10, 70569 Stuttgart, Germany

Die Fernsehtechnik kämpft seit Jahrzehnten ein verzweifeltes Gefecht zwischen Bildqualität und seinen Übertragungsnormen. Ob PAL, NTSC oder SECAM, alle basieren aus Gründen der begrenzten Bandbreite auf Zeilensprung-/Halbbild-
verfahren. Besonders bei Filmmaterial als Quelle entsteht da natürlich der Wunsch nach einer möglichst perfekten Darstellungsform in Vollbildern, dem Kino gleich, ohne Interlace-Artefakte und in gesteigerter Auflösung. Durch die zunehmende Verbreitung der DVD wird dieser Wunsch nun Realität.
Seit März 2003 sind in Deutschland offiziell DVD-Abspielgeräte erhältlich, die aus PAL-Material Vollbilder für Plasmadisplays generieren oder mit Hilfe von Videoprojektoren auf die heimkinoeigene Leinwand zaubern.

Wie funktioniert "Progressive Scan"?

Um die Technik nutzen zu können braucht es bestimmte Vorraussetzungen. Plasmadisplays oder Videoprojektoren, welche mit den progressiven Normen (480p für NTSC, 576p für PAL, 720p und 1080p für HDTV) kompatibel sind, genauso wie eine entsprechende Verkabelung sind notwendige Ergänzungen zu einem progressiven Zuspielgerät. Für das Videosignal kommen nur drei Übertragungswege in Frage: Reine YUV-Farbkomponentensignale (vgl. Abb. 1), alternativ mit Synchroninformationen, wie sie in der VGA-Norm festgeleg--t sind (vgl. Abb. 2), oder die volldigitale Signalübertragung über DVI (vgl. Abb.3). Standardanschlüsse wie Composite,
S-Video oder die „RGB über Scart“- Verbindungen können keine progressiven Signale übertragen.
So war es bisher Heimkino-Enthusiasten vorbehalten, über einen speziell mit Hardware-Decodern ausgerüsteten PC an progressive DVD-Bilder zu gelangen. Computer kennen keine Halbbilder. Die Integration des PCs ins Wohnzimmer, eine aufwendige Verkabelung und Konfiguration, sowie eine Menge Know-how waren jedoch nötig, um wirklich bessere Ergebnisse, als über einen High-End-Interlace-Player zu erzielen. Diese Zeiten sind nun vorbei. Mit Denon, Philips, Pioneer und Sony haben vier Premiumhersteller den Schritt aufs progressive Glatteis gewagt und einen aktuellen Progressive-Scan-DVD-Player im Sortiment.

Abb. 1: DVD-Player-Anschlüsse Abb. 2 u. 3: VGA/DVI



Wie entstehen progressive Bilder im DVD-Player?

Gäbe es ein Abspielmedium, das die 24 Vollbilder eines Kinofilms in seiner reinen, progressiven Form abspeichern könnte, wäre diese Frage einfach zu beantworten. Doch leider stellen sich die Fernsehnormen auch hier selbst ein Bein. Das Filmmaterial muss, um für den Massenmarkt gerüstet zu sein, natürlich in der entsprechenden Norm auf DVD gebannt werden, darüber hinaus sieht auch der DVD-MPEG2 Standard keine Vollbildspeicherung vor. Das bedeutet, dass die progressiven Abspielgeräte diesen Schritt der Industrie, also die Aufsplittung der Filmvollbilder in Halbbilder, wieder rückgängig machen muss, um dann an seinen YUV-Ausgängen Vollbilder präsentieren zu können. Dies nennt man „De-Interlacing“, man spricht auch von einem „2-3 Pulldown“ bei NTSC oder „2-2 Pulldown“ bei PAL.

2-2 Pulldown:
Bei PAL ist der --Vorgang recht einfach zu verstehen. Die 24 Vollbilder des Filmmaterials werden jeweils in Zwei Halbbilder geteilt. Es entstehen 48 Halbbilder, die um die PAL-Norm zu erfüllen etwa 4% beschleunigt abgespielt werden, so dass eine Frequenz von 50 HZ, also 50 Halbbildern in der Sekunde entsteht. Ein Spielfilm ist in PAL also immer etwas kürzer als im Original („PAL-Speed-Up“). Da der Inhalt der jeweils beiden Halbbilder exakt derselbe ist, kann der progressive DVD-Player diese Aufsplittung relativ problemlos rückgängig machen und wieder Vollbilder liefern.

2-3 Pulldown:
Bei NTSC verhält sich die Sache schon schwieriger. Da die Wechselfrequenz nicht 50 sondern 60 Hz beträgt, müssen aus den 24 Vollbildern nun genau 60 Halbbilder generiert werden. Um dies zu erreichen wird jedes Zweite Bild in drei Halbbilder unterteilt, was bedeutet, dass immer wieder ein Halbbild wiederholt gezeigt wird. Somit treffen bei den 30 Vollbildern in der Sekunde, immer wieder Zwei Halbbilder aufeinander die unterschiedliche Informationen enthalten. (vgl. Abb. 4) Um dieses Konstrukt erfolgreich zu „de-interlacen“ sind eine Menge technischer Finessen notwendig.

Abb. 4: 2-3 Pulldown

































Noch schwieriger verhält es sich bei Video-Ausgangsmaterial, das ja schon in Halbbildern aufgezeichnet wird. Für eine detaillierte Beschreibung dieser Problematik empfiehlt es sich, auf die Fachliteratur zurückzugreifen.

Wie arbeitet ein De-Interlacer?

Es gibt fünf verschiedene Prinzipien, die ein De-Interlacer einsetzt. Da je nach Bildinhalt jeder dieser Modi seine Vor- und Nachteile hat, ist ein progressiver DVD-Player stets eine Mischung aus allen Techniken, die er je nach Qualität besser oder schlechter einzusetzen weiß. --Die Modi sind:

“Single-Field-Interpolation” (Bob):
Hierbei wird jedes Halbbild zu einem Vollbild skaliert, wobei der nicht vorhandene Inhalt aus den benachbarten Zeilen interpoliert wird. Wenn es nicht richtig funktioniert erscheint das Bild jedoch wie mit einer Pixelstruktur versehen und die Auflösung geht verloren, selbst bei guten Ergebnissen tendieren feine, waagrechte Linien zu zittern. Dieser Basis-Algorithmus des De-Interlacing wird immer dann eingesetzt, wenn alle anderen keine brauchbaren Ergebnisse liefern.

“Field-Combining" (Weave):
Die beiden zusammengehörigen Halbbilder werden kombiniert. Dies funktioniert dann sehr gut, wenn wenig Bewegung und andere Unterschiede in den Bildern vorhanden sind. Vor allem bei PAL wird dies häufig eingesetzt, nur bei schnellen Bewegungen versagt dieser Modus und es kommt zu „Combing“-Effekten.

“Vertical Filtering”:
Eine Spezialfunktion, die aus den PC-DVD-Playern stammt. Sie baut auf das „Weaving“ auf und verhindert, einem Weichzeichner ähnlich, durch leichten Verlust der vertikalen Auflösung die „Combing“-Effekte.

“Motion-Adaptive-De-Interlacing":
Eine Reihe von Algorithmen, die durch eine Kombination der vorhandenen Techniken, ein bestmögliches progressives Bild erreichen ohne dass die Auflösung vermindert erscheint.

“Motion-Compensated-De-Interlacing":
Die beste Variante, die jedes einzelne Halbbild genau auf Bewegungen analysiert und dann entsprechend passend zusammengefügt. Dies findet man nur in sehr teuren De-Interlacern, progressive DVD-Player können dies bis jetzt nicht.

Welche Vor- und Nachteile bringt "Progressive Scan" mit sich?

Wie man aus dem komplizierten technischen Aufbau schon vermuten kann,-- hängt der Erfolg in enormer Weise von den verwendeten Geräten und deren Zusammenspiel ab. Es kann also sein, dass die Verbesserung der Bildqualität durch den Anschluss eines progressiven Players gigantisch ist. Genauso kann es aber auch passieren, dass das Bild schlechter wird. Zum Beispiel dann, wenn ein sehr teurer Videoprojektor verwendet wird, der bereits selbst einen hochwertigen De-Interlacer besitzt, und so für alle Videoquellen enorme Bildverbesserungen leistet. Ein günstiger progressiver Player kann hier keine Verbesserung erreichen, im Gegenteil, die Nachteile würden sogar überwiegen. Deshalb kann man nur im speziellen Fall von Verbesserungen berichten, die aber tatsächlich sehr deutlich sein können. Das Bild wird als flüssiger, mehr filmähnlich empfunden, die vertikale Auflösung scheint erheblich höher, darüber hinaus verschwindet das leidige Zeilenflimmern, ja sogar die gesamte Zeilenstruktur scheint zu verschwinden, insbesondere dann, wenn sehr große Diagonalen bei geringeren Betrachtungsabständen realisiert werden. Typische Aliasing-Effekte, wie die klassischen flimmernden Jalousien im Anwaltszimmer gehören der Vergangenheit an, das Bild erreicht insgesamt, besonders aber bei wenig bewegten Inhalten eine enorme Ruhe. Wer einmal ein perfekt synchronisiertes und harmonisierendes System erlebt hat, möchte keine „Interlace-Bilder“ mehr sehen.

Doch der Weg dahin ist weit, wie schon angedeutet, gibt es eine große Anzahl an Problemen, die die Technik mit sich bringt. Hauptsächlich sind diese Probleme in der Unterschiedlichkeit des Ausgangsmaterials begründet. Im Folgenden sind alle bekannten Probleme aufgelistet: „Alternating Progressive Flag“, „No Progressive Flag“, „Progressive Flag on Non-Progressive Material“, „Progressive Flag on Non-Progressive Material“, „3-3 and 2-2 Sequences“, „Film-to-Video Transitions“, „Shot on Film, Edited as Video“, “Film Montages”. Genaue Informationen darüber findet man in der entsprechenden Fachliteratur.

<--/A>

Wie machen sich diese Probleme bemerkbar?

Folgende typische Fehler, die bei progressiver Abtastung auftreten können, sind bekannt:

Abb. 5: Combing


“Combing”:
Die beiden zusammengefügten Halbbilder passen nicht genau ineinander, dies kann passieren wenn sich das Objekt im Film bewegt. Es werden kleine, spitze Linien sichtbar und man bekommt ein Doppelbild bei der Bewegung (vgl. Abb. 5). Je stärker und ruckartiger die Bewegung, desto störender erscheint dieser Effekt. Mit der Methode “Vertical Filtering” kann der Combing-Effekt verbessert werden. Der Eindruck des Doppelbildes bleibt erhalten, jedoch die störenden Linien sind verschwunden. Dies geht allerdings auf Kosten der vertikalen Auflösung, die dann nur noch die Hälfte beträgt.


“Alternating”:
Der Wechsel der De-Interlacing-Art während der ein und derselben Szene ist ebenfalls ein Problem. Als Beispiel sieht man links das Bild (vgl. Abb. 6), wie es mit „Field-Combining“ und in der Mitte (vgl. Abb. 7) mit “Single-Field Interpolation” zusammengesetzt wurde. Man merkt deutlich die verminderte Auflösung beim mittleren Bild. Problematisch wird eine Umschaltung der beiden Prinzipien während des De-Interlacing-Vorgangs. Die Schärfe im Bild scheint zu schwanken. (vgl. Abb. 8) Abb. 6 u. 7: Alternating Abb. 8: Alternating












Abb. 9: Moiré


“Moiré”:
Ein Effekt der dann auftreten kann, wenn der De-Interlacer versucht, mit wie oben beschriebenem "problematischem Ausgangsmaterial" zurechtzuko--mmen. Er kann die exakten Ränder der Objekte innerhalb der beiden verschiedenen Halbbilder nicht genau auseinanderhalten. Man spricht deshalb auch von einem „False-Contour“-Effekt, ähnlich der Aliasing-Problematik bei Interlace-Bildern, wenn für die vorhandene Auflösung zu viele, zu kleine Details vorhanden sind. Beispiele dafür sind leere Zuschauertribünen (vgl. Abb. 9) oder sehr klein karierte Hemden, wie sie oft im Fernsehen bei Talkshows zu beobachten sind.


“Chroma Upsampling Error” (CUE):
Hierbei handelt es sich um Artefakte im Farbdifferenzsignal, die sich durch horizontale Streifen, vor allem in leuchtenden, stark gesättigten Farbbereichen bemerkbar machen. Die Gründe dafür liegen in der verminderten Auflösung, die dem Farbdifferenz-Signal (chroma) im Vergleich zum Helligkeitswert (luma) zur Verfügung steht. Diese Probleme sind aber nicht ausschließlich progressiven Playern vorbehalten, auch bei normalen DVD-Playern kann man diesen Fehler hin und wieder beobachten. Man erkennt im rechten Bild den Fehler in der Farbe Lila (vgl. Abb. 10). Abb. 10: CUE














Fazit:

Beide Arten, sich DVD-Material anzuschauen haben Ihre Nachteile und Probleme, die Progressivtechnik jedoch wartet mit einer Reihe von Vorteilen gegenüber den guten alten Interlace-Playern auf. Nie zuvor gelang es, den silbernen Scheiben ein derart plastisches und filmähnliches Bild zu entlocken, das, je größer die verwendete Diagonale wird, mit erstaunlicher Bildruhe auf der Leinwand besteht. Technisch schon seit Jahren machbar, aus kopierschutzrechtlichen Gründen jedoch bis März 2003 nur in den USA mit NTSC Material realisiert, erfreut es nun auch die PAL-Gemeinde, und das mit im Vergleich zu NTSC gesteigerter Auflösung und kompatiblerer „2-2 Dekodierung“. Bis es endlich überall auf --der Welt HDTV gibt, das Kino mit 24P digital revolutioniert ist und irgendwann auch echte „Vollbilddatenträger“ erhältlich sind, ist PAL-Progressive im Heimkino eine wirkliche Alternative.

 

Literaturliste

[1]:  Taylor, Jim, 2000
"DVD Demystified"

2nd Edition, MCGRAW-HILL PUBL. COMP
URL: http://www.www.dvddemystified.com

[2]:  Musil, Don / Florian, Brian, 2000
"DVD-Player Benchmark"

URL: http://www.hometheaterhifi.com/volume_7_4/dvd-benchmark-part-5-progressive-10-2000.html

[3]:  Finzel, Peter, 2003
"Das DVD-Buch"

Polzer, Potsdam
URL: http://www.peterfinzel.de