Diskussion der Bildschärfe und Auflösung von hochauflösendem Fernsehen (HDTV)

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung

2 Definition: High-definition Television
2.1 Eine höhere Videoauflösung
2.1.1 Bildauflösung
2.1.2 Temporale Auflösung
2.1.3 Bewegungsauflösung
2.1.4 Chrominanz- undLuminanzauflösung
2.2 Bildaufbauverfahren: Voll- und Halbbilder
2.3 Bandbreiten bei HD-Übertragung
2.4 Das Bild-Seitenverhältnis
2.5 HDTV-Normen

3 Der Begriff der Bildschärfe
3.1 Schärfe in den Naturwissenschaften
3.1.1 Schärfe im Verständnis der Fotografie
3.1.2 Schärfe in der menschlichen Wahrnehmungsphysiologie
3.2 Der menschliche Schärfe-Eindruck
3.3. Der optimale. Betr.achtungs.abstand
3.4. Das .Verhältnis . zwischen .Auflösung. und. Schärfe .2.0

4 Empirischer Teil
4.1 Einleitung
4.2 Placebo-Studie von Joor, Beekhuizen et al.
4.3 Vergleichs-Studie: 720p gegen 1080i
4.4 Diskussion der Ergebnisse auf Basis der technischen Rahmenbedingungen

5 Resümee

Literaturangaben

Gedruckte Quellen:

Elektronische Quellen:

1 Einführung

Seit Beginn des 20. Jahrhunderts gibt es ständig neue elektronische Weiterentwicklungen. Computer wurden und werden leistungsfähiger, neue Kameras produzieren bessere Bilder und neue Moni- tore stellen schärfere Bilder dar als ältere Modelle. Erst mit leistungsfähigen Computern und hochaufgelösten Kameras sind die Bedingungen für hochaufgelöstes Fernsehen gegeben. Zum Zeitpunkt dieser Arbeit im November 2009 stehen schon seit mehreren Jahren Monitore zur Verfügung, die hochaufgelöste Bilder darstellen können. Das hochaufgelöstes Fernsehen, HDTV, wartet mit einer bis zu fünf mal so hohen Pixel-Auflösung wie herkömmliches Fernsehen auf. Fernsehanbieter und Hersteller von Fernsehgeräten geben vor, mit HDTV erreiche man eine viel bessere Bildqualität, so scharf sei der Bildeindruck. Gar schärfer als die Realität sei HDTV, wie der Medienkonzern „ProSiebenSat1“ Anfang 2006 behauptete¹. Nun soll es nicht Ziel dieser Arbeit sein, Werbebehauptungen zu beurteilen. Die Frage lautet daher: Bringt hochaufgelöstes Fernsehen automatisch eine bessere Bildqualität mit sich? Die Arbeitshypothese dieser Arbeit lautet vorerst, eine bessere Bildqualität kann mit HDTV nur unter optimalen Bedingungen erreicht werden. Diese These soll in dieser Arbeit genauer beleuchtet und korrigiert werden. Optimale Bedingungen seien etwa ein veränderter Betrachtungsabstand oder eine Signalkette, welche HDTV möglichst wandlungsfrei transportiert.

Diese Arbeit wird keine Abhandlung über das Verhältnis zwischen subjektiv wahrgenommener Bildqualität und tatsächlicher Bildqualität in Bezug auf Schärfe im Spannungsfeld Dutzender Faktoren leisten können. Derartige Faktoren können technische Beschränkungen sein, wie HDTV-Sen- der, welche mit geringer Bandbreite ausgestrahlt werden oder auch psychologische Effekte: Beispielsweise gibt eine niederländische Studie an 60 Versuchspersonen Hinweise darauf, dass Rezipienten Unterschiede zwischen HDTV und SDTV (normalaufgelöstes Fernsehen) nicht erkennen können. Den Versuchspersonen war suggeriert worden, HDTV anzusehen, was sie glaubten und von dem vermeintlichen HDTV überzeugter waren als eine SDTV-Kontrollgruppe.²

Dies überspitzt die Fragestellung weiter: Ist die höhere Qualität von HDTV Einbildung oder tatsächlich wahrnehmbar?

Diese Arbeit versucht auf Basis umfangreicher technischer Dokumentationen und mehrerer experimenteller Studien zwischen der Trias des subjektiven Bildeindrucks von Versuchspersonen, den unterschiedlichen technischen Eigenschaften von HDTV sowie den Rezeptions-Bedingungen zu vermitteln. Fragestellungen zur Tonqualität werden aus Gründen der didaktischen Reduktion ausgeklammert und müssen an anderer Stelle behandelt werden.³ Es geht auch nicht um eine aktuelle und komplette Darstellung des Komplexes HDTV im Bezug auf Bildqualität. Dennoch wird im folgenden Kapitel 2 eine Einführung des Komplexes HDTV gegeben, denn der Begriff HDTV meint neben neuen Fernsehnormen auch vieles, was hochauflösend am Computer rezeptiert wird. Der Komplex „HDTV“ wird genauer anhand wichtiger technischer Begriffe ausgeführt.

Im darauf folgenden Kapital 3 werden zwei empirische Studien kurz erläutert: die weiter oben schon angeschnittene Experimental-Studie von Joor, Beekhuizen et al. sowie eine große Bild-Vergleichsstudie von Schuch und Schwahn.

Daran schließt sich Kapitel 4 an, in welchem die Ergebnisse der Studien im Zusammenhang mit den technischen Parametern von HDTV unter Berücksichtigung der Rezeptions-Bedingungen diskutiert werden.

Abschließend folgt in Kapitel 5 ein Resümee der Diskussion und ein Ausblick auf die Zukunft.

Alle URLs dieser Hausarbeit wurden am 29. November 2009 auf Erreichbarkeit geprüft.

2 Definition: High-definition Television

HDTV ist eine Abkürzung für High-definition Television⁴, übersetzt hochaufgelöstes oder hochauflösendes Fernsehen. HDTV bezeichnet somit hochauflösende, neue Fernsehnormen: grob lassen sie sich in „720p“ und „1080i“ aufteilen. In einer Erweiterung soll nicht nur vom Zuschauen des hochaufgelösten Fernsehens die Rede sein, sondern alle Betrachtung hochaufgelöster verbreiteter Bildinhalte auf hochauflösenden Bildschirmen. Dies schließt die Rezeption am Computer eindrücklich mit ein. Das Attribut „hochauflösend“ bezeichnet technische Parameter, welche diejenigen vom normalauflösendem Fernsehen, SDTV⁵, übertreffen. Es gibt viele technische Parameter, die Bildsignale beschreiben. Im Zuge der weltweiten Einführung von HDTV haben sich allerdings nur zwei Werte um den Faktor zwei bis Faktor fünf⁶ verbessert: die Bildauflösung und die zeitliche Auflösung. Es soll kurz darauf hingewiesen sein, dass sich europäisches HDTV und amerikanisches HDTV im Hinblick auf die zeitliche Auflösung, die Bildwiederholrate, unterscheiden: in den USA und Japan beträgt diese in jedem HDTV-Format 60 Bilder pro Sekunde, in Europa 50.⁷ Es gibt wie bereits angesprochen zwei HDTV-Formate. Das Format 720p bietet eine Bildauflösung von 720 mal 1280 Pixeln bei einer Bildwiederholrate von 50 Vollbildern (60 in den USA), das Format 1080i hat eine Bildauflösung von 1920 mal 1080 Pixel bei einer Bildwiederholrate von 50 Halbbildern pro Sekunde (60 in den USA). Allerdings kann das Format 1080i bei der gleichen Bildauflösung auch 25 Vollbilder pro Sekunde beinhalten, genannt 1080/24psf (progressive segmented frames).⁸

HD-Formate werden mit einer Nomenklatur bezeichnet, die sich aus den folgenden technischen Parametern zusammen setzt:

Zeilenzahl + Bildaufbauverfahren + Bildwiederholrate Im weiteren Verlauf dieses Kapitels werden die Begriffe definiert.

Dass das 720p- und das 1080i-Format heute mehr oder minder koexistieren, ist einem Lagerkrieg, dem „Format War“ geschuldet, der von Politik, Fernsehsendern, Fachleuten und auch Amateuren betrieben wurde.⁹ Jedes Format hat seine Vor- und Nachteile; diese werden später diskutiert. An sich liegt der Vorteil von HDTV in einer höheren Bildschärfe und im Falle auch von 720p in einer flüssigeren und schärferen Bewegungsdarstellung. Ursprünglich sollte HD nicht nur zu einem schärferen Bildeindruck führen, vielmehr sollte man den Betrachtungsabstand zum Fernsehgerät reduzieren können¹⁰. Betrachtete man herkömmliches SDTV auf einer großen Leinwand bei kleinem Betrachtungsabstand so sähe man mit durchschnittlicher Sehleistung einzelne Pixel. Mit der höheren Auflösung von HDTV sähe man bei einem optimalen Betrachtungsabständen keine Pixel mehr.¹¹ Dies bedeutet in Konsequenz, dass man seine bisherigen Sehgewohnheiten ändern und näher an den Monitor herankommen muss, möchte man einen Unterschied zwischen HDTV und SDTV sehen. Dies wird in Kapitel 3.3 weitergehend diskutiert.

Im folgenden Kapitel wird versucht, den Begriff der Videoauflösung von seiner umgangssprachlichen Bedeutung im Hegelschen Sinne¹² zu entfremden und in fünf Unterauflösungen zu differenzieren. Es werden nicht alle technischen Eigenheiten von Videosignalen erklärt, dies ist Aufgabe der Nachrichtentechnik.¹³ Es ergibt sich daher die didaktische Schwierigkeit, dass der Begriff des „Bildaufbauverfahrens“ noch nicht definiert ist, er aber notwendig ist, um „Videoauflösung“ zu beschreiben. Umgekehrt lassen sich Bildaufbauverfahren nicht ohne die Videoauflösung beschreiben.

Daher werden „Videoauflösung“ und „Bildaufbauverfahren“ in der Reihenfolge dieses Satzes nacheinander abgehandelt.

2.1 Eine höhere Videoauflösung

Videosignale lassen sich durch unterschiedliche Arten an Auflösung beschreiben: Bild-, Luminanz-, Chrominanzauflösung- und Bewegungsauflösung sowie temporale Auflösung¹⁴. Im allgemeinen Sprachgebrauch meint „Auflösung“ meistens die Bildauflösung. HDTV hat immer eine höhere Bildauflösung und teilweise eine höhere temporale Auflösung, woraus eine höhere Bewegungsauflösung resultiert.

Gemeint sind in diesem Kapitel Videosignale an sich, welche in festen Standards definiert und ausgestrahlt werden.¹⁵ Moderne Fernsehgeräte halten sich dagegen manchmal nicht an diese Standards und errechnen beispielsweise Zwischenbilder aus Videosignalen, um Bewegungsabläufe flüssiger oder schärfer zu gestalten. Dies ist explizit nicht Gegenstand.¹⁶

2.1.1 Bildauflösung

Sämtliche Video-Bildausgabegeräte (etwa Monitore, Projektoren, Displays) haben gemein, Bilder darzustellen. Jedes Bild ist in Hunderttausende bis Millionen kleiner Bildpunkte, Pixel, gerastert. Erst die Summe vieler unterschiedlicher, bunter Bildpunkte ergibt aus einiger Entfernung ein plastisches Bild. Die Feinheit der Rasterung nennt man Bild- oder Pixelauflösung. Sie bezeichnet die Anzahl der horizontalen Bildpunkte multipliziert mit der Anzahl der vertikalen Bildpunkte auf einer Darstellungsfläche. In Europa beträgt die Anzahl der übertragenden Bildpunkte pro Vollbild 720*576 (ergibt rund 414.00) Pixel, bei HDTV sind es 1920*1080 (rund 2.000.000) oder 1280*720 (rund 920.000) Pixel. Eine höhere Bildauflösung bedeutet, dass mehr Details in einem Bild sichtbar sind, und dass dieses Bild schärfer dargestellt wird.

In der Nachrichtentechnik spricht man auch von der Zeilenauflösung. Die Anzahl an Bildzeilen entspricht der Anzahl der vertikalen Bildpunkten.¹⁷ HDTV hat also 1080 oder 720 Bildzeilen, SDTV 576 in Europa, respektive 480 in den USA.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bildauflösung im visuellen Vergleich

SDTV-Auflösung 576 Zeilen HDTV-Auflösung 1080 Zeilen

(Quelle: Artikel HDTV aus der Wikipedia¹⁸ )

2.1.2 Temporale Auflösung

Die Frequenz, mit der sich ein Videobild auf einem Monitor ändern kann, wird in Hertz (Bilder pro Sekunde) ausgedrückt. Die Bildwiederholrate des Videosignals entspricht der temporalen Auflösung. Sie besagt, wie oft sich pro Sekunde das Videobild ändert. Die temporale Auflösung ist nicht mit der Bewegungsauflösung zu verwechseln, da eine Änderung des Videobildes sich teilweise nur auf ein Halbbild und nicht auf ein Vollbild bezieht.

2.1.3 Bewegungsauflösung

Die Bewegungsauflösung oder örtliche Auflösung besagt, wie gut Bewegungen bzw. bewegte Bilder pro Zeit pro Bild aufgelöst werden oder kurz: wie Bewegungen aufgelöst werden. Sie ist abhängig zum einen von der Belichtungszeit der Kamera, d. h. wieviel des abgebildeten Bewegungszyklus in einem Bild aufgezeichnet wird und zum anderen von der temporalen Aufgelöstheit des Vi- deosignals.¹⁹ Durch eine höhere temporale Auflösung (der Bildfrequenz) kann man bei Verwendung von Vollbildern auch eine höhere Bewegungsauflösung erreichen. Das HDTV-Format 720 bietet entweder 60 oder 50 Vollbilder, weshalb es eine gute Bewegungsauflösung erreicht. Die Folge sind schärfere und flüssigere Zwischenbilder, Bewegungen wirken weniger verschwommen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Quelle: Steber, Nowara und Bonse, 2005.²⁰ )

2.1.4 Chrominanz- und Luminanzauflösung

Es fehlen noch zwei technische Auflösungen, Chrominanz- und Luminanzauflösung. Videosignale sind - anders als Computer-Signale - aus den Parametern Chrominanz und Luminanz zusammengesetzt. Ein Pixel lässt sich also mit einer bestimmten Farbinformation, der Chrominanz und einer Helligkeitsinformation, der Luminanz, beschreiben. Aber nicht jedes Pixel trägt beide dieser Information. Da das menschliche Auge Farbunterschiede nur schwer erkennen kann, sendet man nur jedes zweite oder jedes vierte Pixel mit Farbinformationen aus. Die Farbinformation gilt dann auch für umliegende Pixel. Dies dient der Datenreduktion, da Informationen im Videosignal eingespart werden.²¹ Da sich HDTV und SDTV hinsichtlich der Qualität der Chrominanz und Luminanz nicht unterscheiden, wird darauf nicht weiter eingegangen. Dennoch soll darauf hingewiesen sein, dass „Auflösung“ verschiedene Dinge bezeichnen kann, wie dieses Kapitel gezeigt hat. Besonders wichtig sind zum einen die Pixelauflösung und zum anderen die Bewegungsauflösung, die von der temporalen Auflösung abhängt und davon, ob es sich um Voll- oder Halbbilder handelt. Um letztere geht es im nächsten Kapitel.

2.2 Bildaufbauverfahren: Voll- und Halbbilder

Bei Videosignalen kommen unterschiedliche Bildaufbauverfahren zum Einsatz. Ein Bildaufbauverfahren meint, wie ein Bild dargestellt wird. Es gibt die Darstellung in Halbbildern (englisch: „inter- laced“) und in Vollbildern (englisch: „progressive“).

Halbbilder sind Bilder, welche zu einem Zeitpunkt nur zur Hälfte dargestellt werden. Zu einem weiteren Zeitpunkt wird die andere Hälfte des Bildes, das zweite Halbbild dargestellt. Genauer sind es Bilder, in denen nur jede zweite horizontale Bildzeile aktiv ist. Eine Bezeichnung für diese Art der Bilddarstellung ist Zeilensprung.²² Das Gegenteil ist das Vollbild, es wird zu einem Zeitpunkt ganz (voll) dargestellt, zum nächsten Zeitpunkt wird es wieder ganz gewechselt. Manche Fernsehnormen beruhen auf Halbbildern, etwa alle SDTV-Normen und die HDTV-Norm 1080i.²³ Formate, mit dem Buchstaben „i“ (von englisch „interlaced“) sind Halbbildformate, Formate mit dem Buchstaben „p“ (von englisch „progressive“) Vollbildformate.²⁴ Es seien die europäischen Formate als Beispiel herangezogen: Die temporale Auflösung beträgt 50 Hertz, d. h. jede 1/50 Sekunde wird ein Halbbild mit den geraden horizontalen Zeilen gezeigt, nach 1/50 das nächste Halbbild mit den ungeraden horizontalen Zeilen. Damit beträgt die Auflösung pro 1/50 Sekunde 960*1080, dass entspricht der Hälfte von 1920*1080. Dies erklärt, dass sich das Format 1920*1080 erst in Relation zu 1/25 Sekunde definiert. Dagegen bietet das Format 720p jede 1/50 Sekunde die volle Auflösung von 1280*720. 720p definiert sich also in Relation zu 1/50 Sekunde. Es erscheint logisch, bei Verglei- chen von Bildauflösungen das gleiche Zeitintervall zu wählen.²⁵ Dies sei das Zeitintervall eines Vollbildes eines jeden Formates.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Eigene Darstellung, Bilder teils Wikipedia²⁶ )

Das Bildaufbauverfahren des Zeilensprungs kommt aus der Anfangszeit des Fernsehens. Ursprünglich diente er um die Bandbreite der damals noch analogen Videosignalen und der Ausstrahlung zu halbieren und zugleich die Bewegungsauflösung zu erhöhen, dies allerdings bei halbierter Bildauflösung. Dies ist heute technisch nicht mehr notwendig. Es wurde sich wiederholt gegen den Zeilensprung ausgesprochen.²⁷ Trotz aller Forderungen nach einer Abschaffung des Zeilensprung und nach der Einführung reiner Vollbildformate, gibt es das Format 1080i. Argumentiert wurde für das Format aus Gründen der Abwärts-Kompatibilität auf Produzenten und Konsumenten-Seite zu bestehenden Halbbild-Umgebungen.²⁸ Auch die nominell höhere Auflösung wurde vorgebracht. Multipliziert man die Auflösung pro gleichem Zeitintervall und rechnet dies auf eine Sekunde hoch, erhält man die Menge an Daten pro Sekunde, die Bandbreite eines Videosignals. Die Menge an Daten pro Sekunde, die man sieht, sollte ein guter Indikator für die Qualität eines Videoformats sein.

[...]

¹ Pressemitteilung von ProSiebenSat1 Media AG am 6. März 2006, URL: http://www.sevenoneinteractive.de/205.html?&cHash=7a26cb709a&tx_ttnews[backPid]=524&tx_ttnews[pS]=1227331 327&tx_ttnews[tt_news]=298

² Vgl. Joor, Beekhuizen et al., 2009

³ Zur Einführung: Lerch, Reinhard. Technische Akustik. Berlin, 2009.

⁴ „HDTV“, „hochaufgelöstes Fernsehen“ und „HD“ werden in dieser Arbeit synonym verwendet. Gemeint ist die Betrachtung von hochaufgelösten Bildinhalten auf Fernsehgeräten und Computern. Analog meint „SDTV“ das gleiche wie „SD“ und „normalaufgelöstes Fernsehen“.

⁵ Aus Gründen der Lesbarkeit wird hier von SDTV gesprochen, was der Vielzahl an technischen Normen nicht gerecht wird. SDTV kann digital als auch analog produziert und/oder ausgestrahlt werden. Für Europa gilt die Norm ITU-R „BT.501“, für die USA ITU-R „BT.470-7“.

⁶ Die Frage, um welchen Faktor HDTV und SDTV sich bezüglich ihrer Pixelauflösung unterscheiden, hat zum einen systematische Hintergründe, da es verschiedene HDTV-Fernsehnormen - 720p (Faktor 2 Pixelauflösung in Bezug zu SDTV) und 1080i (Faktor 5, ebenda) - gibt und weist zum anderen methodisch auf die strittige Frage, ob bei der Fernsehnorm 1080i die Pixelauflösung eines Vollbildes zur Berechnung herangezogen werden soll oder ob nur die eines Halbbildes zählt. Dazu siehe Kapitel 2.2 und 2.3. Es scheint einen Konsens darüber zu geben, dass die zeitliche Auflösung einen ebenso wichtigen Einfluss auf die Bildqualität wie die Pixelauflösung hat, siehe dazu weiter in Kapitel 3.

⁷ Die Problematik 50 und 60 Hertz ist bis heute störend zum Umrechnung von Bildinhalten, die die Atlantikseite wechseln. Die Tatsache, dass überhaupt bei Bildwiederholraten nationale Unterschiede existieren, lässt sich geschichtlich mit der Kopplung von Fernseh-Wiederholraten an die Netzfrequenz des elektrischen Stroms erklären. Bei der Einführung von HDTV wurden aus Gründen der Abwärtskompatibilität die Bildrate von SDTV im jeweiligen Land übernommen. Eine Notwendigkeit für eine Kopplung an die Netzfrequenz ist nicht mehr gegeben. Vgl. Schmidt 2009, S. 31.

⁸ Vgl. Schmidt, 2009. S. 149.

⁹ Vgl. Laven, 2005, siehe auch http://www.ebu.ch/en/technical/trev/trev_301-editorial.html

¹⁰ Vgl. BET-Fachwörterbuch, URL: http://www.bet.de/lexikon/begriffe/HDTV.htm

¹¹ Schmidt, 2009, S. 264.

¹² Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Entfremdung

¹³ Weiterführende Literatur: „Die Grundlagen der Fernsehtechnik“, Mahler, Gerd, Berlin, 2005. „Digitale Fernseh- und Hörfunktechnik in Theorie und Praxis“, Fischer, Walter, Berlin, 2009.

¹⁴ Vgl. Schmidt, 2009, S. 151, vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/High_Definition_Television

¹⁵ Vgl. Standard ITU-R BT.709 für HDTV und BT.601-5 für SDTV

¹⁶ Vgl. http://www.elektronikpraxis.vogel.de/displays/articles/104914

¹⁷ Vgl. Schmidt, 2009, S. 250.

¹⁸ http://de.wikipedia.org/wiki/High_Definition_Television

¹⁹ Vgl. Steber, Nowara und Bonse, 2005, S. 49-51.

²⁰ Vgl. ebenda.

²¹ Vgl. Schmidt, 2009. S. 140 u. S.185.

²² Vgl. Schmidt, 2009, S. 432 u, 150f.

²³ Das Format 1080 kann allerdings auch ein reines Vollbildformat sein, welches mit 25 Vollbildern pro Sekunde arbeitet. Dieses Format wird dann 1080/25psf genannt (progressive segmented frames), wie weiter oben in Kapitel 1 angedeutet. Technisch wird dennoch 25p über 50i übertragen. Ein Vollbild wird dort auf zwei Halbbilder zerteilt. Die Videobandbreite ist somit identisch mit 1080/50i.

²⁴ Im Kapitel 2.5 - Fernsehnormen sind diese Formate näher aufgeführt.

²⁵ Wählt man keinen Referenz-Zeitrahmen, in dem die Bildauflösung definiert werden kann, so kann man dies in Groteske abführen. Man mag sich ein Gedankenexperiment vorstellen, bei dem es ein neues HDTV-Format gibt, welches mit einer imposanten Auflösung von 99999x133333 daherkommt. Allerdings beträgt die Frequenz nur ein Bild pro Monat. Damit wäre der Videobegriff (=bewegtes Bild) ad absurdum geführt.

²⁶ http://de.wikipedia.org/wiki/Halbbild

²⁷ Wood, 2004. Vgl. http://www.ebu.ch/en/technical/trev/trev_300-wood.pdf

²⁸ Vgl. ebenda.