Aus 2 mach 1 – Deinterlacing

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Einleitung

„Deinterlacing? Schon mal gehört, aber dafür ein eigener Artikel?“
„Das macht doch mein Bildschirm alles automatisch!“

Beide Einwände sind verständlich – und deshalb orientiert sich dieser Artikel auch daran. Die Geschichte von den Halbbildern ist noch lange nicht erledigt; mit den modernen Flachbildschirmen sogar aktueller denn je. Gleichzeitig erscheint das Thema oft sehr verwirrend, aber man kann mit etwas Einblick nur deutlich gewinnen: An Bildqualität!

Dabei soll dieser Artikel, dessen Titel im Übrigen nur einen speziellen Teilaspekt des gesamten Themas erfasst, die notwendigen Grundlagen liefern, ohne sich in die allerkleinsten Details zu verlieren.

Darauf aufbauend werden Gründe und Möglichkeiten zur Verbesserung für mancherlei Probleme aufgezeigt, die man mit der Thematik vielleicht zunächst gar nicht in Verbindung bringt. Auch auf viel zitierte Vorbehalte, wie „interlaced ist schlechter als progressiv“, soll dieser Text eingehen.

Was ist Deinterlacing und warum braucht man es?

Zunächst ein kurzer Abstecher in die gute alte Zeit. Die Situation ist hier im Prinzip ähnlich gelagert, wie im IT-Bereich. Historische Entwicklungen schlagen dabei bis in die heutige Zeit durch, um eine Abwärtskompatibilität zu gewährleisten.

Gut in Erinnerung geblieben ist sicherlich noch die Aufregung um den „Millennium Bug“, der seine Ursachen im teuren und knappen Speicher der 60er und 70er Jahre hatte. Folglich verzichtete man bei Datumsangaben einfach auf die ersten beiden Ziffern für das Jahr.

Im TV-Bereich liegt die Entwicklung noch etwas länger zurück, aber auch hier gab es das Bestreben, knappe Ressourcen einzusparen. Konkret ging es um die benötigte Bandbreite bei der Übertragung. Eine geringe Bildwiederholfrequenz stellte sich als Mittel zur Lösung heraus.

Um dennoch ein möglichst flimmerfreies Bild zu erreichen, wurde als Konsequenz nicht in Vollbildern (progressiv), sondern Halbbildern (interlaced) übertragen. Ein Vollbild ergibt sich hierbei aus zwei Halbbildern. Das Verfahren wird auch als Zeilensprung bezeichnet.

An dieser Stelle ein kleiner Einschub für das Verständnis des nachfolgenden Textes:

Wichtige Fachbegriffe

Halbbild (engl.: Field): Ein Halbbild besteht jeweils aus den geraden (even) und ungeraden (odd) Bildzeilen – und nicht, wie man vielleicht annehmen könnte, aus der oberen und unteren oder rechten und linken Hälfte eines Vollbildes. Das ist auch der Grund, warum es zu einer Verminderung des Flimmerns bei Wiedergabe auf einem Röhrenfernseher kommt: Obwohl die Netto-Bildwiederholfrequenz (PAL) nur 25Hz beträgt, hat man aufgrund der Nachleuchtdauer der Phosphorschicht des Fernsehers und der wechselseitigen Anzeige der Halbbilder prinzipiell den Bildeindruck einer Ansteuerung mit 50Hz.

Interlaced steht für die Übertragung von Halbbildern.

Halbbilder/Fields pro Sekunde (engl.: fields per second), kurz: fields/s gibt die Anzahl der Halbbilder an, die pro Sekunde übertragen bzw. aufgenommen werden.

Vollbild (engl.: Frame): Logischerweise besteht ein Vollbild natürlich aus allen Bildzeilen und nicht nur aus Halbbildern. Ziel des Deinterlacings ist die Erzeugung von Vollbildern, da moderne Fernseher oder Beamer mit LCD- und Plasma-Technologie eben nicht wie die alten Röhren-TVs im Zeilensprungverfahren mit „Fields“ arbeiten, sondern auf „Framebasis“, also mit Vollbildern.

Progressiv steht für die Übertragung von Vollbildern.

Bilder/Frames pro Sekunde (engl.: frames per second), kurz: fps gibt die Anzahl der Vollbilder an, die pro Sekunde übertragen bzw. aufgenommen werden.

Kadenz (engl.: cadence): Der Begriff Kadenz bezeichnet den Rhythmus, in dem bei einer Umrechnung von Progressiv-Material auf ein Interlaced-Signal die Vollbilder auf die Halbbilder verteilt werden:

2:2 – Je zwei benachbarte Fields ergeben einen Frame
3:2 – Ein Frame wird abwechselnd auf zwei bzw. drei Fields verteilt
x:y – Andere, eher ungewöhnliche Verteilung, zu finden z.B. bei Zeichentrickmaterial

SD / SD-Material (engl.: standard definition): SD bezeichnet alle üblichen Standardauflösungen von Bildmaterial; für das europäische PAL-System beträgt die Auflösung beispielsweise 768 x 576 Pixel.

HD / HD-Material (engl. high definition): Hochauflösendes, detailreiches Bildmaterial. Derzeit gibt es die gängigen HD-Auflösungen 1.280 x 720 (HD) und 1.920 x 1.080 (Full-HD).

Weil heutige Flachbild-TVs, wie bereits erwähnt, auf Framebasis arbeiten, viele Übertragungswege und Medien aber immer noch Interlaced-Signale liefern, obliegt hier dem Deinterlacing eine außerordentliche Bedeutsamkeit. Schließlich müssen die ankommenden Halbbilder in passende Vollbilder umgewandelt werden und das klappt nicht immer gleich gut.

Vollbild / Halbbild
Vollbild / Halbbild

Progressive Zuspielung

Ein Deinterlacing ist natürlich nur bei Zuspielung von Interlaced-Signalen notwendig. Wird mit progressiven Signalen gearbeitet, umgeht man den Deinterlacer des Bildschirms. Das übernimmt dann entweder der Zuspieler (z. B. DVD Player), oder das Bildmaterial liegt selbst schon in progressiver Form vor.

Gutes und schlechtes Deinterlacing

Der Einfluss des Deinterlacings auf die Bildqualität ist erheblich. Während z. B. das Scaling (also das Hochskalieren des Eingangssignals auf die Panelauflösung) heute überwiegend brauchbar ist, sind beim Deinterlacing teils große Defizite vorhanden. Mögliche Lösungen finden sich in der Verlagerung des Deinterlacing-Vorgangs auf spezielle externe Geräte – hier bieten sich ein HTPC oder Videoprozessor an.

Beide Varianten werden in einem separaten Artikel noch behandelt. Freilich besteht ihr Vorteil nicht nur im guten Deinterlacing: Eine andere Möglichkeit ist die Nutzung der neuen HD-Medien (BluRay, HD-DVD), sofern die Ausgabe auch progressiv erfolgt und idealerweise direkt mit 24 Frames pro Sekunde (fps), was Abspielgerät und TV unterstützen müssen.

Wo findet sich heute noch Interlaced-Material bzw. wo werden noch Interlaced-Signale ausgestrahlt?

An erstaunlich vielen Stellen:

  • DVD
  • analoge Broadcasts
  • digitale SD (standard definition) Broadcasts
  • digitale HD (high definition) Broadcasts (sofern in 1.920 x 1.080 ausgestrahlt)

Die neuen HD-Medien, also BluRay und HD-DVD, speichern das Material hingegen framebasiert, allerdings nur, wenn Filmmaterial als Quelle vorliegt. Das führt direkt zu folgender Fragestellung:

Interlaced ist nicht gleich interlaced?

Das ist zutreffend! Entscheidend ist, von welcher Quelle das Material stammt:

Film

Kinofilme und einige Fernsehproduktionen wurden und werden framebasiert auf Film gedreht, gleiches gilt für diverse ältere Serien, letztere zumeist auf 16mm-Film, während für Kinoproduktionen 35mm-Film zum Einsatz kommt. Hierbei wird weltweit mit 24 fps gearbeitet, ein Umstand, der in der weiteren Betrachtung noch von Bedeutung ist.

Natürlich wird zunehmend digital, also ohne Film gearbeitet. Zur Vereinfachung wird aber in diesem Artikel, sofern es sich um eine Aufzeichnung in Frames handelt, von Film gesprochen, gleich ob digitale oder analoge Aufzeichnung und unabhängig vom eingesetzten Medium.

Das progressive Ausgangsmaterial mit seinen 24 echten Frames pro Sekunde passt in dieser Form nicht zu einer Interlaced-Bildübertragung. Also werden die Vollbilder auf die zur Verfügung stehenden Halbbilder verteilt. Im PAL-Einzugsgebiet (u.a. Deutschland) sind dies entsprechend 50 Fields pro Sekunde (fields/s).

Eine gleichmäßige Aufteilung ist ohne Weiteres nicht möglich. Aus diesem Grund beschleunigt man das in 24 fps vorhandene Quellmaterial leicht auf 25 fps. Dieser Prozess wird als „PAL Speed-up“ bezeichnet. Nun erst ist es möglich, ein Vollbild einfach in zwei Halbbilder aufzuteilen (linear).

Frame zu Field (2:2 Pulldown)
Frame zu Field (2:2 Pulldown)

In Ländern, in denen NTSC zum Einsatz kommt (z.B. USA), wird dagegen mit einer Bildwiederholfrequenz von 60Hz gearbeitet. Nun stehen also 60 fields/s zur Verfügung. Eine Beschleunigung auf 30 fps, um wiederum eine möglichst einfache, lineare Aufteilung durchführen zu können, ist in diesem Fall jedoch nicht ohne erhebliche Verfälschung des Originals möglich.

Deshalb werden die 24 fps nichtlinear auf 60 fields/s aufgeteilt: Den ersten Frame auf zwei Fields, den zweiten Frame auf drei Fields, den dritten wieder auf zwei Fields, den vierten auf drei Fields usw.… Diesen Prozess der abwechselnden Verteilung eines Vollbildes auf zwei bzw. drei Halbbilder bezeichnet man gemäß dem Verteilungsmuster als „3:2 Pulldown“ (oder auch Telecine).

„Auf drei Fields verteilt“ ist an dieser Stelle vielleicht etwas irreführend. Es findet tatsächlich keine Drittelung statt: zwei Fields ergeben auch hier einen Frame, nur dass anschließend noch ein Field angehangen wird (beim korrekten Deinterlacing muss dieses im Übrigen verworfen werden). Diese Nichtlinearität bringt leider einen Nachteil bei der flüssigen Bildwiedergabe mit sich. Darum soll es in diesem Artikel aber nicht gehen, dieses Thema wird an anderer Stelle noch behandelt.

Grundsätzlich muss nicht den ganzen Film hindurch die Kadenz sauber durchgehalten werden. Denkbar sind zudem Einstreuungen von Videomaterial oder gemischtes Material (z. B. bei Einblendungen). Bei echtem Videomaterial ist der Begriff der Kadenz nicht zutreffend! Hier gibt es, wie im Folgenden erwähnt, einen zeitlichen Versatz zwischen jedem Field.

Frame zu Field (3:2 Pulldown)
Frame zu Field (3:2 Pulldown)

Video

Die meisten Serien, Sportübertragungen, Dokumentationen und einige Fernsehproduktionen, werden nicht auf Film, sondern auf Video produziert. Hierbei entstehen die Halbbilder somit direkt bei der Aufnahme: Es wird mit 50 bzw. 60 fields/s aufgenommen. Im Gegensatz zur progressiven Aufzeichnung gibt es hier zwischen jedem Field einen kleinen zeitlichen Versatz.

Das bedeutet für das Deinterlacing eine besondere Schwierigkeit. Vorteilhaft ist hingegen die schnellere Bildabfolge. Fußballübertragungen mit 24 fps wären unansehnlich, weil die schnellen Bewegungen und Kameraschwenks mit dieser Bildwiederholrate nicht ausreichend flüssig dargestellt werden können.

Auch bei der Videoaufnahme wird inzwischen digital aufgezeichnet; der Einfachheit halber wird für die Aufzeichnung von Fields im Folgenden aber der Begriff „Video“ verwendet, egal ob die Aufzeichnung analog oder digital erfolgt.

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