Bildskalierung

Bildskalierung rechnet ein Videobild von der Auflösung, in der es vorliegt, auf die Punktzahl um, die das Anzeigegerät darstellen kann — nach oben beim Hochrechnen einer kleineren Quelle, nach unten, wenn das Signal feiner ist als das Panel. Neue Bildinformation entsteht dabei nicht: Das Verfahren verteilt vorhandene Helligkeits- und Farbwerte auf ein anderes Punktraster und muss dabei schätzen, was zwischen den alten Punkten liegt.

Ausführliche Erklärung

Der Bildgeber eines Projektors oder Fernsehers hat eine feste Zahl an Bildpunkten, und diese Zahl ändert sich nie. Ein Gerät mit 3.840 × 2.160 Punkten stellt jedes ankommende Bild auf genau diesen Punkten dar, ganz gleich, womit es angeliefert wurde. Ein großer Teil dessen, was tatsächlich läuft, kommt aber mit weniger: Fernsehen mit 1.280 × 720 oder 1.920 × 1.080 Punkten, DVDs mit 720 × 576, ältere Serien und Archivmaterial oft darunter. Irgendein Gerät in der Kette bringt das zusammen, und die Frage ist nur, welches und wie gut.

Gerechnet wird über die Lage der Punkte. Über das alte Raster legt das Verfahren ein neues, feineres, und für jeden neuen Punkt bestimmt es einen Wert aus den alten Punkten in seiner Umgebung — je näher ein alter Punkt liegt, desto stärker zählt er. Wie weit die Umgebung reicht und wie die Gewichte verlaufen, unterscheidet die Verfahren voneinander. Der einfachste Weg kopiert schlicht den nächstgelegenen Punkt und erzeugt sichtbare Blöcke. Eine gerade Verteilung zwischen zwei Nachbarn ergibt ein weiches Bild ohne Blöcke, aber auch ohne Biss. Aufwendigere Verfahren ziehen vier, sechs oder mehr Nachbarn heran und lassen die Gewichte schwingen — das nach dem ungarischen Mathematiker Cornelius Lanczos benannte Filter ist der bekannteste dieser Fälle. Solche Verfahren halten Kanten steil, und genau daraus entsteht der Preis, den der nächste Abschnitt beschreibt.

Ganze und krumme Faktoren

Der freundlichste Fall ist der ganzzahlige. Ein Full-HD-Bild auf ein 4K-Raster ist eine Verdopplung in beide Richtungen: Aus jedem alten Punkt werden genau vier neue, und jeder neue Punkt liegt zu seinen alten Nachbarn genauso wie jeder andere neue Punkt. Das Gewichtsmuster wiederholt sich damit über das ganze Bild, statt sich von Punkt zu Punkt zu verschieben. Auch 1.280 × 720 auf 3.840 × 2.160 geht glatt auf, hier mit dem Faktor drei.

Krumm wird es bei allem anderen. Ein PAL-Bild mit 576 Zeilen auf ein Raster mit 2.160 Zeilen liegt beim Faktor 3,75 — jede neue Zeile findet eine andere Ausgangslage vor, die Gewichte wechseln von Zeile zu Zeile. Bei fließenden Bildinhalten fällt das kaum auf. Sichtbar wird es an regelmäßigen Strukturen: Jalousien, Gitter, Karomuster, feine Schrift im Abspann. Dort werden aus gleich breiten Linien abwechselnd breitere und schmalere, und sobald sich das Bild bewegt, wandert dieses Muster mit und flimmert. Wer wissen will, ob ein Gerät ordentlich rechnet, sieht sich altes Fernsehmaterial mit einem Gitter im Bild an und nicht die 4K-Demoszene.

Schärfe, Rechenfehler, Rauschen

Zwischen diesen drei Größen entscheidet jedes Skalierungsverfahren, und es kann nicht alle drei zugleich bedienen.

Ein Verfahren, das Kanten steil hält, verstärkt auch das, was direkt neben der Kante liegt. Sichtbar wird das als heller Saum an dunklen Kanten und als Doppelkontur an Schrift — ein Überschwinger des Filters, der aussieht wie eine nachgeschärfte Aufnahme. Dazu kommen Treppen an schrägen Linien, wo das neue Raster die alte Kante in Stufen zerlegt.

Der zweite Preis ist das Rauschen. Ein Verfahren unterscheidet nicht zwischen einem echten Detail und einem Störpunkt; was es an Kanten gewinnt, hebt es auch am Bildrauschen und an den Blockkanten eines knapp komprimierten Streams. Bei sauberem Material zahlt sich Aufwand deshalb aus, bei schlechtem Material kann er das Bild verschlechtern. Aufwendige Signalwege setzen aus diesem Grund vor der Skalierung an und mindern Rauschen und Kompressionsartefakte zuerst — die Reihenfolge der Schritte entscheidet hier mit über das Ergebnis.

Der dritte Weg vermeidet beides und verliert dafür Auflösung: Ein weiches Verfahren zeigt weder Säume noch verstärktes Rauschen, sein Bild wirkt aber flau. Welcher dieser Kompromisse der richtige ist, hängt am Material, und deswegen bieten bessere Geräte mehrere Stufen an, statt eine Einstellung für alles zu haben.

Ein Sonderfall bleibt das Herunterrechnen. Liegt das Signal feiner vor, als das Panel darstellt — 4K-Material auf einem Full-HD-Projektor —, fließen mehrere Quellpunkte in einen Bildpunkt zusammen. Das mittelt und beruhigt: Rauschen geht zurück, Kanten bleiben sauber, und die beschriebenen Säume treten kaum auf. Gutmütig ist das aber nur, solange das Verfahren wirklich mittelt. Wirft es stattdessen überzählige Punkte weg, geht feine Struktur nicht verloren, sondern schlägt als grobes Muster zurück ins Bild — dieselben Jalousien und Karos wie oben, nur aus dem umgekehrten Grund. Herunterrechnen ist deshalb der einfachere Fall, nicht der harmlose.

Warum der Fehler mit der Bildgröße wächst

Alle beschriebenen Fehler haben eine feste Größe in Bildpunkten — ein Saum ist ein oder zwei Punkte breit, eine Treppenstufe genauso. Wie groß sie ankommen, entscheidet die Fläche: Auf einem Fernseher mit 1,20 Metern Bildbreite ist ein 4K-Bildpunkt rund 0,3 Millimeter breit, auf einer Leinwand mit 3,00 Metern gut 0,78 Millimeter. Derselbe Rechenfehler wird damit rund zweieinhalbmal so groß, und der Sitzabstand wächst im Heimkino selten im gleichen Verhältnis mit.

Ob er auffällt, entscheidet der Winkel, unter dem er am Auge erscheint; die Auflösungsgrenze des normalsichtigen Auges liegt bei rund einer Bogenminute. Ein zwei Punkte breiter Saum misst auf dem Fernseher gut einen halben Millimeter und bleibt bei den üblichen zweieinhalb bis drei Metern Sitzabstand unter dieser Grenze; auf der Leinwand sind es gut anderthalb Millimeter, und aus vier Metern liegt er darüber. Dieselbe Zuspielung sieht deshalb im Wohnzimmer tadellos und im Kinoraum unruhig aus, und Aufwand an dieser Stelle zahlt sich erst ab einer gewissen Bildgröße aus.

Wer in der Kette rechnet

Skalieren können in einer typischen Anlage mehrere Geräte: der Zuspieler, der AV-Receiver auf dem Weg, das Anzeigegerät selbst und ein externer Videoprozessor, wenn einer im Weg sitzt. Das letzte Gerät rechnet immer, denn seine Punktzahl steht fest.

Sinnvoll ist genau ein Rechenschritt, und zwar im Gerät mit dem besten Verfahren; alle anderen geben das Signal unverändert weiter. Stellt ein Zuspieler ein 1080p-Bild auf 4K und das Anzeigegerät rechnet daran noch einmal, addieren sich zwei Schätzungen, von denen die zweite auf den Fehlern der ersten aufsetzt. In der Praxis heißt das: im Zuspieler die Ausgabe auf die native Auflösung der Quelle stellen und die Skalierung dem Gerät überlassen, das sie am besten beherrscht. Welches das ist, zeigt ein Vergleich mit demselben schwierigen Material — Fernsehmaterial mit Gittern, ein knapp komprimierter Stream, ein Abspann mit feiner Schrift.

Häufiges Missverständnis

„Der Prozessor macht aus HD echtes 4K" ist der Satz, mit dem Hochrechnung verkauft wird, und er stimmt in keinem Verfahren. Was im Signal nicht steht, kann kein Rechenschritt zurückholen; eine weichgezeichnete Aufnahme wird auf mehr Punkten nur größer dargestellt. Was ein gutes Verfahren wirklich leistet, ist bescheidener und trotzdem sichtbar: Es zeigt die vorhandene Information ohne zusätzliche Rechenfehler. Der Unterschied zwischen einem sparsamen und einem aufwendigen Verfahren liegt darin, wie viel Schaden beim Umrechnen entsteht, und nicht darin, wie viel Detail dazukommt. Lernende Verfahren, die aus Beispielmaterial plausible Details ergänzen, verschieben diese Grenze — sie erfinden dabei allerdings Bildinhalt, was bei Gesichtern und Schrift ein eigenes Risiko ist.

Der zweite Irrtum sitzt beim Zuspieler. „Ich habe eine 4K-Quelle, also wird bei mir nichts skaliert" gilt für die UHD-Blu-ray und kaum für den Rest des Abends. Fernsehen, Mediatheken und ein guter Teil der Streamingkataloge liegen unterhalb der Panelauflösung; der Zuspieler rechnet dann selbst hoch und gibt ein 4K-Signal aus, dem man von außen nicht mehr ansieht, aus welcher Auflösung es entstanden ist.

Nicht zu verwechseln mit

• Pixel-Shift: Versetzt das fertige Bild im Lichtweg hinter dem Bildgeber um einen halben Bildpunkt. Die Skalierung arbeitet davor, am Signal.
• Zwischenbildberechnung: Erzeugt zusätzliche Bilder in der Zeit und ändert die Bewegungsdarstellung. Die Skalierung ändert die Zahl der Punkte in der Fläche und lässt die Zeitachse unberührt.
• Deinterlacing: Ergänzt Zeilen, die in der Übertragung nie gleichzeitig vorlagen, und steht damit im Signalweg vor der Skalierung. Diese bekommt ein vollständiges Bild und ändert nur dessen Punktraster.
• Zoom und Overscan: Verändern den Bildausschnitt — es wird beschnitten und vergrößert. Skalierung bildet dagegen den vollen Ausschnitt auf ein anderes Raster ab.
• Farbunterabtastung: Überträgt die Farbanteile gröber als die Helligkeit; das Anzeigegerät bringt sie wieder auf das volle Raster. Rechnerisch ähnelt das der Skalierung, betrifft aber nur die Farbe und nicht die Auflösung des Bildes.

In der Planung

Ein Mediaroom mit 3,00 Metern Bildbreite, 4K-Projektor, Hauptsitzplatz auf 4,00 Metern. Gesehen wird gemischt: Sport und Nachrichten im Fernsehen, Serien aus Mediatheken, an Wochenenden ein Film von der UHD-Blu-ray.

Zuerst die Frage nach dem Programm: Welcher Anteil davon liegt unter der Auflösung des Bildgebers? Hier sind es geschätzt vier von fünf Stunden. Damit gehört die Skalierung zum Normalbetrieb dieses Raums, und bei drei Metern Bildbreite ist sie sichtbar.

Daraus ergibt sich der Weg: Ein Rechenschritt, an der besten Stelle, mit Rauschminderung davor. Praktisch heißt das, den Fernsehempfang und die Mediathek-Zuspielung in nativer Auflösung an das Gerät weiterzugeben, das am besten rechnet, und alle übrigen Geräte auf Durchreichen zu stellen.

Erst danach kommen Geräte an die Reihe. Oft rechnet der vorhandene Projektor besser, als sein Ruf vermuten lässt, und der Vergleich mit dem AV-Receiver dauert zehn Minuten mit demselben Material. Bleibt danach ein sichtbarer Rückstand, ist ein externer Videoprozessor die nächste Stufe — wann sich das lohnt und woran es sonst noch hängt, führt die Seite zum externen Videoprozessor aus.

Verknüpfte Inhalte

Warum ein Gerät mit versetztem Bild trotzdem „4K" heißt und wo der Unterschied zur nativen Auflösung liegt, steht beim Pixel-Shift. Wie weit man für eine gegebene Bildbreite sitzen sollte, führt der Sichtwinkel aus. Warum knapp komprimiertes Material dem Skalierer schwerer fällt, erklären die Bildtypen der Videokompression. Wie ein Breitbildfilm auf eine breite Leinwand kommt und was dabei am Signal geschieht, behandelt die anamorphe Projektion; ob sich für all das ein eigenes Gerät im Signalweg lohnt, die Seite zum externen Videoprozessor.

Quellen

Die Auflösungsgrenze des Auges von rund einer Bogenminute ist im eigenen Wissensstand über die LED-Wand- und die Pixel-Shift-Seite belegt. Die Beschreibung der Verfahren und ihrer Nebenwirkungen folgt der signaltheoretischen Grundlage der Abtastung und Rekonstruktion.