Pulldown und Kadenzwandlung

Pulldown verteilt vorhandene Bilder ungleichmäßig auf einen schnelleren Takt: Einzelne bleiben länger stehen als ihre Nachbarn, neue entstehen dabei keine. Die Kadenz ist das Muster, in dem sich diese ungleiche Verteilung wiederholt — beim Klassiker 3:2 steht jedes zweite Filmbild anderthalbmal so lange wie das davor.

Nötig wird das immer dann, wenn sich die Bildrate des Materials nicht ganzzahlig in den Takt der Ausgabe teilen lässt. Der Preis ist eine Bewegung, die regelmäßig stockt, obwohl an der Anlage nichts defekt ist.

Warum 24 nicht glatt in 60 passt

Bildraten sind historische Festlegungen aus zwei verschiedenen Welten, und sie sind nie zusammengeführt worden. Der Kinofilm läuft seit der Tonfilmzeit mit 24 Bildern je Sekunde, das Fernsehen hat seinen Takt an der Netzfrequenz ausgerichtet — 60 Hz in Nordamerika und Japan, 50 Hz in Europa. Beide Familien stehen bis heute nebeneinander: Als Bildfrequenzen für hochauflösendes Material sind 60, 50, 30, 25 und 24 Hz gemeinsam festgelegt, wobei die unteren drei für besondere Programmproduktion gedacht sind.

Die Rechnung dahinter ist einfach und unerbittlich. 60 geteilt durch 24 ergibt 2,5. Ein Bild lässt sich aber nur ganzzahlig oft anzeigen — zweimal oder dreimal, nichts dazwischen. Der Mittelwert 2,5 wird deshalb aus zwei verschiedenen Zahlen zusammengesetzt: einmal drei, einmal zwei.

Bei 120 Hz sieht dieselbe Rechnung anders aus. 120 geteilt durch 24 ergibt genau 5, und damit steht jedes Filmbild gleich lang. Dasselbe gilt für 48, 72 und 96 Hz. Die Frage ist also nie, ob ein Gerät schnell genug ist, sondern ob seine Rate ein ganzzahliges Vielfaches der Materialrate ist. Dass diese beiden Raten überhaupt auseinanderfallen dürfen, ist eine bewusste Festlegung der Fernsehnormung: Der Bericht der ITU-R zum Stand des ultrahochauflösenden Fernsehens hält ausdrücklich fest, dass die Bildrate des Anzeigegeräts nicht dieselbe sein muss wie die des Studios oder der Übertragung.

Eine zweite Zahlenfamilie kommt aus der Farbfernseh-Ära dazu. Neben 24, 30 und 60 Hz gibt es 23,976, 29,97 und 59,94 Hz — dieselben Werte, geteilt durch 1,001. Für das Verständnis der Kadenz ändert das nichts: 59,94 geteilt durch 23,976 ergibt ebenfalls 2,5. Wichtig ist die Familie trotzdem, weil sich die beiden nicht mischen lassen. Wer 24,000 Hz in eine Kette schickt, die auf 59,94 Hz läuft, bekommt zusätzlich zum Pulldown eine langsame Drift, die sich alle paar Minuten als ausgelassenes oder doppeltes Bild zeigt.

Das 3:2-Schema und was man davon sieht

Der klassische Fall heißt 3:2-Pulldown, in der Fachliteratur auch 2:3 — gemeint ist dasselbe Muster, nur mit einem anderen Anfangspunkt.

Ausgezählt am progressiven Fall: Vier Filmbilder A, B, C und D sollen zehn Takte eines 60-Hz-Rasters füllen. A steht drei Takte, B steht zwei, C steht drei, D steht zwei — zusammen zehn. Danach beginnt das Muster von vorn. Über eine Sekunde gerechnet gehen 24 Filmbilder so in 60 Takte auf.

Was daraus für die Standzeit folgt, ist der eigentliche Punkt. Ein Takt bei 60 Hz dauert rund 16,7 Millisekunden. Das Bild mit drei Takten steht also rund 50 Millisekunden, das mit zwei Takten rund 33 Millisekunden. Die Bewegung im Bild geht aber gleichmäßig weiter: Zwischen zwei aufgenommenen Bildern liegt immer derselbe Weg, egal wie lange das Bild danach steht. Ein gleich großer Sprung nach ungleich langer Pause — das nimmt das Auge als Stocken wahr.

Sichtbar wird es fast nur bei ruhigen, gleichförmigen Bewegungen, weil das Auge dort mitzieht und die Ungleichmäßigkeit vergleichen kann: langsame Kameraschwenks über eine Landschaft, gleichmäßige Kamerafahrten, ein laufender Abspann. Bei schnellen Schnitten und hektischer Bewegung geht derselbe Fehler unter. Die Fernsehnormung kennt diese Abhängigkeit von der Objektgeschwindigkeit und führt die ungleichmäßige Bewegungswiedergabe bei niedriger Bildfrequenz als eigene Störungsart.

Im Halbbild-Verfahren kommt eine zweite, hässlichere Folge dazu. Dort werden Halbbilder verteilt statt ganzer Bilder wiederholt: Vier Filmbilder ergeben zehn Halbbilder, also fünf Videobilder. Zwangsläufig enthalten zwei dieser fünf Videobilder Halbbilder aus zwei verschiedenen Filmbildern. An bewegten Kanten sieht man dann einen Kamm aus ineinander verzahnten Zeilen. Er stammt aus der Verteilung selbst und ist kein Fehler der Übertragung.

Wie die Kadenz ins Signal kommt

Für die Praxis entscheidend ist eine Unterscheidung, die kein Datenblatt nennt: Ob die Kadenz im Material steckt oder ob sie nur angewiesen ist.

Eingebrannt heißt: Das Material liegt tatsächlich mit 60 Takten je Sekunde vor, die Wiederholungen sind echte Bilddaten. Die ursprünglichen 24 Bilder lassen sich daraus nur zurückgewinnen, indem ein Gerät das Muster erkennt und die Doppelgänger wieder herauswirft.

Angewiesen heißt: Gespeichert sind die 24 Originalbilder, und das Signal enthält daneben die Anweisung, welches davon wie oft auszugeben ist. Genau dafür kennt die MPEG-2-Videokodierung zwei Schalter im Kopf jedes Bildes. Der eine sagt, dass das erste Halbbild nach dem zweiten noch einmal ausgegeben wird — statt zweier Halbbilder entstehen drei. Der andere bestimmt, ob bei progressivem Material ein codiertes Vollbild einmal, zweimal oder dreimal ausgegeben wird. Der Standardtext beschreibt das Ergebnis unmissverständlich: Die Ausgabe besteht dann aus zwei beziehungsweise drei identischen progressiven Vollbildern.

Warum ist das wichtig? Weil im zweiten Fall nichts verloren ist. Eine Blu-ray mit einem Kinofilm speichert die 24 Bilder und nicht die 60 Takte; was daraus wird, entscheidet erst der Zuspieler. Steht er auf fester 60-Hz-Ausgabe, brennt er den Pulldown ein, bevor irgendein anderes Gerät ihn sehen konnte. Steht er auf der Bildrate des Materials, gibt er 24 Bilder aus, und die Frage stellt sich für die ganze Kette nicht mehr.

Kadenzerkennung im Anzeigegerät

Ist der Pulldown eingebrannt, bleibt der Rückweg. Anzeigegeräte und Videoprozessoren führen ihn unter Namen wie Filmmodus, Film Mode oder Kadenzerkennung; fachlich heißt er inverses Telecine.

Das Verfahren beobachtet die eingehenden Bilder und sucht nach dem regelmäßigen Muster aus Wiederholungen. Erkennt es die Fünferfolge, verwirft es die Doppelgänger, setzt die ursprünglichen 24 Bilder wieder zusammen und zeigt sie danach gleichmäßig — auf einem 120-Hz-Panel also fünfmal je Bild. Das Ergebnis entspricht dann dem, was eine direkte 24-Hz-Zuspielung von vornherein geliefert hätte.

Drei Fälle bringen die Erkennung regelmäßig aus dem Tritt:

Gebrochene Kadenz. Wurde das Material erst mit Pulldown auf 60 Hz gebracht und danach geschnitten, passt das Muster über die Schnittstelle hinweg nicht mehr. Die Erkennung braucht einige Bilder, bis sie sich neu eingefunden hat, und in dieser Zeit sieht man das, was sie eigentlich verhindern soll.

Gemischtes Material. Über einem Filmbild mit 24 Hz liegt eine Einblendung, die im Videotakt läuft: ein Laufband, ein Punktestand, eingebrannte Untertitel, ein animiertes Senderlogo. Für den Hintergrund gilt die eine Kadenz, für die Einblendung eine andere — und eine Entscheidung für beides zugleich gibt es nicht.

Wechselnde Kadenzen. Ein Zusammenschnitt aus Filmmaterial mit 24 Hz und Videomaterial mit 30 Hz wechselt die Kadenz mitten im Programm. Jeder Wechsel kostet die Erkennung eine Einschwingzeit.

Diese Beobachtung kostet außerdem Zeit: Wer ein Muster erkennen will, muss mehrere Bilder abwarten, bevor er entscheiden kann. Wie sich die Verzögerung bis zum sichtbaren Bild insgesamt zusammensetzt, steht bei Input-Lag. Mit jeder Verzögerung im Bildweg läuft der Ton dem Bild davon — was das für eine eingemessene Anlage heißt, steht bei Zeitlage von Ton und Bild.

Häufiges Missverständnis

„Das Ruckeln heißt, mein Gerät rechnet zu langsam." Die Ungleichverteilung ist exakt, geplant und in jedem Durchlauf identisch. Sie folgt aus einer Division, die nicht aufgeht, und ein schnellerer Prozessor ändert daran nichts. Was hilft, ist eine Ausgaberate, die ein ganzzahliges Vielfaches der Materialrate ist.

„Mein Fernseher hat 120 Hz, damit ist das Thema erledigt." Der Vorteil entsteht erst, wenn die 24 Bilder auch als 24 Bilder ankommen. Gibt der Zuspieler vorher feste 60 Hz aus, ist die ungleiche Verteilung bereits in den Bildern enthalten, und das Panel wiederholt sie brav mit — jetzt eben sechsmal und viermal statt dreimal und zweimal. Das Verhältnis 3:2 bleibt unverändert, und mit ihm das Stocken.

„Pulldown und Zwischenbildberechnung sind dasselbe." Beide arbeiten an derselben Stelle, gehen aber gegensätzlich vor. Pulldown wiederholt Bilder, die es gibt, und erzeugt dabei die ungleichmäßige Bewegung. Die Bewegungsinterpolation rechnet Bilder, die es nie gab, und beseitigt die Ungleichmäßigkeit auf Kosten von Rechenfehlern und Verzögerung — ausgeführt bei Bewegungsinterpolation.

„In Europa gibt es das Problem nicht." 50 ist ebenso wenig ein Vielfaches von 24 wie 60. Der klassische europäische Weg war ein anderer: Das Material wurde um gut vier Prozent beschleunigt und mit 25 Bildern je Sekunde abgespielt, wodurch jedes Filmbild gleich lang steht und die Bewegung gleichmäßig bleibt. Bezahlt wurde das mit einer um denselben Faktor kürzeren Laufzeit und einem hörbar höheren Ton. Heute geben Zuspieler in aller Regel 24 Hz direkt aus, und die Frage verschiebt sich zurück auf das Anzeigegerät.

Nicht zu verwechseln mit

• Bewegungsinterpolation: erzeugt zusätzliche Bilder, die in der Quelle nie existiert haben, und kostet dafür Rechenzeit und Verzögerung. Pulldown erzeugt kein einziges neues Bild — siehe Bewegungsinterpolation.
• Variable Bildwiederholrate (VRR): verschiebt den Zeitpunkt, zu dem ein vorhandenes Bild gezeigt wird, und beendet den festen Takt ganz. Behandelt bei VRR und QMS.
• Deinterlacing: setzt zwei Halbbilder zu einem Vollbild zusammen. Das ist eine räumliche Aufgabe und liegt im selben Verarbeitungsschritt wie die Kadenzerkennung, weshalb beides oft in einem Atemzug genannt wird. Die Kadenz entscheidet dabei, welche Halbbilder zusammengehören.
• Bildwiederholrate des Anzeigegeräts: die Angabe „120 Hz" nennt einen Höchstwert. Ob und wie ein Gerät 24-Hz-Material darauf verteilt, ist eine andere Frage und steht selten daneben.
• Schwarzbildeinschub: blendet zwischen zwei Bildern eine Dunkelphase ein und arbeitet gegen die Bewegungsunschärfe haltender Anzeigegeräte. Er ändert die Standzeiten nicht.

In der Planung

Ein Wohnzimmerkino wird eingerichtet: Projektor, AV-Receiver, ein Blu-ray-Laufwerk und ein Streaming-Zuspieler. Der Kunde meldet nach ein paar Wochen, dass Filme „irgendwie hakelig" laufen — besonders bei ruhigen Landschaftsaufnahmen, während Sport tadellos aussieht.

Am Anfang steht die Konzeptfrage: Welche Bildraten kommen in diesem Raum tatsächlich vor, und soll die Kette sie durchreichen oder vereinheitlichen? Ein Raum, in dem abends ein Spielfilm läuft, hat darauf eine andere Antwort als einer, in dem den ganzen Tag gemischte Mediathek-Inhalte laufen. Die Antwort ist eine Entscheidung der Nutzung und keine des Datenblatts.

Steht sie, gibt es eine klare Rangfolge. Der beste Weg ist, gar keinen Pulldown entstehen zu lassen: Der Zuspieler stellt seine Ausgabe auf die Bildrate des Materials um, das Anzeigegerät läuft mit einem ganzzahligen Vielfachen von 24, und jedes Glied dazwischen reicht die Rate unverändert weiter. Diese Umstellung kostet bei jedem Wechsel eine Schwarzbildpause von ein bis drei Sekunden — es sei denn, die ganze Kette beherrscht den schnellen Moduswechsel, siehe VRR und QMS. Erst wenn eine Quelle sich nicht umstellen lässt, ist die Kadenzerkennung im Anzeigegerät oder im Videoprozessor der zweitbeste Weg; wann ein eigenes Gerät diese Aufgabe übernimmt, klärt Externer Videoprozessor.

Diese Rangfolge ist keine Hausmeinung: Das Videobulletin von CTA und CEDIA zur Heimkino-Planung verlangt, Inhalte in ihrer nativen Bildrate oder einem Vielfachen davon zu zeigen, und nennt dafür ausdrücklich 24, 48 und 96 Bilder je Sekunde.

Über die Geräte wird zuletzt gesprochen, und dort zählt eine einzige Eigenschaft: ob jedes Glied der Kette eine 24-Hz-Zuspielung unverändert durchreicht. Ein Receiver, ein Umschalter oder ein Signalverlängerer kann sie stillschweigend auf 60 Hz umsetzen und damit die ganze Planung aushebeln. Viele Datenblätter geben darüber keine Auskunft, und dann bleibt nur, es am Gerät auszuprobieren.

Verknüpfte Inhalte

Was passiert, wenn ein Gerät statt zu wiederholen neue Bilder rechnet, steht bei Bewegungsinterpolation — die beiden Seiten beschreiben die zwei gegensätzlichen Antworten auf dieselbe Ausgangslage. Wie sich die Umschaltpause beim Wechsel der Bildrate vermeiden lässt, behandelt VRR und QMS. Woraus sich die Verzögerung bis zum sichtbaren Bild zusammensetzt, steht bei Input-Lag, und warum eingeschaltete Bildverarbeitung die Abstimmung von Ton und Bild verschiebt, bei Zeitlage von Ton und Bild. Wann die Kadenzerkennung in einem eigenen Gerät besser aufgehoben ist als im Anzeigegerät, klärt Externer Videoprozessor.

Quellen

Dass 60, 50, 30, 25 und 24 Hz gemeinsam als Bildfrequenzen festgelegt wurden und dass die Bildrate des Anzeigegeräts ausdrücklich nicht mit der des Studios übereinstimmen muss, steht im Bericht der ITU-R zum Stand des ultrahochauflösenden Fernsehens; dort wird auch die ungleichmäßige Bewegungswiedergabe bei niedriger Bildfrequenz als eigene Störungsart geführt und von der Objektgeschwindigkeit abhängig gemacht. Dass die Wiederholung eines Bildes als Anweisung im Signal steht und nicht als zusätzliche Bilddaten, ist der MPEG-2-Videokodierung entnommen, die dafür zwei Schalter im Kopf jedes Bildes vorsieht und die Ausgabe von zwei oder drei identischen Vollbildern wörtlich beschreibt. Dass die Ratenfamilien mit und ohne den Faktor 1,001 nebeneinander vorgesehen sind, steht in der Formatliste des ATSC-Standards für AVC-Video. Dass Inhalt in seiner nativen Bildrate oder einem Vielfachen davon zu zeigen ist, steht im Videobulletin von CTA und CEDIA zur Heimkino-Planung, dort mit 24, 48 und 96 Bildern je Sekunde als Beispielreihe. Alle Zahlenbeispiele dieser Seite — die Teilbarkeitsproben und die Standzeiten in Millisekunden — sind eigene Berechnungen aus genau diesen Bildraten.