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Bildabtastung:

Progressiv - Interlaced

Inhaltsverzeichnis

1. Ein Wort zuvor ...

Interlaced, Zeilensprungverfahren, das ist doch Analogtechnik ... Technik von gestern! Der letzte analoge terrestrische Fernsehsender in Deutschland wurde 2008 abgeschaltet. Die analoge Ausstrahlung über Satellit der deutschen öffentlich-rechtlichen und privaten Fernsehprogramme wurde im  April 2012 eingestellt. Die letzten Röhrenfernseher  wurden ebenfalls 2008 gefertigt. Seit dem gibt es keine Quellen und keine Anzeigegeräte mehr für diese Notlösung aus den 1930er Jahren. Weshalb also dieser Artikel über so ein anachronistisches Thema?
Aber es gibt sie noch. Aufnahmen, die in diesem archaischen Format aufgezeichnet sind. Sie liegen in den Archiven der Sender und bei Ihnen zuhause in Ihren Schubladen und Kommoden, auf dem Dachboden und im Umzugskarton. Es sind die Spulen und Kassetten mit den Videoaufnahmen Ihrer wertvollsten Erinnerungen. 

Aber die Zeit bleibt nicht stehen und auch Magnetbänder haben ein Verfallsdatum. Dieses ist nicht wie bei einer Dose mit Erbsen auf der Verpackung aufgedruckt. Aufgrund einer nahezu unendlichen Zahl von Faktoren kann kaum bestimmt werden, wie lange ein Magnetband haltbar ist. Von den Geräten, die sie abspielen können, ganz zu schweigen. Die letzten VHS-Recorder und VHS-Video-Kassetten wurden 2008 hergestellt. Ein Revival, wie es bei der Vinyl-Schallplatte gibt, kann man wohl ausschließen. Um die alten Schätze in die Zukunft zu retten, wird die Zeit also knapp.

Dieser Artikel soll die Unterschiede zwischen den alten, analogen Abtastverfahren und den, auf die neuen digitalen Techniken angepassten, aufzeigen. Denn wenn man alte Medien auf neue übertragen möchte, ist die Technik immer für ein paar Überraschungen gut ...

2. Wie wir bewegte Bilder sehen

Bei allen Verfahren bewegte Bilder zu übertragen, zu speichern oder zu zeigen wird immer das gleiche Prinzip eingesetzt: eine Bewegung wird in mehrere Momentaufnahmen zerlegt und auf Film oder als Video gespeichert. Bei der Wiedergabe macht man sich dann die Trägheit des menschlichen Auges zunutze und spielt die Einzelbilder in rascher Folge ab. Bei ausreichend hoher Wiedergaberate verschmelzen die Einzelbilder zu einer flüssigen Bewegung. Fällt jedoch die Wiedergeschwindigkeit unter eine gewisse Grenze, werden die Einzelbilder wieder als solche erkannt und es wird ein Flimmern im Bild wahrgenommen.

Dieses Phänomen ist beim klassischen Film gut zu beobachten. Bei der Wiedergabe von Normal 8 oder Super 8-Filmen mit 18 Bildern pro Sekunde kann ein deutliches Bildflimmern wahrgenommen werden.
Beim Kinofilm hingegen, der mit 24 Bildern pro Sekunde projiziert wird, unterbricht eine rotierende Blende (Umlaufblende) den Lichtstrahl mehrmals, bis das nächste Bild gezeigt wird. Die Bildfrequenz wird hierdurch vervielfacht und es tritt kein Flimmern auf.
Um bewegte Bilder elektronisch flimmerfrei wiedergeben zu können, werden daher bei der Aufnahme und der Wiedergabe spezialisierte Abtastverfahren eingesetzt.

3. Abtastverfahren für analoges Video und TV

3.1 Das Zeilensprungverfahren - Interlaced Scanning

Der alte Standard für Analog-TV CCIR 601 (ab 1992 ITU-R BT 601) legte fest, wie z.B. ein PAL B/G-TV-Signal für Deutschland auszusehen hat:

  • ein Vollbild (Frame) hat 625 Zeilen, davon sind 587 (bzw. 575) sichtbar
  • 25 Vollbilder pro Sekunde (= 40 ms für jedes Vollbild, davon 2,4 ms (= 32 Zeilen) unsichtbar für den Bildrücklauf)
  • 833 Bildpunkte pro Zeile (= 520 625 Pixel pro Vollbild)
  • Zeilendauer ist 64 μs, was einer Zeilenfrequenz von 15625 Hz entspricht (1 s / 625 Zeilen x 25 Vollbilder), davon sind ca. 52 μs sichtbar und 12 μs nicht sichtbar für den Zeilenrücklauf
  • unter Berücksichtigung der Augenträgheit, der Rücklaufzeiten für Zeile und Bild und der Nachleuchtzeit des Bildschirms wird eine Videobandbreite von mindestens 5 MHz benötigt.

Beim analogen Fernsehen bzw. Video wird mit 25 Bildern pro Sekunde, also einer ähnlich niedrigen Bildwechselfrequenz wie beim klassischen Film, gearbeitet. Eine höhere Bildwechselfrequenz ist nicht möglich, da die Bandbreite der Übertragungswege dieses nicht zulässt. Um ein Flimmern bei dieser niedrigen Bildwechselfrequenz zu vermeiden, werden daher die 25 Vollbilder , wie im Kinoprojektor durch die Umlaufblende, zeitlich "zerlegt" und in 50 Halbbildern (Fields) pro Sekunde übertragen und angezeigt. So ergibt sich eine Vertikalfrequenz von 50 Hz, bei der ein Bildflimmern kaum noch wahrnehmbar ist.

Abb. 1: Analoge Bildabtastmuster
Abb. 1: Analoge Bildabtastmuster gegenübergestellt: Beim Zeilensprungverfahren (links) wird ein Vollbild in zwei Halbbildern abgetastet. Bei der progressiven Abtastung wird Zeile für Zeile gescannt.

Das Zerlegen eines Vollbildes in zwei Halbbilder erfordert, dass dasselbe Vollbild zweimal abgetastet werden muss: einmal für das erste Halbbild (in Abb. 1 die grünen Zeilen) und das zweite Mal für das zweite Halbbild (in Abb. 1 die roten Zeilen).

Animation 1: Interlaced Scan
Animation 1: Interlaced Scan
Die halben Zeilen am Bildanfang und Bildende befinden sich unsichtbar ober- bzw. unterhalb der Bildränder

Da beim Fernsehen die Bilder zeilenweise abgetastet werden, werden im ersten Halbbild nur die ungeradzahligen Zeilen (1, 3, 5, ...) geschrieben, während im zweiten Halbbild nur die geradzahligen (2, 4, 6, ...) angezeigt werden. Um eine Zeilenstruktur (Paarigkeit der Zeilen) im Bild zu verhindern, wird ein räumlicher Versatz (= Verkämmen = Interlacing) zwischen den Halbbildern erzwungen, der sogenannte Zeilensprung. Beide Halbbilder bestehen aus 312,5 Zeilen, da die letzte Zeile (625) des ersten Halbbilds am unteren Rand in der Mitte endet und das zweite Halbbild am oberen Rand in der Mitte mit Zeile 2 beginnt.

3.2 Vor- und Nachteile des Zeilensprungverfahrens

Die wesentlichen Vorteile des Zeilensprungverfahren sind die Reduktion des Bildflimmern, der verringerte Bandbreitenbedarf und, wenn das Quellmaterial im Filmmodus aufgezeichnet wurde, eine hohe vertikale (zeitliche) Auflösung.

Animation 2: Zeilenflimmern durch Helligkeitsunterschiede zwischen den Zeilen

Der Hauptnachteil des Zeilensprungverfahrens ist das Zeilenflimmern, das besonders bei Fernsehgeräten auftritt, in denen modernere Bildröhren mit erhöhter Auflösung eingebaut sind. Die Leuchtschicht dieser Displays hat eine kürzere Nachleuchtzeit und liefert daher ein  schärferes Bild. Durch die kürzere Nachleuchtzeit ist aber das zuerst geschriebene Halbbild ein wenig dunkler als das darauf folgende Halbbild. Dieser, wenn auch geringe, Helligkeitsunterschied bewirkt eine störende, besonders an detailreichen Teilen des Bildes wahrzunehmende (z.B. Baumkronen von Animation 2) Helligkeitsmodulation.

Der Effekt kann durch Erhöhung der Bildfolgefrequenz (100Hz) oder durch Konvertierung ("De-Interlacen") in progressive Abtastung vermieden werden. Letzteres erfordert dann allerdings auch die Wiedergabe auf progressiven Displays.

4. Abtastverfahren für digitales Video und TV

Der Übergang vom analogen zum digitalen Video erfolgte, genau wie der Übergang von Standard Definition TV zu High Definition TV, evolutionär über einen längeren Zeitraum und schloss mehrere Gerätegenerationen ein. In dieser Übergangszeit wurden z.B. bei  Camcorder der Consumer-High End-Klasse recht ungewöhnliche Videostandards eingeführt, die sich nicht durchsetzen konnten. So gab es DV-Camcorder, die progressive Bilder aufzeichnen konnten und HD-Camcorder, die Interlaced und mit einem Pixelseitenverhältnis von 1:1,33 (HDV-Format) aufzeichneten. Im Allgemeinen kann man sagen, dass Camcorder, die  ein Band oder DVD als Medium verwenden, Interlaced aufzeichnen und Camcorder, die auf einen Chip (SD-Karte, ...) aufzeichnen, progressives Video liefern.

4.1 Progressive (Non-interlaced) Bildabtastung

Als schnelle Videoprozessoren für Computer-Monitore und auch für die Unterhaltungselektronik verfügbar wurden, konnten eine Reihe neuer Medien und Technologien wie DVD, HDTV eingeführt werden. Da digitales Video komprimiert ist, steht wesentlich mehr Bandbreite zur Verfügung und Bilder können mit höherer horizontaler und vertikaler Auflösung (= Vertikalfrequenz) dargestellt werden. Ein Zerlegen von Vollbilder in Halbbilder und das Verschachteln sind nicht mehr notwendig. Es können Vollbilder vollständig ohne Zeilensprung (progressiv oder non-interlaced) flimmerfrei dargestellt werden.

Animation 3: Progressive oder Non-interlaced Scan
Animation 3: Progressive oder Non-interlaced Scan

Wie Abbildung 1 zeigt, wird bei der progressiven Bildabtastung Zeile für Zeile fortschreitend (="progressiv") abgetastet. Hierdurch wirkt das Bild schärfer und ruhiger. Das Bild- und Zeilenflimmern ist eliminiert.

Ein Nachteil der progressiven Abtastung ist die im Vergleich zum Interlaced Video bei gleicher Vertikalfrequenz deutlich verringerte zeitliche (vertikale) Auflösung. Bei schnellen Bewegungen im Bild können diese dann ruckelig wirken.

4.2 Interlaced Scanning

Digitales Video (DV) wurde 1996 mit dem Camcorder GR DV-1 von JVC auch für den Consumer-Bereich erschwinglich. Als Wiedergabegeräte standen zu dieser Zeit ausschließlich Röhren-TV zur Verfügung (erst 2007 wurden mehr Flachbildschirme als Röhrengeräte verkauft). Daher musste der DV-Standard kompatibel zum CCIR-Standard sein und dieser schrieb Video im Zeilensprungverfahren vor. Die GR DV-1 und ihre Dockingstation wiesen übrigens noch keine digitalen Schnittstellen auf, über die das digitale Video z.B. in einen Computer überspielt werden konnte.

Grundsätzlich müssen bei der Verarbeitung von digitalem Video neben der progressiven Abtastung zwei Arten von interlaced Quellen unterschieden werden: (Kino-) Film und Fernsehkamera.

4.2.1 Film-Mode

Die Konvertierung von Kinofilm in Video ist in Europa kein großes technisches Problem. Soll ein Kinofilm (24 Bilder/s) digitalisiert werden, wird er im Abtaster einfach mit 25 Bildern abgespielt. Jedes  Bild des Films wird dann zweimal gescannt. Die Bildfolgefrequenz ist somit 50 Hz. Als Ergebnis erhält man entweder ein Video im Zeilensprungverfahren im Film-Mode (siehe Abb. 2 rechts), wobei beide Halbbilder identisch sind, oder ein progressives Video mit 50 Hz. Die erhöhte Abspielgeschwindigkeit ("PAL-Beschleunigung") führt zwar zu einer Tonhöhenveränderung und einer Verkürzung der Spieldauer des Films um ca. 4 %, was aber im Allgemeinen toleriert werden kann (außer man verfügt über ein "absolutes Gehör").
Manche Medien, wie die Blu-ray Disc, können auch Video mit 24 Bildern/s verarbeiten. Für eine solche Anwendung kann ein Kinofilm mit seiner nativen Bildgeschwindigkeit gescannt werden.

4.2.2 Kamera-Mode

Ein Videosignal, das von einer analogen Fernsehkamera oder einem Camcorder (analoge sowie die digitalen Formate DV, MiniDV, DVCAM, Digital8, HDV, DVCPro) stammt, ist daran zu erkennen, dass beide Halbbilder unterschiedliche Inhalte haben. Das ist darin begründet, dass sich ein Objekt im Bild in der Zeit zwischen dem Abtasten des ersten Halbbilds und dem Abtasten des zweiten Halbbilds bewegt hat.

Abb. 2: Abhängig vom Quellmaterial ergibt sich entweder der Kamera- oder der Film-Mode
Abb. 2: Abhängig vom Quellmaterial ergibt sich entweder der Kamera- oder der Film-Mode

Soll solches Videomaterial für die Wiedergabe auf einem digitalen Display vorbereitet werden, müssen beide Halbbilder zu einem Vollbild zusammengeführt werden. Ein einfaches Ineinanderkopieren funktioniert nicht, weil das zweite Halbbild das sich bewegende Objekt an einer anderen Position darstellt wird als im ersten Halbbild. Das Resultat sind typische Interlace-Artefakte wie sie in Abb. 2 zu sehen sind.

Abb. 3: Die Umwandlung von Interlaced nach Progressiv ohne Deinterlacing kann zu schweren Interlace-Artefakten führen
Abb. 3: Die Umwandlung von Interlaced nach Progressiv ohne Deinterlacing kann zu schweren Interlace-Artefakten führen

4.3 Abtastvarianten

Das Abtastverfahren, das bei der Aufnahme eingesetzt wird, bestimmt normalerweise auch das Wiedergabeverfahren. Ein Wechsel der Verfahren war aufgrund des technischen Aufwandes und den Kosten bis vor wenigen Jahren nur professionellen Dienstleistern und den Fernsehanstalten möglich. Heute ist praktisch in jedem LCD- oder Plasma-TV ein Chip eingebaut, der Eingangssignale jeglicher Art immer in ein progressives Videosignal wandelt. Nur ein solches kann auf den digitalen Displays dargestellt werden.

4.3.1 De-Interlacing

Um Bewegungsartefakte durch das Interlace-Verfahren zu vermeiden, müssen die beiden Halbbilder "entflochten" (= deinterlaced) werden. Mit modernen Algorithmen wird reines Deinterlacing, also das Umwandeln von interlaced Video in progressives Video, in Echtzeit von Software durchgeführt.

Abb. 4: Im Menü "Video" des VLC-Players kann das Deinterlacing-Verfahren automatisch oder manuell gewählt werden.
Abb. 4: Im Menü "Video" des VLC-Players kann das Deinterlacing-Verfahren automatisch oder manuell gewählt werden.

Abhängig vom Videotyp stehen spezialisierte Deinterlacing-Verfahren zur Verfügung. Welches Verfahren wann zum Einsatz kommt, muss durch die Software automatisch analysiert und ausgewählt werden. Bei manchen PC-Media-Playern, wie z.B. den beliebten freien VLC-Player, kann die Auswahl auch manuell vorgenommen werden.

Die wichtigsten De-Interlacing-Verfahren sind:

Weave
Im Weaver-Modus wird kein Deinterlacing vorgenommen. Beide Halbbilder werden ineinander verwoben. Bei im Kamera-Mode aufgezeichneten Videos können starke Interlace-Artefakte auftreten. Weave eignet sich nur für im Film-Mode aufgenommene Videos.

Angleichen/Blending
Beide Halbbilder werden durch Zeilenverdopplung zu Vollbildern gewandelt. Jede Zeile des Bildes wird aus dem Mittelwert einer Zeile aus dem ersten Halbbild und einer Zeile aus dem zweiten Halbbild berechnet. Da der zeitliche Zusammenhang zwischen den Halbbildern durch das Mischen verloren geht, eignet sich Blending nur für Videos im Kamera-Modus. Videos im Film-Mode ruckeln stark.

Wippen/Bobbing
Beide Halbbilder werden durch Zeilenverdopplung (per Interpolation zwei benachbarter Zeilen eines Halbbildes) zu Vollbildern gewandelt. Beide Vollbilder werden nacheinander gezeigt. Das Bild wird beim Bobbing zwar etwas weichgezeichnet, der temporale Zusammenhang zwischen den Halbbildern bleibt aber erhalten, was zu flüssigen Bewegungen führt.

Verwerfen/Skip/Discard
Ein Halbbild wird mittels Interpolation zwei benachbarter Zeilen des Halbbildes zu einem Vollbild gewandelt. Das zweite Halbbild wird verworfen. Das deinterlacete Bild ist recht stark weichgezeichnet.

Linear
Das Prinzip ist ähnlich wie beim Bobbing. Nur werden die Zeilen des zweiten Halbbildes aus den benachbarten Zeilen des ersten Halbbilds linear interpoliert. Zeile 2 wird also aus Zeile 1 und Zeile 3 berechnet.

Adaptive Verfahren
Ein adaptives Deinterlacing kann nur mit erheblichen Hardwareaufwand und Prozessorleistung durchgeführt werden. Zur Berechnung eines bestimmten Vollbildes werden mehrere weitere vorangegangene und nachfolgende Vollbilder in einem Bildspeicher gehalten und miteinander verglichen. Sich bewegende Bildanteile werden mittels Mustererkennung detektiert und aus den Änderungen werden Bewegungsvektoren berechnet. Diese werden dann auf das zu bearbeitende Bild angewendet.

Die meisten Signalprozessoren in Flachbildschirmen verwenden adaptives Interlacing.

4.3.2 3:2-Pull-down (Telecine)

In den NTSC-Ländern wie USA oder Japan, beträgt die Bildwechselfrequenz 60 Hz. Die Konvertierung eines Kinofilms mit 24 Bilder/s auf 30 (genau: 29,97) Vollbilder bzw. 60 (genau: 59,94) Halbbilder ist weitaus umständlicher. Das Grundprinzip ist es, alle vier Bilder ein zusätzliches Bild einzufügen.
Die Umwandlung erfolgt in zwei Schritten. Um ein günstigeres Teilerverhältnis zu erzielen, wird der Film bei der Abtastung geringfügig (0,1%) langsamer abgespielt. Dabei ergibt sich ein Verhältnis von 4 Bildern Kinofilm auf 5 NTSC-Videobilder. Die vier Kinobilder werden dann in acht interlaced Halbbilder zerlegt und danach in unterschiedlicher Kombination zueinander zu fünf (progressiven) NTSC-Vollbilder mit 29,97 Hz Vertikalfrequenz zusammengesetzt. (Detaillierte Informationen hier)

4.3.3 Inverse Telecine (IVTC)

Inverse Telecine ist die Umkehrung vom 3:2-Pull-down. Der Prozess wandelt NTSC-Videofilm mit 29,97 Bilder/s zurück in Material mit 24 (genau: 23,97) Bilder/s.

5. Exportieren von Videos aus Schnittprogrammen

Interlaced oder Progressiv ? Diese Einstellung richtet sich hauptsächlich nach dem "gerippten" Quellmaterial, das auf ein Medium gebrannt oder auf einer Festplatte gespeichert werden soll. Modernere Schnittprogramme erkennen normalerweise das Abtastverfahren automatisch und wählen auch die Einstellungen für den Export in das Zielformat automatisch. Gelegentlich ist lediglich die Halbbilddominanz (Feldreihenfolge) einzustellen.

  • Interlaced ist immer dann zu wählen, wenn die Quelle analoges Video im Zeilensprungverfahren von VCR, Camcoder, TV oder in den digitalen Formaten DV, MiniDV, DVCAM, Digital8, HDV, DVCPro ist.
  • Progressiv ist nur bei progressiv abgetasteten Quellen wie progressives digitales Video von Camcordern (z.B. MPEG-4 AVC/AVCHD, H.265 HEVC) oder DVD und Blu-ray einzustellen.
  • Videos von der DVD können sowohl interlaced oder als auch progressiv sein (je nachdem wie sie gedreht worden sind: Chemischer Film / Analog-Videokamera / Digitalkamera).
  • MPEG-1 (CDi, VCD) ist übrigens immer progressiv!
Abb. 5: Typische manuelle Projekteinstellung zum Export eines Videos auf DVD
Abb. 5: Typische manuelle Projekteinstellung zum Export eines Videos auf DVD
Halbbild-Dominanz (Feldreihenfolge) beim Exportieren von Videos

In einem Video im Zeilensprungverfahren wird normalerweise das erste Halbbild  (= obere = ODD) zuerst übertragen dann das zweite Halbbild (= untere = EVEN).
Ausnahme: Soll ein Film von einem digitalen Camcorder im DV, MiniDV, DVCAM, Digital8, HDV oder DVCPro kodiert werden, ist immer ’Bottom field first" (field B = unteres Halbbild zuerst) zu wählen !

Auch wenn aus dramaturgischen Gründen ein Videoclip rückwärts laufen soll, sollte die Halbbilddominanz umgekehrt werden.
Gleichfalls kann sich auch durch Konvertieren (Telecine / 2:3 Pulldown) eines Filmes von 24 Bilder auf 30 Bilder / 60 Halbbilder (NTSC) und eventuell wieder zurück (Inversed Telecine) auf 24/25Hz die Halbbildfolge vertauschen. Bei falscher Einstellung der Halbbildfolge macht sich dieses als starkes Flimmern des Bildes und durch Interlacing-Artefakte bemerkbar.

Wichtig: der Computer-Monitor stellt immer progressiv dar! Werden Videos aus einer interlaced Quelle (hier eine HDV-Kamera) dargestellt, zeigt sich oft, besonders bei Schwenks oder bewegten Bildteilen, eine horizontale Kammstruktur (am besten bei Vollbild zu sehen). Auf einem TV-Gerät wird das Video jedoch korrekt angezeigt. Sollte sich, z.B. beim Brennen von DVDs oder VCDs (MPEG-1 !), eine solche Kammstruktur auch auf dem TV zeigen, sollte man das Video mit einem Filter zusätzlich deinterlacen.

Diesen Demo-Clip möglichst im Vollbild-Format anschauen (rechte Maustaste -> Vollbild).

 

 

REFERENZEN

Abbildungen

Alle Abbildungen und Animationen in diesem Artikel wurden von InfoTip erstellt.

 

 

Letzte Änderung am 22. Januar 2016

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