HDTV Technik, Grundlagen, Auflösung und Probleme

HDTV - Technik, Auflösungen, Kompression und Standards

Die Bezeichnung HDTV steht für High Definition Television. Die Übertragung und der Empfang von hochauflösenden digitalen Fernsehbildern leitete vor Jahren eine Revolution in der Fernsehwelt ein. High definition Bilder haben, verglichen mit dem veralteten PAL-Format eine bis zu 5xfach höhere Auflösung, was in einer sehr hohen Detailgenauigkeit und Bildschärfe resultiert. Wir zeigen, welche Technik dahinter steckt und welche Unterschiede es bei HD gibt.

Am High Definition Fernsehen wurde schon lange vor der Jahrtausendwende intensiv geforscht. In Europa hat der HDTV Start verzögert im Jahr 2004 mit der Ausstrahlung von vereinzelten Großevents in hoher Auflösung begonnen. Der eigentliche Startschuss für HDTV fiel in die erste Hälfte des Jahres 2006, beflügelt von der in high definition ausgestrahlten Fussball-WM in Deutschland. Der Verkauf von LCD und Plasma TV Geräten hatte seither rasant an Fahrt aufgenommen. Bis 2010 war das Angebot an HD-Material, das von TV-Sendern ausgestrahlt wird, leider sehr gering. Die HD-Technik verbreitete sich also deutlich schneller, als Programmanbieter und Sendeanstalten reagieren konnten. Politische Rahmenbedingen, wie die von der EU beschlossene Umstellung von analogem zu digitalem Fernsehen bis zum Jahr 2012, ebneten den Pfad für die HDTV Revolution. Ende April 2012 wurde die Digitalisierung weitestgehend abgeschlossen. Analoges TV ist seither auch per SAT nicht mehr empfangbar. Via IPTV, Kabel und SAT, steht heute ein sehr breites Senderangebot in HD bereit. Ebenso in Onlinevideotheken. Spätestens seit 2016 gewinnt aber das noch schärfere UHD immer mehr Bedeutung...

Technik und Auflösung: Was ist eigentlich "HD" genau?

Die Internationale Fernmeldeunion definiert „high definition“ Fernsehen mit den beiden HDTV Standards 720p und 1080i. Die Herauskristallisierung eines einheitlichen Standards lässt noch auf sich warten. Die European Broadcasting Union (EBU) empfiehlt kurzfristig den 720p Standard einzuführen und längerfristig auf den 1080p Standard zu setzen. Verallgemeinert ausgedrückt, gibt es also fünf mögliche HDTV Formate: 720p, 1080i, 1080p, 1125i und 1250i, wobei 720p und 1080i bzw. 1080p als Standards Marktreife erlangt haben. Die Bezeichnung „high definition“ kann sich sowohl auf die Auflösung als auch auf die verwendeten Medien mit HD Eigenschaften beziehen.

720p

Der HD Standard 720p steht für die native vertikale Wiedergabe von 720 Bildpunkten mit dem Vollbildverfahren (progressive). Hierbei wird jede Zeile sequentiell beschrieben. Bei 50 Hz bzw. 60 Hz. Bildwiederholungsrate werden 50 bzw. 60 Vollbilder pro Sekunde dargestellt. Dieses Verfahren stellt höhere Anforderungen an die Technik, wird allerdings als angenehmer für das menschliche Auge empfunden. Mit einer Auflösung von 1280x720 können bis zu 926 660 Bildpunkte auf dem Display angezeigt werden.

1080i

Der 1080i Standard ist in der Lage 1080 Bildpunkte vertikal und nativ darzustellen, dabei wird das Zeilensprungverfahren (interlaced) benutzt. Es wird immer die übernächste Zeile des Bildes beschrieben, dadurch werden 50 bzw. 60 Halbbilder pro Sekunde dargestellt. Die maximale Auflösung von 1920x1080 erlaubt eine maximale Bildpunktezahl von 2 072 600 auf dem Display. Durch die physiologischen Eigenschaften des Auges und das Nachleuchten des Bildpunktes empfindet das Auge ein vollständiges Bild.

	PAL (Standard TV)	HDTV 720	Full HD 1080
Auflösung	720x576	1280x720	1920x1080
Pixel gesammt	414.720	921.600	2.073.600
Schärfefaktor zu PAL	0	2 mal schärfer	5 x schärfer

Momentan führen die beiden Standards 720p und 1080i/p eine Koexistenz. Deshalb wird eine Kombination der momentan koexistenten Verfahren die bestmögliche Lösung sein, welche auf lange Sicht von der EBU mit dem HDTV Standard 1080p definiert ist. Die Industrie berücksichtigt die Koexistenz der Standards. Die meisten Geräte können alle HDTV-Varianten wiedergeben. Obwohl der 1080i Standard über eine höhere Auflösung verfügt, ergaben verschiedene Tests, dass das 720p Bild als vergleichbar detailreich eingestuft wird. Bei deutlich größeren Displays jenseits der 1 Meter Bilddiagonalen bevorzugen Testpersonen wiederum das höher auflösende Bild des 1080i Standards.

1080p (Full HD)

Hier erfolgt die Bilddarstellung Progressiv (progressiv), daher werden immer nur Vollbilder dargestellt. Das erhöht subjektiv nochmals das "Schärfegefühl". 1080p ist also die in HD höchstmögliche Qualitätsstufe wenn man so will und immer 1080i vorzuziehen, sofern möglich. Leider ist gerade im TV-Bereich - per Kabel, IPTV oder Satellit - die Interleaced Variante am meisten verbreitet, da dies nicht unerheblich viel Datentraffic spart.

Bildformat

Das Seitenverhältnis der HDTV Formate beträgt 16:9. Gegenüber dem im Moment üblichen 4:3 Format ist das 16:9 Format rund 33% breiter. Das größere Format wird vom menschlichen Auge als angenehmer empfunden, da es langsamer ermüdet und weniger „wandern“ muss. Durch das 16:9 Format kann der Zuschauer viel mehr Details auf dem Bildschirm erfassen. In der Praxis müssen die HD Bilder oft entzerrt werden, wodurch in tatsächlichen Auflösungen bei 1080 Zeilen nur 1440 Punkte statt 1920 Punkte dargestellt werden und bei 720 Zeilen nur 960 Punkte statt 1280 Punkte zur Verfügung stehen. Dieser Schärfeverlust kann durch Mastering ausgeglichen werden.

Vergleich TV-Auflösungen z.B. PAL zu HDTV; Quelle: Wikipedia

Nachfolger mit noch mehr "Schärfe": Ultra HD

Ultra HD gewinnt seit spätestens 2015 immer mehr an Bedeutung. Kaum noch ein neuer Fernseher unterstützt "nur" HD, sondern bereits Ultra-HD mit der vierfachen HD-Auflösung. Das Ziel: Noch brillantere, farbechtere und schärfere Bilder für daheim.

Kompression & Übertragungsstandards:

Als Grundlage zum Empfang von HDTV werden im nachfolgenden Text die drei wichtigsten Übertragungsstandards näher definiert: MPEG 4, H.264/AVC und DVB-S2.

MPEG 4

Die Motion Picture Expert Group (MPEG) erarbeitet verschiedene Standards für die Kompression von Video- und Audiodaten. Das Ergebnis sind der MPEG 2 und der modernere MPEG 4 Codec, welche u.a. bei HDTV zum Einsatz kommen. Der MPEG 4 Codec hat die bislang effizienteste Kompressionsrate. Sendeanstalten, die ihr Programm in HD Qualität senden, entscheiden sich in der Regel für einen festgelegten Kompressionsstandard. Die Video-und Audiodaten des Senders werden dann mit dem gewählten Codec komprimiert. Der Endnutzer benötigt einen speziellen Receiver, um die komprimierten Daten zu entschlüsseln.

H.264/AVC

H.264/AVC (Advanced Video Codec) ist eine Weiterentwicklung des MPEG 4 Standards und wird auch als MPEG 4/AVC bezeichnet. Dieser Übertragungsstandard hat doppelt so hohe Kompressionswerte wie der ältere MPEG 4 Codec, wodurch eine bessere Bildqualität gewährleistet werden kann. Neben der verbesserten Bildqualität ist dieser Advanced Video Codec vielfach einsetzbar; z.B. bei Smartphones, HDTV, Blu-Rays und Tablets.

DVB-S2

DVB-S2 (Digital Video Broadcast – Sattelite) ist ein Übertragungsstandard der zwischen Satellit und Receiver des Empfängers agiert. Es ist möglich sowohl MPEG 2 als auch MPEG 4 Signale zu übertragen und wird vor allem bei den modernen IP basierenden benutzt. Ein zukunftssicherer HDTV Receiver sollte daher MPEG4/H.264/AVC Komprimierungen entschlüsseln können, sowie den DVB-S2 Standard empfangen können.

Kopierschutz

HDCP (High Bandwidth Digital Content Protection) ist ein spezieller Kopierschutz, der bei der HDTV Technologie zum Einsatz kommt. Aufgrund der digitalen Bildübertragung der high definition Bilder hat die Filmindustrie auf einen allgemeinen Kopierschutz bestanden, um ihre Copyrights an Filmen und Serien zu schützen. HDCP ist speziell für die digitalen Anschlüsse DVI und HDMI konstruiert worden. Sowohl HD Receiver als auch das HDTV Fernsehgerät müssen den HDCP Kopierschutz unterstützen, ansonsten bleibt der Bildschirm schwarz. Wenn die Geräte kompatibel sind, ist eine Aufzeichnung von Video-und Audiodaten nur eingeschränkt bis gar nicht möglich. Es zeichnet sich ab, dass der Nutzer in naher Zukunft nicht mehr Sendungen beliebig aufnehmen kann.

Offizielle HDTV Siegel der EICTA:

HD ready

HD ready ist das HDTV Gütesiegel der EICTA (European Information, Communications and Consumer Electronics Technology Industry Association) und wurde im Jahr 2005 veröffentlicht. Das HD ready Symbol definiert die Mindestvoraussetzungen, die ein HDTV Gerät haben muss, um ein HD Bild darzustellen. Das HDTV Gerät muss mindestens eine native Auflösung von 720 Pixeln vertikal bei dem Format 16:9 haben. Des Weiteren muss ein analoger Componenten-Videoeingang sowie ein digitaler DVI oder ein digitaler HDMI Eingang vorhanden sein. Die vorgeschriebenen Eingänge müssen die Formate 720p und 1080i verarbeiten können. Der Kopierschutz HDCP muss von den digitalen Videoeingängen DVI und HDMI unterstützt werden können.

HDTV

Das HDTV Logo wurde ebenfalls von der EICTA eingeführt und wird für HDTV fähige Receiver, Set-Top-Boxen und Fernseher mit integriertem Receiver benutzt. Receiver, Fernseher und Set-Top-Boxen, welche HDTV Signale über Satellit, Antenne oder Kabel empfangen können, werden mit dem HDTV Logo ausgezeichnet. Weitere Voraussetzungen für HD Receiver ist die Verarbeitung von DVB-T und DVB-S Signalen. Set Top Boxen die sich mit dem Logo schmücken wollen, haben die MPEG 2 und MPEG 4/H.264/AVC Codecs zu unterstützen. Empfangsgeräte müssen die 720p und 1080i Auflösung verarbeiten können. Externe Empfangsgeräte müssen einen HDMI, DVI oder Componenten Ausgang haben.

HDTV 1080p & HD ready 1080p

Seit dem 30. August 2007 gibt es zwei weitere HD Logos, die von der EICTA eingeführt wurden. Die Logos zeichnen Plasma und LCD Fernseher aus, welche 1080p Signale empfangen, verarbeiten und darstellen können.

HDTV Geräte, die diese Logos tragen, haben eine Mindestauflösung von 1920x1080 und können die Signalvarianten 24 Hz, 50 Hz und 60 Hz im Vollbildverfahren darstellen.
» Einkaufsführer & mehr zur Aussagekraft der Logos

Probleme bei HD

Moiré-Effekt

Der Moiré Effekt tritt bei einer Überlagerung von sich periodisch wiederholenden Bildmustern auf. Bei höheren Bildschirmauflösungen und dadurch resultierendem höheren Detailreichtum ist die Wahrscheinlichkeit des Moiré Effekts ebenfalls größer. Karierte Kleidung erscheint dann meist als sogenanntes Fischgrätenmuster. Da HDTV bis zu fünfmal schärfer dargestellt wird verglichen zum älteren PAL Standard, kann dieser Effekt bei Geräten mit falschem Downsampling stärker als gewöhnlich auftreten.

Macroblocking / Artefakte

Macroblocking sind kleine Pixel die bei schnellen bewegten Bildern auftreten können. HDTV Geräte können weitaus mehr Informationen darstellen als von der HD Quelle eingespeist wird. Bei schnellen bewegten Bildern werden feine Details nicht schnell genug decodiert und resultieren in diesen Artefakten.

Glitches

Bildaussetzer (Glitches) können beim Zusammenspiel der verschiedenen Hard-und Software des HDTV Geräts und des HD-Receivers auftreten. Der HDCP Kopierschutz überprüft beim Ändern eines Senders den Kopierschutzlevel wobei es zu Bildaussetzern und Artefakten kommen kann. Bei Videodaten, die von vornherein in HD aufgenommen wurden, kann es bei Abspielgeräten, die nicht leistungsstark genug sind, zu Problemen bei der Wiedergabe der Video-und Audiodaten kommen. Des Weiteren kann es passieren, dass Videodaten, die unvollständig oder beschädigt vom Sender übertragen werden, vom HDTV Gerät beim Abspielen durch Interpolation hochgerechnet werden und zu Glitches führen können.

Mehr zum Thema:

HDTV Einführung | HDTV Codecs | HDTV Glossar | HDTV-Wikipedia

Quellenverzeichnis:

ebu.ch/home
https://de.wikipedia.org/wiki/High_Definition_Television