Zeilensprungverfahren
Das Zeilensprungverfahren (engl. Interlace) ist eine Methode zur Aufnahme von Bewegtbildern, der Übertragung von Bewegtbildern und der Darstellung von Bildern auf sequenziellen Darstellungsgeräten (Bildröhren, Laser-Projektoren). Das Verfahren findet Verwendung bei Fernsehgeräten (dort noch üblich) und Computerbildschirmen (dort mittlerweile eher unüblich). Dabei bilden zwei Halbbilder (engl. Fields) erst ein vollständiges Bild mit voller vertikaler Auflösung. Beim Bildaufbau des 2:1-Zeilensprungverfahrens (vollständiger Name) wird jeweils eine Zeile übersprungen, daher der Name. Die übersprungenen Zeilen wurden beim vorhergehenden und werden beim nächsten Aufbau dargestellt.
Der Vorteil des Verfahrens besteht in der Verdopplung der Bildwiederholfrequenz bei gleicher vertikaler Auflösung. Der Nachteil ist ein erhöhtes Flimmern des Bildes an dünnen waagerechten Linien und anderen feinen Strukturen, Artefakte an langsam bewegten Objekten sowie Inhomogenitäten der Darstellung von strukturarmen Flächen.
Das Zeilensprungverfahren wird in der Computertechnik auf Grund großer Fortschritte bei Monitoren und Grafikkarten (Zeilenfrequenzen von 95...135 kHz sind üblich) kaum noch verwendet. Analoges Fernsehen verwendet auf Grund der notwendigen Kompatiblität das Verfahren immer noch, weiterhin wird das Verfahren auch für Röhrenfernseher verwendet, weil es die notwendige Zeilenfrequenz halbiert.
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Zeilensprung ist nicht gleich Zeilensprung
Man muss zwischen Zeilensprung bei der Aufnahme, bei der Übertragung und bei der Wiedergabe unterscheiden. Der gleiche Begriff bezeichnet jeweils unterschiedliche Verfahren/Probleme/???.
Zeilensprung in der Aufnahmetechnik
Ob eine Aufnahme mit oder ohne Zeilensprung erfolgt, ergibt sich aus den Belichtungszeitpunkten der jeweils übereinanderliegenden geraden und ungeraden Zeilen. Sind diese identisch, liegt kein Zeilensprung vor (progressive Abtastung von Vollbildern (engl. Frames)), sind diese um die Dauer eines Halbbildes versetzt, ist die Aufnahme mit Zeilensprung (Zeilensprungabtastung von Halbbildern (engl. Fields)).
Klassisches Filmmaterial arbeitet immer progressiv, üblich sind Wiedergabe-Bildfrequenzen zwischen 16 Vollbildern/s (Normal 8) und 48 Vollbildern/s (IMAX HD). Normales Kino arbeitet dabei mit 24 Vollbildern/sec.
Videokameras arbeiten meist mit Zeilensprung. Amerika, Japan, Kuba und einige andere Staaten arbeiten dabei mit 60 Halbbildern/s, die restliche Welt mit 50 Halbbildern/s. Es gibt aber auch mittlerweile Kameras, die optional Vollbildmodi mit 24, 25 oder 30 Vollbildern/s beherrschen.
Digital bearbeitete Bilder können aber auch gemischt sein. Es gibt Bildelemente mit Zeilensprung (Werbeeinblendung, Newsticker, Abspann, eingefügte Bildteile, CGI) und welche ohne (Basismaterial, CGI).
Zeilensprung beim Transport
Das Scannen bzw. Übertragen von Bildern ändert nicht die Eigenschaft "Zeilensprung" des Quellmaterials. Die Umwandlung von Zeilensprungmaterial in progressives Material und umgedreht ist ein technisch sehr aufwendiges Problem, welches nur angenähert und mit heuristischen Verfahren gelöst werden kann.
Wenn ein Übertragungsmedium (analoges Fernsehen, VHS-Videorecorder) nur die Übertragung von Halbbildern fester Bildfrequenz zulässt, muss man bei Vollbildmaterial (z.B. mit 24 Vollbildern/s) die Vollbilder in zwei Halbbilder (bei 50 Hz) oder in zweieinhalb Halbbilder (bei 60 Hz) (NTSC Pulldown) zerlegen. Verbleibende Differenzen muss man durch leicht modifizierte Abspielgeschwindigkeiten ausgleichen (PAL Speedup).
Das Zerlegen von Vollbildern kann man unterschiedlich durchführen, je nachdem, mit welchem Halbbild man anfängt (BFF: Bottom Field First, TFF: Top Field First).
Das dabei entstehende Signal ist aber kein klassisches Zeilensprung-Bild, zu sehen an Artefakten an bewegten Kanten (Kämme bei 50 Hz, Ruckler bei 60 Hz) bei Darstellung dieser Bilder auf konventionellen Geräten (50 Hz-Fernseher, 60 Hz-Fernseher). Eine aufwendige Nachbearbeitung auf der Darstellungsseite kann diese Probleme beheben, siehe dazu im nächsten Artikel.
Digitale Speicher- und Übertragungsverfahren arbeiten hier genau umgedreht, bei Zeilensprung werden immer zwei Halbbilder zu einem Vollbild zusammengefügt und kodiert. MPEG-1 arbeitet dabei an Kanten ineffizienter als das verbesserte MPEG-2, welches in bewegten Passagen eines Bildes eine alternative Kodierungsvariante zur verfügung stellt.
Zeilensprung bei der Darstellung/Visualisierung
Bis auf die Darstellung von Video-Material auf 50 Hz/60 Hz-Fernsehgeräten ist eine Nachbearbeitung des empfangenen Signals notwendig, wenn eine hochwertige Darstellung erreicht werden soll.
Diese Nachbearbeitung wird notwendig, wenn
- der zeitliche Ablauf der Aufnahme und der Wiedergabe nicht übereinstimmen,
- bei Zeilensprungmaterial: wenn die vertikale Auflösung von Aufnahme und Wiedergabe nicht übereinstimmen (anderes Format, anamorph/nichtanamorph),
d.h. eigentlich meistens.
Die einzelnen Bearbeitungsschritte:
Schritt 1:
Kammfilter bei FBAS-Quellen
Wenn das Quellsignal als FBAS-Signal (engl: Composite Video oder einfach Video) vorliegt, ist eine aufwendige Trennung von Helligkeits- und Farbartsignalen für eine hochwertige Darstellung notwendig. Dies erfolgt durch zweidimensionale bzw. dreidimensionale Kammfilter.
Quellmaterial mit Zeilensprung
Im Camera Mode sind beide Halbbilder zeitversetzt gescannt. Würde man sie auf die selbe Weise zusammenfügen, käme es in bewegten Bereichen des Bildes zu einem unschön ineinander verkämmten Doppelbild, zweitens wären die Bewegungen nicht mehr so flüssig. Es hat daher hier Sinn, alle Halbbilder als Vollbilder zu betrachten, in denen jedoch Zeilen fehlen. Das Ergänzen dieser fehlenden Zeilen nennt sich De-Interlacing. Im einfachsten Verfahren werden dabei die zwei benachbarten Zeilen gemischt, was jedoch zu Unschärfe führt und das Flimmern feiner Strukturen nicht reduziert. Das Übernehmen der Zeile aus dem letzten Halbbild ist zwar scharf und flimmert nicht, führt jedoch zum Kammeffekt an bewegten Stellen.
Quellmaterial mit Pseudo-Zeilensprung durch 2:2 oder 3:2-Pull-Down
Im Film Mode lassen sich je zwei Halbbilder durch Zwischenspeichern des Signals und Umsortieren der Zeilen nahtlos zu einem Vollbild zusammenfügen. Ein Kinofilm wird somit bei PAL mit 25 Vollbildern gezeigt.
Quellmaterial progressiv
Keine Bearbeitung notwendig.
Schritt 2:
Optional: Errechnen von Zwischenbildern
Optional: Umrechnen der Auflösung
Schritt 3:
Optional: Re-Interlacen
Literatur: http://www.ics.ele.tue.nl/~dehaan/publications.html
Bemerkung: Diese Verarbeitungschritte sind auch bei hochwertiger Konvertierung notwendig, wenn Übertragung oder Speicherung nicht das Quellformat unterstützen (PAL => NTSC, VHS => DVD).
Artefakte des Zeilensprungverfahrens
Den Vorteil des halben Bandbreitebedarfs bzw. der halben notwendigen Zeilenfrequenz erkauft man sich mit einer Menge von Darstellungsfehlern:
- Zeilenflimmern
- Treppenstufen an vertikal bewegten Objekten durch Aliasing
- Streifenstrukturen in homogenen Flächen
- Doppelkonturen bei der falschen Darstellungsart (Zeilensprung als progressiv dargestellt, Progressiv als Zeilensprung dargestellt)
- Hoher technischer Aufwand beim De-Interlacen bei zukünfigen Displays, die ohne Zeilensprung arbeiten
Der Unterschied von interlace (i) und progressiv (p)
i am Beispiel von PAL (50Hz)
Man sagt, PAL (i) sendet 25 Bilder in der Sekunde. Genauer wäre zu sagen, PAL (i) sendet 50 Halbbilder pro Sekunde. Noch genau wäre zu sagen, PAL (i) sendet um die 10,3 Millionen einzelne Pixel in der Sekunde. Jeder Pixel wird alle 1/25 Sekunde neu erleuchtet.
Der Bildaufbau im interlaced/Halbbild Mode geschied kontinuierlich. Wenn ein Fernsehbild mit einer Kamera mit etwa 10,3 Millionen Bildern pro Sekunde aufgenommen würde, wäre immer nur ein Pixel auf jedem Bild zu sehen, wenn die Bildröhre so gebaut wäre, dass sie nicht nachleuchten würde. Sie ist aber so gebaut, dass ein vom Elektronenstrahl mit den Infos von Bild A zum Leuchten animierter Pixel so lange (nach)leuchtet, bis der Elektronenstrahl nach genau 1/25 Sekunde erneut vorbei schaut um den Pixel mit der Information von Bild B zum Leuchten zu bringen.
Im Halbbildverfahren wird zunächst Bildzeile 1 von links nach rechts aufgebaut. Dann Bildzeile 3 und alle weiteren ungeraden Bildzeilen (Halbbild 1 von Bild A.)
Dann werden alle geraden Bildzeilen aufgebaut (Halbbild 2 von Bild A.)
Dann werden wieder alle ungeraden Bildzeilen aufgebaut (Halbbild 1 von Bild B.)
Halbbild 1 von Bild B "überschreibt" Halbbild 1 von Bild A
usw.
Die Halbbildinformationen des Bildes A werden nacheinander aufgenommen. Halbild A2 1/50 Sekunde nach Halbbild A1. Sobald sich also etwas im Bild bewegt und sich die Information A 1 zu A 2 und A2 zu B1, etc. unterscheidet, ist das i-Verfahren / Zeilensprungverfahren deutlich im Nachteil zum p Verfahren.
Das Fersehbild mit der Auflösung 9 i
Zeile 1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1
Zeile 2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2
Zeile 3 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1
Zeile 4 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2
Zeile 5 B1 B1 B1 B1 B1 A1 A1 A1 A1 A1 A1
Zeile 6 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2
Zeile 7 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1
Zeile 6 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2
Zeile 9 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1
Fersehbild mit der Auflösung 9 p
Zeile 1 A A A A A A A A A A A A A A A A A A
Zeile 2 A A A A A A A A A A A A A A A A A A
Zeile 3 A A A A A A A A A A A A A A A A A A
Zeile 4 A A A A A A A A A A A A A A A A A A
Zeile 5 A A A A A A A A A A A A A A A A A A
Zeile 6 A A A A A A A A A A A A A A A A A A
Zeile 7 A A A A A A A A A A A A A A A A A A
Zeile 8 A A A A A A A A A A A A A A A A A A
Zeile 9 A A A A A A A A A A A A A A A A A A
Das Fernsehbild mit der Aulösung 10i zeigt den Extremfall dass alle Bildpunkte des Halbbilds A 1 sich von den Bildpunkten von den Bildpunkten des Halbbilds A2 unterscheiden. Und alle Bildpunkte des Halbbilds A2 sich von den Bildpunkten B2 unterscheiden. Dies trifft auf sich bewegende Elemente im Bild zu.
Im p Format werden im Idealfall alle Bildpunkte des Bilds A gleichzeitig angezeigt. Das Bild wird nicht mehr in die Halbilder A1 und A2 unterteilt. Wenn Bild B gesendet wird ist im Idealfall nur noch B zu sehen.
Im psF Format das Bild A zwei Halbbilder unterteilt, das erste Halbbild wurde aber zum Zeitpunkt des 2 Halbbilds aufgenommen. Es gibt als nur die Bildinformation A und nicht A1 und A2 wie beim i Format. Das Bild kann aber wie ein i Signal gesendet werden. Die Bildinformationen werden aber nicht direckt an den Bildschirm weitergeleitet, sonder zunächst gespeichert, bis sämtliche Bildinformationen/Pixel des Bilds A übertragen sind. Dann werden alle Pixel des Bild A progessiv, also im Idealfall gleichzeitig, dargestellt.
Generelle Probleme beim Konvertieren von Zeilensprung nach Nichtzeilensprung und zurück, Bildratenkonverter
Diese Vorgänge sind bis auf zwei Ausnahmen generell verlustbehaftet, das Signal wird bei jeder Wandlung schlechter und schlechter und läßt sich auch immer schlechter durch digitale Kodierverfahren komprimieren.
Generell wäre es heutzutage eine gute Idee, Material unbehandelt direkt zu übertragen und der Darstellungseite die Wandlung zu überlassen. Das würde heutzutage zu einem akzeptablen Mehraufwand auf der Darstellungsseite führen (wenn überhaupt) und die Qualität verbessern.
Probleme sind im einzelnen:
Fehlinfos über HDTV/1080-Zeilen-Bashing
Ein Hoax über HDTV ist, dass das hochaufgelöste Format (1080i) immer mit Zeilensprung arbeitet. Dieser hartnäckige Fehler ist z.T. selbst in EBU-Veröffentlichungen zu finden. Das ist nur sehr bedingt richtig. Die zur Verfügung stehenden Modi erlauben bei 1080 Zeilen sowohl Zeilensprung wie auch kein Zeilensprung.
720-Zeilen-Format:
- 25p, 50p (50 Hz-Regionen)
- 24p, 30p, 60p (60 Hz-Regionen)
1080-Zeilen-Format:
- 25p, 50i (50 Hz-Regionen)
- 24p, 30p, 60i (60 Hz-Regionen)
Spielfilme werden dabei immer von 24p und 25p Gebrauch machen. Bei Videokameras ist es vom Betriebsmodus der Kamera abhängig.
33 kHz-Röhren-Fernsehgeräte werden allerdings auch die 24p/25p/30p-Modi ähnlich wie normales Kinomaterial bei PAL zwangs-interlacen. Allerdings stellt sich hier die Frage, ob nicht das eigentliche Problem ist, dass für eine ansprechende Wiedergabe von 1080-Zeilen-Fernsehen Röhren nicht generell ungeeignet sind, weil dafür sichtbare Bildschirmdiagonalen von 150 bis 200 cm notwendig sind.
Das Schlechtmachen der 1080-Zeilen Modi durch fehlerhafte Statements (1080 = immer interlaced, 1080 = gleiche Auflösung wie 720p, da interlaced) könnte gewollt sein, um zweimal den Kunden zu schröpfen, einmal für 720-Zeilen-Geräte und einmal für 1080-Zeilen-Geräte, wenn viele die 720-Zeilen-Geräte haben.
Interlacing bei Grafikformaten
Als Interlace bzw. Interlacing bezeichnet man auch ein Speicherverfahren für Grafiken, bei dem das Bild in mehreren Schichten abgespeichert wird. Dies ermöglicht den schnellen Aufbau eines Übersichtsbildes, wenn die Grafik von einem langsamen Medium geladen wird. Die Darstellung wird dann während des Ladevorgangs immer feiner.
GIF, PNG, Kodak PCD und JPEG unterstützen Interlacing.