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Was ist „Upscaling“ bei einem Fernseher und wie funktioniert es?


Proxima Studio/Shutterstock

Da 4K bei uns zu Hause HD ersetzt, enthüllen die Hersteller einige interessante Marketing-Jargons wie „Ultra HD Upscaling“ (UHD). Aber Upscaling ist keine einzigartige Funktion – es ermöglicht nur 4K-Fernsehern, mit Videoformaten mit niedrigerer Auflösung wie 1080p und 720p zu arbeiten.

Alle Fernseher haben Upscaling

Hochskalieren bedeutet, dass Inhalte mit niedriger Auflösung Ihren gesamten Fernsehbildschirm ausfüllen. Ohne sie nimmt ein Video mit niedriger Auflösung weniger als die Hälfte der Bildschirmfläche ein. Dies ist ein typisches Merkmal aller Fernseher. Sogar 1080p-Fernseher hatten es – sie konnten 720p-Inhalte hochskalieren und im Vollbildmodus auf einem 1080p-Bildschirm anzeigen.

UHD-Upscaling sorgt dafür, dass Ihr 4K-Fernseher wie jeder andere funktioniert. Es kann Inhalte mit niedrigerer Auflösung aufnehmen und auf dem gesamten 4K-Bildschirm anzeigen.

Hochskalierter 1080p-Inhalt auf einem 4K-Bildschirm sieht oft besser aus als 1080p-Inhalt auf einem normalen 1080p-Bildschirm. Aber Upscaling ist keine Zauberei – Sie erhalten nicht das scharfe Bild, das Sie von echten, nativen 4K-Inhalten erhalten würden. So funktioniert das.

Auflösung existiert auf physischer und visueller Ebene

Bevor wir mit dem Hochskalieren beginnen, müssen wir das Konzept der Bildauflösung verstehen. Auf den ersten Blick ein relativ einfaches Konzept. Ein Bild oder Video mit hoher Auflösung sieht „besser“ aus als ein Bild oder Video mit niedriger Auflösung.

Einige wichtige Aspekte vergessen wir jedoch oft, nämlich den Unterschied zwischen physikalischer Auflösung und optischer Auflösung. Diese Aspekte wirken zusammen, um ein gutes Image zu schaffen, und sie sind die Grundlage für das Verständnis von Upscaling. Wir werden auch die Pixeldichte behandeln – aber keine Sorge – wir halten es kurz und bündig.

  • Physikalische Auflösung: Auf einem TV-Datenblatt wird die physikalische Auflösung einfach als „Auflösung“ bezeichnet. Es ist die Anzahl der Pixel auf einem Display. Ein 4K-Fernseher hat mehr Pixel als ein 1080p-Fernseher und ein 4K-Bild ist viermal so groß wie ein 1080p-Bild. Alle 4K-Displays enthalten unabhängig von ihrer Größe die gleiche Anzahl von Pixeln. Während Fernseher mit einer hohen physikalischen Auflösung ihre zusätzlichen Pixel nutzen können, um zusätzliche Details zu bieten, funktioniert dies nicht immer. Die physikalische Auflösung ist der optischen Auflösung ausgeliefert.
  • Optische Auflösung: Aus diesem Grund sehen Ihre alten Einwegkamerafotos besser aus als die schicken Digitalkamerafotos Ihres anspruchsvollen Freundes. Wenn ein Foto scharf aussieht und einen klaren Dynamikumfang hat, hat es eine hohe optische Auflösung. Fernseher verschwenden manchmal ihre hohe physikalische Auflösung, indem sie Videos mit einer beschissenen optischen Auflösung anzeigen. Dies führt zu verschwommenen Bildern und Kontrasten. Manchmal ist dies das Ergebnis einer Hochskalierung, aber wir werden gleich darauf zurückkommen.
  • Pixeldichte: Die Anzahl der Pixel pro Zoll auf einem Display. Alle 4K-Displays enthalten die gleiche Anzahl an Pixeln, aber auf kleineren 4K-Displays liegen die Pixel näher beieinander, sodass sie eine hohe Pixeldichte aufweisen. Ein 4K-iPhone hat beispielsweise eine höhere Pixeldichte als ein 70-Zoll-4K-Fernseher. Wir erwähnen dies, um die Idee zu bekräftigen, dass die Bildschirmgröße nicht dasselbe ist wie die physikalische Auflösung und dass die Pixeldichte eines Bildschirms nicht seine physikalische Auflösung definiert.

Jetzt, da wir alle den Unterschied zwischen physischer und optischer Auflösung kennen, ist es an der Zeit, mit dem Upscaling zu beginnen.

Hochskalieren macht ein Bild „größer“

Jeder Fernseher enthält ein Durcheinander von Interpolationsalgorithmen, die verwendet werden, um niedrig aufgelöste Bilder hochzuskalieren. Diese Algorithmen fügen einem Bild effektiv Pixel hinzu, um deren Auflösung zu erhöhen. Aber warum sollten Sie die Auflösung eines Bildes erhöhen?

Größenunterschied zwischen verschiedenen Auflösungen. 1080p ist etwa doppelt so groß wie 720p und 4K ist viermal so groß wie 1080p.
Wikipedia

Denken Sie daran, dass die physikalische Auflösung durch die Anzahl der Pixel auf einem Display definiert wird. Es hat nichts mit der tatsächlichen Größe Ihres Fernsehers zu tun. Ein 1080p-TV-Bildschirm besteht nur aus 2.073.600 Pixeln, während ein 4K-Bildschirm 8.294.400 Pixel hat. Wenn Sie ein 1080p-Video auf einem 4K-Fernseher ohne Hochskalieren anzeigen, nimmt das Video nur ein Viertel des Bildschirms ein.

Damit ein 1080p-Bild auf ein 4K-Display passt, muss es durch den Upscaling-Prozess 6 Millionen Pixel gewinnen (an diesem Punkt wird es ein 4K-Bild). Das Upscaling beruht jedoch auf einem Prozess namens Interpolation, der eigentlich nur ein verklärtes Ratespiel ist.

Upscaling reduziert die optische Auflösung

Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein Bild zu interpolieren. Die einfachste wird als „Nearest Neighbour“-Interpolation bezeichnet. Um diesen Vorgang durchzuführen, fügt ein Algorithmus einem Bild ein Netz von „leeren“ Pixeln hinzu und schätzt dann, welchen Farbwert jedes leere Pixel haben sollte, indem er seine vier benachbarten Pixel betrachtet.

Ein leeres Pixel, das von weißen Pixeln umgeben ist, wird beispielsweise weiß; wohingegen ein leeres Pixel, das von weißen und blauen Pixeln umgeben ist, hellblau erscheinen kann. Es ist ein unkomplizierter Prozess, der jedoch viele digitale Artefakte, Unschärfen und schroffe Umrisse in einem Bild hinterlässt. Mit anderen Worten, interpolierte Bilder haben eine schlechte optische Auflösung.

Links ein klares, helles, unbearbeitetes Bild einer Frau vor gelbem Hintergrund. Rechts eine verschwommene, pixelige Version desselben Bildes nach der Interpolation des nächsten Nachbarn.
Links: Unbearbeitetes Bild. Rechts: Nach Nächster-Nachbar-Interpolation. Dean Drobot/Shutterstock

Vergleichen Sie diese beiden Bilder. Der linke ist unbearbeitet und der rechte ist das Opfer des nächsten Nachbarn-Interpolationsprozesses. Das rechte Bild sieht schrecklich aus, obwohl es die gleiche physikalische Auflösung wie das linke hat. Dies geschieht in kleinem Maßstab jedes Mal, wenn Ihr 4K-Fernseher die Interpolation des nächsten Nachbarn zum Hochskalieren eines Bildes verwendet.

„Warte eine Minute“, könntest du sagen. „Mein neuer 4K-Fernseher sieht nicht so aus!“ Das liegt daran, dass es sich nicht ausschließlich auf die Interpolation des nächsten Nachbarn verlässt – es verwendet eine Mischung von Methoden zum Hochskalieren von Bildern.

Upscaling versucht auch, die optische Auflösung zu bewältigen

Okay, die Interpolation des nächsten Nachbarn ist also fehlerhaft. Es ist eine Brute-Force-Methode zur Erhöhung der Auflösung eines Bildes, die die optische Auflösung nicht berücksichtigt. Aus diesem Grund verwenden Fernsehgeräte neben der Nächster-Nachbar-Interpolation zwei weitere Arten der Interpolation. Diese werden bikubische (glättende) Interpolation und bilineare (schärfende) Interpolation genannt.

Links: Ein scharfes, aber gezacktes Bild einer Frau vor einem gelben Hintergrund, das mit bilinearer Interpolation bearbeitet wurde. Rechts: Das gleiche Bild, das mit bikubischer Interpolation bearbeitet wurde, sieht wachsartig und verschwommen aus.
Links: Ein Beispiel für eine bilineare Interpolation. Rechts: Ein Beispiel für bikubische Interpolation. Dean Drobot/Shutterstock

Bei der bikubischen (glättenden) Interpolation sieht jedes Pixel, das einem Bild hinzugefügt wird, zu seinen 16 benachbarten Pixeln, um eine Farbe anzunehmen. Dies führt zu einem ausgesprochen „weichen“ Bild. Andererseits schaut die bilineare (schärfende) Interpolation nur auf die nächsten beiden Nachbarn und erzeugt ein „scharfes“ Bild. Durch Mischen dieser Methoden – und Anwenden einiger Filter für Kontrast und Farbe – kann Ihr Fernseher ein Bild erzeugen, das keine bemerkbar Verlust an optischer Qualität.

Natürlich ist Interpolation immer noch ein Ratespiel. Selbst bei richtiger Interpolation können einige Videos nach dem Hochskalieren „Geisterbilder“ annehmen – insbesondere, wenn Ihr billiger Fernseher beim Hochskalieren scheiße ist. Diese Artefakte werden auch deutlicher, wenn Bilder mit superniedriger Qualität (720p und niedriger) auf 4K-Auflösung hochskaliert werden oder wenn Bilder auf wahnsinnig großen Fernsehern mit geringer Pixeldichte hochskaliert werden.

Nicholas Brendon von der schlecht hochskalierten Buffy The Vampire Slayer HD DVD-Veröffentlichung.
Leidenschaft des Nerds

Das obige Bild ist kein Beispiel für das Hochskalieren von einem Fernseher. Stattdessen ist es ein Beispiel für die Hochskalierung, die für die Buffy die Vampirjägerin HD-DVD-Veröffentlichung (aus einem Video-Essay von Leidenschaft des Nerds). Es ist ein gutes (wenn auch extremes) Beispiel dafür, wie eine schlechte Interpolation ein Bild ruinieren kann. Nein, Nicholas Brendon trägt kein wachsartiges Vampir-Make-up, genau das ist während des Upscaling-Prozesses mit seinem Gesicht passiert.

Während alle Fernseher Upscaling bieten, haben einige möglicherweise bessere Upscaling-Algorithmen als andere, was zu einem besseren Bild führt.

Upscaling ist notwendig und selten auffällig

Trotz all seiner Fehler ist Upscaling eine gute Sache. Es ist ein Prozess, der normalerweise reibungslos abläuft und es Ihnen ermöglicht, eine Vielzahl von Videoformaten auf demselben Fernseher anzusehen. Ist es perfekt? Natürlich nicht. Deshalb genießen manche Film- und Videospiel-Puristen lieber alte Kunst auf ihrem vorgesehenen Medium: alten Fernsehern. Aber im Moment ist das Upscaling nichts, worüber man sich zu sehr aufregen sollte. Es ist auch nicht etwas, worüber man sich zu sehr aufregen sollte.

Es ist erwähnenswert, dass die Videoformate 8K, 10K und 16K bereits von einigen der Hardware unterstützt werden, die wir täglich verwenden. Wenn die Upscaling-Technologie diese hochauflösenden Formate nicht einholen kann, besteht die Möglichkeit, dass sie zu einem viel größeren Qualitätsverlust führt, als wir es gewohnt sind.

Da Hersteller und Streaming-Dienste jedoch immer noch in Richtung 4K schleppen, sollten wir uns vielleicht noch keine Sorgen um 8K machen.



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