Praxis: Scaler

Pixelzauber - Scharfe Bilder dank Scaler

Jeder moderne Fernseher hat einen, kaum ein DVD-Player oder Digitalreceiver kommt ohne aus: Scaler sind das Zaubermittel aktueller Videotechnik: Sie rechnen Formate um, passen die Auflösung an und entzerren Bilder. Alles, was Sie über Scaler wissen sollten.

Scaler - oder auf Deutsch: Skalierer - rechnen Bildformate respektive Pixelmuster um und verbergen sich praktisch in jedem digitalen Bildgerät. Ob es sich um eine Quelle wie einen DVD-Spieler handelt oder um einen "Bildgeber" wie einen LCD-Fernseher - sobald Bildgröße oder Format verändert werden, kommt ein Scaler zum Einsatz. Er rechnet das vorhandene Pixelmuster in das geforderte Muster um. Oder anschaulicher formuliert: Er rechnet die Auflösung des Bildsignals auf die des Panels um. Ein Job, der so gut wie immer zu erledigen ist, weil die unterschiedlichen Bildquellen von PAL über die DVD bis hin zu HDTV und den neuen Formaten Blu-ray oder HD-DVD unterschiedliche Auflösungen mitbringen, die so gut wie nie exakt der eines Panels entsprechen. Die idealtypische Ausnahme: Ein HD-Signal in voller Auflösung (etwa von Blu-ray oder HD-DVD) trifft auf einen FULL-HD-Fernseher. In diesem sehr seltenen Fall wäre ein Scaler überflüssig.

An dieser Stelle heißt es, einen Begriff einzuführen: Bitplane. Die Bitplane ist sozusagen das Mosaik aus Pixeln, aus dem jedes digitale Bild besteht. Der Scaler kann nun Steinchen hinzufügen oder welche wegnehmen, um das Mosaik in der Größe zu verändern. Das Hauptproblem besteht darin, bei diesem Vorgang das Muster nicht zu verändern. Wie stellen die Entwickler das an?

Scaler im Einsatz

Scaler, die Bilder nach Belieben dehnen und strecken können, befinden sich in immer mehr Geräten. Sie können Letterbox-Balken wegrechnen und zoomen Overscan-Bereiche oder Cinemascope- Filme formatfülllend auf - in 4:3 oder 16:9. Achten Sie bei der Einstellung Ihres Lieblingsformats auf das richtige Seitenverhältnis!

Wie funktionieren Scaler?

Die einfachste Art, eine Bitplane in ihrer Größe zu verändern, ist, Mosaiksteinchen, also Pixel, hinzuzufügen oder zu kopieren. So arbeiten die Scaler einfacher DVD-Spieler und DVB-Receiver, wenn sie einen 16:9-Spielfilm für einen 4:3-Fernseher als Letterbox-Format ausgeben. Die Aufnahme hat PAL-Auflösung und damit eine Bitplane von 720 x 576 Pixeln auf der Scheibe. Als Letterbox-Bild muss es sich zwischen den schwarzen Balken mit nur noch 432 vertikalen Pixeln drängen. Ein einfacher Scaler lässt jede vierte Pixelreihe aus. Damit fehlt ein Viertel der Bildinformation, und es kann zu unschönen, stufigen Effekten kommen. Diese fallen besonders mit Motiven auf, welche fast waagerecht sind, oder mit Buchstaben kleiner Schriften, die dann fehlproportioniert erscheinen.

Umgekehrt arbeiten einfache Skalierer, wenn es um das Vergrößern von Bitplanes geht. Fehlt ein Pixel, wenn die Bitplane auseinandergezogen wird, dann kopiert er das Nachbarpixel in die Lücke. Es kommt ebenfalls an den geflickten Stellen zu sichtbaren Unregelmäßigkeiten, welche wiederum besonders bei kleinen, zusammenhängenden Objekten wie Schriften deutlich auffallen.

Rechenpower und Speicherplatz stehen heutzutage selbst preiswerter Hardware im Überfluss zur Verfügung, und so steht dem Einsatz komplexerer Mathematik nichts im Wege. Moderne Scaler interpolieren daher das Motiv bei der Änderung der Auflösung. Interpolieren heißt, dass sie an den Stellen, an denen sie ein Pixel entfernen oder eines hinzufügen, ein völlig neues Pixel aus Zwischenwerten berechnen. Dieser Vorgang hat den Vorteil, dass sich in dem neu berechneten Bild keine Stufeneffekte mehr finden. Als Nachteil zeigen sich die berechneten Zwischenwerte als leichte Unschärfe.

Wie kommt das? Angenommen, Sie bilden einen schwarzen Punkt von einem Pixel Größe auf einem weißen Hintergrund ab und möchten die Bitplane auf das Doppelte vergrößern. Zieht der Skalierer das Mosaik auf das Doppelte auseinander, entsteht eine Lükke zwischen dem schwarzen Punkt und dem weißen Hintergrund. Der Algorithmus füllt die Lücke mit dem Zwischenwert von Schwarz (dem Punkt) und dem Hintergrund (Weiß) entsprechend mit einem grauen Pixel. Der Punkt erscheint anschließend natürlich vergrößert, aber auch weniger konturscharf mit seinem neuen, grauen Rand. Ähnliches passiert, wenn man ein klassisches Foto optisch vergrößert: Es wird größer, aber es verliert proportional an Schärfe. Das ist logisch, denn wenn man das Motiv vergrößert, kommt keine wirklich neue Information hinzu. Wenn Sie einen mit einem Motiv bedruckten Luftballon immer weiter aufblasen, wird der Aufdruck größer, aber auch unschärfer. Die Information bleibt gleich, verteilt sich jedoch auf eine größere Fläche.

Checkliste

* Hochskalieren vergrößert das Bild, kostet aber Schärfe

* Herunterskalieren verkleinert mit dem Bild auch die Auflösung

* Jeder Skalierungsvorgang kostet Konturschärfe

* Idealerweise in der gesamten Signalkette nur einmal skalieren

* Am besten nur im TV oder Projektor skalieren

* Nur so bleiben die maximale Auflösung und Kontur- und Detailschärfe erhalten

* Digitale Quellen auf 16:9-Format konfigurieren

* Scaler an digitalen Quellen abschalten

* 576i/p für PAL, 1080i für HDTV einstellen

* Overscan wenn möglich abschalten

* Externe Scaler sind flexibel und anpassungsfähig, aber komplex zu bedienen

Ähnliches macht ein Scaler, wenn er ein Motiv verkleinert. Stellen Sie sich wieder unseren Punkt vor, wenn Sie das Motiv auf 75 Prozent verkleinern möchten. Der Scaler vermischt nun beim Verkleinern jedes Pixel mit einem Viertel seines Nachbarpixels. Nun wird aus unserem schwarzen Punkt in der Verkleinerung ein Pixel mit 75-prozentigem Grau, und seine benachbarten weißen Bildpunkte werden zu einem hellgrauen Kranz aus 25-prozentigem Grau. Das Bild verliert also wieder an Konturschärfe und Kantenkontrast, aber das Motiv bleibt homogen und bekommt keine Treppchenartefakte. Das ist in jedem Falle ein besserer Kompromiss als Stufen.

Größenänderungen mit ganzzahligen Faktoren lassen sich mit dieser Methodik sehr leicht und mit einem sehr homogenen Bildergebnis berechnen, denn jedes Pixel wird neu berechnet. Auch ab Zoomfaktor 0,5 oder 1,5 und größer ist jedes neue Pixel betroffen und das Ergebnis gleichmäßig. Schwierigkeiten bereiten kleine Größenänderungen, wie beispielsweise der Overscan der meisten Fernseher, also die kleine Überlappung des Videobilds über den Bildrand hinaus. Der beträgt typischerweise um fünf Prozent. Bei der Neuberechnung der Bitplane ist somit nur jedes zwanzigste Pixel betroffen. Es braucht aufwändige Rechenoperationen, um die Übergänge an den betreffenden Stellen unauffällig in das Bild einzubetten, ohne sichtbare Muster mit unschärferen Bereichen entstehen zu lassen.

Aufwändige Scaler besitzen Filter, welche einen Teil der weicher gewordenen Konturen wieder nachschärfen. Diese Filter führen zwangsläufig zu weiteren Effekten, im Extremfall zu Doppelkonturen. Die Programmierer tanzen also auf des Messers Schneide und müssen die Balance zwischen Pixel-Wiederholung/ Auslassung, Zwischenwertberechnung/ Interpolation und Nachschärfung sehr sorgfältig wählen. Moderne Scaler sind dann allerdings in der Lage, ein Bild ohne merklichen Auflösungsverlust zu vergrößern oder zu verkleinern.

Zusammengefasst: Hochskalieren macht das Bild (die Bitplane) größer, aber nicht schärfer. Herunterskalieren verringert mit der Größe (der Bitplane) auch die Auflösung proportional. Jeder Skalierungsvorgang kostet Konturschärfe. Idealerweise skaliert man in der gesamten Signalkette nur ein einziges Mal: wenn es geht, im letzten Glied, in der Regel also im Fernseher oder Projektor. Nur so bleiben maximale Auflösung und Konturenwie Detailschärfe von der Quelle übrig.

Wo verstecken sich diese Rechenkünstler?

Die Prozessoren stecken in praktisch jedem digitalen Bildgerät, das entweder das Bildformat und/oder die Bildauflösung verändern kann. Wie bereits erwähnt, besitzt jeder DVD-Spieler/-Recorder und jeder DVB-TVEmpfänger einen Scaler, der die Formatumrechnung bewerkstelligt. Nur wenn der Player auf Bildformat 16:9 steht, schaltet sich die Bild-Neuberechnung ab, und der Player gibt exakt die Auflösung wieder, die er von der Platte liest oder von der Antenne erhält. Die Formatumschaltung sollten Sie in Ihrem Fernseher oder Projektor vornehmen, nicht im Quellgerät.

Immer mehr moderne, digitale Quellen bieten für den HDMI-Ausgang verschiedene Auflösungen zur Auswahl an. Das gehört für HDTV-Empfänger und zukünftige Player wie HD-DVD und Blu-ray zur Regel, aber auch einige DVD-Spieler bieten diese Option. Aktuell sind in Deutschland nur zwei Auflösungen in Gebrauch: PAL mit 576i als Standard-Fernsehsignal oder 576p von der DVD sowie 1080i für HDTV.

Nicht wenige der angesprochenen Geräte wie edlere DVD-Player können normales PAL-Material auf HDTV-Auflösung 1080i hochrechnen. Doch wird daraus kein knackscharfes HDTV-Bild, es wird nur die vorhandene Bitplane von 720 x 576 Pixeln auf mehr Pixel verteilt. Das Bild behält im günstigsten Fall seine Qualität. Wenn Sie also nicht ausschließen können, dass das Signal anschließend ein weiteres Mal neu berechnet wird, sollten Sie die Auflösung an dieser Stelle nicht verändern.

Den größten Unsicherheitsfaktor hierzu bilden die Endgeräte in Form von digitalen TV-Geräten und Projektoren. Insbesondere LCD- und Plasma-Panels arbeiten sehr oft mit "krummen" Auflösungen, die nicht genau einer Videonorm entsprechen, etwa 848 x 540 Pixel oder 1344 x 768 Bildpunkte. Praktisch kein Scaler einer Quelle bietet genau diese Raster an, und ein zweiter, qualitätsmindernder Skaliervorgang wäre die Folge. Außerdem arbeiten fast alle Displays und Projektoren mit einem so genannten Overscan.

Dieser ist ein Überbleibsel aus den Analogzeiten. Ursprünglich waren die Bildröhren eher rund, das Bildmaterial ist aber seit jeher rechteckig. Außerdem haben analog übertragene Bilder fast immer ausgefranste, unsaubere Ränder. Daher ließ man das Bild etwas größer eingestellt als die Bildröhre, um einen sauberen Bildrand zu gewinnen. Das machen mit Videosignalen heute noch alle Geräte so, wenn gleich es eine zunehmende Zahl an Produkten per Menü zulässt, den Overscan abzuschalten.

Der Projektor oder das Panel skalieren praktisch in jedem Falle einmal, schon, damit das Bild genau die Bildfläche ausfüllt. Damit wird klar, warum es wenig Sinn ergibt, bereits vorher die Bitplane zu manipulieren.

Fazit

Scaler sind in der digitalen Medienwelt allgegenwärtig. Sie helfen, Bilder in ihrer Größe und im Seitenverhältnis anzupassen, und schaffen das in der Regel ohne störende Artefakte. Wunder können sie allerdings nicht vollbringen, und ein auf HDTV-Größe aufgeblasenes PAL-Bild wird dabei nicht schärfer, als es ursprünglich gewesen ist - echtes HD wird daraus nicht, erst recht nicht, wenn es der Fernseher ein weiteres Mal auf seine Displaygröße herunterrechnen muss. Setzen Sie Skalierer mit Bedacht sein, dann sehen Sie maximal scharf.

Sie sind überall: Scaler in Endgeräten

* FLAT-TV

Fast alle modernen Displays - von LCD-TVs über Plasmas bis zu Projektoren - besitzen Panels mit Computerauflösungen. Daher müssen sie stets für PAL-Empfang, DVD oder die neuen HD-Varianten skalieren.

* SURROUND-RECEIVER

Die Schaltzentralen für das Heimkino mausern sich zu Bildkünstlern. Top-Modelle skalieren alle Eingangsvarianten in HD-Auflösung und leiten sie über HDMI weiter.

* DVD-GERÄTE

Alle guten DVD-Player und -Recorder nutzen eine HDMI-Schnittstelle und bereiten ihr Bild digital und wahlweise hochskaliert auf. Durch Tuner und AV-Eingänge der Recorder werden auch PAL-Signale so bestens aufpoliert.

* VIDEOPROZESSOR

Viel mehr als nur ein Scaler: Der DVDO iScan VP30 beherrscht schon heute Videobearbeitungsfunktionen, die erst zukünftige integrierte Geräte bieten werden.

Es gibt auch externe Scaler, etwa von DVDO aus den USA oder dem deutschen Hersteller Cinemateq. Diese schaltet man zwischen Quelle und Endgerät, und sie dienen neben der Skalierung auch als Video-Quellenumschalter und zur Signalaufbereitung. Im Grunde machen sie im Kern das Gleiche wie die Skalierer in den Quell- und Endgeräten. Der Vorteil liegt in der weitreichenden Konfigurierbarkeit und den vielfältigen Bearbeitungsund Korrekturmöglichkeiten für jedes Signal, um auch das letzte Quäntchen an Konturschärfe oder fein dosierter Rauschunterdrükkung zu erzielen.

Interview mit Michael Liesenfeld von der Image V. GmbH

Die Image V. GmbH distribuiert in Deutschland, Österreich und der Schweiz die bekannten Videoprozessoren des kalifornischen Spezialisten DVDO. Der gründete sich ursprünglich als Spin-Off der Grafikkarten-Abteilung von Apple-Computer und ist heute einer der größten und wichtigsten Anbieter externer Videoprozessor-Lösungen. Michael Liesenfeld von Image erklärt, was diese Gerätegattung so interessant macht.

Redaktion: Herr Liesenfeld, die externen Videoprozessoren wie der aktuelle DVDO VP30 werden gerne als "Scaler" bezeichnet, aber das kann ja kaum die alleinige Aufgabe sein, oder?

Liesenfeld: Richtig, der DVDO VP30 ist ein Signalwandler, Deinterlacer, Skalierer, Testbildgenerator, Lip-Synchroniser, AV-Switcher, Audio- Video-HUB und mehr in einem. Er kompensiert die Schwächen der allermeisten Eingangsstufen auf der Displayseite sowie der Ausgangsstufen auf der Quellenseite. Kurz gesagt, er schließt die Lücke in der AV-Kette.

Redaktion: Für welchen typischen Anwender lohnt sich die Anschaffung eines externen Videoprozessors?

Liesenfeld: Wer Wert auf Bildqualität und Bedienkomfort legt, kommt an einem Scaler nicht vorbei. Grundsätzlich gilt: Je größer das Bild des Displays - gleich ob Projektor oder Flatpanel, je mehr Quellgeräte unterschiedlichster Signalstandards angeschlossen werden und je anspruchsvoller der Anwender ist, desto wichtiger wird der Scaler. Vom DVDO VP30 aus führt nur ein Kabel zum Display, welches nicht selten weit weg von den Signalquellen steht. Der Anwender hat jederzeit die Möglichkeit, weitere Geräte anzuschließen, ohne neue Kabel zum Panel oder Projektor verlegen zu müssen.

Redaktion: Solch ein Gerät macht eine ganze Menge. Kann das jeder mit ein wenig Haushaltskenntnissen handhaben?

Liesenfeld: Der Nutzen des Geräts ist nach richtigem Anschluss und Einstellung sichergestellt. Ein solches Gerät sollte allerdings nur von geschultem Fachpersonal angeschlossen und eingestellt werden. Aus dem Gerät ohne Fachkenntnisse die maximale Performance herauszuholen wäre wie ein Fünfer im Lotto.