Deinterlacing
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[Bearbeiten] Zeilensprungsignale
Aus historisch-technischen Gründen verwenden alle 50- und 60-Hz-Röhren-Fernsehgeräte das Zeilensprungverfahren, bei dem keine Vollbilder (frames) sondern Halbbilder (fields) dargestellt werden. Jedes Halbbild besteht nur aus der Hälfte der Bildzeilen eines Vollbildes. Es wird immer abwechselnd ein Halbbild mit den ungeraden Bildzeilen (odd oder top field) und eines mit den geraden Bildzeilen (even oder bottom field) dargestellt. Ursprünglich wurde das Zeilensprungverfahren in der Anfangszeit des Fernsehens eingeführt, um mit dem damaligen Stand der Technik ein halbwegs flimmerfreies Bild zu gewährleisten. Heutzutage stellt dieses Verfahren jedoch ein echtes Problem dar, denn es ist für moderne Bildschirme (LCD, Plasma, DLP) ungeeignet und beeinträchtigt die Bildqualität. Bis heute werden aus Kompatiblitätsgründen aber bei praktisch allen Fernseh- und Videosignalen keine Vollbilder, sondern Halbbilder übertragen. Beim in Deutschland üblichen PAL-Standard sind es beispielsweise nicht 25 Vollbilder sondern 50 Halbbilder pro Sekunde. Ein solches Signal bezeichnet man als „interlaced“ (verwoben).
Bei Interlaced-Signalen muss zwischen zwei Arten von Quellen unterschieden werden: zum einen Film- und zum anderen Video-Aufnahmen. Bei der Produktion von Filmen werden Filmkameras eingesetzt, die Vollbilder aufzeichnen (i.d.R. mit 24 Hz). Diese Aufnahmen sind in erster Linie fürs Kino bestimmt, wo ebenfalls Vollbilder dargestellt werden. Für die TV-Übertragung müssen solche Filmaufnahmen nachträglich in Halbbilder zerlegt werden, um das notwendige Zeilensprungsignal zu erzeugen. Je zwei aufeinanderfolgende Halbbilder gehen hier auf ein und dasselbe Vollbild zurück bzw. haben den gleichen Zeitindex. Ein solches Signal wird auch als progressive with segmented frames (psF) bezeichnet. Ganz anders sieht das bei Videoaufnahmen aus, die mit TV-Kameras für das Fernsehen produziert wurden. TV-Kameras arbeiten nach dem Zeilensprungverfahren und zeichnen Halbbilder auf. Sie erzeugen also direkt ein Interlaced-Signal. Da zuerst das eine Halbbild und erst danach das andere Halbbild aufgezeichnet wird, haben hier zwei aufeinander folgende Halbbilder unterschiedliche Zeitindizes. Bei PAL ergibt sich zwischen zwei Halbbildern somit ein zeitlicher Verzug von 0,02 Sekunden. (Siehe auch: Bewegte Bilder).
Für Deinterlacing besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen Kino- und TV-Material: TV-Material besteht aus 50 unterschiedlichen Einzelbildern pro Sekunde (PAL), bei einer kontinuierlichen Bewegung zeigt jedes dieser Halbbilder einen anderen "Schnappschuss". Bei Kinomaterial, das im PAL-Format gezeigt wird (2:2-Pulldown) stammen je zwei aufeinanderfolgende Halbbilder aus demselben Vollbild. Dadurch kann man einerseits Kinomaterial theoretisch perfekt deinterlacen (Vollbilder lassen sich eindeutig herleiten), andererseits jedoch sind die Bewegungen weniger flüssig, da faktisch nur halb soviele "Schnappschüsse" der Bewegung existieren. Kinomaterial erfordert also eine andere Art von Filterung, um nach dem Deinterlacing harmonisch zu wirken.
Zeilenentflechtung (engl. Deinterlacing) bezeichnet einen Vorgang, bei dem Bilder eines im Zeilensprungverfahren vorliegenden Videosignals in Vollbilder konvertiert werden. Dies ist grundsätzlich notwendig, wenn die Aufnahmekamera mit Zeilensprung arbeitet und Aufnahmekamera und Anzeigebildschirme einen unterschiedlichen zeitlichen und vertikalen Bildaufbau haben. Dazu zählen neben 100-Hz-Fernsehgeräten alle Nicht-Röhren-Fernseher, also LCD- und Plasmabildschirme. Neben Direktdarstellung sind auch Rückprojektionsbildschirme und Frontprojektoren mit diesen Techniken betroffen. Auch wenn Fernsehprogramme oder Video-DVDs mit Zeilensprungursprung auf Computermonitoren aller Art betrachtet werden sollen, ist immer ein Deinterlacing notwendig. Nur herkömmliche 50-Hz-Röhren-Fernsehgeräte und 50 Hz-Röhren-Projektoren kommen ohne Deinterlacing aus. Das Entflechten kann entweder im Fernsehgerät selbst oder in der das Signal anliefernden Set-Top-Box (DVD-Spieler, DVB-Empfänger etc.) erfolgen. Auf dem Computer wird das Deinterlacing entweder von einer Software (etwa DVD-Player-Software) oder auf Hardware-Ebene (z.B. TV-Karte) durchgeführt. Die Bildqualität hängt entscheidend vom verwendeten Deinterlacer ab!
[Bearbeiten] Methoden
Heute werden eine ganze Reihe verschiedener Deinterlacing-Methoden eingesetzt. Diese unterscheiden sich zum Teil erheblich im betriebenen Aufwand. Teilweise kommen sogar Erkenntnisse aus der künstlichen Intelligenz zum Einsatz. Aber die perfekte Deinterlacing-Methode gibt es leider nicht. Alle Methoden haben ihre Vor- und Nachteile. Im Folgenden werden die wichtigsten Verfahren näher beschrieben.
[Bearbeiten] Weave (field insertion)
Die einfachste Möglichkeit Bildmaterial mit Zeilensprung zu deinterlacen ist, die vorhandenen Halbbilder gleichzeitig anzuzeigen, d.h. sie übereinander zu legen. Die geraden Zeilen des einen Halbbildes und die ungeraden Zeilen des anderen Halbbildes ergeben wieder ein Vollbild. Dies funktioniert allerdings nur ohne Qualitätsverlust bei Filmmaterial, das aus Halbbildern vom gleichen Aufnahmezeitpunkt besteht. In diesem Fall muss während des Vorgangs nur dafür gesorgt werden, dass immer nur die passenden Halbbilder zusammengefügt werden. Falls die Halbbilder sich aber zeitlich unterscheiden (TV-Material), entstehen kammartige Artefakte, da die Inhalte nicht übereinstimmen. Die Zeilen des einen Halbbilds erscheinen dabei gegenüber den Zeilen des anderen Halbbilds verschoben. Die Veränderung zwischen den einzelnen Halbbildern und damit die Kammeffekte sind umso stärker, je mehr Bewegung in der Szene vorliegt. Am Ende des Verfahrens hat man aus je zwei Halbbildern ein Vollbild erstellt. Falls man dieses nun anzeigen würde, sähe man ein deutliches Flimmern. Es käme dann nämlich nur zu einer Bildwiederholungsrate von 25 Hz. Die Vollbilder werden deswegen jeweils zweimal angezeigt, um wieder eine Rate von 50 Hz zu erreichen. Weave ist also ein sehr einfaches Verfahren und hat den entscheidenden Nachteil der Kammartefakte. Somit ist Weave für TV-Aufnahmen ungeeignet und man benötigt andere Deinterlacingverfahren. Viele Deinterlacer benutzen jedoch Eingabesignale, bei denen die Felder bereits mittel Weave zusammengefügt wurden, und verarbeiten diese weiter.
Kurz: Halbbilder zu Vollbild zusammenfügen. Ungeeigent für TV-Material!
[Bearbeiten] Unschärfe
Bei der Verwendung von Unschärfe wird das Vollbild dabei mit einem Verfahren ähnlich der Weave-Technik erstellt. Die beiden Halbbilder werden ebenfalls zusammengefügt, das entstandene Vollbild wird aber vor der Anzeige noch einmal weich gezeichnet. Damit versucht man den Kammeffekt abzuschwächen, dies führt allerdings auch zu einem deutlich unscharfen Ausgangsmaterial.
Kurz: Halbbilder zusammenfügen und Ergebnis weichzeichnen.
[Bearbeiten] Skip Field
Man kann nun erkennen, dass es vor allem wichtig ist Kammartefakte zu eliminieren. Deswegen versucht man das Vollbild aus nur einem Halbbild zu erstellen. Das andere Halbbild wird einfach fallengelassen. Dadurch verliert man allerdings die volle Auflösung des Originals und besitzt dann nur noch ein halb so großes Bild. Aus diesem Grund muss man danach das Bild wieder auf die alte Größe anpassen.
[Bearbeiten] Skip Field mit Zeilenverdopplung oder Interpolation
Falls man auf das nachträgliche Vergrößern des Bildes verzichten möchte, kann Skip Field das Vollbild auch durch einfache Zeilenverdopplung errechnen. Bei dieser Wahl erhält man aber ein qualitativ schlechtes Ergebnis. Deswegen gewinnt man die fehlenden Zeilen mittels Interpolation. Die einfachste Möglichkeit ist es dabei, eine fehlende Zeile aus den beiden umliegenden Zeilen zu ermitteln. Zieht man mehr Zeilen bei der Interpolation mit hinzu, wird das Ergebnis besser, allerdings steigt damit auch der Rechenaufwand. Am Ende wird das erzielte Bild wieder doppelt angezeigt, um ein Flimmern zu verhindern. Das große Problem bei der „Skip Field“-Technik ist, dass Bewegungen deutlich abgehackt wirken, da ein Halbbild einfach weggelassen wird und es damit schließlich an Bildinformation fehlt. Außerdem fehlen horizontale Details, welche so klein sind, dass diese nur jeweils in einem Halbbild auftreten. Die Methode hat aber den Vorteil, dass keine Kammeffekte auftauchen. Das Endergebnis wirkt insgesamt weicher als das Original, weil man das Bild wieder hochrechnen muss bzw. weil die fehlenden Zeilen selbst bei guter Interpolation niemals dem Ursprungsmaterial entsprechen.
Kurz: Gerade oder ungerade Zeilen weglassen, dann daraus Vollbild gewinnen.
[Bearbeiten] Bobbing (line averaging)
Beim Bobbing wird jedes Halbbild zu einem Vollbild erweitert. Es wird aber kein Halbbild ausgelassen, wie es beim Skip Field Video der Fall ist. Man ermittelt also die fehlenden Zeilen des Odd- und des Even-Fields und erhält dadurch zwei Vollbilder. Nun zeigt man zuerst das erste, dann das zweite Vollbild an. Die erste und die letzte Zeile der Halbbilder lassen sich allerdings schlecht interpolieren, da unterhalb bzw. oberhalb keine Nachbarszeile vorhanden ist, aus der man Informationen zur Rekonstruktion ziehen könnte. Falls diese Zeilen dann nicht berechnet werden, kommt es beim Wechsel zwischen den Vollbildern zu einem Auf (erste Zeile fehlt) und Ab (letzte Zeile fehlt) in der Wiedergabe. Genauso wie beim Skip Field Video wirkt bei diesem Verfahren das Ergebnis weich gezeichnet und es können auch horizontale Details fehlen. Kammartefakte tauchen ebenfalls nicht auf. Als Verbesserung bietet die Methode flüssige Bewegungen, da kein Halbbild weggelassen wird. Zusätzlich bleibt die Bildwiederholrate bei 50 Hz, es werden nämlich aus 50 Halbbildern 50 Vollbilder pro Sekunde. Der namensgebende Nachteil des Bobbings ist das vertikale Wackeln.
Kurz: Die fehlenden Zeilen von Halbbild 1 interpolieren, das Gleiche für Halbbild 2 machen. Die beiden gewonnenen Vollbilder nacheinander abspielen.
[Bearbeiten] Blending
Blending bzw. Averaging arbeitet ähnlich wie Bobbing. Die Vollbilder werden durch Erweiterung von Halbbildern gewonnen. Dies geschieht durch einfache Zeilenverdopplung bzw. durch Interpolation. Der Unterschied besteht darin, dass beim Blending nicht alle erzeugten Vollbilder einzeln nacheinander dargestellt werden. Sind beide Vollbilder erstellt, werden sie übereinander gelegt und ihr Mittelwert errechnet. Bei dieser Methode ist es auch in abgewandelter Form möglich, diese nur auf bestimmte Bereiche (z.B. dort wo Kammartefakte besonders stark auftreten) anzuwenden. Das endgültige Bild wird zur Flimmervermeidung wieder zweifach wiedergegeben. Der Vorteil des Blendings ist, dass kein Zittern auftritt, welches für Bobbing typisch ist. Durch die Vermengung der beiden Bilder verwischen allerdings bewegte Strukturen. Eine weitere Schwäche des Verfahrens ist eine erkennbare Unschärfe des Bildes. Ansonsten gelten die beim Bobbing genannten Punkte.
Kurz: Die fehlenden Zeilen von Halbbild 1 interpolieren, das Gleiche für Halbbild 2 machen. Die beiden gewonnenen Vollbilder übereinander legen und den Mittelwert ermitteln.
[Bearbeiten] Adaptiv
Adaptives Deinterlacing ist die am weitesten entwickelte und aufwendigste Methode. Der Unterschied zu den zuvor beschriebenen Deinterlacing-Methoden besteht darin, dass bei diesem Verfahren für die Verarbeitung eines bestimmten Halbbildes auch die vorangegangenen und die nachfolgenden Halbbilder mit einbezogen werden. Zuallererst wird dabei eine detaillierte Bewegungsanalyse durchgeführt. Teile des Halbbildes, bei denen keine oder nur vernachlässigbare Bewegungen festgestellt wurden, können anschließend mit einem einfachen Weaving ergänzt werden, ohne dass dabei Kammartefakte zu befürchten sind. Dadurch können die Nachteile des Bobbings (Zittern) oder des Blendings (Unschärfe) vermieden werden. Für bewegte Bildteile dagegen muss eine andere Methode gewählt werden. Der Deinterlacer wird hier versuchen bewegte Bildelemente zu erkennen und diese aus anderen Halbbildern möglichst verlustfrei zu rekonstruieren. Je mehr vorangegangene bzw. nachfolgende Halbbilder bei diesem Vorgang mit einbezogen werden, desto besser ist das zu erwartende Ergebnis. Natürlich steigt damit auch der Rechenaufwand an. Außerdem verzögert sich mit jedem nachfolgenden Halbbild, das bei der Verarbeitung des aktuellen berücksichtigt wird, die Bildausgabe um 0,02 Sekunden (bei PAL), denn schließlich müssen diese Bilder ja erst einmal „abgewartet“ werden. Wird der Ton nicht ebenfalls entsprechend verzögert, laufen Bild und Ton unsynchron, was aber im üblichen Rahmen nicht weiter auffällt. Ausschließlich bewegte Bildelemente, die nicht rekonstruiert werden konnten, muss der Deinterlacer interpolieren. Hierfür können wiederum unterschiedliche Methoden zum Einsatz kommen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass adaptives Deinterlacing im Idealfall das beste Ergebnis liefert: Man erhält Vollbilder in sehr guter Bildqualität und das bei voller Bildwiederholrate. Allerdings hat auch das adaptive Deinterlacing eine ganze Reihe von Nachteilen. Wie bereits angesprochen, ist das Verfahren sehr rechenintensiv. Software-Deinterlacer benötigen daher ein sehr schnelles System, um ordnungsgemäß arbeiten zu können. Entsprechende Hardware-Deinterlacer sind teuer. Ob der Mehrpeis den Qualitätsgewinn rechtfertigt, bleibt fraglich. Darüberhinaus ist es sehr schwierig einen zuverlässigen adaptiven Deinterlacer zu entwickeln, da die notwendigen Algorithmen komplex sind. Mittelmäßige oder gar fehlerhafte adaptive Deinterlacer rechnen oft so viele störende Artefakte in das Bild hinein, dass man eine mangelhafte Bildqualität erhält. Schließlich hängt die Qualität, die ein adaptiver Deinterlacer liefert, entscheidend von der Qualität des Ausgangsmaterials ab. Ein gutes Ergebnis lässt sich nur mit hochwertigen Bildsignalen erreichen. Bildstörungen, wie etwa „Rauschen“ oder „Grieseln“, können auch hochwertige Deinterlacer schnell aus der Bahn werfen. Die Folge sind wieder starke Bildartefakte, die die Bildqualität beeinträchtigen. In diesem Fall fährt man mit einem einfachen Bobbing oder Blendig oft besser.
[Bearbeiten] Motion Compensation
Die modernsten Deinterlacing-Verfahren verwenden Motion Compensation (Bewegungskompensation). Dabei werden die Halbbilder mit Weave kombiniert. Da es bei Bewegungen mit Weave zu Kammstrukturen kommen würde, werden die bewegten Bildelemente erst einmal identifiziert. Danach wird versucht die Teile von Halbbild 1 mit den Entsprechungen aus Halbbild 2 zur Deckung zu bringen und erst dann mit Weave zu kombinieren. Das Verfahren ist zwar sehr aufwendig, aber mittlerweile für Fernseher Stand der Technik geworden. Lediglich billige, auf PC-Monitor-Technik basierende LCD-Fernseher verwenden noch unkompensiertes Deinterlacing. Üblicherweise wird dieses Verfahren mit adaptiven Filtern kombiniert, so dass ein sehr guter Gesamteindruck entsteht. Methoden, welche mit Motion Compensation arbeiten, liefern das beste Ergebnis von allen Varianten.
Kurz: Halbbilder mit Weave verbinden, bewegte Bildteile zu Deckung bringen und dann mit Weave kombinieren.
[Bearbeiten] Illustration
[Bearbeiten] Siehe auch
[Bearbeiten] Weblinks
- Weitere Informationen:
- "So werden halbierte Bilder wieder ganz (heise.de)" - Leicht verständlich und mit guten Beispielgrafiken
- "100fps.com" - Äußerst umfassende Behandlung des Themas, gut nachvollziehbar erklärt (englisch)
- Liste bekannter Software Deinterlacer:
- Kernel Deinterlacer - Bewegungsadaptiver Deinterlacer (von Donald Graft)
- TDeint - Bewegungsadaptiver Deinterlacer/Smartbobber (von Tritical)
- TomsMoComp - Bewegungskompensierender Deinterlacer (von Tom Barry)
