Ein Videobild wird durch die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau erzeugt, für jeden einzelnen Bildpunkt (Pixel). Das in Europa weit verbreitete Komponentensignal "RGB" bietet daher die beste Übertragungsart, da hier die R,G und B Anteile für jeden Bildpunkt getrennt übertragen werden. Leider wäre dieses Verfahren bei einer Aufzeichnung sehr speicherintensiv und wurde daher für die DVD Aufzeichnung nicht verwendet. Hier griff man auf ein anderes Komponentensignal, "YUV", zurück. YUV wird oft verallgemeinert als qualitativ gleichwertiges Signal im Vergleich zu RGB bezeichnet. Dies stimmt nur bedingt. Denn tatsächlich ist der YUV Encoding-Standard flexibel und bietet unterschiedliche Qualitätsstufen. Dieser Artikel erläutert die Unterschiede und die bei der DVD Aufzeichnung / Dekodierung auftretenden Probleme.

(Um möglichst detailliert zu Illustrieren, sind sämtliche Bilder in diesem Artikel größere GIF-Dateien. Die Ladezeit der Bilder, kann je nach Verbindungsart, ein wenig dauern)

Die Funktionsweise des YUV Signals

Wie RGB benutzt YUV (auch Y,Pb,Pr oder Y,Cb,Cr) drei voneinander getrennte Signalleitungen (Y, U und V) zur Bildübertragung. Die Signale sind wie folgt beschaffen.

Y - Signal
Das Y-Signal ist wie bei S-Video ein "Luma"-Signal. Es beinhaltet die Helligkeitsinformationen des Bildes. Y ist sozusagen die Schwarz/Weiß Version des Videobildes.

U und V Signale
U bzw. V beinhalten jeweils die "Chroma" (Farb) - Informationen des Videobildes. Es handelt sich hierbei um sogenannte Differenzsignale, d.h. durch Addition der einzelnen Signalpegel ergeben sich die für die Bilddarstellung erforderlichen RGB-Anteile. Die Berechnung ist wie folgt:

R = Y + 1.402 ( V - 128 )
G = Y - 0.34414 ( U -128 ) - 0.71414 ( V -128 )
B = Y + 1.772( U - 128 )

Die Encoding-Varianten des YUV Signals
Wie bereits erwähnt gibt es verschiedene Qualitätsstufen des YUV Signals. Zur Erläuterung der Unterschiede betrachten wir ein Beispiel. Folgendes Videobild soll dargestellt werden:

Das Y-Signal enthält die Luma-Informationen des Bildes. Es ist pixelgenau, d.h. für jeden einzelnen Pixel werden die Informationen separat gespeichert.
Das Y-Signal ist bei allen Encoding Varianten gleich.

Das Y-Signal des Videobildes

Unterschiede ergeben sich bei den Chroma-Signalen. Hier wird, je nach Variante, Bandbreite beim Encoden gespart.

YUV 4:4:4
Bei der 4:4:4 Variante wird den Chroma-Signalen die selbe genaue Auflösung wie dem Y-Signal zugeordnet. Dies bedeutet, dass für jeden einzelnen Pixel die Chroma-Differenz-Signale vorhanden sind. Nach obigen Formeln können leicht für jeden einzelnen Pixel die R,G,B Werte errechnet werden. Die Farbauflösung entspricht der Luma-Auflösung.

YUV 4:2:2
Anders sieht es bei 4:2:2-encodetem YUV aus. Hier wird den Chroma-Signalen horizontal nur die halbe Auflösung im Vergleich zum Luma-Signal eingeräumt. Bei einem Videobild mit einer Auflösung von 720x576 bleibt somit eine Farbauflösung von 360x576 Pixeln. Jeder zweite Pixel hat keine Farbinformationen.

Jede zweite Spalte ist ohne Farbinformationen

In der Vergrößerung wird dies deutlicher

Chroma Upsampling
Natürlich erscheint das Videobild auf dem TV / Projektor nicht so wie oben in den Bildern zur Anschauung dargestellt. Die fehlenden Farbinformationen werden vom Videochip vor der Ausgabe hineingerechnet: Sie werden aus den vorhanden Farbinformationen "interpoliert". Dieser Vorgang heißt "Chroma-Upsampling". Die Interpolation ergibt nicht eine so genaue pixelgenaue Farbinformation wie bei RGB bzw. YUV 4:4:4. In der Praxis ist für das menschliche Auge jedoch kaum ein Unterschied auszumachen. Dies liegt an der Beschaffenheit des Auges. Es reagiert viel genauer auf Helligkeitsinformationen als auf Farbinformationen. Da die Helligkeitsinformationen des Videobildes pixelgenau sind, nehmen wir die "ungenaue" Farbdarstellung nicht wahr. Die "Farbauflösung" unseres Auges ist sozusagen nicht gut genug, um Unterschiede zu erkennen.
Dadurch lässt sich beim Encoden viel Speicherplatz sparen. DVD benutzt jedoch nicht das 4:2:2 Verfahren, sondern eine nochmals reduzierte Variante:

YUV 4:2:0
Bei 4:2:0 Encoding wird nicht nur die horizontale, sondern auch die vertikale Farbauflösung halbiert. Von der Auflösung 720 x 576 Pixel bleibt für Farbinformationen nur noch eine Auflösung von 320 x 288 Pixeln, ein Viertel! Die Luma - Auflösung ist nach wie vor pixelgenau.

Eine Farbinformation für jeweils 4 Pixel

Hier müssen jeweils die Farben von 4 Pixeln aus einer Farbinformation gewonnen werden. Wie bei 4:2:2 Encoding interpoliert der Videochip durch Chroma-Upsampling die Farbe der Schwarz/Weiß Pixel. Diese Interpolation ist auf Grund der wenigen Daten noch ungenauer als bei 4:2:2. Die Qualität ist reduziert. Durch unser menschliches Auge sieht das Ergebnis aber immer noch sehr gut aus. Die Ungenauigkeiten sind nur aus nächste Nähe zu erkennen.

YUV 4:2:0 Interlaced von Filmmaterial
Oben dargestellte Varianten erklären jeweils die Progressive (Vollbild) Varianten der Bilddarstellung. Komplizierter wird der Sachverhalt. bei der Halbbild (interlaced) Darstellung.
Zurück zu unserem Beispiel. Das Videobild wird bei der Halbbild-Aufzeichnung in zwei Halbbilder aufgeteilt. Eines zeigt alle ungeraden, das andere alle geraden Zeilen.

Ein Y-Signal-Halbbild mit den Schwarz/Weiß - Informationen:

Jedes Halbbild stellt jetzt ein Bild für sich alleine dar, unabhängig von dem anderen. Dementsprechend sind die Farbinformationen jeweils für ein Halbbild vorhanden. Wiederum steht nur ein Viertel der Auflösung zur Verfügung: Ein Halbbild hat eine Auflösung von 720 x 288 Pixeln, die Chroma-Information nur eine Auflösung von 360 x 144 Pixeln.

Ein Halbbild mit 4:2:0 Farbkodierung

Obwohl zwischen den einzelnen Bildzeilen jeweils eine Zeile Schwarz bleibt, werden sie als benachbart angesehen und die Farbinformation jeweils für 4 Pixel interpoliert. Pixel 1 und 2 der ersten und der dritten Zeile haben die selben Farbinformationen, Zeile 2 ist Schwarz.

Die Farbe muss demnach für jedes Halbbild getrennt berechnet werden.
Bei einer eventuellen Progressive Darstellung muss aus oben gezeigten Halbbildern das Original wieder zusammengesetzt werden (De-Interlacing) . Bei der Luma Information (Y-Signal) ist dies recht einfach.

Genaue Informationen und mögliche Probleme des De-Interlacings finden Sie in unserem Know-How-Special "Progressive Scan im Heimkino - Einführung in ein komplexes Thema".

Ist das Schwarz/Weiß-Bild korrekt zusammengesetzt, fehlen nur noch die Farbinformationen. Doch hierbei muss beachtet werden, dass diese Farbinformationen ja jeweils für die geraden und ungeraden Zeilen getrennt sind. Das bedeutet, dass z.B. die Farbe aus Zeile 1 und 3 aus der selben Chroma-Information gewonnen wird. Zeile 2 u. 4 haben dieselben Chroma-Informationen, 5 und 7, 4 und 6 etc. etc...

A: Zeilen mit den selben Farbinformationen aus Halbbild A
B: Zeilen mit den selben Farbinformationen aus Halbbild B

- Zeile 1 erhält die Farbinformationen aus Halbbild A
- Zeile 2 erhält die Farbinformationen aus Halbbild B
- Zeile 3 erhält die Farbinformationen aus Halbbild A
- Zeile 4 erhält die Farbinformationen aus Halbbild B

Ist die DVD in Halbbildern encodet, so entstehen keine Probleme. Die Chroma-Informationen sind auf der DVD getrennt für jedes Halbbild aufgezeichnet.

Vollbildaufzeichnung auf DVD & Chroma Upsampling Error

Viele Filme sind jedoch weitgehend im sogenannten progressiven Vollbildverfahren auf der DVD aufgezeichnet.
Genau hier entsteht bei vielen DVD Playern ein "Durcheinander" im Chroma Upsampling: Sie "mixen" die Farbinformationen und benutzen die Farbinformationen nach obigem Halbbild-Muster.
Es wird außer Acht gelassen, dass bei Vollbildern, wie oben beschrieben, je zwei aufeinanderfolgende Zeilenpaare dieselben Farbinformationen erhalten:

Farbinformationen bei Vollbildaufzeichnung: 1+2, 3+4, 5+6 etc...

Der Player nimmt stattdessen einfach an, dass die Chroma-Informationen nach Halbbildmuster aufgezeichnet wurden.
Durch diese fehlerhafte Verwertung von Progressive-Chroma-Informationen der DVD werden die Farbinformationen von manchen Zeilen vertauscht:

- Zeile 1 erhält die richtigen Farbinformationen
- Zeile 2 erhält die Farbinformationen aus Zeile 3: Falsch
- Zeile 3 erhält dieselben Farbinformationen wie Zeile 1: Falsch
- Zeile 4 erhält die richtigen Farbinformationen

Diese Fehler nennt man "Chroma Upsampling Error".

Bei großen Farbflächen fällt er nicht auf, bei kleinen Details mit starkem Kontrast hingegen sieht man den Fehler deutlich. Unser Beispiel veranschaulicht dies:

Korrekt sieht unser Bild so aus:

Korrekte Farbverteilung

Durch den Chroma Upsampling Error werden Farbzeilen vertauscht. Es entstehen ungewollte Ausfransungen in den Konturen:

Die Konturen sind ausgefranst

Dieser Fehler lässt sich theoretisch leicht beheben, wenn der DVD Player die Farbinformationen paarweise richtig zuordnet. Umso unverständlicher, dass nach Jahren immer noch viele Player diesen Fehler aufzeigen.

Progressive Vollbilddarstellung von Videomaterial

Die Progressive Darstellung von Videomaterial unterliegt nicht dem Chroma Upsampling Error, denn Videomaterial ist im Halbbildverfahren aufgezeichnet. Dennoch ist auch hier die Farbgenauigkeit alles andere perfekt. Es handelt sich dabei jedoch nicht um einen Fehler als vielmehr um eine technische Limitation des 4:2:0 Encodings.

Bei Videomaterial ist jedes Halbbild ein eigene Momentaufnahme mit unterschiedlichen Bildinformationen. Daher kann bei Bewegungen nicht aus zwei Halbbildern ein Vollbild zusammengesetzt werden. Vielmehr muss der DVD Player durch Interpolation die fehlenden Bildzeilen selber interpolieren. Genau Informationen zur Interpolation von Videomaterial finden Sie in unserem Special "Progressive Scan im Heimkino - Einführung in ein komplexes Thema".

Ein Halbbild hat eine Auflösung von 720 x 288 Pixeln. Dies ist die Auflösung unseres Schwarz / Weiß Y-Signals. Der DVD Player interpoliert die Auflösung hoch auf 720 x 576 Pixel. Dies erfolgt, je nach Player, in guter Qualität.

Die Farbauflösung beträgt jedoch nur ein Viertel der Interlaced Auflösung: 360 x 144 Pixel!
Aus dieser schlechten Auflösung muss der DVD Player nun die volle Progressive Auflösung von 720 x 576 Pixeln (8 fach !) berechnen.

Die Farbauflösung beträgt nur ein Achtel von PAL

Die erforderliche Interpolation (Upsampling) der Farbe auf PAL-Auflösung führt verständlicherweise nicht zu perfekten Ergebnissen. Im dargestellten Progressive Bild sind leichte Treppenstufen bei farbigen Konturen zu sehen. Hinzu kommt, dass die Farbinterpolation für jede Halbbild neu durchgeführt werden muss, mit unterschiedlichen Daten. Dadurch können von Frame zu Frame unterschiedliche Ergebnisse resultieren, die zu Chroma Upsampling Error - ähnlichen Artefakten führen.

Relativiert können sie nur von einer anschließenden Video-Filterung werden. Die Qualität dieser Filterung ist Modellabhängig. Viele Geräte besitzen keine solche Filterung.

Fazit
YUV ist bei entsprechendem Encoding nahezu gleichwertig mit RGB. Selbst die reduzierte Variante 4:2:0, wie sie bei DVD Encoding Verwendung findet, führt zu sehr guten Bildergebnissen. Problematisch ist die Farbinterpolation von Film-DVDs. Hier sollte beim Kauf eines DVD-Players auf ein korrektes Chroma-Upsampling geachtet werden. Bei korrektem Up-Sampling ergeben sich keine Bildartefakte.
Ungenauigkeiten bei der Progressive Darstellung von Videomaterial sind unvermeidbar. Der subjektive Eindruck kann nur durch Filterfunktionen verbessert werden.

E.Schmitt