Jeder Heimkino Enthusiast verfolgt das Ziel, die heimische Bildqualität
auf Kinoqualität anzuheben. Ein Unterfangen, das je nach verwendetem
Projektor unterschiedlich schwer ausfallen kann. Gerade Projektoren der
unteren und mittleren Preisklasse zeigen "out of the box" nicht
unbedingt die richtigen Bildcharakteristiken, um eine akkurate Filmprojektion
zu gewährleisten. Oft erscheint zwar ein Bild auf der Leinwand, das
auf den ersten Blick gut aussieht, doch weit vom machbaren Optimum entfernt
ist. Durch nachträgliche Kalibrierung können jedoch die meisten
Geräte auf die für Videoprojektion geltenden Standards optimiert
werden.
Mit dieser Know How Reihe geben wir einen Einblick in dieses sogenannte
"Projektor-Tuning" und erläutern anschaulich die verschiedenen
Ebenen und Vorgehensweisen zum "perfekten Bild".
Im ersten Teil "Grundwissen der Projektorenoptimierung" vermitteln
wir die nötigen Grundlagen über die wichtigsten Bildaspekte
der Videoprojektion. Er ist eine Zusammenstellung diverser Know How Texte
unserer Webpage, ergänzt mit zusätzlichen Erläuterungen.
1. Farbabstimmung
Aktuelle Digitalprojektoren arbeiten, indem sie aus dem Licht der Projektionslampe
für jede Grundfarbe (Rot, Grün, Blau) je ein separates Bild
mit den entsprechenden Farbanteilen erzeugen. Diese monochromen Bilder
werden anschließend zu einem gemeinsamen Farbbild zusammenkombiniert
(3 Chip LCD) oder schnell nacheinander projiziert (1 Chip DLP). Eine detaillierte
Beschreibung der verschiedenen Projektions-Techniken finden Sie im Artikel:
"Großbildprojektion
- Eine Einführung" im Know How Bereich von Cine4Home.
LCD Projektoren brechen das Licht
in seine Grundfarben
DLP Projektoren verwenden ein Farbrad
zum Erzeugen der Grundfarben.
Doch wie genau werden die notwendigen, jeweiligen Farbanteile bestimmt,
um eine absolut akkurate Farbwiedergabe, wie im Kino, zu gewährleisten?
Wie viele im Physikunterreicht gelernt haben, ergeben die drei Grundfarben,
wenn sie zu gleichen Teilen überlagert werden, die Farbe Weiß.
Doch Weiß ist nicht gleich Weiß. Was zunächst nach Werbeslogan
für Waschmittelprodukte klingt, ist ein wesentlicher Aspekt der Videokalibrierung.
Tatsächlich ist unser menschliches Auge in der Lage, unzählig
viele Nuancen von Weiß zu unterscheiden. Zur korrekten Weißanalyse
(Farbtemperatur) gibt es die Einheit "Kelvin", benannt nach
dem Britischen Physiker W.T. Kelvin. Sie nimmt als Referenz einen theoretischen
Körper der bei 0° Kelvin (= -273° Celsius) absolut schwarz
ist und setzt seine bestimmten Glühfarben in Bezug auf die Temperatur,
auf die er erhitzt wird.
3000 Kelvin bezeichnen also das Weiß, dass dieser theoretische Körper
bei 3000° erzeugt.
Normales Tageslicht hat eine Farbtemperatur von ca. 5000 Kelvin (kurz
D50), Mittagssonne ca. 6500 K (D65).
Rot, Grün und Blau ergeben
überlagert Weiß
Welches Weiß erzeugen nun Fernsehgeräte und Projektoren? Um eine einheitliche Farbwiedergabe zu gewährleisten, wurde für die Videodarstellung die Farbtemperatur 6500K (wie Mittagslicht) ausgewählt. Idealerweise erzeugt ein Projektor also ein Weiß, bei dem die Rot-, Grün- und Blauanteile so abgestimmt sind, dass eine Farbtemperatur von 6500K entsteht.
Verschiedene Weißtöne
Natürlich kann man diesen Weißabgleich auch verändern
(je nach persönlichem Geschmack) aber dies verfälscht die Farben
insgesamt. Denn: DVD und Videotransfers werden auf 6500°K abgestimmt.
Und was beim Encoden zu Grunde gelegt wird, muss folglich auch beim Decoden
/ Darstellen beachtet werden.
Die Farbtemperaturanpassung erfolgt übrigens nicht nur für das
maximale Weiß. Auch sämtliche Grautöne, die nichts anderes
sind als Weiß mit reduzierter Helligkeit (Helligkeitsabstufungen),
sind idealer weise auf 6500°K abgestimmt. Das Ergebnis ist eine perfekt
homogene Grauskala. Ist sie erreicht, stimmt die Farbwiedergabe in allen
Helligkeitsbereichen.
Homogene Grauskala
Gerade günstige Projektoren rekonstruieren die Farben des Kino-Originals
aber nicht akkurat. Dies zeigt sich in den meisten Fällen durch eine
Über- bzw. Unterbetonung einzelner Farben.
Betrachten wir ein Beispielbild.
Oben ist das Original, es ist mit perfekter Farb- und Helligkeitsdarstellung
möglichst genau zu reproduzieren.
Erzeugt aber ein Projektor z.B. zuviel Rot im Bild, wird die Farbtemperatur
des Bildes zu warm. Besonders gut ist dies an den Wolken zu erkennen.
Sie haben nicht mehr die natürliche Original-Farbe, sondern wirken
ein wenig zu rötlich:
"Rosa Wolken"
Wirkt ein Bild hingegen zu kühl, ist zuviel Blau im Spiel. Eine natürliche Darstellung von Tageslicht ist nahezu unmöglich.
Zu kühle Farbdarstellung
Solche Farbverfremdungen sind in unzähligen Varianten möglich.
Da dem Anwender oft die Vergleichsmöglichkeiten zum Original fehlen,
bleiben diese Projektordefizite meist unbemerkt.
Um die Farbdarstellung eines Projektors auf das Original zu optimieren,
muss der Projektor in allen Helligkeitsbereichen die Rot-, Grün-
und Blaufarbanteile so mischen, dass die Farbtemperatur 6500°K entspricht
(perfekte Grauskala).
1.1 Durchführung der Farbabstimmung
Eine genaue Farbdarstellung ist per Auge sehr schwer zu erreichen. Zudem
bieten nicht alle Projektoren die selben Einstellmöglichkeiten. Mit
Hilfe von Messinstrumenten und der passenden Kalibrierungssoftware (z.B.
Colorfacts) lassen sich die Charakteristiken des Projektors analysieren
und entsprechend abstimmen, so dass eine möglichst genaue Farbreproduktion
erzielt wird.
Farbanalyse durch Messung
Das Projektionsbild, das zu obigen Messergebnissen führt, weist
z.B. einen deutlichen Rot- und Blauüberschuss auf. Die resultierende
Farbtemperatur hat zuwenig Grünanteile im Bild.
Diese Farbverfälschungen können durch die gebotenen Einstellmöglichkeiten
eines Projektors ausgeglichen werden. Die Genauigkeit der Kalibrierung
hängt hier von den gebotenen Bildparametern ab. Je besser und flexibler
die Einstelloptionen, desto genauer die zu erreichenden Ergebnisse.
Wenn nötig, werden zur Farboptimierung auch farbliche Korrekturen
der Optik vorgenommen, z.B. durch Filter. Der Anwender merkt oft erst
nach der Kalibrierung, wo die Vorteile der korrekten Farbdarstellung liegen.
Das Bild wirkt natürlicher, glaubhafter und vermittelt das wahre
"Kino-Feeling".
Im günstigsten Fall wird eine nahezu perfekte Kalibrierung auf die
erforderlichen 6500K in allen Graustufen erzielt:
Akkurate RGB Verteilung über
alle Helligkeitslevel
Hier zeigt das gebotene Bild tatsächlich die akkuraten Farben des Originals. Die Darstellung ist weder zu kühl, noch zu warm.
Perfekte Darstellung
2. Kontrastoptimierung : Maximales
Weiß / Schwarzwert
2.1 Maximales Weiß
Das Maximale Weiß entspricht dem Weiß, das der Projektor bei
maximaler Helligkeit noch so darstellen kann, dass die Farbtemperatur
6500°K entspricht, die Rot-, Grün- und Blauanteile also noch
richtig abgestimmt sind. Erstrebenswert bei der Kalibrierung ist somit
der wirklich "machbare" Weißlevel des Projektors.
2.2 Schwarzwert
Digitale Projektoren produzieren bis heute kein perfektes Schwarz. Wie
ein Filmprojektor müssen die LCD bzw. DLP Panels das Licht der Projektionslampe
herausfiltern. Dies gelingt nicht vollständig, ein wenig Restlicht
gelangt immer an die Leinwand und sorgt für ein dunkles Grau anstatt
dem gewollten Schwarz. Dies macht sich besonders bei dunklen Szenen störend
bemerkbar. Nachtschwarz wirkt nicht richtig schwarz, sondern eher milchig,
wie bei Nebel. Dunkle Farbtöne werden leicht von diesem Grau verschluckt.
Neben dem maximalen Weiß ist demnach ein möglichst dunkles
Schwarz erstrebenswert.
2.3 Kontrastverhältnis
Das Kontrastverhältnis umschreibt die Relation von Maximalweiß
zu Schwarzwert. Je höher das Maximalweiß und je niedriger der
Schwarzwert, desto besser das resultierende Kontrastverhältnis.
Praktisch jeder weiß, dass ein großes Kontrastverhältnis
einer hohen Bildqualität sehr zu gute kommt. Je größer
der Kontrast, desto mehr Dynamik und räumliche Tiefe ist möglich.
Betrachten wir zur Veranschaulichung ein Beispiel. Das Foto zeigt zugleich
helle wie dunkle Partien. In der Originalversion wirkt das Szenario räumlich
tief:
Wird der Kontrast beschränkt, ist das Bild flau mit wenig Tiefe. Der natürliche Bildeindruck geht verloren.
Obiges Bild zeigt ein ungefähren Kontrast von 100:1. Erhöht man das Kontrastverhältnis, gewinnt das Bild an Tiefe, die Helligkeitsabstufungen werden detaillierter.
Dennoch ist der Bildeindruck nicht mit dem Original vergleichbar. Ab einem Kontrastverhältnis von 1000:1 sind die Unterschiede merklich geringer.
Das Beispiel zeigt deutlich, wie wichtig das Kontrastverhältnis eines Videobildes ist.
Bei der Kontrastoptimierung ist aber die Helligkeitsverteilung ebenfalls zu berücksichtigen:
3. Optimierung der Helligkeitsverteilung
Das unter Umständen gute Kontrastverhältnis eines Projektors / PlasmaTVs kann nur bei einer korrekten Gammaverteilung angemessen genutzt werden. Sie umschreibt die Helligkeitsverteilung im Bild. Je gleichmäßiger die Helligkeitsverteilung, desto präziser und homogener sind die Abstufungen im Bild. Dunklen Bildelementen sollte genauso viel "Platz" im Kontrastraum zugeordnet werden, wie hellen. Bei einer ungleichmäßigen Verteilung erscheinen z.B. dunkle Bildpartien sehr fein und klar abgestuft, helle Bildelemente hingegen verlieren Struktur, da hier nicht genügend Abstufungen zur Verfügung stehen. Jede erdenkliche Kombination ist möglich: Es kann auch der mittlere Helligkeitsbereich "überbetont" sein. Grundsätzlich gilt: Bei falscher Gammaverteilung erscheinen gewisse Bereiche entweder zu dunkel oder zu hell. Eine akkurate Bilddarstellung ist nicht möglich.
Zurück zu unserer Außenaufnahme. Am Himmel sind helle Wolken, die durch feine Strukturen plastisch wirken. Der Wald am Berghang ist dunkel, aber hat ebenfalls Tiefenstrukturen:
Das Original
Bei vielen Projektoren ist die Helligkeitsverteilung, auch "Gamma" genannt, allgemein zu hoch eingestellt, um den schlechten Schwarzpegel des Gerätes auszugleichen. In der Folge verliert das Bild an räumlicher Tiefe. Zwar sind weiterhin alle Details zu erkennen, doch das Ergebnis wirkt ausgewaschen und flau.
Der Wald ist "überbelichtet"
In anderen Fällen wiederum ist das Gamma zu niedrig eingepegelt.
Hier gehen in dunklen Bildpartien Details verloren. Zwar ist die Maximal-Helligkeit
unverändert, aber untere Helligkeitsbereiche zeigen zu wenig Dynamik.
Konturen gehen verloren
Ebenfalls ein häufiges Problem bei der Großbildprojektion ist eine ungleichmäßige Ausnutzung des Kontrastbereiches. Manchen Helligkeitsbereichen steht zu wenig Spielraum zur Verfügung, um eine plastische Detailzeichnung zu gewährleisten.
Unnatürliche Wolken
Im obigen Bild z.B. ist die Gammaverteilung für helle Bildbereiche
zu komprimiert: Die hellen Wolken verlieren ihre Plastizität und
erscheinen im Vergleich zum Original flach, wie weiße Flecken am
Himmel.
Richtig kalibriert, erhalten wir eine gleichmäßige Helligkeitsverteilung.
Das Bild zeigt auch in sehr dunklen Szenen genügend Durchzeichnung
und wirkt räumlich tief. Zugleich werden auch helle Nuancen sauber
differenziert. Es gibt keine Helligkeitssprünge, keine Bildelemente
wirken unnatürlich über- bzw. unterbetont.
3.1 Durchführung der Abstimmung
Weißlevel und Schwarzlevel können mit entsprechenden Testbildern relativ einfach bestimmt werden.
Der Gainlevel ist so einzustellen, dass helle Bereiche nicht übersteuern
("Clipping"). Im obigen Testbild müssen alle Graufelder
zu erkennen sein.
Ist die Clipping Grenze überschritten, werden helle Graulevel verschluckt:
Ähnlich wird der Bias (Brightness) eingestellt. Mit Hilfe des "Pluge"-Testbildes wird der Schwarzlevel genau so eingestellt, dass der "Blacker than Black" Balken und Schwarzbalken gleich Schwarz erscheinen (Projektorschwarzwert).
Ist die Brightness richtig eingestellt, so sind alle Graustufen des zweiten Testbildes zu erkennen:
Ist die Brightness zu niedrig eingestellt, verschwinden zahlreiche Stufen im Schwarz.
Die Brightness (Bias) und Gain (Contrast) Einstellungen lassen sich mit Auge also relativ einfach grob optimieren. Optimal sind sie dennoch selten direkt: Bei der Farbabstimmung (vgl. oben) müssen oft die RGB-Gain Level neu angepasst werden. Diese interagieren aber, je nach Projektor, mit der gerade erläuterten Contrast (Gain) Funktion. Nachkorrekturen im Laufe der Kalibrierung sind meistens unvermeidbar.
Ebenfalls schwierig sieht es bei der Helligkeitsverteilung aus:
Sie lässt sich erst mit Messinstrumenten akkurat überprüfen.
Gemessen wird die Gammaverteilung in einer sogenannten Gammakurve. Sie
setzt die verschiedenen Helligkeitspegel in Beziehung zur tatsächlich
ausgegebenen Bildhelligkeit. Die "Einheit" der Helligkeitspegel
sind die sogenannten "IRE" Level. IRE 0 entspricht schwarz,
IRE 100 Weiß, IRE 50 Mittelgrau. Vereinfacht kann man sie als "Prozentangaben"
von Weiß verstehen: 0% (Schwarz) bis 100% (Weiß).
Beim Test misst man nun die Lichtausbeute unterschiedlicher IRE Level,
erzeugt von Grautestbildern, und trägt sie in ein Diagramm ein.
Im Ergebnis soll eine Potenzfunktion zum Exponent 2.2 herauskommen. Sie
berücksichtigt die beim Aufzeichnen gewählte Verteilung und
sorgt für eine akkurate Helligkeitsreproduktion.
Weicht die Gammakurve von der Ideallinie ab, hat dies oben beschriebene
Folgen.
Ein Beispiel:
Die Gammakurve steigt zu schnell an und zeigt oben kaum noch Helligkeitssprünge.
Im Bild bedeutet dies, dass Bildelemente mittlere IRE Level bereits zu
hell angezeigt werden. Helle Details zwischen 70 und 100 IRE haben kaum
noch "Platz" um sich zu unterscheiden. Dynamik geht verloren.
Helle Wolken würden in einem Film z.B. kaum Struktur aufzeigen, sie
sähen aus wie flaches einfarbiges Papier (vgl. Beispiel oben).
Dem normalen Anwender stehen solch umfangreiche Testmethoden nicht zu
Verfügung. Er muss sich auf sein Auge verlassen. Ein hilfreiches
Testbild ist eine sogenannte Grauskala: Sie zeigt verschieden Helligkeitslevel
von Schwarz bis Weiß in einem Bild als Balken an.
Man muss hier darauf achten, dass die Helligkeitssprünge zwischen den Balken gleichmäßig exponentiell gemäß der Potenzfunktion erscheinen. Bei unserem "schlechten" Beispiel von oben wären z.B. die letzten 2 hellgrauen Balken kaum voneinander zu unterscheiden. Auch die dunkelgrauen Balken sollten klare Helligkeitsunterschiede aufweisen und nicht vom Schwarz "verschluckt" werden. Diese hätte nämlich einen massiven Detailverlust in dunklen Bereichen zur Folge.
4. Farbsättigung
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Bildoptimierung ist die Farbsättigung.
Ist sie zu stark, wirken sämtliche Farben im Bild zu kräftig.
Besonders in Außenaufnahmen mit Naturszenen oder bei Hautfarben
ist eine übertriebene Farbintensität leicht zu erkennen. Gleiches
gilt für eine zu schwache Farbsättigung. In diesem Fall wirken
die Videobilder unnatürlich blass.
Bei der Kalibrierung muss der "Sweet Spot", d.h. die optimale
Farbeinstellung gefunden werden. Mit Hilfe spezieller Testbilder und einem
Blaufilter ist dies relativ einfach und für jeden machbar.
Das obige Testbild ist durch den Blau-Filter zu betrachten und die Farbintensität so anzupassen, dass eine einheitliche blaue Fläche entsteht.
Wie funktionierts? Das Testbild zeigt die subtraktiven Grundfarben Cyan
(Blau + Grün) und Magenta (Blau + Rot) sowie die Primärfarbe
Blau. In allen Feldern ist also ein gewisser Blauanteil vorhanden. Betrachtet
man das Testbild durch den Blaufilter, so wird das Rot im magentafarbenem
bzw. Grün im cyanfarbenem Feld herausgefiltert, übrig bleiben
nur die Blauanteile. Mit Hilfe des Sättigungsreglers werden die Farbanteile
so optimiert, dass alle Farben des Testbilds den gleichen Blauanteil erhalten.
Doch Achtung: Eine derartige Kalibrierung macht nur bei einer vorangegangen
optimalen Farb- und Gammaabstimmung Sinn! Eine alleinige "Vorab"
Kalibrierung der Sättigung als erster Schritt der Bildoptimierung
kann in der Praxis zu falschen Ergebnissen führen, ist aber bei Amateuren
ein beliebter Fehler!
5. Fazit
Für eine optimierte Bildkalibrierung müssen alle beschriebenen Aspekte perfektioniert werden. Einen Teil davon kann man in den heimischen vier Wänden mit Hilfe einer Test DVD selbst durchführen, für andere sollten genaue Messinstrumente als objektive Beobachter benutzt werden....
In Teil II der Reihe erläutern wir, wie sich ein Projektor-Tuning positiv auswirken kann.