Super Resolution vs. Reality Creation |
Großes Update unseres Specials... |
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Der Zweck der Einführung der „FullHD“ Auflösung vor wenigen Jahren klärt schon der Name selbst: In direkter wörtlicher Übersetzung bedeutet „High Definition“ nichts anderers als „hohe Bildschärfe“. Und tatsächlich, mit rund der vierfachen Auflösung gegenüber herkömmlichem PAL (Standard Definition) brachte HDTV einen für jedermann ersichtlichen grandiosen Qualitätssprung in Sachen Detaildarstellung. Und dennoch ist das Optimum noch nicht erreicht, die gesunde Sehschärfe vor allem bei der Großbildprojektion noch nicht ausgereizt: Die Hersteller arbeiten fleißig an der „Ultra HD“ Auflösung, bei Fernsehern ist sie bereits nahezu Standard, allein die Softwareindustrie hinkt nach. Apropos Softwareindustrie: Viele Großbildfans beklagen zurecht, dass nicht die FullHD Auflösung alleine denn limitierende Schärfefaktor ausmacht, sondern viele Filme auf Bluray oder TV-Übertragungen das volle Auflösungspotenzial gar nicht nutzen, sondern zu Gunsten einer schmaleren Bandbreite Verluste in Kauf nehmen. Tatsächlich wird die maximalmögliche Bildqualität von FullHD in der Praxis nur selten erreicht. FullHD „geht also noch besser“. Dieses Potenzial hat auch die Unterhaltungselektronik-Industrie erkannt und bietet seit Jahren intelligente Signalprozessoren zur nachträglichen Bildaufbereitung von FullHD Quellen an, zunächst als externe Scaler, seit geraumer Zeit als „kostenlose Zugabe“ in hochwertigen TVs oder Projektoren. Jeder Hersteller gibt seiner Technologie dabei webwirksame Marketing-Namen: Super Resolution, Reality Creation, Detail Clarity usw. usw. Prinzipiell haben die Algorithmen die Aufgabe, Konturen schärfer abzugrenzen, Auflösung zu ergänzen und Kontraste zu verstärken, denn dies sind alles Bildaspekte, die von unseren Augen subjektiv als mehr Schärfe interpretiert werden. Doch bergen sie auch die Gefahren der digitalen Verfremdung und Überschärfung. In diesem Special vergleichen wir drei der derzeit bekanntesten Systemen am Markt unter praxisnahen Bedingungen: Die „Super Resolution“ des Epson EH-TW9200, die „Reality Creation des Sony VPL-HW55 und, als externe Lösung für alle anderen Projektoren, der „Darblet“ Prozessor aus dem Hause Darbee. Welcher Bildverbesserungen bewirken die einzelnen Systeme, welche Nebenwirkungen haben sie, welches System überzeugt am meisten und sind derartige Systeme überhaupt zu empfehlen? All diese Fragen beantworten wir auf den folgenden Seiten…
Bevor wir vergleichen, möchten wir vorab die technischen Grundlagen erläutern, wie genau kann die Schärfe eines Videobildes ohne native Auflösungserhöhung gesteigert werden?
Um das Prinzip der Schärfeanhebung zu erklären, bedienen wir uns eines bekannten Beispiels. Als Ausgangsbasis betrachten wir ein Bild mit verschieden detaillierten Elementen, es handelt sich um die bekannte Brücke der HQV-Testdisc:
Doch es fallen auch erste Nebeneffekte auf: Die härteren Kontrastübergänge betonen auch die Treppenbildung stärker, die Vergrößerung wird pixeliger und anfälliger für Artefakte. Bei FullHD-Projektoren ist die native Auflösung zum Glück aber so hoch, dass derartige pixelkleine "Aliasing"-Effekte nicht sehr groß ins Gewicht fallen. Dennoch verbirgt sich hier ein störender Nebeneffekt, der im Übermaß unbedingt vermieden werden sollte. Im nächsten Beispiel erhöhen wir die nachträgliche Schärfe noch weiter, um eine weitere Gefahr aufzuzeigen: Jetzt werden die hellen und dunklen Elemente noch weiter zueinander gespreizt und die Treppe wirkt folgerichtig noch schärfer. Doch es fällt auf, dass die hellen Stufen teilweise nun schon den Maximalpegel (Weiß) erreicht haben, der Gelb / Beige Charakter des Originals ist fast vollständig verloren, die Stufen wirken blasser und überbelichtet, nahezu künstlich.
1.2 Mögliche Artefaktbildung / Anforderungen an einen Schärfealgorithmus Nun wissen wir, dass es sich bei der nachträglichen Schärfeanhebung um eine Art "Pixelbasierende Gammakorrektur" handelt: Befindet sich im Bild ein helleres Element neben einem dunkleren, so wird der Kontrast durch Spreizen (Aufhellen + Abdunkeln) erhöht, damit die Trennung stärker herausgearbeitet wird, was von unserem Auge als "schärfer" interpretiert wird.
1.2.1 Überbelichtung
Oben: Original, unten: Überschärft
1.2.2. Aliasing Aliasing ist der englische Fachbegriff für auflösungsbedingte Treppenstufen. Vor allem Computerspielfans werden die sogenannte "Anti-Aliasing"-Filter kennen, die dafür sorgen, dass feine diagonale Linien und Elemente im Bild nicht ausgefranst, sondern natürlich aussehen. Auch eine Schärfeanhebung kann als unangenehmen Nebeneffekt Aliasing verursachen. Dazu betrachten wir folgendes Bild, wie es in jedem Spielfilm vorkommen könnte:
1.2.3 Verstärktes Rauschen Jeder kennt den Effekt aus der Fotografie oder hat ihn schon oft bei Filmen im (Heim-)Kino beobachten können: Homogene farbige oder graue Flächen erscheinen auf der Leinwand nicht wirklich einheitlich, sondern sind durch Tausende von kleinen Punkten gesprenkelt. Diese bewegen sich von Bild zu Bild, es entsteht ein visuelles Rauschen, von Laien oft als "Grieseln" bezeichnet. Hierbei handelt es sich also nicht um ein Digital-Artefakt der Beamer, sondern um ein Artefakt des analogen Zelluloid-Mediums. Beim Rauschen scheiden sich die Geister, wie sich bei der Einführung der Blu-ray und verschiedenen Pack-Algorithmen zeigte: Die "konservative" Seite unter den Filmemachern und Studios vertritt die Meinung, dass es sich beim sichtbaren "Filmkorn" um ein erhaltenswertes Artefakt handelt, das beim Mastering nicht geglättet werden sollte. Andere wiederum bevorzugen den glatteren und natürlichen "bereinigten" Look. Wie dem auch sei, bis heute zeigen die meisten DVDs und Blu-rays ein sichtbares Filmrauschen. Betrachten wir dieses in einem Einzelbild in der Vergrößerung:
Wie bereits erläutert, wird die Bildschärfe durch eine Kontraststeigerung zwischen den Pixeln erreicht. Für unsere "verrauschte" Fläche heißt das, dass der Kontrast zwischen der Sprenkelung erhöht wird, die dunkleren Flecken / Pixel werden abgedunkelt, die hellen weiter erhellt. Als Ergebnis wird das Rauschen deutlich ausgeprägter:
Ein Schärfealgorithmus sollte daher entweder solche Rauschflächen erkennen, oder so moderat arbeiten, dass das Rauschen nicht signifikant gesteigert wird, sicherlich keine einfache Aufgabe.
1.2.4 Doppelkonturen Besonders herkömmliche Schärfeeinstellungen von Fernsehern oder Projektoren sind für diese Artefakte bekannt: Erhöht man den Schärferegler zu sehr, stellen sich schnell unschöne Doppelkonturen im Bild ein, auch "Ringing" genannt.
Eine leistungsfähige, moderne Schärfeanhebung sollte keine solchen Doppelkonturen erzeugen, das ist selbstverständlich. Und dennoch ergibt sich ein Problem: Nicht selten weist das Bildmaterial oder die Signalquelle bereits ein minimales Ringing auf: Kaum sichtbare Doppelkonturen um scharf abgegrenzte Objekte. Bei herkömmlicher Schärfe fallen diese nicht auf, doch eine nachträgliche Schärfeerhöhung hebt ja pixelbasierend den Kontrast an und wie beim Rauschen wird dieses Artefakt dann richtig deutlich.
Hier kommen wir in einen Bereich, der nur sehr schwer durch "Intelligenz der Schaltung" zu umgehen ist. Eine vollständige Objekterkennung ist nach wie vor nicht möglich.
1.2.5 Beabsichtigte Unschärfen Pauschal die Schärfe in jedem Bild gleichmäßig anzuheben, ist nicht unbedingt der richtige Weg, denn schärfer ist nicht unbedingt auch besser. Ein besonderer Gesichtspunkt, der bei vielen Heimkinofans und "Schärfefanatikern" nicht berücksichtigt wird: Ein Kinobild soll (je nach Komposition) gar nicht in allen Bereichen scharf sein! Das klingt zunächst unverständlich, doch dabei sind Unschärfen das Natürlichste auf der Welt: Unsere Augen sind in ihrer Funktion so aufgebaut, dass sie stets nur einen Abstandsbereich fokussieren können. Konzentriert man sich auf ein Objekt, so erscheint nur dieses (und andere Objekte mit gleichem Abstand) scharf, alles andere ist eher verschwommen und verliert daher in der Wahrnehmung auch an Beachtung / Bedeutung. Gleiches gilt für eine Fotokamera. Und genau diese menschlichen Wahrnehmungseigenschaften machen sich gute Regisseure zu Nutze: Durch ein klares Abgrenzen der Fokusebene beeinflussen sie, worauf im Bild sich der Zuschauer konzentriert, welchen Elementen er größere Beachtung schenkt, als anderen. Dies ist zwingend notwendig, um den Blick der Zuschauer zu steuern, denn aufgrund der Zweidimensionalität des Bildes (die Leinwand ist flach und befindet sich stets nur auf einer Fokusebene des Auges), bleiben dem Gehirn keine anderen visuellen Anhaltspunkte für "wichtiges Bildgeschehen", als die Bildschärfe:
Aus diesen wichtigen Aspekten heraus muss eine intelligente Schärfeanhebung daher zwischen der Fokusebene / wichtigen Elementen und "Nebenschauplätzen" unterscheiden. In obigem Bild macht es z.B. nur Sinn, das Gesicht Johnny Depps in der Schärfe anzuheben, nicht aber die Mauer oder den Hintergrund. Nur so bleibt die originale Bildkomposition erhalten und gewinnt sogar durch die gezielte Schärfeerhöhung zusätzlich an Tiefe:
Oben Original, unten gezielt in nur wichtigen
1.3 Anforderungen an einen Schärfealgorithmus Unser Überblick der möglichen Probleme hat aufgezeigt, dass es gar nicht so einfach ist, die Schärfe des laufenden Filmbildes zu erhöhen. Schnell werden Artefakte provoziert (Aliasing, Übersteuerung), oder bereits vorhandene verstärkt (Rauschen, Doppelkonturen), oder die beabsichtigte Bildkomposition verfremdet (Fokusebenen), wenn man es übertreibt. Sind die beiden Schärfetechniken von Epson und Panasonic in der Lage, diese Aspekte alle zu berücksichtigen?
Nachdem wir im letzten Kapitel die grundlegenden Funktionsweisen und die möglichen Nebenwirkungen kennen gelernt haben, wollen wir dieses Wissen auf die derzeit drei konkurrierenden Systeme anwenden. Dazu wählen wir zwei bekannte Filmkonstellationen und überprüfen die Merkmale der Bildanschärfung im Detail:
2.1 Epson Super Resolution Bei den Projektoren ist Epson der Pionier der nachträglichen Schärfeanhebung. Der Klassiker auf dem Gebiet der Schärfealgorithmen ist daher die viel bekannte „Super Resolution“, die sich in den Spitzenmodellen des Marktführers Epson seit Jahren einer großen Beliebtheit erfreut.
"Single Frame" bedeutet, dass die Bildanalyse stets auf einem Einzelbild basiert. Würde man auch nachfolgende Bilder bei der Berechnung mit berücksichtigen, könnte man zweifelsohne eine noch höhere Genauigkeit erreichen, doch überschreitet dies derzeit noch die möglichen Rechenleistungen. Wir zeigen die Funktionsweise des Algorithmus in einem Flussdiagramm auf, das die einzelnen Arbeitsschritte und ihre Reihenfolge abbildet:
Damit sind wir schon bei dem Schwerpunkt der NEC-Super Resolution: Ursprünglich wurde sie dafür konstruiert, um aus herkömmlichem SD-Material (PAL / NTSC) nach der Skalierung mehr Schärfe zurückzugewinnen, doch auch bei HD-Material soll die Schaltung für mehr Schärfe sorgen, und zwar nach der pixelbasierenden Gamma-Methode, die wir bereits eingangs in diesem Special erklärt haben. Es zeigt sich aber ebenso, dass diese Schaltung bei einer Hochskalierung auf 4K wiederum sehr viel Potenzial mit sich bringt. Das Prinzip der Super Resolution ist Grundlage für alle weiterführenden Techniken, auch für die folgenden...
Betrachten wir zunächst die dunkle Hose des Jokers: Im Kontrast zur hellen Straße ist hier im Original kein signifikantes Schärfedefizit zu erkennen. In der Makroaufnahme erkennt man allerdings, dass der Protagonist sich keinesfalls „schwarz auf weiß“ von dem Hintergrund abhebt. Die Ränder sind mit Graustufen ein wenig weichgezeichnet, allerdings nicht ohne Grund: Die „Mikrograutreppen“ sorgen dafür, dass die limitierte FullHD-Auflösung nicht zu ersichtlich wird, sie vermindern Treppenstufen und oben erläuterte „Aliasing“-Artefakte, die das Bild künstlich digital erscheinen lassen würden. Hier wurde also mit „Anti Aliasing“ ein Kompromiss aus Detailschärfe und Natürlichkeit angewendet.
Wie behandelt Epsons „Super Resolution“ nun dieses Bilddetail? Die Intensität ihres Eingriffs lässt sich in 5 Stufen regeln. Wir haben jede Stufe fotografiert und das Ergebnis spricht eine eigene Sprache:
Tatsächlich, die subjektive Schärfe wird hier gravierend erhöht und der Algorithmus arbeitet genau so, wie vom Hersteller, doch über einen Gewinn der Bildqualität lässt sich streiten. Auf der einen Seite entfernt die Super Resolution konsequent alle „Weichzeichnungs-Graustufen“ und erhöht so den Kontrast zwischen Objekt und Hintergrund, die subjektive Schärfe wird dadurch erhöht. Doch leider werden die schrägen Kanten sehr „ausgefranst“, die so ungewollten Aliasing Artefakt werden mehr als deutlich. Im laufenden Filmbild werden sie als „Kantenflimmern“ noch deutlicher, das Bild wirkt wie schlecht digitalisiert, das Limit der FullHD Auflösung wird störend.
Original (oben) & Epson SuperResolution (unten)
Doppelkonturen, wohin das Auge blickt….
Insgesamt wird diese Bildszene überall nachgeschärft, auch an Stellen, wo es nicht sein soll: Denn die Häuser im Hintergrund sind bewusst sehr unscharf, um eine höhere Tiefenwirkung zu erzielen und den Protagonisten noch stärke in den Vordergrund zu stellen (siehe Beispiel in Kapitel1). Die von den Filmemachern beabsichtigte Bildkomposition wird beeinträchtigt.
Als zweite Szene wählen wir unseren Klassiker, den Marcusplatz aus Casino Royal. Hier kann jeder Algorithmus zeigen, wie ein ohnehin schon detailliertes Bild noch weiter aufwerten kann. Das Original zeigt feine Strukturen und diverse Details, die nur aus einem oder zwei Pixel bestehen.
Deutlich schärfer, aber mit vielen Nebenwirkungen
Links Neue Epson Firmware, rechts alte Firmware
Hinter dem Sony-eigenen Marketingbegriff verbirgt sich tatsächlich auch eine Sony-eigene Technik. Sony versucht, die Arbeitsweise seines Algorithmus wie eine große „Strukturdatenbank“ dazustellen, die Details eigenständig erkennt und dann entsprechende Muster von selbst einfügt.
Erfahrene Heimkinoexperten wissen, dass die mathematische Fast-Fourier-Transformation ein erheblicher Bestandteil der digitalen Komprimierung in Bild und Ton darstellt und diese erst möglich macht. Im Videobereich kann sie dazu dienen, die Bildinformationen in ihre Frequenzbereiche zu konvertieren und ermöglicht so eine weitere Analyse:
Diese FFT- Frequenz-Analyse haben die Sony-Ingenieure für die Entwicklung ihrer Bildprozessoren mit unzähligem Bildmaterial durchgeführt und typische, sprich immer wiederkehrende, Charakteristika in einer Datenbank gesammelt. Die Datenbank ist daher nicht als simpler „Grafikspeicher“ zu verstehen, in der grafisch diverse Muster abgelegt sind, sondern vielmehr als Ansammlung mathematischer Frequenz-Konvertierungen (Konvertierungs Datenbank). Dabei hilft Sonys langjährige Erfahrung im 4K-Aufnahmebereich und des Masterings selbstverständlich.
Soweit so gut, der Algorithmus ist also in der Lage, fein aufgelöste Bildinhalte zu erkennen und evtl. weiter zu verwenden. In der eigentlichen Darstellung stellt sich aber ein Problem: Ein herkömmlicher FullHD Projektor bietet nicht viel Auflösungspielraum gegenüber der Quelle, um die erkannten Details mit Bildinformationen zu ergänzen. Der Algorithmus muss sich also darauf beschränken, Artefakte zu minimieren, entweder durch Pixelgamma oder Umrechnung. Also alles nur Marketinghype ohne realen Nutzen? Wir schauen einfach wieder hin: Oben Original, unten Sony Reality Creation Auch die Reality Creation ist nicht in der Lage, das ungewollte Ringing des Originals zu erkennen und verstärkt die lästigen Doppelkonturen, so dass sie aus der Entfernung sichtbar werden, allerdings nicht auf einem so groben Niveau, wie der Epson. Aliasing und Ausfransungen werden hingegen nicht provoziert, hier ist die Reality Creation intelligenter. Oben Orignal, unten Sonys Reality Creation Oben Orignal, unten Sonys Reality Creation Das Rauschen des Filmes wird hingegen beträchtlich verstärkt und stört deutlich den sonst guten Bildeindruck, da hilft auch der separat einstellbare Noise-Reducer der Reality Creation nicht viel. Bei all unseren Tests sollte man die Realty Creation auf keinen Wert höher 30 einstellen (die Skala geht bis 100), wenn man die Natürlichkeit bewahren möchte.
2.3 Darbee Darblet Bei dem Darbee Darblet handelt es sich um eine kleine Box, die in das HDMI-Signal eingeschliffen wird. Mit einem Preis von ca. €250.- Euro ist sie teurer, als so mancher Bluray Player und die Erwartungen an ihre Leistung entsprechend hoch. Gesteuert wird der Darblet über sein eigenes Menü, das sich als überraschend vielseitig erweist. Verschiedene Anwendungsprofile sind hier vorprogrammiert und können anschließend fein justiert werden. Wie bei den anderen Systemen wählten wir eine moderate Einstellung. In unserer ersten Testszene erreicht auch der Darblet auf den ersten Blick eine erhöhte Schärfe. Bei genauer Betrachtung wird die Arbeitsweise deutlich: In feinen, hochfrequenten Details (wie z.B. den Haaren) wird das Gamma gespreizt, um den Kontrast und damit de subjektive Schärfe zu erhöhen.
Oben orginal, unten Darbee Darblet
Diese Methode wird auch in gröberen Details wie den Falten in der Tasche angewandt, so dass diese ebenfalls an Plastizität gewinnt. Das Ergebnis wirkt ansprechend, ohne dabei zu übertrieben zu sein. Die Häuser im Hintergrund werden etwas nachgeschärft, die originale Bildkomposition aber nicht zu sehr verfremdet. Auch störendes Bildrauschen wird nicht provoziert. Oben Original, unten Darbee Darblet
3. Fazit Drei verschiedene Systeme, drei Algorithmen, drei Bilder: Obwohl jeder Hersteller dasselbe Ergebnis verspricht und auch einhält, erzeugen alle drei Systeme einen gänzlich unterschiedlichen Look, der dem Bild wie ein eigener Fingerabdruck aufgelegt wird, mit individuellen Stärken und Schwächen. Neben obigen Beispielszenen untersuchten wir alle Systeme mit zahlreichem Bildmaterial, um einen differenzierten Eindruck zu gewinnen.
Den schnellsten „Wow“-Effekt erzeugt zweifelsohne Epsons Super Resolution, denn hier wird die subjektive Schärfe auf den ersten Blick und in nahezu jeder Bildszene deutlich verstärkt. Dies weiß zunächst zu gefallen, doch bei kritischem Hinsehen fallen auch schnell diverse Artefaktverstärkungen wie Kantenflimmern, Rauschen, Dithering und Überbelichtungen sowie Farbverluste in kleinen Details auf. Wir empfehlen die Stufe „2“, die den besten Kompromiss aus Schärfegewinn und Bildtreue erreicht. Alles in allem zeigt sich, dass der SuperResolution Algorithmus in die Jahre gekommen ist und für kommende Generationen einer grundlegenden Überarbeitung bedarf.
Sonys Reality Creation liegt schließlich im Mittelfeld: Sie erzeugt eine nicht so stark betonte Schärfe, wie Epsons Variante, sorgt aber für mehr Details mit 4K-gemasterten Blurays als Darbees Darblet. Durch das starke Betonen von Bildrauschen handelt man sich hier aber auch schnell Defizite ein, die den natürlichen Bildlook trüben können. Auch hier gilt nicht selten: Weniger ist mehr! Bleibt die Frage, wie sinnvoll alle Systeme für eine akkurate Bildreproduktion sind: Zweifelsohne sind gut gemasterte Blurays scharf genug, so dass man auf zusätzliches „Nachschärfen“ verzichten kann. Bei mittelmäßigen Übersielungen hingegen, die leider nach wie vor die große Mehrheit des Filmangebotes ausmachen, sind sie aber durchaus in der Lage, Defizite effektiv zu vermindern. Wie empfehlen einen persönlichen Vergleich bei einem unserer Heimkinopartner in ganz Deutschland. Wir danken unseren Projektor AG Heimkino-Partnern für die Unterstützung dieses Vergleichs-Specials.
31. Januar, Ekkehart Schmitt
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