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Was ist „Upscaling“ auf einem Fernseher und wie funktioniert es?

Was ist "Upscaling" auf einem Fernseher und wie funktioniert es?

Proxima Studio / Shutterstock

Da 4K HD in unseren Häusern ersetzt, enthüllen die Hersteller einige interessante Marketing-Fachbegriffe wie „Ultra HD Upscaling“ (UHD). Das Hochskalieren ist jedoch keine einzigartige Funktion. Es ermöglicht 4K-Fernsehgeräten lediglich, mit Videoformaten mit niedrigerer Auflösung wie 1080p und 720p zu arbeiten.

Alle Fernseher sind hochskaliert

Upscaling bedeutet, dass Inhalte mit niedriger Auflösung Ihren gesamten Fernsehbildschirm ausfüllen. Ohne sie nimmt ein Video mit niedriger Auflösung weniger als die Hälfte des Bildschirmplatzes ein. Dies ist eine typische Funktion bei allen Fernsehgeräten. Sogar 1080p-Fernseher hatten es – sie konnten 720p-Inhalte hochskalieren und im Vollbildmodus auf einem 1080p-Bildschirm anzeigen.

Durch UHD-Upscaling funktioniert Ihr 4K-Fernseher wie jeder andere. Es kann Inhalte mit niedrigerer Auflösung aufnehmen und auf dem gesamten 4K-Bildschirm anzeigen.

Hochskalierter 1080p-Inhalt auf einem 4K-Bildschirm sieht oft besser aus als 1080p-Inhalt auf einem normalen 1080p-Bildschirm. Upscaling ist jedoch keine Zauberei – Sie erhalten nicht das scharfe Bild, das Sie von echten, nativen 4K-Inhalten erhalten würden. So funktioniert das.

Die Auflösung besteht auf physischer und visueller Ebene

Bevor wir mit dem Upscaling beginnen, müssen wir das Konzept der Bildauflösung verstehen. Auf den ersten Blick ist es ein relativ einfaches Konzept. Ein Bild oder Video mit einer hohen Auflösung sieht „besser“ aus als ein Bild oder Video mit einer niedrigen Auflösung.

Wir neigen jedoch dazu, einige Schlüsselaspekte zu vergessen, nämlich den Unterschied zwischen physikalischer Auflösung und optischer Auflösung. Diese Aspekte arbeiten zusammen, um ein gutes Image zu erstellen, und sie sind die Grundlage für das Verständnis der Hochskalierung. Wir werden auch die Pixeldichte behandeln – aber keine Sorge – wir werden die Dinge kurz und bündig halten.

  • Physikalische Auflösung: Auf einem TV-Datenblatt wird die physikalische Auflösung einfach als „Auflösung“ bezeichnet. Dies ist die Anzahl der Pixel auf einem Display. Ein 4K-Fernseher hat mehr Pixel als ein 1080p-Fernseher, und ein 4K-Bild ist viermal so groß wie ein 1080p-Bild. Alle 4K-Displays enthalten unabhängig von ihrer Größe die gleiche Anzahl von Pixeln. Fernseher mit einer hohen physischen Auflösung können zwar ihre zusätzlichen Pixel verwenden, um zusätzliche Details bereitzustellen, dies funktioniert jedoch nicht immer so. Die physikalische Auflösung ist der optischen Auflösung ausgeliefert.
  • Optische Auflösung: Aus diesem Grund sehen Ihre alten Einwegkamerafotos besser aus als die ausgefallenen Digitalkamerafotos Ihres anspruchsvollen Freundes. Wenn ein Foto scharf aussieht und einen klaren Dynamikbereich hat, hat es eine hohe optische Auflösung. Fernseher verschwenden manchmal ihre hohe physische Auflösung, indem sie Videos mit einer beschissenen optischen Auflösung anzeigen. Dies führt zu unscharfen Bildern und Kontrasten. Manchmal ist dies ein Ergebnis der Hochskalierung, aber wir werden gleich darauf zurückkommen.
  • Pixeldichte: Die Anzahl der Pixel pro Zoll auf einem Display. Alle 4K-Anzeigen enthalten die gleiche Anzahl von Pixeln, aber bei kleineren 4K-Anzeigen sind die Pixel näher beieinander, sodass sie eine hohe Pixeldichte aufweisen. Ein 4K-iPhone hat beispielsweise eine höhere Pixeldichte als ein 70-Zoll-4K-Fernseher. Wir erwähnen dies, um die Idee zu bekräftigen, dass die Bildschirmgröße nicht mit der physischen Auflösung identisch ist und dass die Pixeldichte eines Bildschirms nicht die physische Auflösung definiert.

Jetzt, da wir alle den Unterschied zwischen physikalischer und optischer Auflösung aufgefrischt haben, ist es Zeit, mit der Hochskalierung zu beginnen.

Upscaling macht ein Bild „größer“

Jedes Fernsehgerät enthält eine Reihe von Interpolationsalgorithmen, mit denen Bilder mit niedriger Auflösung hochskaliert werden. Diese Algorithmen fügen einem Bild effektiv Pixel hinzu, um deren Auflösung zu erhöhen. Aber warum sollten Sie die Auflösung eines Bildes erhöhen müssen?

Größenunterschiede zwischen verschiedenen Auflösungen.  1080p ist ungefähr doppelt so groß wie 720p und 4K ist viermal so groß wie 1080p.Wikipedia

Denken Sie daran, dass die physische Auflösung durch die Anzahl der Pixel auf einem Display definiert wird. Es hat nichts mit der tatsächlichen Größe Ihres Fernsehgeräts zu tun. Ein 1080p-Fernsehbildschirm besteht nur aus 2.073.600 Pixel, während ein 4K-Bildschirm 8.294.400 Pixel hat. Wenn Sie ein 1080p-Video auf einem 4K-Fernseher ohne Upscaling anzeigen, nimmt das Video nur ein Viertel des Bildschirms ein.

Damit ein 1080p-Bild auf ein 4K-Display passt, muss es durch den Upscaling-Prozess 6 Millionen Pixel gewinnen (an diesem Punkt wird es zu einem 4K-Bild). Das Hochskalieren beruht jedoch auf einem Prozess namens Interpolation, der eigentlich nur ein verherrlichtes Ratespiel ist.

Upscaling reduziert die optische Auflösung

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein Bild zu interpolieren. Die grundlegendste wird als Interpolation „nächster Nachbar“ bezeichnet. Um diesen Prozess durchzuführen, fügt ein Algorithmus einem Bild ein Netz von „leeren“ Pixeln hinzu und errät dann, welcher Farbwert jedes leere Pixel sein sollte, indem es seine vier benachbarten Pixel betrachtet.

Beispielsweise wird ein leeres Pixel, das von weißen Pixeln umgeben ist, weiß. Ein leeres Pixel, das von weißen und blauen Pixeln umgeben ist, kann hellblau erscheinen. Es ist ein unkomplizierter Prozess, hinterlässt jedoch viele digitale Artefakte, Unschärfen und raue Konturen in einem Bild. Mit anderen Worten haben interpolierte Bilder eine schlechte optische Auflösung.

Links ein klares, helles, unbearbeitetes Bild einer Frau vor einem gelben Hintergrund.  Rechts eine verschwommene, pixelige Version desselben Bildes nach Interpolation des nächsten Nachbarn.Links: Unbearbeitetes Bild. Rechts: Nach Interpolation des nächsten Nachbarn. Dean Drobot / Shutterstock

Vergleichen Sie diese beiden Bilder. Der linke ist unbearbeitet, und der rechte ist das Opfer des Interpolationsprozesses des nächsten Nachbarn. Das Bild rechts sieht schrecklich aus, obwohl es die gleiche physische Auflösung hat wie das Bild links. Dies geschieht in kleinem Maßstab jedes Mal, wenn Ihr 4K-Fernseher die Interpolation des nächsten Nachbarn verwendet, um ein Bild zu skalieren.

„Warte eine Minute“, könnten Sie sagen. „Mein neuer 4K-Fernseher sieht nicht so aus!“ Das liegt daran, dass es nicht nur auf der Interpolation des nächsten Nachbarn beruht, sondern eine Mischung von Methoden verwendet, um Bilder zu skalieren.

Upscaling versucht auch, die optische Auflösung in Angriff zu nehmen

Okay, die Interpolation des nächsten Nachbarn ist fehlerhaft. Es ist eine Brute-Force-Methode zum Erhöhen der Bildauflösung, bei der die optische Auflösung nicht berücksichtigt wird. Aus diesem Grund verwenden Fernsehgeräte neben der Interpolation des nächsten Nachbarn zwei weitere Interpolationsformen. Diese werden als bikubische (Glättungs-) Interpolation und bilineare (Schärfungs-) Interpolation bezeichnet.

Links: Ein scharfes, aber gezacktes Bild einer Frau vor einem gelben Hintergrund, bearbeitet mit bilinearer Interpolation.  Rechts: Das gleiche Bild, das mit bikubischer Interpolation bearbeitet wurde, sieht wachsartig und verschwommen aus.Links: Ein Beispiel für eine bilineare Interpolation. Rechts: Ein Beispiel für eine bikubische Interpolation. Dean Drobot / Shutterstock

Bei der bikubischen (Glättungs-) Interpolation betrachtet jedes einem Bild hinzugefügte Pixel seine 16 benachbarten Pixel, um eine Farbe anzunehmen. Dies führt zu einem Bild, das ausgesprochen „weich“ ist. Andererseits schaut die bilineare (Schärfungs-) Interpolation nur auf die beiden nächsten Nachbarn und erzeugt ein „scharfes“ Bild. Durch Mischen dieser Methoden und Anwenden einiger Filter für Kontrast und Farbe kann Ihr Fernseher ein Bild erzeugen, das keinen Verlust an optischer Qualität aufweist.

Natürlich ist Interpolation immer noch ein Ratespiel. Selbst bei korrekter Interpolation können einige Videos nach dem Hochskalieren „Ghosting“ annehmen – insbesondere, wenn Ihr billiger Fernseher an der Hochskalierung leidet. Diese Artefakte werden auch deutlicher, wenn Bilder mit sehr geringer Qualität (720p und niedriger) auf 4K-Auflösung hochskaliert werden oder wenn Bilder auf wahnsinnig großen Fernsehgeräten mit geringer Pixeldichte hochskaliert werden.

Nicholas Brendon von der schlecht hochskalierten HD-DVD-Veröffentlichung Buffy The Vampire Slayer.Leidenschaft des Nerds

Das obige Bild ist kein Beispiel für das Hochskalieren von einem Fernseher. Stattdessen ist es ein Beispiel für die Hochskalierung der HD-DVD-Veröffentlichung (entnommen aus einem Video-Essay von Leidenschaft des Nerds). Es ist ein gutes (wenn auch extremes) Beispiel dafür, wie eine schlechte Interpolation ein Bild ruinieren kann. Nein, Nicholas Brendon trägt kein wachsartiges Vampir-Make-up, genau das ist seinem Gesicht während des Upscaling-Prozesses passiert.

Während alle Fernseher Upscaling bieten, verfügen einige möglicherweise über bessere Upscaling-Algorithmen als andere, was zu einem besseren Bild führt.

Upscaling ist notwendig und selten spürbar

Trotz all seiner Fehler ist das Hochskalieren eine gute Sache. Es ist ein Prozess, der normalerweise reibungslos abläuft und es Ihnen ermöglicht, eine Vielzahl von Videoformaten auf demselben Fernseher anzusehen. Ist es perfekt Natürlich nicht. Aus diesem Grund bevorzugen einige Film- und Videospiel-Puristen es, alte Kunst auf ihrem beabsichtigten Medium zu genießen: altmodischen Fernsehern. Ab sofort ist Upscaling jedoch nicht besonders aufregend. Es ist auch nichts, worüber man sich zu sehr aufregen könnte.

Erwähnenswert ist, dass 8K-, 10K- und 16K-Videoformate bereits von einigen der täglich verwendeten Hardware unterstützt werden. Wenn die Upscaling-Technologie diese hochauflösenden Formate nicht einholen kann, besteht die Möglichkeit, dass sie zu einem viel größeren Qualitätsverlust führt, als wir es gewohnt sind.

Da Hersteller und Streaming-Dienste immer noch auf 4K zusteuern, sollten wir uns vielleicht noch keine Gedanken über 8K machen.

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