Zeilensprungverfahren

Das Zeilensprungverfahren (engl. Interlace ^*) findet bei der Aufnahme, Bearbeitung und Darstellung von Bildern Verwendung. Bei der Darstellung von Fernsehsignalen wird es speziell bei Geräten, welche auf dem Prinzip der Bildröhre basieren, genutzt. Es wurde mit der Intention entwickelt, die Signale mit einer möglichst geringen Bildwiederholungsfrequenz - und damit geringer Übertragungsbandbreite - flimmerfrei auf dem Darstellungsgerät anzuzeigen. Dabei baut sich ein vollständiges Bild (Frame) aus zwei unterschiedlichen Halbbildern (Fields, Topfield - Bottomfield) auf. Bei der Bildentstehung werden für das erste Halbbild (Topfield, Top-Field, Top Field First) nur die ungeraden Zeilen (Odd-Field) des Ausgabegeräts dargestellt, ist dieses komplett, wird das zweite Halbbild (Bottomfield, Bottom Field, Bottom Field Second) aus den geraden Zeilen (Even-Field) aufgebaut. Das menschliche Auge integriert dann die Zeilensprünge zu einem Gesamtbild.

Bei der in Deutschland verwendeten Fernsehnorm (PAL) besteht ein Vollbild aus 576 sichtbaren Zeilen, die Halbbilder aus 288 Zeilen. Es werden dabei 25 Voll- bzw. 50 Halbbilder pro Sekunde übertragen.

Das Verfahren bietet zwei wesentliche Vorteile:

Flimmerreduktion: Der Bildschirm leuchtet in der doppelten Frequenz (50 Hz) der Bildwiederholrate (25 Hz) auf, ohne dass deshalb die übertragene Informationsmenge ebenfalls verdoppelt. Dadurch wird der subjektive Flimmereindruck bei gleichzeitiger Bandbreiteökonomie stark verbessert. Dieselbe Funktion wird beim Filmprojektor durch die Umlaufblende erreicht.
Erhöhung der zeitlichen Auflösung. Bei Aufnahme mit elektronischen Kameras erzielt das Zeilensprungverfahren eine faktische Bewegungsauflösung von 50 Hz, obwohl nur 25 Vollbilder übertragen werden. Damit wird ein subjektiv flüssigerer Bewegungseindruck ebenfalls bei gleichzeitiger Bandbreiteökonomie erreicht.

Durch die Zeilensprünge entstehen aber auch einige Nachteile:

Zeilenflimmern: Horizontale Kanten im Bild können unter Umständen scheinbar auf- und abtanzen, wenn die Kante genau zwischen zwei Bildzeilen fällt, da sie dann jeweils nur in einem der beiden Halbbilder sichtbar ist.
Bei langsam bewegten Objekten mit schrägen Kanten können diese als Treppenlinien erscheinen.
Streifenstrukturen in homogenen Flächen können ebenfalls auftreten.
Wenn von einer im Zeilensprungverfahren aufgenommenen TV-Sendung Standbilder gemacht werden, können an den Kanten bewegter Objekte kammartige Ausfransungen entstehen.

Die Zeilensprungtechnik wird beim analogen Fernsehen und bei allen digitalen Sendemodi in Standardauflösung weiterhin verwendet. Dies ist wegen der Rückwärtskompatibilität mit vorhandenen TV- und Videogeräten notwendig. Im HDTV-Bereich gibt es Sendemodi mit und ohne Zeilensprung. Die Möglichkeit preiswerter Bildwiederholspeicher in Anzeigegeräten hat den Zeilensprung zur Flimmerreduktion hier überflüssig gemacht. Die Motivation, erhöhte Zeitauflösung bei gleichzeitiger Bandbreiteersparnis zu ermöglichen, gibt dem Zeilensprung jedoch auch für die Zukunft eine gewisse Berechtigung, so dass er zumindest als Option beibehalten wird.

Zeilensprung ist nicht gleich Zeilensprung

Man muss zwischen Zeilensprung bei der Aufnahme, bei der Übertragung und bei der Wiedergabe unterscheiden. Der gleiche Begriff bezeichnet jeweils unterschiedliche Verfahren.

Zeilensprung in der Aufnahmetechnik

Ob eine Aufnahme mit oder ohne Zeilensprung erfolgt, ergibt sich aus den Belichtungszeitpunkten der jeweils übereinanderliegenden geraden und ungeraden Zeilen. Sind diese identisch oder nur um die Dauer einer Zeile versetzt, liegt kein Zeilensprung vor (progressive Abtastung von Vollbildern, engl. Frames), sind diese um die Dauer eines Halbbildes versetzt, ist die Aufnahme mit Zeilensprung (Zeilensprungabtastung von Halbbildern, engl. Fields).

Klassisches Filmmaterial arbeitet immer progressiv, üblich sind Wiedergabe-Bildfrequenzen zwischen 16 Vollbildern/s (Normal 8) und 48 Vollbildern/s (IMAX HD). Normales Kino arbeitet seit den 1920er Jahren weltweit mit 24 Vollbildern/s.

Videokameras arbeiten meist mit Zeilensprung (Topfield/Bottomfield). Die meisten amerikanischen Länder, Japan und einige andere Staaten arbeiten dabei mit 60 Halbbildern/s, die restliche Welt mit 50 Halbbildern/s. Es gibt aber auch mittlerweile Kameras, die optional Vollbildmodi mit 24, 25 oder 30 (selten auch schon 48,50 und 60) Vollbildern/s beherrschen.

Digital bearbeitete Bilder können aber auch gemischt sein. Es gibt Bildelemente mit Zeilensprung (Werbeeinblendung, Newsticker, Abspann, eingefügte Bildteile, CGI) und welche ohne (Basismaterial, CGI).

Zeilensprung beim Transport

Das Scannen bzw. Übertragen von Bildern ändert nicht die Eigenschaft "Zeilensprung" des Quellmaterials. Die Umwandlung von Zeilensprungmaterial in progressives Material und umgedreht ist ein technisch sehr aufwendiges Problem, welches nur angenähert und mit heuristischen Verfahren gelöst werden kann.

Wenn ein Übertragungsmedium (analoges Fernsehen, VHS-Videorecorder) nur die Übertragung von Halbbildern fester Bildfrequenz zulässt, muss man bei Vollbildmaterial (z.B. mit 24 Vollbildern/s) jedes Vollbild in zwei Halbbilder (bei 50 Hz) oder in zweieinhalb Halbbilder (bei 60 Hz, sogenannter NTSC Pulldown) zerlegen. Verbleibende Differenzen muss man durch leicht modifizierte Abspielgeschwindigkeiten ausgleichen (sogenannter PAL Speedup).

Das Zerlegen von Vollbildern kann man unterschiedlich durchführen, je nachdem, mit welchem Halbbild man anfängt (BFF: Bottom Field First, TFF: Top Field First, Topfield, Top-Field).

Das dabei entstehende Signal ist aber kein klassisches Zeilensprung-Bild, zu sehen an Artefakten an bewegten Kanten (Kämme bei 50 Hz, Ruckler bei 60 Hz) bei Darstellung dieser Bilder auf konventionellen Geräten (50 Hz-Fernseher, 60 Hz-Fernseher). Eine aufwendige Nachbearbeitung auf der Darstellungsseite kann diese Probleme beheben, siehe dazu im nächsten Artikel.

Digitale Speicher- und Übertragungsverfahren arbeiten hier genau umgedreht, bei Zeilensprung werden immer zwei Halbbilder zu einem Vollbild zusammengefügt und kodiert. MPEG-1 arbeitet dabei an Kanten ineffizienter als das verbesserte MPEG-2, welches in bewegten Passagen eines Bildes eine speziell für Zeilensprungmaterial vorgesehene alternative Kodierungsvariante zur Verfügung stellt.

Zeilensprung bei der Darstellung/Visualisierung

Bis auf die Darstellung von Video-Material auf 50 Hz/60 Hz-Fernsehgeräten ist eine Nachbearbeitung des empfangenen Signals notwendig, wenn eine hochwertige Darstellung erreicht werden soll.

Diese Nachbearbeitung wird notwendig, wenn

der zeitliche Ablauf der Aufnahme und der Wiedergabe nicht übereinstimmen,
bei Zeilensprungmaterial: wenn die vertikale Auflösung von Aufnahme und Wiedergabe nicht übereinstimmen (anderes Format, anamorph/nichtanamorph),

d.h. eigentlich meistens.

Kammfilter bei FBAS-Quellen

Wenn das Quellsignal als FBAS-Signal (engl: Composite Video oder einfach Video) vorliegt, ist eine aufwendige Trennung von Helligkeits- und Farbartsignalen für eine hochwertige Darstellung notwendig. Dies erfolgt durch zweidimensionale bzw. dreidimensionale Kammfilter.

Quellmaterial mit Zeilensprung

Im Camera Mode sind beide Halbbilder zeitversetzt gescannt. Würde man sie auf die selbe Weise zusammenfügen, käme es in bewegten Bereichen des Bildes zu einem unschön ineinander verkämmten Doppelbild, zweitens wären die Bewegungen nicht mehr so flüssig. Es hat daher hier Sinn, alle Halbbilder als Vollbilder zu betrachten, in denen jedoch Zeilen fehlen. Das Ergänzen dieser fehlenden Zeilen nennt sich De-Interlacing. Im einfachsten Verfahren werden dabei die zwei benachbarten Zeilen gemischt, was jedoch zu Unschärfe führt und das Flimmern feiner Strukturen nicht reduziert. Das Übernehmen der Zeile aus dem letzten Halbbild ist zwar scharf und flimmert nicht, führt jedoch zum Kammeffekt an bewegten Stellen.

Quellmaterial mit Pseudo-Zeilensprung durch 2:2 oder 3:2-Pull-Down

Im Film Mode lassen sich je zwei Halbbilder durch Zwischenspeichern des Signals und Umsortieren der Zeilen nahtlos zu einem Vollbild zusammenfügen. Ein Kinofilm wird somit bei PAL mit 25 Vollbildern gezeigt. Dabei ist anzumerken, dass dadurch der Film etwa um 4,166% beschleunigt wird (im Gegensatz zum 2-Pull-Down bei NTSC)

Literatur: http://www.ics.ele.tue.nl/~dehaan/publications.html

Artefakte des Zeilensprungverfahrens

Den Vorteil des halben Bandbreitebedarfs bzw. der halben notwendigen Zeilenfrequenz erkauft man sich mit einer Menge von Darstellungsfehlern:

Zeilenflimmern
Treppenstufen an vertikal bewegten Objekten durch Aliasing
Streifenstrukturen in homogenen Flächen
Doppelkonturen bei der falschen Darstellungsart (Zeilensprung als progressiv dargestellt, Progressiv als Zeilensprung dargestellt)
Hoher technischer Aufwand beim De-Interlacen bei zukünfigen Displays, die ohne Zeilensprung arbeiten

Der Unterschied von interlace (i) und progressiv (p)

i am Beispiel von PAL (50Hz)

Man sagt, PAL (i) sendet 25 Bilder in der Sekunde. Genauer wäre zu sagen, PAL (i) sendet 50 Halbbilder pro Sekunde. Noch genauer wäre zu sagen, PAL (i) sendet um die 10,3 Millionen einzelne Pixel in der Sekunde. Jeder Pixel wird alle 1/25 Sekunde neu erleuchtet.

Der Bildaufbau im interlaced/Halbbild Mode geschieht kontinuierlich. Wenn ein Fernsehbild mit einer Kamera mit etwa 10,3 Millionen Pixeln pro Sekunde aufgenommen würde, wäre immer nur ein Pixel auf jedem Bild zu sehen, wenn die Bildröhre so gebaut wäre, dass sie nicht nachleuchten würde. Sie ist aber so gebaut, dass ein vom Elektronenstrahl mit den Informationen von Bild A zum Leuchten animierter Pixel so lange (nach)leuchtet, bis der Elektronenstrahl nach genau 1/25 Sekunde erneut vorbei schaut, um den Pixel mit der Information von Bild B zum Leuchten zu bringen.

Im Halbbildverfahren wird zunächst Bildzeile 1 (Topfield, Top-Field, Top Field First) von links nach rechts aufgebaut. Dann Bildzeile 3 (Topfield, Top-Field, Top Field First) und alle weiteren ungeraden Bildzeilen (Halbbild 1 von Bild A.)

Dann werden alle geraden Bildzeilen aufgebaut (Halbbild 2 von Bild A.)

Dann werden wieder alle ungeraden Bildzeilen aufgebaut (Halbbild 1 von Bild B.)

Halbbild 1 von Bild B "überschreibt" Halbbild 1 von Bild A

usw.

Die Halbbildinformationen des Bildes A werden nacheinander aufgenommen. Halbbild A2 (Bottomfield, Bottom-Field, Bottom Field Second) 1/50 Sekunde nach Halbbild A1 (Topfield, Top-Field, Top Field First). Sobald sich also etwas im Bild bewegt und sich die Information A 1 zu A 2 und A2 zu B1, etc. unterscheidet, ist das i-Verfahren / Zeilensprungverfahren deutlich im Nachteil zum p Verfahren.

Das Fernsehbild mit der Auflösung 9i:

Zeile 1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1

Zeile 2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2

Zeile 3 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1

Zeile 4 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2

Zeile 5 B1 B1 B1 B1 B1 A1 A1 A1 A1 A1 A1

Zeile 6 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2

Zeile 7 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1

Zeile 8 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2

Zeile 9 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1

Fernsehbild mit der Auflösung 9p:

Zeile 1 A A A A A A A A A A A A A A A A A A

Zeile 2 A A A A A A A A A A A A A A A A A A

Zeile 3 A A A A A A A A A A A A A A A A A A

Zeile 4 A A A A A A A A A A A A A A A A A A

Zeile 5 A A A A A A A A A A A A A A A A A A

Zeile 6 A A A A A A A A A A A A A A A A A A

Zeile 7 A A A A A A A A A A A A A A A A A A

Zeile 8 A A A A A A A A A A A A A A A A A A

Zeile 9 A A A A A A A A A A A A A A A A A A

Das Fernsehbild mit der Auflösung 9i zeigt den Extremfall, dass alle Bildpunkte des Halbbilds A1 sich von den Bildpunkten des Halbbilds A2 unterscheiden. Und alle Bildpunkte des Halbbilds A2 sich von den Bildpunkten B2 unterscheiden. Dies trifft auf sich bewegende Elemente im Bild zu. Man spricht auch von Kammstrukturen.

Im p-Format werden im Idealfall alle Bildpunkte des Bilds A gleichzeitig angezeigt. Das Bild wird nicht mehr in die Halbilder A1 und A2 unterteilt. Wenn Bild B gesendet wird, ist im Idealfall nur noch B zu sehen. Allerdings sind die Bildpunkte bei schnellen Bewegungen unscharf, da die Kamera entsprechend lange belichtet.

Im psF-Format wird das Bild A in zwei Halbbilder unterteilt, das erste Halbbild wurde aber zum Zeitpunkt des 2 Halbbilds aufgenommen. Es gibt als nur die Bildinformation A und nicht A1 und A2 wie beim i Format. Das Bild kann aber wie ein i Signal gesendet werden. Die Bildinformationen werden aber nicht direkt an den Bildschirm weitergeleitet, sondern zunächst gespeichert, bis sämtliche Bildinformationen/Pixel des Bilds A übertragen sind. Dann werden alle Pixel des Bild A progressiv, also im Idealfall gleichzeitig, dargestellt.

Generelle Probleme beim Konvertieren von Zeilensprung nach Nichtzeilensprung und zurück, Bildratenkonverter

Diese Vorgänge sind bis auf zwei Ausnahmen generell verlustbehaftet, das Signal wird bei jeder Wandlung schlechter und schlechter und lässt sich auch immer schlechter durch digitale Kodierverfahren komprimieren.

Generell wäre es heutzutage eine gute Idee, Material unbehandelt direkt zu übertragen und der Darstellungseite die Wandlung zu überlassen. Das würde heutzutage zu einem akzeptablen Mehraufwand auf der Darstellungsseite führen (wenn überhaupt) und die Qualität verbessern.

Fehlinfos über HDTV/1080-Zeilen-Bashing

Ein Hoax über HDTV ist, dass das hochaufgelöste Format (1080) immer mit Zeilensprung arbeitet. Dieser hartnäckige Fehler ist z.T. selbst in EBU-Veröffentlichungen zu finden. Das ist nur sehr bedingt richtig. Die zur Verfügung stehenden Modi erlauben bei 1080 Zeilen sowohl Zeilensprung wie auch kein Zeilensprung.

720-Zeilen-Format:

p25, i50, p50 (50 Hz-Regionen)
p24, p30, i60, p60 (60 Hz-Regionen)

1080-Zeilen-Format:

25p, 50i, 50p (50 Hz-Regionen)
24p, 30p, 60i, 60p (60 Hz-Regionen)

Es wird allgemein empfohlen HD-Produktionen grundsätzlich in 1080p60 bzw. 1080p50 aufzuzeichnen, während für die Ausstrahlung 1080p30 oder 720p60 empfohlen wird. Die europäischen Sendeanstalten hingegen favorisieren 1080i50.

Die allgemeine Annahme, 1080p würde es nicht mit 60, bzw. 50 Vollbildern pro Sekunde geben ist eine Halbwahrheit, richtig ist, dass die EBU 1080p nicht mit mehr als 30 Vollbildern pro Sekunde austrahlen will um Bandbreite zu sparen, allerdings bedeutet das weder, dass man grundsätzlich auf 1080p60 bzw. 1080p50 verzichten müsste, da die BD genug bandbreite dafür bietet, noch bedeutet es, dass 720p von der EBU jemals mit mehr als 30/25 Vollbildern pro Sekunde ausgestrahlt werden wird.

Es ist nicht richtig, dass Kinoproduktionen in 24p aufgezeichnet werden würden, 24p dient ausschließlich für die Übertragung alter, analoger Produktionen auf das digitale Format. Produktion von neuen Kinofilmen in HD findet digital auf 1080p60 statt.

33 kHz-Röhren-Fernsehgeräte werden allerdings auch die 24p/25p/30p-Modi ähnlich wie normales Kinomaterial bei PAL zwangs-interlacen. Allerdings stellt sich hier die Frage, ob nicht das eigentliche Problem ist, dass für eine ansprechende Wiedergabe von 1080-Zeilen-Fernsehen Röhren nicht generell ungeeignet sind, weil dafür sichtbare Bildschirmdiagonalen von 150 bis 200 cm notwendig sind.

Interlacing bei Grafikformaten

Als Interlace bzw. Interlacing bezeichnet man auch ein Speicherverfahren für Grafiken, bei dem das Bild in mehreren Schichten abgespeichert wird. Dies ermöglicht den schnellen Aufbau eines Übersichtsbildes, wenn die Grafik von einem langsamen Medium geladen wird. Die Darstellung wird dann während des Ladevorgangs immer feiner.
GIF, PNG, Kodak PCD und JPEG unterstützen Interlacing.

Weblinks

Bild zur Realablenkung

Fernsehtechnik Videoschnittstelle Videotechnik

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