TECHNIK-INFO: Panelauflösungen und Scaling bei LC- und Plasmadisplays

06.02.2009 (cr)

Einführung

Seit es LCD- und Plasma-Flachbildschirme gibt, wurden Modelle mit den unterschiedlichsten nativen Panelauflösungen auf den Markt gebracht. Oftmals entsprachen die Auflösungen keiner gängigen Signalnorm, so dass intern skaliert werden musste. Unter „Scaling“ oder auch unter der Skalierung eines Bildes versteht man die Anpassung der tatsächlichen Pixelzahl des Bildes an die native Auflösung des Displays.  Heutezutage haben sich Full-HD-Flatscreens durchgesetzt. Die native Panelauflösung entspricht zwar nun genau der Full-HD-Norm (1.920 x 1.080 Pixel), aber dafür müssen SD-Bildsignale hochskaliert werden. Beispiel: Ein PAL-Signal, von einer PAL-DVD oder vom PAL-Fernsehen kommend, hat eine Auflösung von 720 x 576 Pixeln. Ein modernes Full-HD-Display für den Hausgebrauch weist eine ungleich größere Auflösung auf. Das Scaling sorgt nun dafür, dass die 720 x 576 Pixel auf dem Full HD-Bildschirm formatfüllend angezeigt werden. In der folgenden Übersicht zeigen wir wichtige Bildsignalnormen und gebräuchliche Panelauflösungen aus ersten Plasma- und LCD-Generationen sowie von heute. Zum Schluss des Artikels gehen wir nochmals auf das Thema Scaling und dessen Einfluss auf die Bildqualität ein. 

Moderne Full-HD-Flachbildschirme müssen eingehende SD-Signale auf die native Panelauflösung hochskalieren

Hier ein tabellarischer Überblick über Video- sowie Panelauflösungen aus jüngerer Vergangenheit und von heute:

Signalauflösungen:

PAL NTSC 720p 1.080i/p
720 x 576 Pixel 720 x 480 Pixel 1.280 x 720 Pixel 1.920 x 1.080 Pixel
Interlaced Interlaced Progressive Interlaced/Progressive
50 Hz 60 Hz 50, 60 Hz 50/60/24 Hz

Panelauflösungen:

Auflösung

Verwendung

Skalierung

Bemerkung

852 x 480

Alte Plasmamodelle der ersten Generationen weisen diese Auflösung auf -  hat heute keinerlei Relevanz mehr am Markt

Auflösung vertikal unter PAL-Niveau (720 x 576).  Herunterskalierung von PAL-Signalen auf vertikale 480er Auflösung, Hochskalierung von PAL Signalen auf 852 Spalten (horizontal).

Für HDTV-Anwendungen ist diese deutlich zu niedrige Auflösung nicht zu empfehlen. Natürlich KÖNNEN 720p Signale dargestellt werden, aber nur nach Downscaling auf die niedrigere Panelauflösung . Detailtreue und Gesamtbildschärfe sind nach heutigen Maßstäben unzureichend.

1.024 x 768

Diese Auflösung ist für viele ältere Plasmabildschirme im 42-Zoll-Format typisch (z.B. ältere Pioneer- oder Panasonic-Modelle

Horizontalauflösung (1.024) unter 720p (1.280 x 720), vertikale Auflösung (768) leicht darüber. Horizontal Herunterrechnung von Full-HD-Signalen und von 1.280 x 720 er HD-Signalen auf 1.024 Bildspalten, vertikal leichtes Hochskalieren auf 768 Zeilen bei 720p und Downscaling bei 1.080p. 

Die niedrigste Auflösung, die man für HD-Auflösungen verwenden sollte. Während die (in der Praxis aktuell eher seltenen) 720p Auflösung sehr gut  zur Geltung kommt, weisen Full-HD-Signale nicht die Plastizität und Detailschärfe auf, die sie bei der Darstellung auf Panels mit höherer nativer Auflösung mitbringen.

1.280 x 768

Diese Auflösung bieten beispielsweise ältere 50 Zoll Plasma-Modelle  von Pioneer (fünfte und sechste Generation) sowie ältere 50 Zoll Panasonic Plasmas (8. Generation).

Horizontalauflösung (1.280) exakt 720p (1.280 x 720) entsprechend, vertikale Auflösung (768) leicht darüber. Vertikal leichtes Hochskalieren auf 768 Zeilen.

Empfehlenswert für 720p, kaum Scalingaufwand,  Bild mit sehr guter Detaillierung. Beim Einspeisen von Full-HD-Signalen gute Bildqualität, Detailtreue und 3-D-Faktor aber können nicht mit aktuellen Full-HD-Panels mithalten.

1.365 x 768 Diese Auflösung bieten beispielsweise die  Pioneer 7G-Modelle und andere Plasmamodelle hauptsächlich der Jahrgänge 2006, 2007  Horizontalauflösung uns vertikale Auflösung oberhalb von 720p. Horizontal und vertikal wird skaliert.  Diese Auflösung bietet bereits ein sehr gutes visuelles Erlebnis, welches noch minimal über der Güte einer 1.280 x 768er Auflösung liegt - wenn der interne Scaler hochwertig ausfällt und präzise rechnet. 

1.366 x 768

Diese Auflösung steckt in nahezu allen HD ready LCD-Panels der Größen 26, 32, 37 und 42 Zoll

Vertikal und horizontal Skalierung notwendig (Hochrechnung auf native Panelauflösung)

Hier gilt aufgrund der marginalen Unterschiede das identische Fazit wie eine Spalte weiter oben.

1920 x 1.080i

Diese Auflösung ist als „Full-HD-Auflösung“ bekannt - hier allerdings in der Interlaced-Variante. Diese Auflösung haben Full-HD-LC-Displays der 1. Full-HD-Generation

Bei Full-HD-Signalen ist hier keine Skalierung notwendig. Bei 720p und 576i/p muss das Bild horizontal und vertikal hochgerechnet werden.

Ältere Modelle haben zwar ein Full-HD-Panel, nehmen aber nur Interlaced-Signale (i) entgegen. Daher vor dem Kauf eines gebrauchten Geräts genau informieren! 

1.920 x  1.080p Diese Auflösung bietet zusätzlich noch die Möglichkeit, Full-HD-Signale in Vollbildern entgegen zu nehmen.  Bei Full-HD-Signalen ist hier keine Skalierung notwendig. Bei 720p und 576i/p muss das Bild horizontal und vertikal hochgerechnet werden.   Auch bei dieser Auflösung ist etwas Vorsicht geboten. Zwar nehmen Panels, die 1.920 x 1.080 Pixel in Progressive (= p) beherrschen, Full-HD-Signale in Vollbildern entgegnen, dies heißt aber nicht automatisch, dass der qualitativ beste Standard 1.920 x 1.080p/24 Hz unterstützt wird. Modelle der letzten Full-HD-Generation nehmen manchmal nur 1.080p/60 Hz entgegen, die Folge ist sichtbares Ruckeln, verursacht durch den 3:2 Pulldown. Störend fällt dieses Ruckeln bei langsamen Bewegungen und Kameraschwenks auf. 
1.920 x 1.080p/24 Hz Diese Auflösung ist aktuell State of the Art. Hier werden die Bildsignale über HDMI im bestmöglichen, d.h. mit der Original-Filmbildwiederhol-
frequenz entgegen genommen
Bei Full-HD-Signalen ist hier keine Skalierung notwendig. Bei 720p und 576i/p muss das Bild horizontal und vertikal hochgerechnet werden. Aufgepasst werden muss, was der LCD- oder Plasma-TV mit 1.080p/24 Hz-Signalen macht: Verarbeitet er sie korrekt weiter, verdoppelt, verdreifacht oder verfünffacht er die Frequenz (auf 48, 72 oder 120 Hz), denn 24 Hz ist eine zu niedrige Bildfrequenz für eine flüssige, flimmerfreie Wiedergabe. Manchmal jedoch werden bei günstigeren LCD-TVs zwar 1.080p/24 Hz-Signale entgegen genommen, aber intern aufgrund der festen Ansteuerungsfrequenz des Panels umgerechnet - der 3:2 Pulldown ist dann leider zurück. 
Der Einfluss des Scalings auf die Bildqualität

Testbilder von der AVEC Professional Test-DVD

Heutzutage sind die meisten neuen LCD- und Plasma-TVs Full-HD-TVs mit einer nativen Panelauflösung von 1.920 x 1.080 Pixeln. Dass es beim Scaling von eingehenden niedrig auflösenden SD-Signalen Einbußen in der Bildqualität gegenüber dem Einspeisen eines nativen Full HD-Signals gibt, dürfte klar und verständlich sein. Schließlich offeriert ein Full HD-Bildschirm das Fünffache an Auflösung. Somit muss der Scaler die wenigen vorhandenen Bildpixel „fit“ machen für die enorme native Pixelanzahl des Displays. Da es sich bei einem TV- oder einem DVD-Signal um bewegte Bilder handelt, ist das Hochskalieren von SD-Signalen ein komplexer Prozess, da gleichzeitig schnell und enorm präzise gearbeitet werden muss. Daher benötigt eine effektiv arbeitende Skalierungseinheit einen enorm leistungsstarken Prozessor. Wird schlecht skaliert, zeigt sich dies in Bildflimmern sowie in Rauschartefakten. Das gesamte Bild erscheint unscharf, besonders Objekte im hochfrequenten Bildsignalbereich erscheinen unsauber gezeichnet und sind teilweise kaum erkennbar. Besonders schwierig ist der Scalingprozess bei TV-Signalen, da diese im Vergleich zum Signal einer guten DVD deutlich mehr Bildrauschen (analoger Tuner), Artefakte/Pixelbildungen (digitaler DVB-T-Tuner) und Bildunschärfen mitbringen. Hier ist es auch abhängig von der Empfangsstärke und Signalverarbeitung des eingebauten Tuners, wie hoch die Bildqualität letztendlich ausfällt. 

Ein exzellent skaliertes Bild erzeugt einen "Beinahe-HD-Eindruck", erkennbar an hoher Detailtreue, enormer Bildruhe und natürlicher Gesamtbildschärfe

Hochwertige Scaler produzieren ein gleichmäßig scharfes Bild mit hoher Detailtreue. Wie enorm große Unterschiede es zwischen den einzelnen Scalern gibt, beweist eine simple Versuchsreihe. Wir schließen einen hochwertigen Blu-ray- oder DVD-Spieler an einen normalen Full-HD-Flachbildschirm der Mittelklasse an. Zunächst wird ein 576i- oder 576p-Signal in den Flachbildschirm eingeführt, der DVD- oder Blu-ray-Spieler gibt das Signal ohne Skalierungsarbeit weiter. Also obliegt die Skalierungsarbeit der Bildsignal-Verarbeitungselektronik des Flachbildschirms. Das Ergebnis wird in den meisten Fällen ein unscharfes Bild mit deutlichen Rauschartefakten sein. Lässt man den hochwertigen Blu-ray- oder DVD-Spieler die Skalierung übernehmen und sendet man das fertig skalierte Signal an den Flachbildschirm, so erscheint das Bild deutlich klarer und rauschärmer. 

Komplexer wird die Thematik, wenn man mit LC-Displays arbeitet, die keiner gängigen Standardauflösung entsprechen. Beispiel sind aktuelle HD ready LCDs. Sie weisen eine Auflösung von 1.366 x 768 Bildpunkten auf. Dies entspricht weder der 720p HD-Norm (1.280 x 720 Pixel) noch der Full-HD-Norm (1.920 x 1.080 Pixel). Somit muss der Flachbildschirm grundsätzlich intern skalieren, da kein Blu-ray- oder DVD-Zuspieler eine Ausgabe von 1.366 x 768 Pixeln unterstützt, und selbst wenn dies der Fall wäre, müsste der DVD- oder Blu-ray-Player intern skalieren, da es kein Medium mit exakt dieser Auflösung gibt. 1.280 x 720 Pixel liegt sehr nah an den 1.366 x 768 Pixeln nativer Auflösung des Displays. Daher sind nur geringe Anpassungen seitens des internen Scalers notwendig. Trotzdem muss es nicht immer besser sein, die 1.280 x 720er Auflösung zu verwenden. Wenn man den DVD- oder Blu-ray-Player auf 1.920 x 1.080 Pixel Full-HD skalieren lässt, hat der Scaler im Flachbildschirm die Aufgabe, aus deutlich mehr Pixeln ein Bild mit deutlich weniger Pixeln (1.366 x 768) anzufertigen. Dies ist deutlich einfacher, als aus einem Bild mit weniger Pixeln ein Bild mit deutlich mehr Pixel zu skalieren. 

Problemfall beim Skalieren ist das Thema Overscan - wird Overscan produziert, entfällt ein Teil des Bildinhaltes und ist nicht sichtbar. Das führt zu teilweise erheblichen visuellen Einschränkungen. 

Hier kann man nachvollziehen, wie viele Prozent an Bildinhalten durch den Overscan verloren gehen

Hier kann man sehen, wie viele Pixel des Bildes durch den Overscan verloren gehen

Leider nehmen es viele Flachbildschirme mit dem Thema Overscan nicht wirklich genau, so dass es z.B. durchaus möglich ist, dass oben und unten je 4 bis 5 und seitlich nochmals pro Seite 3 bis 5 Prozent fehlen. Eine präzise arbeitende Scalingeinheit sollte Overscan zum größten Teil eigentlich vermeiden. Wird ein Full-HD-Signal eingespeist, muss der Anwender bei modernen Full-HD-Flachbildschirmen das richtige Bildformat für die pixelgenaue Umsetzung des eingehenden 1.920 x 1.080 Pixel-Signals anwählen. Bei Full-HD-Flatscreens der ersten Generation ist  nicht grundsätzlich sicher, dass Full-HD-Bildsignale ohne interne Skalierung und somit ohne Qualitätsverlust dargestellt werden können.

Pixelgenaue Wiedergabe eines 1.920 x 1.080er Bildes, erkennbar an der gleichmäßigen Bildstruktur

Fazit

Für ein exzellentes HD-Bilderlebnis ist die Full-HD-Bildauflösung von 1.920 x 1.080 Pixeln unerlässlich. Voraussetzung für absolute Zufriedenheit ist jedoch ein zusätzlich ein hochwertiger Scaler - zwar können DVDs von einem entsprechen gerüstete Zuspieler auf 1.920 x 1.080 Pixel hochgerechnet werden, aber eingehende SD PAL Signale von einem analogen oder digitalen Fernsehtuner müssen vom Flachbildschirm skaliert werden. Daher sollte man sich, sofern man keinen externen Satellitenreceiver nutzt (dann kann dieser oder auch der AV-Receiver die Skalierung von SD TV-Signalen übernehmen), vor dem Kauf mit der Bildgüte des ins Auge gefassten Geräts im TV-Betrieb auseinander setzen. 

Text: Carsten Rampacher
06. Februar 2009