24p - Eine Einführung

[Smarti_X]

Da für viele die 24p-Geschichte teilweise ein Buch mit sieben Siegeln ist, will ich mal versuchen das Ganze einigermaßen umfassend zu erklären.
Wir pflegen und überarbeiten diesen Beitrag ständig, ganz unten steht immer das letzte Überarbeitungsdatum es lohnt sich also evtl. öfter mal nach zu sehen.
Wenn Fragen bzw. Ergänzungen oder Berichtigungen nötig sind, können die im dazugehörigen thread gepostet werden; wir werden das dann hier gegebenenfalls einpflegen.

Dann mal los:

Grundsätzlich ist 24 fps  bzw. 23,9... ja das Format in dem die großen Studios schon fast immer aufgenommen haben. Nun hat sich die Filmindustrie „Gott sei Dank" dazu entschlossen, die HD Formate Blue Ray und HD DVD in genau dieser Form auf die Scheiben zu bannen.

Nun besteht das Problem, dass 24 fps zu wenig sind (wieso und weshalb da komme ich später noch zu), also machen bisher die meisten Hersteller von HD Playern das, was im NTSC-Bereich schon immer gemacht wurde: sie mastern einen „2:3 pull down“ und gehen auf 60 Halbbilder (60i), das heißt, die 24 Vollbilder werden erst in 48 Halbbilder (fields) geteilt und dann wird jedes 3. Halbbild verdoppelt und hinter das 4. Bild gehängt; So, dass bei 60 Halbbidern jedes 5. Bild ein Doppel ist. Das ist aber das, was viele Leute stört, weil dadurch ein Ruckeln im Bild entsteht. Das deshalb, weil es zeitlich eben nicht in die Bilderfolge passt und man es von Pal auch sonst nicht gewohnt ist.

Bei Pal-DVDs dagegen wird einfach ein „Speedup“ auf 25p gemacht und das dann in 50 Halbbilder (odds und evens) (50i) geteilt. Der Film wird einfach etwas beschleunigt. Dadurch gibt es zwar auch "Probleme", weil sich zum einen die Spielzeit verkürzt (z.B. von 100 min. auf 96 min.) und zum anderen der Ton um ½ Oktave höher wird, das Pulldown-Ruckeln aber entfällt.

Nur der Vollständigkeit halber: die 60i bzw. 50i stammen aus der Zeit der Röhrenfernseher, da das E-Netz in den Staaten mit 60hz läuft und in Europa mit seinen 50hz die Bildsignale aus elektrotechnischen Gründen die gleiche Frequenz haben mussten.

Nun fordern viele User gerade in Europa, dass sie 24p wollen, also ohne Pulldown und die Branche, die dann reagieren musste, dabei auf neue Probleme stösst.
Um das Problem zu verstehen, muss man sich erst mal unseres Sehapparates annehmen.

Da gibt es zum einen die stroboskopische Bewegungstäuschung; sie funktioniert ab 16 fps bzw. dann kann eine Bilderfolge als fließende Bewegung wahrgenommen werden, weil das menschliche Gehirn die fehlenden Bilder selber berechnet und einfügt.

Jetzt könnte man meinen: "Wunderbar! Wir haben ja 24fps, wenn 16fps reichen, dann ist ja alles in Butter!" Leider nein!

Denn zum anderen ist die Flimmerverschmelzungsfrequenz oder auch Flimmerfusionsfrequenz, Einzelbildverschmelzungsfrequenz wichtig:

Sie beginnt bei 48 fps, d.h. ab dann wird das Flimmern vermieden, wobei das wiederum auch keine konstante Größe ist, aber zweifelsfrei über der stroboskopischen Bewegungstäuschung liegt (Ferry-Porter-Gesetz). Sie ist z.B. abhängig von der Gesamtbildhelligkeit (bei zunehmender Leuchtdichte bzw. Luminanz bei gleichem Oszillationsgrad und/oder bei steigendem Oszillationsgrad höher - Talbot-Gesetz), des Umgebungslichts (je heller, desto mehr wird das Flimmern wahrgenommen, auch deshalb ist es sinnvoll das Kinos abgedunkelt sind), der Grösse des Panels als Leuchtfläche und der Übergangshelligkeit der einzelnen Frames. Bei dunklen Bildinhalten kann sie auch unter der 48fps-Marke liegen.

24Hz sind aber zu wenig. Besser als 48fps aber wäre 72fps, dann reicht es eigentlich für alle Fälle. Erst bei dieser Frequenz werden periodisch wiederkehrende Lichtreize subjektiv immer als konstanter Helligkeitsreiz wahrgenommen. Also: Die Folge der Lichtblitze (ändernder Bildinhalt von frame zu frame - positive Polarität, aber gar auch manchmal bei einem sample & hold-Verfahren des LCD trotz negativer Polarität) wird als ein kontinuierliches Licht wahrgenommen, egal ob helle oder dunkle Bilder, egal ob bei Tag (photopisch) oder bei Nacht (skotopisch mit Purkinje- und Pulfrich-Effekt).

Um eine völlig ruckelfreie Bildwiedergabe zu erzielen, müsste man den Film so darstellen, wie er aufgenommen wurde. Das heißt, eine Szene wird z.B. mit einer Belichtungszeit von 1/100 Sekunde aufgenommen und dann müssten die einzelnen 24 frames in 1/100 Sekunde auf dem Bildausgabegerät erscheinen und der Rest (76/100) müssten Schwarze Bilder sein (BFI - Black Frame Insertion). Erst dann wäre die Szene 100% ruckelfrei. So kann unser Gehirn problemlos die fehlenden Bilder selber erzeugen, was es ja machen muss.

Wenn jetzt aber die frames mehrfach wiederholt werden (Impuls bei z.B. Plasmas) oder schlimmer noch, dauernd angezeigt werden und erst durch das nachfolgende frame ersetzt werden (sample & hold bei zb. LCD´s)  stimmt das vom Gehirn berechnete und erwartete, bewegte Objekt nicht mit dem überein, was auf dem Bildausgabegerät zu sehen ist. Daraus entstehen Doppelkonturen, Unschärfen und ein dramatischer Verlust an Tiefenwirkung; sogar Ruckeln entsteht und das alles vom eigenen Gehirn produziert.

OK, dann eben einfach 24fps mit einer dementsprechend kurzen Latenzzeit und alles ist prima.
Pustekuchen, denn neben der Bewegungstäuschung brauchen wir bei gepulsten Geräten für einen Filmgenuss der "besonderen Art" 72hz, da sonst das Bild flimmert, weil eben die Flimmerverschmelzungsgrenze nicht erreicht wird.

Hier mal eine Randbemerkung: Wer einmal die Möglichkeit hat, einen Röhrenprojektor mit 24Hz-Signal zu bestaunen, wird sehen, dass genau das eintritt, was ich geschrieben habe: Nichts ruckelt spürbar, alles wirkt extrem scharf ohne dabei überschärft zu wirken und eine Tiefenwirkung entsteht, dass man annimmt, gerade auf einem Holodeck zu stehen. Allerdings flimmert das Ganze wie verrückt. 

Was tun in dem Dilemma? Da gibt es jetzt verschiedene Ansätze:
Einen relativ einfachen, aber durchaus effizienten Weg ist z.B. Pioneer bei ihren Plasmas gegangen, da ein Plasma prinzipbedingt kurze Latenzzeiten hat. Sie verdreifachen einfach das 24p-Signal, wodurch das Flimmern und das Pulldown-Ruckeln entfällt, aber immer noch der Verlust von Schärfe bzw. Doppelkonturen an bewegten Objekten und ein leichtes, gleichmäßiges Ruckeln verbleibt - das aber mit Sicherheit für die meisten unsichtbar ist, solange man es nicht krampfhaft sucht.

Der wesentlich aufwendigere Weg, den teilweise LCD-Hersteller gehen, besteht darin, dass Zwischenbilder berechnet werden oder sogar eine BFI gemacht wird. Bei LCD´s wäre eine einfache Vervielfachung des Bildes zwecklos, da es keinen Unterschied bei sample & hold Bildausgabegeräten macht und damit das Motion Blur nicht verringert wird, geschweige denn, dass was flüssiger läuft! Der Mensch registriert immer nur 24p wie bei 24Hz. Bei LCDs reichen gar 24Hz aus, da die Flimmerfusionsfrequenz wegen dem sample & hold-Effekt praktisch gar nicht greift.

Motion compensated frame interpolation wiederum bringt zur Zeit aber auch Schwierigkeiten mit sich, da die zwischenberechneten Bilder nicht auf dem Niveau sind, wie es unser Gehirn verarbeitet, bzw. erwartet und sich so Unschärfen, Doppelkonturen, Bewegungsartefakte und der Verlust an Tiefenwirkung ergeben. Das kann sogar soweit gehen, dass zwar das Motion Blur Problem einigermaßen gelöst ist, das Bild aber so unansehnlich wird (Videolook), dass man die Bildverschlimmbesserung abschaltet, wenn man es denn kann.


Prinzipbedingt würde ein LCD- oder LCoS-Bildausgabegerät eigentlich unserem Sehen - wie wir es aus der Natur kennen - am ehesten entgegen kommen, wenn man diese Technik mit einer Kombination aus zwei hochwertig zwischenberechneten Bildern (MCFI) und der Einfügung von Schwarzbildern zwischen jedem Frame verbinden würde. Ergo wäre ein Bildausgabegerät mit 144hz und den vorher beschriebenen Eigenschaften (Flimmerverschmelzungsfrequenz) wohl der Weisheit letzter Schluss im Bezug auf eine möglichst natürliche und ruhige Wiedergabe von 24p Material. Aber auch andere Bildtechniken wie Plasma und DLP würden mit den selben Maßnahmen ungemein hinzugewinnen.
 
Leider ist gerade die Zwischenberechnung der Bilder aber z.Zt. das größte Problem und momentan nicht wirklich überzeugend, da diese Algorithmen in der Paneltechnik noch sehr neu und unausgereift sind. Daher kann man von hochwertigen Zwischenbildern zur Zeit nur Träumen. Gegen Ende 2007 wird die Zwischenbildberechnung auf 100/120Hz erhöht. Praxisberichte sind noch ausstehend.

Mittlerweile erreichten 200/240Hz-Panels den consumer-Markt mit weiteren Fortschritten in der Zwischenbildberechnung. Noch mehr Bewegungsschärfe bei gleichzeitig minimiertem Soap-Effekt und Artefakten wie Haloing.


Ich hoffe, dass dieser Beitrag dem einen oder anderen hilft, die 24p Problematik zu verstehen und für sich ins rechte Licht zu rücken.

Auch möchte ich mich an dieser Stelle nochmal bei Horde bedanken, der an dieser Einführung mitgewirkt hat und immer noch mitwirkt.


Gruß

Smarti


Letzte Überarbeitung: 03.08.10 (horde)