Videoauflösungen

Digitales PAL/NTSC

Mit Einbruch des digitalen Zeitalters musste festgelegt werden, wie PAL und NTSC im digitalen Bereich repräsentiert werden sollten. Wie aus der Vorstellung von PAL und NTSC bekannt, hat PAL lediglich eine feste vertikale Auflösung von 574 und 2 halben Zeilen, NTSC von 484 und 2 halben Zeilen. Die Horizontalauflösung ist lediglich durch eine Bandbreite von 5 bzw. 4,2MHz begrenzt. Bei einer aktiven Zeilenlänge von je 52μs führt das zu maximal 520 bzw 437 Bildpunkten pro Zeile.

Die digitale Codierung eines Bildes nach jedem MPEG-Standard (MPEG-1, MPEG-2 und MPEG-4) basiert auf Makroblöcken. Das sind Bildeinheiten von 16x16 Pixeln, in die das Bild zerlegt werden muss, bevor es codiert wird. Sind die Kantenlängen nicht durch 16 teilbar, so wird das Bild beim Encoden entsprechend vergrößert und später beim Decoden vor der Darstellung wieder abgeschnitten. Die angezeigte Bildfläche verändert sich dadurch also nicht. Allerdings geht durch dieses Verfahren Bitrate ungenutzt verloren. Optimal sind also immer Kantenlängen, die durch 16 teilbar sind.

Bei Standards zur digitalen Bildspeicherung, die MPEG-Verfahren nutzen, wird daher meist eine durch 16 teilbare Kantenlänge vorgeschrieben. Daher hat digitales PAL 576 Zeilen. Nimmt man also von einer analogen PAL Quelle auf, so hat man oben links und unten rechts jeweils eine halbe Zeile schwarz. Bei NTSC wird das Bild auf 480 Zeilen gecroppt, um die Teilbarkeit durch 16 zu gewährleisten. Das heißt der Rand wird einfach abgeschnitten. Durch den Overscan fällt das bei analogen Anzeigegeräten gar nicht auf, digitale NTSC-Anzeigegeräte arbeiten dagegen immer mit 480 Zeilen.

Nun musste noch festgelegt werden, wie viele Pixel PAL und NTSC breit sein sollen. Man hat eine einheitliche Abtastfrequenz von 13,5MHz und eine Bildbreite von 720 Pixeln festgelegt. Eine Abtastfrequenz von 13,5MHz heißt 13,5 Millionen Pixel pro Sekunde. Bei einer aktiven Zeilendauer von 52μs kommen somit 702 Pixel zusammen, der Rest bleibt schwarz. Um auch hier die Teilbarkeit durch 16 zu gewährleisten, wird für ein 4:3-Bild eine Breite von 704 Pixeln verwendet. Das 4:3-PAL-Bild hat somit eine Auflösung von 704x576 Pixeln, das 4:3-NTSC-Bild eine Auflösung von 704x480 Pixeln. 720 Pixel dauern 53,33μs und sind somit etwas breiter als das 4:3-Bild. Wenn man von analoger Quelle mit 720x576 Pixeln aufnimmt, sollten also am Rand schwarze Streifen entstehen. Dieser über das 4:3-Bild überstehende Rand wird bei der Wiedergabe auf analogen Systemen grundsätzlich abgeschnitten. Auch bei der Vollbildwiedergabe auf 4:3-Computerbildschirmen sollte er abgeschnitten werden, ansonsten entstehen bei entsprechender bildfüllender Skalierung oben und unten 6 Pixel breite schwarze Streifen.

Auch im digitalen Bereich wird die schwache Farbauflösungsfähigkeit unseres Auges ausgenutzt, und zwar mit Subsampling. Das heißt, dass die Abtastfrequenz für die Farbe herabgesetzt ist. Bei PAL wird meist mit 4:2:0, bei NTSC mit 4:1:1 Subsampling gearbeitet. 4:1:1 heißt, dass in jeder Zeile mit einer Abtastfrequenz von 1/4, also 3,375MHz digitalisiert wird. Bei 4:2:0 beträgt die Farbabtastfrequenz 1/2, also 6,75MHz, zudem wird die Vertikalauflösung auf die Hälfte reduziert. Somit wird bei beiden Varianten der Informationsumfang auf die Hälfte reduziert.

Wenn sie aufgepasst haben, werden Sie bestimmt bemerkt haben, dass die Pixel, die bei digitalem PAL und digitalem NTSC verwendet werden, nicht quadratisch sind. Auf Computerbildschirmen werden aber im Allgemeinen quadratische Pixel verwendet (sogenannte Square-Pixel). Jedes Bild, das von einer DVD, VCD, SVCD oder digitalen Videokamera kommt, muss also erst umgerechnet werden, bevor es auf einem Computerbildschirm korrekt dargestellt werden kann. Normalerweise übernimmt das der Player, wenn das Video direkt vom Originalmedium gelesen wird.

Speicherformate

Ausgehend von 704x480 bzw. 704x576 kam als erstes das VideoCD-Format (VCD) mit halber Auflösung in jeder Dimension (352x240 NTSC bzw. 352x288 PAL) und MPEG-1-Kompression auf. Da aufgrund der geringen Auflösung die Bildqualität sehr litt, wurde das SuperVideoCD-Format (S-VCD) mit MPEG-2 Kompression entwickelt. Dieses orientiert sich an 720 horizontalen Bildpunkten. Es hat 2/3 der horizontalen bei voller vertikaler Auflösung (480x480 NTSC bzw. 480x576 PAL). Da DVDs endlich genügend Speicherplatz bieten, ist in den Video-DVD-Spezifikationen auch standardmäßig eine Auflösung von 720x480 bzw. 720x576 mit ebenfalls MPEG-2-Kompression vorgesehen. Diese Auflösung wird auch auf digitalen Camcordern verwendet, egal wie hochauflösend das CCD ist! Für 16:9-Video besteht auf DVD die Möglichkeit anamorph mit 720x480 bzw. 720x576 und 704x480 bzw. 704x576 aufzuzeichnen. Damit ist das Video horizontal gestaucht und muss bei der Wiedergabe wieder entsprechend entzerrt werden. Desweiteren sind auch das VCD-Bildformat und in MPEG-2 die NTSC-Auflösungen 704x480 und 352x480 sowie die PAL-Auflösungen 704x576 und 352x576 erlaubt.

Am Computer gibt es jede Menge weiterer daraus abgeleiteter Formate. Theoretisch ist jede beliebige Auflösung möglich. Somit kann auch jedes beliebige Bildseitenverhältnis (Aspect Ratio) realisiert werden. Die gebräuchlichsten herkömmlichen Bildseitenverhältnisse sind:

BildseitenverhältnisBenutzung
1,33:14:3Standard-TV
1,37:1 8mm und 16mm Film
1,375:1 Academy-Standard auf 35mm Film
1,66:15:3 / 15:9anamorph auf 35mm Film
1,78:116:9Breitbild-TV
1,85:137:20anamorph auf 35mm Film
2,21:1 70mm Film
2,35:147:20anamorph auf 35mm Film, vor 1970
2,39:1 anamorph auf 35mm Film, nach 1970

Aus den quadratischen Pixeln am Computer resultiert die Möglichkeit, das Bildseitenverhältnis direkt in ein Pixelverhältnis umrechnen zu können. Denken Sie dabei an die Makroblöcke. Videos mit durch 16 teilbaren Kantenlängen lassen sich am besten komprimieren, andere Kantenlängen machen jedoch heutzutage meistens auch keine Probleme.

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