HDTV (High Definition Television)

High Definition Television (HDTV, engl. für hochauflösendes Fernsehen) ist ein Sammelbegriff, der eine Reihe von Fernsehnormen bezeichnet, die sich gegenüber dem herkömmlichen Fernsehen (Standard Definition, SD) durch eine erhöhte vertikale, horizontale oder temporale Auflösung auszeichnen.

Aktuell sind Vertikalauflösungen von 720 Zeilen (Vollbilder) und 1080 Zeilen (Halbbilder) gebräuchlich. Die bisherigen Fernsehstandards PAL und SECAM bieten zum Vergleich 576 Zeilen (50 Hz), NTSC 480 (60 Hz), jeweils im Zeilensprungverfahren.

Nomenklatur

Zeilenzahl + Bildaufbauverfahren + Bildwiederholrate

Bei der Zeilenzahl wird die vertikale Bildauflösung angegeben, beim Verfahren des Bildaufbaus wird Vollbild- (progressive) oder Zeilensprungverfahren (interlaced) abgekürzt mit „p“ oder „i“. Bei der Angabe der Bildwiederholrate gibt es zwei verschiedene Konventionen: Oft wird die Anzahl der Bilder pro Sekunde ohne Unterscheidung zwischen Halb- und Vollbildern angegeben, die Nomenklatur[15] der European Broadcasting Union (EBU), die zusätzlich einen Schrägstrich verwendet, sieht hingegen die Angabe der effektiven Vollbilder pro Sekunde vor (z. B. 720p/50, 1080i/25). Im Zweifelsfall reicht hier aber das Wissen, dass bei Zeilensprung-Verfahren die Halbbildfrequenz zwischen 50 und 60 Hz und die Vollbildfrequenz zwischen 25 und 30 Hz liegt, aus.

Beispiele:

1. 1080i60 = 1080p/30 = 1920 × 1080 Bildpunkte im Zeilensprungverfahren und 30 Vollbilder oder 60 Halbbilder pro Sekunde
2. 1080p24 = 1080p/24 = 1920 × 1080 Bildpunkte im Vollbildverfahren und 24 (Voll-)Bildern pro Sekunde
3. 720p50 = 720p/50 = 1280 × 720 Bildpunkte im Vollbildverfahren und 50 (Voll-)Bildern pro Sekunde
4. 1152i50 = 1152i/25 = 2048 × 1152 Bildpunkte im Zeilensprungverfahren und 50 Halbbildern pro Sekunde (alte HD-MAC-Norm)

Bei dieser Regelung gibt es noch zwei zu beachtende Eigenschaften von HDTV, die zu abweichenden Nomenklaturen führen. Zum einen kann es vorkommen, dass in Vollbildern vorliegende Filme, vorrangig Kinoproduktionen, zwar im Zeilensprungverfahren übertragen werden, sich aber der Vollbildcharakter unverändert aus diesen beiden Halbbildern rekonstruieren lässt. Auf dem Papier würde zwar zum Beispiel 1080i50 bzw. 1080i/25 stehen, aber es ist auch als 1080psf25 darstellbar. Das Kürzel für das Bildaufbauverfahren ist das Progressive Segmented Frame (PsF), das anstelle des Interlace-Kürzels geschrieben wird und nur die Übertragungsart genauer beschreibt. Als Folge muss aber die Bildwiederholrate halbiert werden. Und zum anderen sind bei digitalen Kinoproduktionen mit HD-Kameras auch das Kürzel 24p zu finden. Damit kann 1080p24 gemeint sein, aber beim Digitalen Kino kann es sich auch um eine höhere Auflösung handeln.



Auflösung

Auflösung 

HDTV wird mit 1080 aktiven Zeilen in Zeilensprungmodus oder 720 Zeilen im Vollbildmodus bei einem Seitenverhältnis von 16:9 in der ITU-R BT.709 festgelegt. Der Ausdruck „high-definition“ kann sich sowohl auf die Auflösungsspezifikation beziehen als auch auf Medien mit ähnlicher Schärfe wie Spielfilme.

Die beiden HDTV-üblichen Bildauflösungen sind 1280×720 Pixel und 1920×1080 Pixel, im Vollformat. Das Seitenverhältnis des Bildes beträgt 16:9. Der Auflösungsunterschied von 1280×720 gegenüber PAL (nach CCIR 601) beträgt das 2,2-fache ((1280×720p)/(720×576i)) und 1920×1080 gegenüber PAL sogar das 5-fache ((1920×1080i)/(720×576i)). - Da die zumeist (USA) verwendete MPEG-2-Komprimierung das Bild in Blöcke von 16×16 Pixel aufteilt, werden bei 1920×1080 tatsächlich 1088 Zeilen übertragen.

Beim Vergleich der Auflösungen progressiver Formate zu Bildern im Zeilensprungverfahren ist zu beachten, dass beim progressiven Format pro Zeiteinheit doppelt so viele Informationen gesendet werden wie beim Zeilensprungverfahren. Insbesondere bei viel Bewegung im Bild lassen sich also Progressive- und Interlaced-Formate nur bedingt vergleichen.

HDTV-Bilder müssen in der Praxis häufig entzerrt werden: Die Übertragung eines 16:9-Bildes wird häufig in ein 4:3-Verhältnis gestaucht, so dass bei 1080 Zeilen nur 1440 statt 1920 Punkte und bei 720 Zeilen nur 960 statt 1280 Punkte zur Verfügung stehen. Der Schärfeverlust kann durch ein gutes Mastering gelindert werden.


Bildfrequenz

Bildfrequenz

Die typischerweise verwendeten Bildfrequenzen betragen bei der Vollbilddarstellung 23,976 Hz, 24 Hz, 25 Hz, 29,97 Hz und 30 Hz, und bei der Halbbilddarstellung 50 Hz, 59,94 Hz und 60 Hz. Wenn es die Kapazität des Übertragungsmediums erlaubt, ist optional auch eine Vollbilddarstellung mit den Halbbildfrequenzen möglich.

Allerdings übersteigt die erforderliche Datenrate von 1080p50 und 1080p60 bei der Verwendung von MPEG-2 das von den eingesetzten Übertragungsverfahren (DVB und ATSC) vorgesehene Maximum.

Die traditionelle Frequenz von 50 bzw. 25 Hz wird für eine Darstellung des deutlich größeren dargestellten Bildes von einigen Experten als zu gering angesehen, weswegen auch in Europa die Nutzung von 60 bzw. 30 Hz erwogen wird.

Die PAL- und SECAM-kompatiblen 50 Hertz haben gegenüber den NTSC-kompatiblen 60 Hertz den offensichtlichen Nachteil eines leichter bemerkbaren Flimmerns, aber den Vorteil einer geringeren Datenrate bei gleicher Kompression oder andersherum. Kinofilme in 24p müssen bei PAL vier Prozent schneller abgespielt werden, bei NTSC können hingegen trotz korrekten Tempos wegen des nötigen Telecine-Verfahrens (3:2-Pull-up) ruckelige Bewegungen auftreten.


Datenrate

Datenrate

Für 1080i50 mit MPEG-2 wird (gemäß ITU) eine Bitrate von 27 Mbit/s empfohlen (0,52 bit/px ? ca. 5,4 Mbit/s bei 576i50), bei geringeren Qualitätsanforderungen 22 Mbit/s (0,42 bit/Pixel ? 4,4 Mbit/s). HD1 sendet nur mit 18 Mbit/s, also 0,35 bit/px, was etwa 3,6 Mbit/s für SDTVoder 3,75 Mbit/s bei 1,85:1- bzw. 3 Mbit/s bei 2,35:1-DVD-Filmen (Cinemascope) entspricht, wobei DVDs den Vorteil einer dynamisch anpassbaren Bitrate haben.

Um die vorhandenen Datenraten so effizient wie möglich zu nutzen, gibt es mehrere Möglichkeiten. Erstens können Filme mit einem Originalseitenverhältnis von 2,35:1 auf 16:9 beschnitten (gecroppt) und auf das vorgeschriebene 16:9-Verhältnis gebracht werden. Dabei wird kein schwarzer Rand am oberen und unteren Bildrand mitübertragen, da er keine sichtbaren Bildinformationen enthielte und somit überflüssig ist. Jedoch fallen dabei Bildinformationen an den Seiten weg. Da statische schwarze Bereiche sich effizient komprimieren lassen, gibt es nur eine geringe Datenratenersparnis. Dafür wird die Datenrate von einem kleinen erforderlichen Bildbereich auf eine größere Fläche erweitert und somit die Datenrate pro Fläche verringert. Zweitens können nur die sichtbaren Zeilen gespeichert und erst beim Abspielen die schwarzen Balken zum Auffüllen der Bildschirmauflösung eingefügt werden. Beide Verfahren werden angewandt, wenn das Seitenverhältnis von den verlangten 16:9 abweicht, also breiter wird. Eine ähnliche Methode wäre bei 4:3-Filmmaterial auf 16:9 denkbar, und würde die schwarzen Ränder (Pillarbox) an den Seiten ersetzen. Dieses wurde beispielsweise von ProSieben HD und Sat.1 HD angewendet.


Größenvergleich am 16:9 TV:

SDTV 16:9
HDTV 16:9 720
HDTV 16:9 1080