4K-Projektion - Grundlagen

Text von Matthias Walther-Richters, HIFI-REGLER

Nachdem die 3D-Technologie den Projektormarkt in jüngster Vergangenheit geprägt hat, steht mit der 4K-Projektion bereits die nächste Innovation vor der Tür. Ein Anlass für uns, Ihnen die Grundlagen der neuen Technologie etwas näher zu bringen.

Was versteht man eigentlich unter 4K?

Der Begriff 4K stammt aus dem Bereich des digitalen Kinos und der Computergrafik und leitet sich aus der horizontalen Auflösung von ungefähr 4000 Pixeln ab. Es handelt sich um einen Auflösungsstandard, der anders als der klar definierte Full-HD Standard mehrere Auflösungsvarianten beschreibt. Abgesehen von einigen wenigen kleinen 8K-Produktionen handelt es sich um den höchsten Standard, der bei der digitalen Aufnahme von Kinofilmen genutzt wird.  Analog aufgenommene Filme werden ebenso häufig in 4K digitalisiert. Auch hier gibt es einige wenige 8K-Scans, diese sind aber rar gesät. Ein Auflösungsverlust entsteht bei einem 4K-Scan nicht, da die Emulsionsschicht auf dem belichteten Film immer noch feinkörniger ist als das 4K-Pixelraster.

4K umfasst folgende gängige Auflösungsstandards:

• Full Aperture 4K (4096 x 3112)
• Digital Cinema 4K in 1.78:1 (3996 x 2160)
• Digital Cinema 4k in 2.39:1 (4096 x 1714)
• Academy 4K in 1.37:1 (3656 x 2664)
• Quad Full HD QFHD (3840 x 2160)

Hinzu kommt die Auflösung von 4096 x 2160 Bildpunkten, die ebenfalls häufig in der Filmproduktion auftritt. Verschiedene hochwertige digitale Filmkameras wie u.a. die Red Epic oder die Sony CineAlta F65 nehmen in dieser Auflösung auf.

• Mit 4K-Filmmaterial  und einem Projektor, der in der Lage ist dieses Material wiederzugeben, ist es möglich, Kinofilme in der Auflösung anzuschauen in der sie produziert wurden.

Aktuell werden bei den Heimkino-Projektoren zwei unterschiedliche Auflösungen angeboten, die beide unter dem Begriff 4K firmieren:

• 4.096 x 2.400 (JVC)
• 4.096 x 2.160 (Sony, Barco, Christie Digital)

Welche Vorteile bietet 4K?

Ein 4K-Projektor  kann das Bild auf etwas mehr als 8 Millionen Pixel darstellen. Auf jedem Pixel lässt sich dabei eine andere Bildinformation wiedergeben, aus der sich dann das Gesamtbild zusammensetzt. Vergleicht man dies mit einem Full-HD-Projektor, der nur etwas mehr als 2 Millionen unterschiedliche Bildinformationen darstellen kann, so liegt ein wichtiger Vorteil der 4K-Projektion unmittelbar auf der Hand:

• 4K-Projektoren sind in der Lage wesentlich mehr Details darzustellen als ihre Full-HD-Pendants

Die Vorteile der höheren Auflösung lassen sich anhand der folgenden Grafiken zeigen. Links sehen wir einen (stark vergrößerten) Ausschnitt von vier Pixeln aus einer 4K-Projektion. Daneben wird der gleiche Bildausschnitt dargestellt in Full HD Auflösung gezeigt.

4k-Auflösung Full-HD-Auflösung

Wie man leicht feststellen kann ist es nicht möglich, alle Informationen aus dem 4K Original in Full-HD  darzustellen. Die durch das schwarze Pixel (unten rechts) beschriebene Bildinformation geht verloren.

Noch deutlicher werden die Unterschiede, wenn man einen etwas größeren Ausschnitt betrachtet.

4k-Auflösung Full-HD-Auflösung

Obwohl hier nur 16 Pixel eines 4K-Bildes dargestellt sind, ist der Bildeindruck ein völlig anderer als bei der Darstellung in Full-HD. Sowohl das weiße Pixel in der oberen linken Ecke als auch die drei diagonal angeordneten schwarzen Pixel in der unteren Bildhälfte können in Full-HD nicht abgebildet werden.

• Wie bereits oben erwähnt wurde, werden zahlreiche Kinofilme in 4K produziert. Betrachtet man diese Filme im Full-HD-Format, so gehen gegenüber der Originalaufnahme zahlreiche Details verloren.

Neben der Darstellung von mehr Details hat die Wiedergabe im 4K-Format einen weiteren Vorteil:

• Feine Oberflächenstrukturen, wie z.B. diagonal verlaufende Linien, können artefaktfreier wiedergegeben werden. So sind etwa die berüchtigten Treppenstufen- oder Sägezahnmuster kaum mehr sichtbar.

Auch dies lässt sich grafisch sehr gut darstellen:

4k-Auflösung Full-HD-Auflösung

Wie man hier sehen kann, ist der Verlauf der diagonalen verlaufenden schwarzen Linie in der 4K-Darstellung schon deutlich glatter als in der Full- HD-Abbildung.

Verkleinert man den Bildausschnitt und stellt ihn in einem seiner tatsächlichen Größe angenäherten Maß dar, ergibt sich Folgendes:

Das 4K-Bild auf der linken Seite zeigt nur noch dann Treppenstufen, wenn Sie mit der Nase schon fast den Bildschirm berühren. Beim Full-HD-Bild sind die Treppenstufen dagegen auch noch aus etwas größeren Abständen sichtbar.

• 4K-Projektionen wirken analoger. Die typischen Pixelstrukturen bei digitaler Filmwiedergabe  sind für das menschliche Auge praktisch nicht mehr wahrnehmbar.

Ein weiterer, nicht zu unterschätzender Vorteil liegt in der deutlich besseren 3D-Wiedergabe. Das Prinzip mit aktiven Shutter-Brillen entfällt, da der Projektor nun in der Lage ist, zwei Full-HD Bilder zeitgleich wiederzugeben. Eine passive Polfilterbrille reicht aus und im Gegensatz zu aktuellen Passiv-Systemen, die in Full HD arbeiten, bleibt die volle Auflösung erhalten. Da kein Auflösungsverlust entsteht, werden auch Detailwiedergabe und Feinzeichnung nicht angetastet.

Was ist in der Praxis zu beachten

Nachdem wir Ihnen die theoretischen Vorteile erläutert haben möchten wir Ihnen natürlich auch ein paar praktische Tipps zum Thema 4K-Projektoren geben.

Der Betrachtungsabstand

Ein Mensch mit durchschnittlichem Sehvermögen kann aus einem Meter Abstand auf einer Leinwand, die einen Meter breit ist, horizontal (von links nach rechts) etwa 3.600 Bildinformationen (Pixel) unterscheiden.

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Merksätze

• Bei einer Full-HD-Projektion mit horizontal 1.920 Pixeln benötigt der Betrachter, bei einer Leinwandbreite von einem Meter, einen Abstand von 1,80 Meter, um die volle Auflösung zu erkennen.
• Sitzt der Betrachter näher vor der Leinwand, wird das Bild unscharf und Artefakte werden sichtbar. Sitzt er weiter entfernt, kann er die volle Auflösung nicht mehr erkennen.
   

Bezieht man dies nun auf eine in unseren Heimkinos übliche Bildbreite von 2 Metern, so ergibt sich, dass die Full-HD-Auflösung immer dann nicht ausreichend ist, wenn der Betrachtungsabstand geringer als 3,60 Meter ist. Darüber hinaus produziert jeder Projektor, je nach Qualität, mehr oder weniger starke Artefakte, die nicht im Bildsignal vorhanden sind. Dies führt dazu, dass die Abstände noch etwas größer zu wählen sind.

Daraus lässt sich eine einfach zu berechnende Faustregel Ableiten:

Merksätze

• Der Mindestabstand sollte bei einer Full-HD-Projektion dem 2,0 bis 2,4 fachen der Leinwandbreite entsprechen.
• Er halbiert sich bei einer 4K-Projektion und entspricht somit dem 1,0 bis 1,2 fachen der Leinwandbreite.
   

Einen Sonderfall stellt die Projektion von 3D-Filmen mit der Polfiltertechnik dar. Hier muss der Abstand größer gewählt werden, da vertikal nur die halbe Auflösung dargestellt werden kann.

Tipp

Die Anschaffung eines 4K-Projektors bietet immer dann Vorteile, wenn Ihr Betrachtungsabstand zur Leinwand weniger als doppelt so groß ist wie die Leinwandbreite. Ist der Betrachtungsabstand mehr als doppelt so groß, kann das Auge die höhere Auflösung nicht erkennen.  In diesem Fall reicht ein Full-HD-Projektor.

Bei Projektoren die 3D-Filme mit der Polfiltertechnik darstellen ist 4K auch bei größeren Betrachtungsabständen von Vorteil, da mit der Polfiltertechnik vertikal lediglich die halbe Auflösung für jedes Bild dargestellt werden kann.

Bei TV-Geräten präsentieren sich LG, Sharp und Toshiba als Vorreiter. Alle Modelle der genannten Hersteller arbeiten mit der Quad Full HD Auflösung von 3840 x 2160 Bildpunkten. Zu beachten ist, dass die Vorteile von 4K sich hauptsächlich bei großen Bilddiagonalen bemerkbar machen, da die Pixeldichte deutlich höher ist als bei konventionellem Full HD.

Selbst wenn die Faktoren Bilddiagonale und Mindestabstand stimmen, sollte man als Anwender nicht den identischen „WOW“-Faktor erwarten wie beim Step von normalen SDTV zu Full HD. Das Detailempfinden des menschlichen Auges hängt nicht ausschließlich von der Bildauflösung ab, sondern auch von Helligkeit und Kontrast der angrenzenden Bildelemente. Hinzu kommt, dass die Kontrastsensibilität des Auges nicht linear ist. Es kann sogar so weit gehen, dass ein helles, stark kontrastiertes Bild mit schwacher Auflösung detailreicher wirkt als ein hoch auflösendes Bild mit schwachem Kontrast.

Wie viele Filme sind in 4K-Auflösung erhältlich?

Content in 4K ist noch sehr rar gesät. Lange Zeit war nicht ein einziger Film in 4K-Auflösung erhältlich, den ein Endverbraucher erwerben konnte. Dies hat sich seit Mai 2012 geändert. Tom Lowe hat seine Dokumentation "TimeScapes" veröffentlicht. Ein 50-minütiges, tonloses Portrait unseres Planeten Erde. Neben konventionellem Full HD und 1440p kann der Film in 4096 x 2304 im 4:2:2 Format direkt bei timescapes.org bestellt werden. Die 160 GB Daten werden direkt auf Festplatte geliefert. Der Preis ist allerdings recht happig, in 4K Cineform kostet die Dokumentation 299 US-Dollar.

Was bringt mir 4K, wenn es derzeit keine Filme in dieser Auflösung gibt?

Die aktuell (IFA 2012) erhältlichen 4K-Projektoren (z.B. der JVC DLA-X500R, JVC DLA-X700R und JVC DLA-X900R) sind in der Lage die 4K-Auflösung auf unterschiedliche Weise zu nutzen. Anders als die meisten Fernsehgeräte, die bei der Skalierung lediglich die vorhandenen Bildinformationen eines niedrig aufgelösten Eingangssignals (z.B. PAL) auf eine größere Anzahl von Pixeln des Displays verteilen können (einfache Skalierung), ist ein Teil der Projektoren in der Lage zusätzliche Informationen in das Signal hineinzurechnen (Interpolation).

Den Unterschied zwischen einfacher Skalierung und Interpolation verdeutlicht folgende Grafik:

Eingangssignal Einfache Skalierung Interpolation

Bei der einfachen Skalierung wird das Eingangssignal lediglich auf mehr Pixel verteilt. Bei der Interpolation wird eine zusätzliche Information (schwarzes Pixel) in das Bild hineingerechnet.

• Das Bild eines via Interpolationsrechners von Full- HD in 4K umgerechneten Bildes erreicht nicht ganz die Qualität eines “nativen“ 4K-Bildes, ist einem Full- HD- Bild aber deutlich überlegen.

Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Qualität, des im Projektor genutzten Rechners, eine ganz entscheidende Rolle spielt. Auch hier sollte nicht am falschen Platz gespart werden.

Während die oben beschriebene Technologie Bildchips in 4K-Auflösung benötigt, ist derzeit eine weitere Technologie erhältlich, bei der lediglich Full-HD-Chips eingesetzt werden. Hier wird zunächst ein Full-HD-Bild auf die Leinwand projiziert. Anschließend wird das gleiche Bild minimal versetzt auf der Leinwand dargestellt.  Das zweite Bild wird dabei durch einen aktiven Filter soweit verschoben (Pixel-Shift), dass die Bilder in ihrer Summe einem zuvor errechneten 4K-Bild entsprechen. Durch die Trägheit des menschlichen Auges wird auf der Leinwand tatsächlich ein Bild in 4K-Auflösung wahrgenommen.

Wenngleich diese Technologie nicht ganz die Qualität der “echten“ 4K-Projektion erreicht, so ist dennoch ein Vorteil im Vergleich zu Full-HD- Bildern zu erkennen. Insbesondere feine Linien und Oberflächenstrukturen können wesentlich genauer dargestellt werden. Treppenstufen-  und Sägezahnartefakte sind praktisch nicht mehr wahrnehmbar. Das Bild wirkt “analoger“.

• 4K-Projektoren bieten auch mit Full-HD-Signalen eine deutlich höhere Auflösung.

Abgesehen von Projektoren skalieren auch AV-Receiver, z.B. Onkyo ab dem TX-NR636, Yamaha ab dem RX-A740 und Denon ab dem AVR-X2100W sowie hochwertige aktuelle Blu-ray Player Pioneer BD-LX88 auf 4K-Auflösung hoch.
 

Fazit

Zusammenfassend lassen sich die o.g. Überlegungen in folgenden "Merksätzen" festhalten:

Merksätze

• Das Kürzel 4K beschreibt lediglich die Auflösung und lässt darüber hinaus keine Aussagen über die Qualität des Projektors zu. Es ist durchaus möglich, dass ein Full-HD-Projektor eine bessere Bildqualität liefert als sein gleich teuerer 4K-Artgenosse.
• 4K-Projektionen können deutlich mehr Details abbilden als ihre Full-HD-Pendants.
• Digitale Raster sind praktisch nicht mehr wahrnehmbar.
• Die Vorteile der 4K-Auflösung werden erst bei sehr geringen Betrachtungsabständen sichtbar.
• 4K ermöglicht es den vertikalen Auflösungsverlust bei 3D-Wiedergabe mit Polfiltertechnik auszugleichen.
• Durch verschiedene Interpolationstechniken sind 4K-Projektoren in der Lage, ein Bild in 4K-Auflösung aus dem Full HD-Signal zu berechnen.
• Die Qualität des Rechners, der die Bilder in 4K-Auflösung aus den Full-HD-Signalen errechnet ist entscheidend für die Bildqualität.
• Das aktuelle Angebot an Filmen in 4K-Auflösung ist extrem gering.
   

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