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High Definition Television

Fernsehnormen, die sich durch eine erhöhte vertikale, horizontale oder temporale Auflösung auszeichnen
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High Definition Television (HDTV, Hochauflösendes Fernsehen) ist ein Sammelbegriff, der eine Reihe von Fernsehnormen bezeichnet, die sich gegenüber dem herkömmlichem Fernsehen durch eine größere (sichtbare) Zeilenzahl, erhöhte Auflösung und ein verändertes Bild-Seitenverhältnis (16:9) auszeichnen. HDTV kann mit den bekannten Bildwechselraten 25/50 Vollbilder pro Sekunde/50 Halbbilder pro Sekunde (EBU) und 24/30/60 Vollbilder pro Sekunde/60 Halbbilder pro Sekunde (FCC/ATSC-System) arbeiten.

Die höhere Zeilenzahl ermöglicht einen geringeren Betrachtungsabstand von etwa dem 1,2- bis 2-fachen der Bildbreite (SDTV: 3 bis 4,5-fach) und damit einen eher dem breitwandigem Kinobild entsprechenden Gesamtbildeindruck. Insgesamt bietet HDTV also wesentliche Verbesserungen der Bildqualität gegenüber dem jetzigen SDTV.

Siehe auch: Digital Video Broadcasting (DVB).

Geschichte

Anfänge

Das erste Mal fiel der Begriff "High Definition Television" im November 1936. Allerdings bezeichnete man damit nicht HDTV im heutigen Sinne, sondern Fernsehen mit 405 Zeilen-System vom Marconi/EMI, was verglichen mit anderen damaligen Versuchen mit 240 Zeilen von Baird (ebenfalls Großbritannien) und 180 Zeilen (Deutschland) viel war. Die Ausstrahlung erfolgte vom Südost-Turm des Alexandra Palace (Wood Green/London). Eine Tafel erinnert an dieses Ereignis.

Ende der 40er Jahre bis Anfang der 80er Jahre

Der Traum vom hochauflösenden Fernsehen ist genauso alt wie das Fernsehen selbst. Schon bei der Festlegung der normalauflösenden Fernsehnormen der Welt Ende der 40er Jahre (der 2. Weltkrieg hatte die Entwicklungen Ende der 30er/Anfang der 40er Jahre ruhen lassen) musste man sich bei der Festlegung der Zeilenanzahl und Videobreite gegenüber dem Wünschenswerten deutlich einschränken, praktisch hatte man zur Übertragung von Fernsehen 80 bis 90 MHz HF-Bandbreite. Beherrschbare und bezahlbare Hochfrequenztechnik endete bei 200 bis 300 MHz. Hinzu kommt noch, dass weder Aufnahme- noch Wiedergabetechnik der damaligen Zeit selbst für ca. 500 Zeilen-Bilder in der Lage waren, ein die Technik auch nur ansatzweise ausreizendes Bild zu liefern. Diesem Zustand näherte man sich erst 25 Jahre später an.

Das Ergebnis waren damals unzählige nationale Fernsehnormen mit 405 (Großbritannien) bis 819 (Frankreich) Zeilen und Videobandbreiten von 3 MHz bis 10 MHz. Die Bildwiederholraten war zur Vermeidung von Flimmern bei Kunstlicht an die Netzfrequenzen angepasst und betrugen 50 Hz und 60 Hz (USA, Japan, Mexiko, ...)

Den größten Einfallsreichtum hatte Frankreich, um sich vor Importen zu schützen:

  • es wird je nach Kanal oberes wie unteres Seitenband für die Bildmodulation genutzt
  • anderes Kanalraster
  • andere Bild/Ton-Trägerabstand
  • andere Tonmodulation
  • andere Zeilenzahl
  • andere Polarität der Bildmodulation
  • bei Farbe: Entwicklung von SECAM

Ohne Farbe, Stereo oder gar Mehrkanalton gab es so damals zwölf verschiedene Schwarzweißnormen.

Von diesen zwölf Fernsehnormen werden heute eine französische und eine britische Norm nicht mehr verwendet. Im UHF-Bereich (470 bis 890 MHz) ist im Gegensatz zum älteren VHF-Bereich die Frequenzbelegung international etwas vereinheitlicht worden. Heute gibt es nur noch zwei Varianten, allerdings gibt es vielfältige Farbfernsehnormen (NTSC sowie jeweils mehrere PAL- und SECAM-Versionen) und mehreren Methoden zur Übertragung von Stereo/Zweikanal-Ton. Hinzu kommen noch zahlreiche Videotext/Teletext-Versionen.

Unabhängig von dem Problem der verschiedenen Normen fanden die ersten Versuche zu HDTV Ende der 70er bis Anfang der 80er Jahre statt. Treibende Kraft war die IEEE und die SMPTE.

Die damaligen Versuche waren rein analog, obwohl schon damals absehbar war, dass digitales Fernsehen realisierbar sein könnte.

Ergebnis der Untersuchungen

Mit HDTV wollte man damals zur Genüge bekannte Fehler des normalen Fernsehens beheben, die da wären:

  • Sichtbarkeit der Zeilenstruktur durch zu geringe Auflösung und Zeilensprung, besonders auf großen Bildschirmen
  • mäßige Detailauflösung, unbefriedigende Bildschärfe
  • Flimmern größerer heller Flächen und von horizontalen beziehungsweise fast horizontalen Linien im Bild
  • Cross-Color-Störungen: Übersprechen von Helligkeitsinformation in die Farbübertragung
  • Cross-Luminance-Störungen: Übersprechen von Farbinformation in die Helligkeitsübertragung
  • Bildseitenverhältnis von 4:3, was nicht dem im normalen Kino projizierten Bild entspricht
  • deutlich sichtbares Rauschen im Bild
  • Geisterbilder und andere durch die terrestrische Übertragung auftretende Störungen

Die damaligen Ansätze liefen alle auf folgendes hinaus:

  • Erhöhung der Zeilenzahl auf 1125 bis 1501 Zeilen (Farbe) oder 2125 Zeilen (Schwarzweiß)
  • Seitenverhältnisänderung auf 5:3 bis 2:1
  • Erhöhung der Halbbildfrequenz auf 60 Hz zur Reduzierung des Flimmerns
  • Option für die nahe Zukunft: Digitaltechnik zur weiteren Erhöhung der Bildfrequenz durch mehrfaches Auslesen und Anzeigen digitaler Bildspeicher
  • Erhöhung der Videobandbreite für das Helligkeitssignal auf 20 bis 50 MHz
  • Vom Helligkeitssignal getrennte Farbart-Übertragung mit Bandbreiten zwischen 5,5 bis 12,5 MHz
  • Frequenzmodulation statt Amplitudenmodulation der Videosignale

Ohne die heutzutage übliche Video-Irrelevanzkodierung (MPEG-2 und MPEG-4) würde das jedoch eine utopisch und unrealistisch hohe notwendige HF-Bandbreite bedeuten. Deshalb gab es folgende Überlegungen:

  • die notwendige Bandbreite im Basisband beläuft sich auf 32 bis 63 MHz
  • die notwendige HF-Bandbreite beläuft sich auf 100 MHz bis 250 MHz
  • terrestrische On-Air-Ausstrahlung war nie beabsichtig worden
  • Als Übertragungsmethoden wurde Satellit und Glasfaser in Betracht gezogen beziehungsweise erprobt
  • technisch wurden damals 60 Standard-Sender und 30 HDTV-Sender pro Hot Spot beziehungsweise Glasfaser als völlig ausreichend empfunden

Die gesamten Untersuchungen liefen im Zeitraum 1978 bis 1982. Wegen der hohen Kosten, die HDTV damals mit sich gebracht hätte, wurde es jedoch nicht eingeführt.

Ende der 80er bis Mitte der 90er

D2- und HD-MAC

Ende der 80er Jahre kam HDTV wieder in die Diskussion. Bei diesem Vorstoß konzentrierte man sich im Gegensatz zu den Machbarkeitsstudien zehn Jahre zuvor mehr auf einen gangbaren Upgrade-Pfad. HDTV sollte die zweite Stufe einer Verbesserung sein, deren erste Stufe D2MAC hieß. Die HDTV-Version hieß HDMAC. Das Kunstwort MAC ist die Abkürzung von Multiplexed Analog Components.

D2-MAC benötigt mehr Bandbreite als normale Sender, die PAL benutzen. Die grundlegenden Ideen waren:

  • Helligkeits- und Farbartsignal werden nacheinander übertragen, deshalb keine PAL-Artefakte bei durchgängiger Komponententechnik in Produktion und Sendung (RGB-Qualität!)
  • die Bildauflösung steigt auf 8,3 MHz, verglichen mit 5 MHz bei den besten Standard-Fernsehgeräten mit PAL-Kamm-Filtern
  • als Bildformat ist erstmals in Europa auch 16:9 möglich, kompatibel zu HD-MAC-Aussendungen
  • Es gibt keine Horizontalaustastlücken, das heißt, es wird die gesamte Zeilenzeit von 64 µs für die Bildübertragung genutzt; zukünftige Fernseher werden ohnehin das Bild digitalisieren, sodass diese Veränderung kaum Mehraufwand bedeutet
  • Der Ton wird in digitaler Qualität fast unkomprimiert mehrkanalig übertragen (auch deshalb, wegen der damals neuen mehrsprachigen Verbreitung, gab es EU-Fördergelder)
  • Pay-TV-tauglich durch digital steuerbare Verschlüsselung (bis 2004 genutzt in Skandinavien!)

Die Probleme von D2-MAC waren:

  • Der erste dafür geplante TV-Satellit fiel von Anfang an aus, der zweite (TV-SAT2) hatte nur vier Programme (ARD-Eins plus, ZDF-3Sat, RTL-plus und Sat 1) auf einer "exotischen" Orbit-Position weitab von Astra 1A/B mit 27 Programmen -- somit war eine zweite Satellitenschüssel sowie ein zirkular-polarisierter LNB nötig, um diese zu empfangen.
  • Bildunruhe durch Zeilensprung und 50 Hz bleibt, wenn keine 100 Hz-Display-Technik verwendet wird
  • nur wenige Hersteller (z.B. Philips, Loewe-Opta, Telefunken) bauten D2-MAC-fähige 16:9-Empfänger
  • nicht zukunftsfähige Nischenlösung im Umbruchzeitalter zwischen rein analogen und rein digitalen Lösungen

HD-MAC war ein sehr komplexes analog/digitales Hybrid-Signal, erzeugt mit einem modifizierten D2-MAC-Encoder. Es übertrug 1250 Zeilen/50 Halbbilder im 16:9-Format und konnte mit einem 625-Zeilen-D2MAC-Empfänger in Normalauflösung dekodiert werden. Die olympischen Spiele 1992 in Barcelona wurden teilweise in dieser Norm übertragen und europaweit mit ca. 100 HD-MAC-Empfangsgeräten (zum Teil große Rückprojektionsgeräte) an ausgewählten Standorten vorgeführt. Die Produktion von hochwertigen Feature-Filmen in HDTV-Qualität und 16:9 wurde noch jahrelang durch die EU finanziell gefördert. Die vierfach höhere Auflösung dieser Bilder macht sich bei hochqualitativer PAL-Aussendung (z.B. SWR, BR, 3Sat) auch in guten PAL-Empfängern noch bemerkbar.

PALplus

Ein letzter Anlauf einer Analogtechnik zur Qualitätsverbesserung war Mitte der 90er Jahre PALplus. Das Prinzip ist einfach und verbessert die vertikale Auflösung von Spielfilmen mit Seitenverhältnissen von 16:9 und größer. Die Qualitätsunterschiede sind deutlich sichtbar -- fast vergleichbar mit denen zwischen DVD anamorph abgespielt und nicht anamorph abgespielt. Die Farbauflösung wird bei PALplus im Vergleich zu Standard-PAL durch den Einsatz von Helperpulsen verdoppelt. Pal Effekte treten nicht mehr auf. PALplus hat sich nicht durchgesetzt, da nur einige öffentlich-rechtliche Sender, Pro7 und FAB PALplus ausstrahlten, zudem waren die ersten PALplus-Geräte viel zu teuer.

Volldigital

Heutige Verfahren basieren auf reiner Digitaltechnik zwischen dem Sendestudio und dem Wohnzimmer. Bei rein digitalen Filmen wie zum Beispiel »Toy Story« wird das Signal erst im Wohnzimmer des Zuschauers zum ersten Mal in ein analoges Signal gewandelt.

Ende der 80er Jahre sind die ersten größeren Anstrengungen für eine vollständig digitale Übertragung unternommen worden. Aufbauend auf den Erfahrungen der Joint Photographic Experts Group (JPEG: Standbildkompression) wurde die Moving Picture Experts Group (MPEG: Bewegtbild + Audio) gegründet. Ziel war die Schaffung von weltweiten Standards, die bei niedrigen Datenraten und bezahlbarer Elektronik eine gute Bildqualität erlauben. Die in den frühen 80er Jahren angedachten Verfahren (ADPCM) sind dafür vollständig ungeeignet, da sie kaum Redundanzen des Bildes ausnutzen. Folgende Datenraten in Bit pro Pixel sind heutzutage üblich:

  • RGB 24: 24 bit
  • YUV 420: 12 bit
  • ADPCM: 5…6 bit
  • M-JPEG: 2,4…3 bit (DV: 2,4 bit)
  • MPEG-1: 0,4…0,8 bit (Video CD: 0,47 bit)
  • MPEG-2: 0,3…0,6 bit (DVD: 0,4…0,8 bit)
  • MPEG-4 (H.263): 0,2…0,4 bit
  • MPEG-4 (H.264): 0,1…0,15 bit

Der angegebene Bereich ist etwa das, was für befriedigende bis gute Wiedergabe notwendig ist. Moderne Lösungen sind mindestens eine Größenordnung von ADPCM entfernt. Auf Grund dieser hohen Effizienz entsteht die Situation, dass in einem Frequenzbereich, wo früher ein analoger Kanal übertragen wurde, bei Satellit oder Kabel sechs, bzw. tererstrisch drei bis vier digitale Programme übertragen werden können, und das in deutlich besserer Qualität. Durch die flexible Bitratenzuteilung ist es auch möglich mehr Kanäle zu übertragen, allerdings auf Kosten der Bildqualität.

HDTV heute

 

Japan

In Japan fanden Voruntersuchungen zu HDTV seit 1964 statt. Seit 1989 werden Programme im MUSE-Format über Satellit ausgestrahlt. Die Ausstrahlung ist inkompatibel zum normalen Fernsehen, die Sendungen müssen daher zweimal ausgestrahlt werden, einmal im SDTV-Format mit 480 Zeilen, einmal als HDTV mit 960 Zeilen.

MUSE überträgt Bilder analog, es ist allerdings eine digitale Nachbearbeitung notwendig. Bilder werden vertikal wie horizontal 2:1 unterabgetastet, das Abtastraster wird aber von Bild zu Bild verändert. Stationäre Bildelemente können daher wieder mit voller Auflösung rekonstruiert werden (1600x960), bewegte Elemente nur mit halber Auflösung (800x480).

USA

In den USA fingen die Voruntersuchungen im Jahre 1977 an.

In den 1990er Jahren wurde ein entscheidender Schritt für die Einführung von HDTV vollzogen: Per Gesetz wurden alle landesweiten Sender (ABC, CBS, NBC, Fox) verpflichtet, zukünftig mindestens 80 Prozent ihrer Sendungen in HD-Norm abzustrahlen. Hintergrund für dieses Gesetz war wohl die begründete Befürchtung, dass es ohne klare Rahmenbedingungen kaum Käufer für HDTV-Receiver und produzierende Sender geben würde.

Durch die Zwangseinführung laufen seit der TV-Saison 2004/05 mindestens 90 % aller Sendungen parallel in HDTV. HDTV hat sich so beim Verbraucher durchgesetzt, obwohl bisher noch weniger HDTV- als SDTV-Geräte verkauft werden. Die verwendete Norm ist ATSC, meist in 1080i60 bzw. bei Kinofilmen 1080p24, seltener auch 720p30. Der Mehrkanalton liegt im Dolby-AC3-Format vor.

In den USA wird HDTV oft fälschlicherweise mit 16:9 und digitalem [terrestrischen] Fernsehen (DTV, DTTV) gleichgesetzt. Daneben wurden auch die Akronyme PDTV (Pure Digital Television) und EDTV (Enhanced Definition Television oder ~ Digital ~) geprägt, wobei letzteres meist für 480p30 steht.

Europa

Sender

HDTV wird in Europa bislang nur spärlich eingesetzt. Als erster und bislang einziger europäischer Sender ging am 1. Januar 2004 Euro1080 (später umbenannt in HD1) offiziell auf Sendung, der tagsüber 200 Stunden Material in einer Schleife wiederholt, abends bei verschlüsselter Ausstrahlung aber auch neue Beiträge von amerikanischen Partnersendern übernimmt.

Der Eurovision Song Contest 2003 wurde bereits in HDTV aufgezeichnet, konnte aber live nirgends darin empfangen werden. Im Folgejahr wurde vom türkischen Veranstalter nur in Standard-PAL übertragen.

Viele Privatsender haben ihr Interesse an HDTV gezeigt. Der Sender ProSieben zeigte bereits am 14. Oktober 2004 den dokumentarischen Film „Pride - Das Gesetz der Savanne“ und Sat.1 am 29. und 30. November „Die Nibelungen“ in HDTV-Qualität. ProSieben plant ab März die Ausstrahlung von weiteren Filmen (unter anderem Spiderman und Men in Black) in HDTV-Qualität parallel zur normalen Ausstrahlung.

Geräte

Obwohl es in Australien bereits länger 25/50-Hz-HDTV im Regelbetrieb gibt, existieren in Europa nur wenige HDTV-fähige Endgeräte; dies sind bisher hauptsächlich moderne Computer mit DVB-Empfangskarte und leistungsfähiger Decodiersoftware, einige spezielle HD-DVB-Receiver sowie eine Hand voll Fernsehgeräte bzw. Multisync-Monitore und TV-Projektoren, die an diese HD-DVB-Receiver angeschlossen werden können. Dies führt dazu, dass es außer einigen informierten Neugierigen kaum Kunden von HDTV-Technik gibt. Die in Europa verfügbaren HDTV-Empfänger sind großteils technisch nicht ausgereift: keine EPG oder für Bezahlfernsehen nötige CI-Schächte.

Alle derzeit angebotenen DVB-HDTV-Geräte arbeiten nach dem MPEG-2-Standard. Es bestehen Planungen zum Umstieg auf MPEG-4 (AVC/H.264), was mehr Programme je Transponder ermöglicht, aber auch neue Geräte erfordern wird.

Mit 18 Mbit/s ist die Datenrate von HD1 für 1080i50 im MPEG-2-Verfahren relativ niedrig (0,35 bit/px, enstpricht ca. 3,6 Mbit/s für 576i50). Schon bei normalen Spielfilmen sind Artefakte bei dieser Datenrate zu erkennen. 18 Mbit/s im HDTV-Verfahren entsprechen etwa 3,75 Mbit/s bei 1,85:1-DVD-Filmen beziehungsweise 3 Mbit/s bei 2,35:1-DVD-Filmen, wobei die Filme auf DVD den Vorteil einer dynamisch anpassbaren Bitrate haben. Normalerweise wird für 1080i 27 Mbit/s empfohlen (0,52 bit/px, → ca. 5,4 Mbit/s SDTV), bei geringeren Qualitätsanforderungen 22 Mbit/s (0,42 bit/px, → 4,4 Mbit/s).

Weiterhin halten einige die 50 bzw. 25 Hz für eine Darstellung des deutlich größeren dargestellten Bildes ((1920 × 1080) / (768 × 576) = 4,6875 bzw. (1280 × 720) / (768 × 576) = 2,08¯3) zu wenig, und 100-Hz-HDTV-Fernseher werden noch nicht angeboten. Auch die Nutzung von 60 Hz und die Übertragung von Kinofilmen mit p24 kam in Erwägung. Vor- und Nachteile von 50 und 60 Hz:

50 Hz:

  • kompatibel zu CCIR-PAL,
  • etwas geringere Datenrate,
  • Kinofilme ohne Telecine darstellbar (ruckelärmere Bewegungen),
  • Kinofilme nur mit Speedup darstellbar (laufen 4% schneller als im Kino).

60 Hz:

  • kompatibel zu FCC/IAC-NTSC und dessen Nachfolger ATSC,
  • Kinofilme ohne Speedup darstellbar (richtiges Tempo),
  • Kinofilme nur mit Telecine darstellbar (ruckeligere Bewegungen),
  • akzeptables Flimmern ohne Bildfrequenzverdopplung (die in den ersten Jahren außer in Highend-Produkten nicht zu finden sein wird).

HD ready

Einen ersten Versuch, einen HDTV-Standard durchzusetzen machte die EICTA im Januar 2005 mit dem neu geschaffenen Label HD ready.

Verzögerungen

Wegen Uneinigkeit um Kopierschutz und der Frage nach der "richtigen" Balance zwischen Werkeproduzenten, Rechteverwertern und Konsumenten wird die Einführung von HDTV in dem "wirklichen" HDTV-Format 1920*1080 Pixel weiter verzögert. So ist zu erwarten, dass Darstellungsgeräte (wie z.B. Video-Projektoren oder Fernseher) mit einer Auflösung von 1920*1080 Pixeln zwar existieren, diese jedoch kein HDTV-Signal erhalten können, weil bei jeder Art von Schnittstelle die Befürchtung seitens der Rechteverwerter eintritt, dass diese zum Herstellen von Kopien genutzt werden könnten, die seitens der Rechteverwerter unerwünscht sind.

Derzeit zeichnet sich zwar eine Einigung hin zum HDMI-Stecker und zu HDCP ab, jedoch sind z.B. HiFi-Anlagen in aller Regel von der Nutzung dieses Signals ausgeschlossen, sodass ein HDTV-Signal vielleicht gute Bildqualität liefern könnte, aber die Tonqualität zu wünschen lassen würde.

Wegen dieser Unausgegorenheiten zögern Hersteller (noch), HDMI und HDCP zu unterstützen, selbst wenn alle restlichen Komponenten HDTV-fähig sind. Auf diese Weise wird die Durchsetzung von HDTV insgesamt behindert.

Speichermedien

Speziell für den Einsatz von HDTV-Filmen.

Profi

Heimgebrauch

Zukunftsperspektiven

In Frankreich laufen Planungen bei TF1, einen HDTV-Kanal zu starten - erste Testsendungen unter dem Signet HD-Forum waren bereits auf Hotbird (13 Grad Ost) in MPEG2-HD zu empfangen. Wer einen HDTV-geeigneten DVB-Sat-Receiver hat, kann sehr eindrucksvolle Demo-Filme vom HD-Forum in MPEG2 sehen; Frequenz 11013 MHz horizontal, SR 27500, FEC 3/4, V-PID 272, A-PID 1297, PCR 272.

Für die Fußballweltmeisterschaft 2006 in Deutschland wurde der technische Dienstleister T-Systems verpflichtet, seine Übertragungswege aus den Stadien zum IBC (Sendezentrum) in München auf HDTV umzurüsten. Es ist aber noch nicht bekannt, in welchen Staaten die lizenzinnehabenden Sender dieses Signal auch an die Endnutzer ausstrahlen werden. Der Sport-Broadcaster TopVision hat für 2005 bei Sony den ersten deutschen HDTV-Übertragungswagen bestellt. Der Pay-TV-Veranstalter "Premiere" hat die Rechte an der HDTV-Ausstrahlung der Fußball-WM 2006 in Europa erworben.

Zur optimalen Ausnutzung von HDTV müssen Geräte mit einer Auflösung von mindestens 1920 × 1080 Pixeln angeboten werden – gute Plasmabildschirme stellen heute 1366 × 768 Pixel (16:9) dar, als HDTV-fähig beworbene LCD-TV mit WXGA 1280 × 768 (15:9) gibt es ebenfalls im Handel. Da sie stets Vollbilder anzeigen, wäre für diese Geräteklassen sowie für Videoprojektoren ein progressives Format wie 720p, an dem sich die obigen Auflösungen orientieren, sinnvoller, da dabei der rechenintensive und potentiell bildqualitätsverschlechternde Schritt des Deinterlacings entfällt.

Für das digitale Kino wurde u.a. UHDV vorgeschlagen, was in Japan bei NHK als Prototyp vorgeführt wurde. UHDV ist komplett digital und stellt das Bild mit einer Auflösung von 7680 × 4320 Pixeln dar; bisher werden lediglich maximal 4096 × 2160, eher 2048 × 1080 oder 1536 verwendet. Ein weiterer Prototyp ist Stereo-3D-TV in HD-Auflösung, was bei Sony-Japan im Werk besichtigt werden kann.

Testdateien

WMV9:

MPEG2-TS:

XviD:

RealMedia:

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