High Definition Television

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 (5:3 und 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.

Siehe auch: Digital Video Broadcasting (DVB).

Geschichte

Anfänge

Das erste Mal fiel das Wort "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 von 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 drei MHz bis zehn MHz. In Frankreich wurden die Bildfrequenzen den örtlichen Frequenzen des Stromnetzes angepasst. Zwar gibt es weltweit zwei verschiedene Frequenzen bei öffentlichen Stromnetzen (50 Hz und 60 Hz), aber so konnte Geflacker bei Kunstlicht vermieden werden. Ohne Farbe, Stereo oder gar Mehrkanalton gab es so damals zwölf verschiedene Schwarzweißnormen.

Von diesen zwölf Normen 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

Ende der 80er bis Mitte der 90er

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.

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. Lediglich die Farbauflösung wird bei PALplus anders als bei anamorphen DVDs im Vergleich zu Standard-PAL nicht erhöht. PALplus hat sich nicht durchgesetzt, da nur einige öffentlich-rechtliche Sender und Pro7 PALplus ausstrahlten, zudem waren die ersten PALplus-Geräte viel zu teuer.

Heutige Verfahren basieren auf reiner Digitaltechnik zwischen dem Sendestudio und dem Wohnzimmer. Bei rein digitalen Filmen wie "Toy Story" und "Das große Krabbeln" 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, sechs digitale Kanäle 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.

Probleme bei der Einführung in Europa

Seit dem 1. Januar 2004 ist der erste europäische HDTV-Sender namens Euro1080 in Betrieb.

HDTV wird in Europa bislang nur spärlich genutzt. Es gibt nur wenige HDTV-fähige Endgeräte; dies sind Computer, ein spezieller HD-DVB-Receiver sowie eine Hand voll Fernsehgeräte, die an diesen HD-DVB-Receiver angeschlossen werden können. Neben Euro1080 gibt es keinen weiteren HDTV-Sender. Dies führt dazu, dass es außer einigen wenigen Neugierigen keine Kunden von HDTV-Technologie gibt.

Mit 18 Mbps ist die Datenrate für 1080i50 im MPEG-2-Verfahren deutlich zu niedrig. Schon bei normalen Spielfilmen sind Artefakte bei dieser Datenrate zu erkennen, bei Bühnenshows mit typischen Problemfällen ist die Bildqualität regelrecht mies. 18 Mbps im HDTV-Verfahren entsprechen etwa 3,75 Mbps bei 1,85:1-DVD-Filmen beziehungsweise 3 Mbps bei 2,35:1-DVD-Filmen, wobei die Filme auf DVD den Vorteil einer dynamisch anpassbaren Bitrate haben, die bei Sendungen nicht möglich ist. Wenn man die Sendungen auf einem 82cm-Fernsehgerät wiedergibt, sind diese Fehler bei normalem Abstand zwar nicht so auffällig wie bei einer 3&nbsp&;1/2-Stunden-Film-Raubkopie auf einer DVD-R, wenn allerdings richtige HDTV-Beamer zum Einsatz kommen, dann sind diese deutlich sichtbar bis ziemlich störend. Normalerweise wird für 1080i 27 Mbps empfohlen, bei geringeren Qualitätsanforderungen 22 Mbps. Euro1080 sendet dennoch nur mit 18 Mbps.

Weiterhin sind die 50 Hz für eine Darstellung des deutlich größeren Bildes zu wenig, und 100 Hz-HDTV-Fernseher werden noch nicht angeboten. Auch die Nutzung von 60 Hz kam in Erwägung. Vor- und Nachteile von 50 und 60 Hz:

50 Hz

kompatibel zu CCIR (im Volksmund PAL)
etwas geringere Datenrate
Kinofilme ohne Telecine darstellbar (ruckelärmere Bewegungen)
Kinofilme nur mit Speedup darstellbar (laufen etwas zu schnell)

60 Hz

kompatibel zu FCC/IAC (im Volksmund NTSC)
kompatibel zu 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)

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.

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 Sender 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 am. In den 1990er Jahren wurde ein entscheidender Schritt für die Einführung von HDTV vollzogen. Per Gesetz wurden alle nationalen Sender verpflichtet 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 heute 90 % aller Sendungen in HDTV - die kommende Fußball-Weltmeisterschaft 2006 wird komplett in HDTV übertragen. HDTV hat sich so beim Verbraucher durchgesetzt.

Europa

In der EU wurde die HDTV-Einführung gesetzlich nicht reglementiert, sodass Gerätehersteller und TV-Sender keinen ausreichenden Markt für HDTV sehen. Als erster europäischer Sender ging am 1. Januar 2004 Euro1080 auf Sendung, der 200 Stunden Material in einer Schleife wiederholt. In Frankreich laufen Planungen einen HDTV-Sender namens TF-1 zu starten. Die etablierten TV-Sender in Deutschland planen nicht HDTV zu nutzen.

Die in Europa verfügbaren HDTV-Geräte sind großteils technisch nicht ausgereift: kein EPG oder CI-Schächte, die bei Pay-TV nützlich sind.

Alle derzeit angebotenen HDTV-Geräte arbeiten nach dem MPEG-2-Standard, wie auch DVB-T- und DVB-S-Receiver. Es bestehen Planungen zum Umstieg auf MPEG-4, was neue Geräte erfordern würde.

Zukunftsperspektiven

Zur optimalen Ausnutzung von HDTV müssen Geräte mit einer Auflösung von 1920x1080 Pixeln angeboten werden - gute Plasmabildschirme stellen heute 1365x768 Pixel dar, LCD-TV mit WXGA 1280x768 gibt es ebenfalls im Handel. Um eine gute Bildqualität zu erreichen, muss die Datenrate ausreichend sein, das heißt mehr als 20 MBit/s bei MPEG-2. Für das Kino käme UHDV in Frage, was in Japan als Prototyp vorgeführt wurde. UHDV ist komplett digital und stellt das Bild mit einer Auflösung von 4096x2304 Pixeln dar. Ein weiterer Prototyp ist Stereo-3D-TV in HD-Auflösung, was bei Sony-Japan im Werk besichtigt werden kann.

Weblinks