Pixel-Shifting: Das gefälschte 4K

Beamer mit echter Ultra-HD-Auflösung, also viermal so hoch wie Full-HD, sind selten. Und dort, wo UHD draufsteht, ist meist gar kein UHD drin. Jedenfalls kein Echtes, und das ist vom technologischen Aspekt her total nachvollziehbar. Du fragst dich, wieso?

Vor Kurzem habe ich zwei Beamer aufgeschraubt, um zu sehen, wie sie funktionieren. Fotograf Thomas Kunz hat dazu Fotos geschossen. Dabei ist mir bewusst geworden: Auch wenn das projizierte Bild noch so gross sein mag – dort, wo es entsteht, herrscht Mikromanagement pur. Echtes UHD, also eine Auflösung von 3840 × 2160 Pixeln, ist ein scheinbares Ding der Unmöglichkeit.

Kurz gesagt: Der Panel oder der Chip, auf dem das Full-HD-Bild mit seinen über zwei Millionen Pixeln entsteht, ist bei einem Beamer etwa so gross wie ein Zwanzigräppler. Auf dieser Grösse müssen Hersteller ein UHD-Bild mit acht Millionen Pixeln erzeugen.

Das bedeutet:

• viermal so viele Pixel wie Full-HD – also rund acht Millionen Pixel
• auf derselben, etwa 1 × 1 cm grossen Fläche

Wie die Hersteller diese schier unmögliche Aufgabe bewältigen, will ich dir in diesem Artikel erklären.

Full-HD: So entsteht das Bild

Im Vergleich zu einem Fernseher ist die Fläche zur Bildproduktion winzig. Auf einer 65 Zoll grossen Glotze etwa stehen 145 × 83 Zentimeter für die zwei (Full-HD) respektive acht (Ultra-HD) Millionen Pixel zur Verfügung.

Gezeichnet sieht die Verhältnismässigkeit ungefähr so aus:

Weil bei Beamern die Pixel in einem Schachbrettmuster auf dem Chip verteilt sind, wird oft einfach vom «Pixelraster» gesprochen. Die Pixel erzeugen das Bild, das du später auf der Leinwand siehst. Beim Full-HD-Bild geht das so:

1. Auf dem Pixelraster entsteht das Bild
2. Damit es auf die Wand projiziert werden kann, geht Licht durchs Pixelraster
3. Vom Pixelraster geht’s weiter durch die Projektionslinse
4. Und von der Linse geht’s weiter auf die Leinwand

Um dir das Konzept der obigen Grafik anhand echter Bilder zu zeigen, habe ich eine Szene aus «Passengers» pausiert. Beim Full-HD-Bild habe ich die Blu-ray gestoppt, bei den später folgenden UHD-Aufnahmen habe ich jeweils die UHD-Blu-ray gestoppt.

Und so sieht das obere Bild stark gezoomt aus:

Doppelte Auflösung mit e-Shift-Technologie

Karten auf den Tisch. Stand heute ist bei Beamern echtes – also natives – Ultra-HD mit der entsprechender Auflösung von 3840 × 2160 Pixeln nicht möglich. Jedenfalls dann nicht, wenn das Gerät halbwegs bezahlbar sein soll. Bezahlbar sind dafür die von den Herstellern entwickelten Workarounds. Eines davon ist JVCs e-Shift-Technologie. Sie erreicht zwar keine Vervierfachung der Auflösung, aber sie verdoppelt diese. Immerhin.

Und so funktioniert e-Shift:

1. Zwischen Pixelraster und Linse wird ein spezielles Glas geschoben
2. Es verschiebt jedes Pixel diagonal um ein halbes Zoll; ein zweites Pixelraster entsteht
3. Das Glas vibriert 120 mal pro Sekunde (120 Hz), so, dass die beiden Raster in zu einem einzigen verschmelzen

Weil dein träges Auge bei einer Vibrations-Taktrate von 120-mal pro Sekunde die beiden Pixelraster nicht auseinander halten kann, verschmelzen sie zu einer gemeinsamen Fläche. Das kommt einer Verdoppelung der Auflösung gleich.

Hier das gestoppte Bild:

Und hier das obere Bild stark gezoomt, verlangsamt und abgefilmt:

Einen Unterschied gibt es aber zwischen «DLP» und «LCD». Beim Chip, das beim DLP-Beamer zum Einsatz kommt, hat es zwischen den einzelnen Pixeln weniger Platz als beim LCD-Beamer. Das heisst, dass es beim Chip eine leichte Überlagerung zwischen den beiden Pixelrastern gibt. Eine echte, native Verdoppelung der Auflösung siehst du daher nur bei LCD-Beamern.

Ultra-HD dank DLP-e-Shift-Technologie?

Texas Instruments hat seine eigene DLP-e-Shift-Technologie entwickelt. Wie bei JVC kommt auch ein vibrierendes Glas zum Einsatz, das die Anzahl sichtbarer Pixelraster erhöht.

Shift mit 2K-Chip

Der Trick passiert hier beim Chip. Dieser produziert das Bild in doppelter Full-HD-Auflösung, bevor es auf die Leinwand projiziert wird. Also ein technischer Fortschritt am Chip selbst, verglichen mit JVCs Technologie. Dank dem vibrierenden e-Shift-Glas wird die Auflösung – wie schon bei JVC – verdoppelt.

Hier das gestoppte Bild ab UHD-Blu-ray:

Und so sieht das Bild stark gezoomt aus:

Zwei Pixelraster entstehen. Beide haben doppelt so viele Pixel wie das Full-HD-Pixelraster von JVC. Weil dein Auge die beiden Raster nicht auseinander halten kann, verschmelzen sie zu einem einzigen Ultra-HD-Raster.

Vierfacher Shift mit Full-HD-Chip

Die andere Möglichkeit, die vierfache Pixelmasse von Full-HD zu generieren, ist, das Bild einfach viermal zu shiften.

1. Das Pixelraster bewegt sich zuerst nach rechts
2. dann diagonal nach unten
3. dann nochmals nach rechts
4. und zum Schluss wieder diagonal nach oben in seine ursprüngliche Position

So sieht das gestoppte Bild ab UHD-Blu-ray aus:

Und so sieht das Bild stark gezoomt aus:

Vier Pixelraster entstehen – also viermal so viele Pixel wie vorher – die für dich aussehen, wie ein einziges UHD-Pixelraster.

Ultra-HD-Label trotz unechtem Ultra-HD?

Echtes Ultra-HD – oder natives Ultra-HD, wie es in der Fachsprache heisst – bieten die Shift-Technologien nicht. Das habe ich weiter oben bereits erwähnt.

«Nein, nein Luca, du irrst dich. Auf dem Datenblatt steht klipp und klar "4K" drauf», höre ich dich sagen.

Historisch gesehen ist «4K» ein Begriff aus der Kinobranche. Umgangssprachlich wird er auch fürs Heimkino verwendet, weil marketingtauglich. Der Begriff selbst ist aber nicht durch Kriterien und Mindestanforderungen geschützt, denn er beschreibt nur, wie viele Pixel sich auf der horizontalen Achse befinden: 4096 × 2160 Pixel anstatt der UHD-Auflösung von 3840 × 2160. Hersteller könnten also ohne weiteres ihre Produkte mit 4K-Labeln versehen, ohne ernstzunehmende rechtliche Konsequenzen zu fürchten.

Ultra-HD hingegen ist bloss dahingehend geschützt, dass eine Mindestanzahl von insgesamt acht Millionen Pixeln vorausgesetzt wird. Rein numerisch, wie oben beschrieben, kriegen das die Beamer mit Shift-Technik hin. Der Unterschied zu echtem Ultra-HD ist, dass sich die Pixel im Pixelraster nicht auf einer Reihe befinden; sie sind im Zick-Zack-Muster angeordnet, meist mit leichten Überlagerungen.

Das geshiftete Bild besitzt nicht viermal so viele Informationen wie ein Full-HD-Bild – die Informationen werden nur kopiert, verschoben und nebeneinander gelegt.

Dennoch: Technologisch gesehen sind Shift-Technologien beeindruckend. Wo Fernsehern eine Fläche der Grösse von etwa 71 Zwänzgerli zum Erstellen eines UHD-Bildes zur Verfügung stehen, muss beim Beamer ein einziges herhalten. Das soll mal einer nachmachen.