3D-TV - So funkioniert es

Text von Carsten Rampacher und Detlev Schnick, HIFI-REGLER, update: 22.02.2014

Seit 2010 ist das Thema dreidimensionale Wiedergabe von Bewegtbildern beliebtes und viel diskutiertes Thema bei TV-Geräten, Blu-ray-Playern und Übertragungswegen. Mittlerweile allerdings ist 3D wegen der neuen Thematik UHD-Fernseher (siehe unser Special Ultra HD Fernseher) etwas ins Hintertreffen geraden – aber nach wie vor ist, wenn man das entsprechende Wissen besitzt, die dreidimensionale Bildwiedergabe hochinteressantes Thema. Wir werden Ihnen in diesem Special viel Wissenswertes über 3D-Technologie und deren Anwendung vermitteln. Viel Spaß beim Lesen!
 

So sehen die Augen des Menschen in 3D

Die visuelle Wahrnehmung ist einer der wichtigsten Sinne des Menschen. Dabei ist das Sehen von vorneherein auf Dreidimensionalität ausgelegt, was ansonsten in der Natur eher die Ausnahme ist. Als eines der wenigen "Säugetiere" ist der Mensch quasi „3D ready“.

Das 3D-Sehvermögen basiert auf einem Effekt, der binokulare Stereopsis genannt wird. Dieser Effekt wird bei der Aufnahme von 3D-Filmen genutzt.  Stereopsis basiert auf der Tatsache, dass wir zwei parallele Augen haben.  Somit sorgt die Anordnung des menschlichen Auges sorgt für die Möglichkeit, dreidimensional sehen zu können.

Jedes Haus, jedes Auto, jede andere Person, eine ganze Landschaft wird pro Auge „einzeln“ wahrgenommen, weil sich eben die beiden Augen nicht an der identischen Stelle befinden. Die beiden wahrgenommenen unterschiedlichen Bilder (linkes Auge/rechtes Auge) werden vom Gehirn analysiert und verarbeitet. So entsteht ein dreidimensionales Bild.

Je größer die Differenz der beiden Bilder, desto näher ist das Objekt. Somit werden Dinge, die in unmittelbarer Nähe vor uns liegen, plastischer und räumlicher wahrgenommen als Objekte in der Ferne.
 

Verschiedene 3D-Technologien

In beinahe allen Fällen funktionieren 3D-System bei Fernsehern nach einem einheitlichen Grundprinzip: Der Zuschauer hat eine Brille auf, und der Fernseher, Plasma-Display oder LC-Display, ermöglicht in Zusammenarbeit mit der Brille die Wiedergabe dreidimensionaler Bilder.

3D ohne Brille?

Es gab Versuche, eine 3D-Wiedergabe ohne Brille zu realisieren, und es gab sogar ein Serienmodell von Toshiba, welches „Glasses free 3D“ offerierte. Aufgrund der Tatsache, dass es extrem schwierig ist, genügend Punkte im Raum anzubieten, von denen aus eine exzellente 3D-Wiedergabe möglich ist, konnte aber nie die Qualität erzielt werden, die für eine weitergehende Verbreitung dieser Technik notwendig gewesen würde. Überdies war die Technik auch sehr kostspielig. Ganz aus den Köpfen der Entwickler verbannt ist der Wunsch nach 3D ohne Brille aber nicht – auf der CES 2014 zeigte Samsung erneut einen TV-Prototypen mit dieser Technologie.

Vom Wunschdenken zurück in die Realität - Generell ist es so: Damit ein dreidimensionaler Bildeindruck im Gehirn entsteht, muss ein getrenntes Bild für das rechte und für das linke Auge des Betrachters produziert werden. Es gibt zwei miteinander konkurrierende und verbreitete 3D-Wiedergabetechniken für den Consumer-Markt:

1. FullHD-3D mit aktiver Shutterbrille. In aller Kürze funktioniert dies folgendermaßen: Gleichzeitig kann ein FullHD-Fernseher kein FullHD-Bild für das rechte und das linke Auge produzieren. Da aber FullHD-Bildqualität gewünscht wird, greift man zu einem Trick: Es werden mit minimalem Zeitversatz zwei FullHD-Bilder produziert. Die aktive Shutterbrille – daher aktiv – schaltet die Flüssigkristalle blitzschnell zwischen lichtdurchlässig und lichtundurchlässig um.

Wegen der schnellen Bildfolge ist dies ohne enorme „Nebenwirkungen“ möglich. So können zwei separate FullHD 3D-Bilder mit geringem zeitlichem Versatz erzeugt werden. Brille und TV-Gerät sind miteinander synchronisiert, die Sendetechnik kann nach Funk- oder Infrarotverfahren ablaufen. In der Praxis aber gibt es doch Schwierigkeiten: Gerade dann, wenn der 3D-Fernseher in einem hellen Raum mit weißen Wänden steht und man mit externem Lichteinfall 3D-Inhalte betrachtet, kann es zu unschönem Flimmern rund um den TV-Bildschirm kommen. Überdies erzeugen Fernseher, die mit aktiven Shutterbrillen arbeiten, deutlicheres Ghosting (Crosstalk) als ihre passiven „Kollegen“. Unter Ghosting versteht man unschöne Doppelkonturen, die besonders gern in weiter hinten gelegenen Bildebenen auftauchen.
 

2.3D mit passiver Polfilterbrille: Hier sind die Brillen weitaus preiswerter, da passiv es kommen einfach zwei Polarisationsfilter zum Einsatz, diese sind beim einzelnen Auge um 90 Grad gedreht, nur das Licht, welches jeweils passend polarisiert, kommt durch. Dadurch ist sichergestellt, dass, wie es für die 3D-Wahrnehmung erforderlich ist, jedes Auge ein eigenes Bild serviert bekommt.

Da bei der passiven Polfiltertechnik das Bild für rechtes und linkes Auge zeitgleich erzeugt wird, ist es nicht möglich, bei einem FullHD-Panel ein FullHD 3D-Bild zu realisieren. Vielmehr halbiert sich die Auflösung, jedes Auge bekommt also ein Bild mit der Hälfte der FullHD-Auflösung (bezüglich der horizontalen Auflösung, für jedes Auge bleiben 540 Linien übrig) zur Verfügung gestellt. Das heißt: Gerade aus näherer Distanz sieht man einzelne Pixel und sieht sich mit einer geringeren Detailtreue konfrontiert. Vorteile des passiven Systems: Jede passive Brille kann für den 3D-Genuss verwendet werden, auch die billige „Mitnahmebrille“ aus dem Kino. Bei aktiven Shutterbrillen funktionieren oft noch nicht einmal 2 Jahre alte aktive Brillen desselben Herstellers am aktuellen TV-Gerät. Auch ein nicht zu unterschätzender Pluspunkt – Crosstalk oder Flimmerneigung ist bei Fernsehern mit passiver 3D-Technologie deutlich geringer ausgeprägt, das Bild ist zwar nicht so scharf, dafür aber harmonischer. Wir gehen nun ausführlicher auf die Vor- und Nachteile der einzelnen Techniken ein – im nächsten Abschnitt.

Stand heute ist noch nicht ausgemacht, welche der beiden Techniken sich mittelfristig durchsetzen wird: 3D mit aktive Shutter-Briller oder 3D mit passiver Polfilterbrille. Sicher ist nur, der Trend zur großen Bildschirmdiagonale setzt sich eher noch fort. 50 Zoll Bildschirmdiagonale ist heute bereits Standard und mit Ultra HD wird schon in absehbarer Zeit eher 60 oder 65 Zoll zur meistverkauften Bildschirmgröße werden. Es ist zu befürchten, dass sich sich bei vergleicharen Technolgien nicht die bessere durchseetzt, sondern diejenige mit den günstigeren Ferigungskosten. Und dies insbesondere im Hinblick auf große Bildschirmdiagonalen.

Vor- und Nachteile der jeweiligen 3D-Techniken

3D in FullHD ist – wenn man nicht über ein 4k-Panel verfügt – nur mit aktiver Shutterbrille möglich. Großer Vorteil in Verbindung mit den aktuell gängigen FullHD-Displays der aktiven Shutterbrille ist, dass eine FullHD-Auflösung auch im 3D-Betrieb geboten wird. Bildschärfe, Kontrast im Detail und die Darstellung kleiner Feinheiten im hochfrequenten Bildbereich gelingt so ungleich besser.

In den ersten beiden Generationen musste man bei Systemen, die auf Basis aktiver Shutterbrillen arbeiteten, noch mit deutlichem Crosstalk bzw. Ghosting (Bildung von Doppel- „Geister“ Konturen im Bild, vornehmlich in hinteren Bildebenen) rechnen. Aufgrund verbesserter Technologie ist dies bei aktuellen TV-Geräten kaum noch der Fall. Der erfahrene Anwender aber erkennt die Neigung zu Doppelkonturen nach wie vor, wenn auch abgeschwächt.

Die anfänglich immensen Farbverfälschungen und Helligkeitsverluste sind bei Shutterbrillen-basierten Systemen auf ein sehr geringes Maß reduziert worden. Als nach wie vor problematisch kristallisiert sich noch das Flimmern, das in hellen Räumen bei hellen Wänden rund um den Fernseher auftaucht, heraus. Dies hat seine Ursache im Arbeitsprinzip der Shutterbrillen. Wer meist im Dunkeln 3D-Inhale betrachtet, wird hier kaum Probleme haben.

Bei Samsung und Panasonic, zwei in der 3D-Entwicklung führenden TV-Marken, ist ein weiteres anfängliches Problem ebenfalls gelöst: Waren die ersten 3D-TV-Generationen, die mit aktiven Shutterbrillen arbeiteten, enorm empfindlich gegenüber Kopfbewegungen des Brillenträgers, sind die Systeme mittlerweile deutlich toleranter. Der 3D-Effekt reißt auch dann nicht sofort ab, wenn man den Kopf leicht bewegt oder die Sitzposition leicht verändert.

Nachteil der Shutterbrillen-Technologie ist aber nach wie vor, dass die Brillen teurer sind. Was Gewicht und den Tragekomfort angeht, sind aktive Shutterbrillen mittlerweile auf so gutem Level angekommen, dass man beide Faktoren nicht mehr als wirklichen Nachteil anführen kann. Dafür sind moderne Shutterbrillen so leicht, dass man sie kaum noch spürt.

Großer Vorteil des Polfilterbrillen-Systems sind die leichten, komfortablen und preiswerten Brillen. Auch gibt es keine Kompatibilitätsprobleme: Ist man bei aktiven Shutterbrillen an den Hersteller gebunden, kann man für das Betrachten von 3D-Inhalten auf Polfilter-Fernseher jede Polfilterbrille verwenden. Oft werden auch schon mehrere Polfilterbrillen ab Werk mitgeliefert, während bei Shutterbrillen-basierten Fernsehern entweder keine oder höchstens eine aktive Shutterbrille mitgeliefert wird (oder sich in seltenen Fällen maximal zwei aktive Shutterbrillen im Lieferumfang befinden). 

Weiterer Vorzug: Polfilterbrillen-3D ist recht unempfindlich gegenüber Kopfbewegungen, es tritt kaum Ghosting auf und das Bild flimmert nicht. Auch Farbverfälschungen oder Helligkeitsverlust gibt es praktisch nicht. Nachteile: Aufgrund der Tatsache, dass pro Auge kein FullHD-Bild erzeugt wird, gibt es vergleichsweise wenig Detailauflösung, eine im Vergleich zu Shutterbrillen-3D sichtbar niedrigere Gesamtbildschärfe und ein insgesamt pixeligeres Bild.

Neue Chancen für 3D im UHD- und OLED-Zeitalter?

Mittlerweile gibt es von jedem namhaften TV-Hersteller UHD-Fernseher mit einer nativen Panelauflösung von 3.840 x 2.160 Pixeln. Besonders Geräte mit passiver Polfilter-3D-Technologie haben nun einen Nachteil abgelegt: Bedingt durch die enorm hohe Auflösung des Panels können nun für linkes und rechts Auge simultan FullHD-Bilder erzeugt werden. Trotz dieses Vorzugs – zu dem die bekannten Pluspunkte wie geringe Ghosting-Neigung und das harmonische Bild addiert werden können -, gibt es zahlreiche Hersteller, die bei ihren UHD-Fernsehern auf aktive Shutterbrillen setzen. Bei der aktuellen Situation – es gibt praktisch kein UHD 3D-Material – mag das noch nicht so sinnvoll erscheinen, trotzdem erhoffen sich die Hersteller bei allem Material ein besonders scharfes sowie detailreiches Bild.

Generell ist die Plasma-Technik weiter auf dem Rückzug. Aufgrund der ultraschnellen Panel-Reaktionszeit bedauerlich, denn hinsichtlich der 3D-Qualitäten sind die Vorzüge von Plasma-Fernsehern groß. Bei Plasma-Technik kombiniert mit aktiven Shutterbrillen waren die Nachteile aktiver Brillen nur in sehr geringem Ausmaß zu sehen. Wegen der schlechten Energiebilanz (Energie-Effizienzklasse C) und den immer besser werdenden LCDs mit LED-Hintergrundbeleuchtung nehmen Plasmas nur noch eine Randposition ein. Alle UHD-Fernseher, die (Stand Februar 2014) auf dem Markt sind, arbeiten mit der LCD-Technik. Neu hinzukommen werden mehr und mehr Fernseher mit OLED-Technik (Organic Light Emitting Diode). Siehe unser Special OLED-Fernseher ... Niedriger Stromverbrauch, bester Schwarzwert, geringer Energieverbrauch und flache Bauweise sprechen für OLED-Fernseher, die derzeit noch zu geringe Lebensdauer dagegen. Da OLED-Fernseher auch keine Hintergrundbeleuchtung benötigen, sondern OLEDs wie Plasmazellen selbst leuchten, ist das Panel extrem reaktionsschnell – ideale Bedingungen auch für 3D.

Bilanzierend also gibt es im UHD- und OLED-Zeitalter auch neue Chancen für 3D, denn endlich kann die 3D-Bilddarstellung so realisiert werden, wie sie eigentlich von Anfang an geplant war: Scharf, reaktionsschnell, mitreißend. Dass die aktuellen Top-Fernseher auch über noch viel mehr Rechenleistung verfügen, ist ebenfalls Garant für steigendes 3D-Vergnügen. Prozessoreinheiten mit vier oder mehr Kernen sind bei 2014er Spitzenmodellen an der Tagesordnung. Das lässt auch für 3D auf noch mehr Bildqualität hoffen.

3D und HDMI

Die HDMI Version 1.4.a kann sowohl Signale von 3D-Broadcasting als auch von 3D-Blu-rays verarbeiten. Wer also in seiner Kette volle 3D-Komaptibalität wünscht, sollte auf das Vorhandensein von HDMI 1.4a als Anschlussstandard und auf die Verwendung entsprechend kompatibler HDMI-Kabel achten. Am Besten, man schaut, dass man mit HDMI 2.0 (s.u.) gleich den aktuellen Standard an Board hat.

In der Spezifikation 1.4 umfasst den Support für die 3D-Bilddarstellungstechniken Full side-by-side, Half side-by-side, Frame alternative, Field alternative, Line alternative, Lef+Depth und Left+Depth+Gfx+Gfx Depth. Beim kurz darauf erschienenen Standard HDMI 1.4a umfasst auch Standards für 3D-Broadcasting.

Bei Blu-rays und PC-Games wird das sogenannte „Frame Packaging“ zur 3D-Übertragung verwendet. Hier werden die Frames der Blu-ray mit 1.920 x .2.205 Pixeln übertragen, darin enthalten sind zwei Bilder im FullHD-Format mit 1.920x1.080 Pixeln – daher „Frame Packaging“. Durch einen 45 Zeilen hohen freien Raum werden die beiden Bilder voneinander getrennt.

Geht es um die TV-Übertragung von 3D-Signalen, funktioniert es anders: „Side by Side“ stellt ein in zwei Hälften, fürs linke und rechte Auge gestrecktes Bild im Format 1.080i. „Top and Bottom“ ermöglicht eine Anordnung der Bilder übereinander. Dies zieht als Nachteil allerdings eine Halbierung der Bildauflösung nach sich.

Auf HDMI 1.4a folgt nun HDMI 2.0 als Standard fürs UHD-Zeitalter. Natürlich unterstützt auch HDMI 2.0 die Übertragung von 3D-Bildsignalen. In HDMI 2.0 ist aber nun auch, und das ist neu, die 4K-Übertragung in 50 und 60 Hz spezifiziert. Bei HDMI 1.4a war 4K nur in 24 und 30 Hz möglich.
 

Die Wandlung von 2D- in 3D Signale

Nicht nur viele TV-Geräte, auch verschiedene Blu-ray-Player sind in der Lage, 2D-Signale – also herkömmliche TV/DVD/Blu-ray-Bildsignale – mittels spezieller Algorithmen in ein 3D-Bildsignal umzuwandeln.  Auch, wenn man gerade bei den Fernsehern und BD-Playern von Samsung und Panasonic hier eine gute Leistung attestieren kann, ist vom häufigen Gebrauch dieses Features unserer Meinung nach eher abzuraten. Bei hervorragenden Blu-rays kann man noch einen gewissen Erfolg erzielen und es steigen Gesamt- und Detailplastizität an. Bei DVDs oder vielen TV-Übertragungen allerdings ist der Effekt kaum wahrnehmbar, dafür wirkt das Bild diffus, unscharf und bezüglich Farben und Helligkeitsverteilung nicht mehr voll zufrieden stellend.

Grenzen der 3D-Qualität

Aufgrund ihrer enorm schnellen Reaktionszeit und der gleichmäßigen Panelausleuchtung haben Plasma-Displays sehr gute Voraussetzungen für eine qualitativ hochwertige 3D-Wiedergabe. Auch der hervorragende Kontrast im Gesamten und im Detail und die augenschonende, nicht zu grelle Bildhelligkeit sind Vorzüge, die das Plasma zu einem angenehmen 3D-Partner machen. Leider nimmt die Bedeutung von Plasma-Fernsehern mehr und mehr ab. Hoffnung geben neue OLED-Fernseher, die sozusagen, die „modernen Plasma-Fernseher“ sind.

Bei LCD-Fernsehern, die heute sehr oft mit EDGE-LED Hintergrundbeleuchtung arbeiten (in den Rahmen-Ecken sitzen die LEDs fürs Backlight, per Leiterbahnen wird das Licht hinter das Panel befördert), ist die Ausleuchtung nicht so homogen wie beim Plasma. Vorteil der LCD-Fernseher ist im 3D-Betrieb, dass sie ein sehr helles Bild erzeugen können und somit etwaige Helligkeitsverluste, die z.B. durch die Brille entstehen können, ausgleichen. Nachteil ist dafür die Trägheit des LC-Displays, hier sind ultraschnelle Plasma-Panels im Vorteil.

Allerdings muss die bauartbedingte Trägheit des LC-Displays durch technische Finessen möglichst klein gehalten werden. Insgesamt sind mitterweile LC-Displays und Plasma-Panels mit so cleverer Technik ausgestattet, dass auf beiden Geräte-Gattungen eine hervorragende 3D-Bildwiedergabe gewährleistet ist.

Fazit

Insgesamt darf man mit Spannung in die Zukunft sehen – mit OLED und LCD+LED-Backlight werden zwei Technologien hart miteinander konkurrieren. Für 3D-Fans werden immer bessere Zeiten anbrechen – dank schärferer, realistischerer Bilder, die kaum noch durch unschöne Nebeneffekte auffallen. Purer 3D-Filmgenuss, das muss kein unerfüllbarer Traum bleiben.

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