1.1 Einführung

High Definition Television (HDTV steht für hochauflösendes Fernsehen) ist ein Sammelbegriff, der eine Reihe von Fernsehnormen bezeichnet, die sich gegenüber dem herkömmlichen Fernsehen SDTV (SDTV = Standard Definition TV) durch eine erhöhte vertikale, horizontale und/oder temporale Auflösung auszeichnen.

Die heute immer noch weltweit im Fernsehen gebräuchlichen Formate NTSC und PAL wurden in den Fünfziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts entwickelt. Kaum eine Technologie hat sich über einen solch langen Zeitraum behauptet. Wenn man einmal den rasanten Wandel der Audio-Technik von der Schallplatte, der Kompakt-Kassette, der Compact Disc, dem Digital Audio Tape (DAT) bis zu den aktuellen High End-Formaten DVD Audio und SACD betrachtet, so muss man feststellen, dass sich die Entwicklungen in der Videotechnik vergleichsweise gemächlich vollzogen. Dies liegt unter anderem daran, dass alle Weiterentwicklungen bislang immer den Anspruch haben mussten, auch auf jedem bisher gebräuchlichen Fernseher lauffähig zu sein. Zwar konnte man mit der PAL-Technologie den bewegten Bildern mit 576 Zeilen in Europa auch nachträglich Farbe verpassen und 1995 auch noch mit Hilfe des (sich am Massenmarkt nicht durchgesetzten) PALplus-Verfahrens sogar eine 16:9-Darstellung mit 576 Zeilen erreichen, doch damit fanden die Verbesserungen des analogen Fernsehens zunächst ein Ende.

Zu verschiedenen Zeiten verstand man aufgrund des aktuellen Standes der Technik andere Auflösungen als hochauflösend. Aktuell sind Vertikalauflösungen von 720 und 1080 Zeilen gebräuchlich. Die bisherigen Fernsehstandards PAL und SECAM bieten zum Vergleich 576 Zeilen, NTSC 480Zeilen, jeweils im Zeilensprungverfahren.

1.2 Ein wenig Geschichte

Im November 1936 wurde erstmals das schwarz-weisse 405-Zeilen-System von Marconi/EMI als hochauflösend bezeichnet, um es von den anderen damaligen Versuchen mit 240 Zeilen von John Logie Baird (ebenfalls Grossbritannien) und 180 Zeilen (Deutschland) abzugrenzen. Die Ausstrahlung erfolgte vom Südost-Turm des Alexandra Palace (Wood Green, London). Eine Tafel erinnert dort an dieses Ereignis.
Unabhängig von dem Problem der verschiedenen Normen (NTSC, PAL, SECAM) fanden die ersten Versuche zu HDTV Ende der 70er bis Anfang der 80er Jahre statt. Ohne die erst später verfügbaren, digitalen Video-Komprimierungstechniken wären für die Übertragung von HDTV-Programmen utopisch hohe HF-Bandbreiten notwenig gewesen. Wegen der hohen Kosten, die HDTV damals mit sich gebracht hätte, und der ungewissen technischen Entwicklung im Digitalbereich, wurde die Einführung auf unbestimmte Zeit verschoben.
Bereits am 27. April 1989 hatte die EU-Kommission eine grossspurige Entscheidung zur baldigen Einführung von HDTV getroffen. Damals flossen mehr als eine Milliarde Mark Fördermittel in ein Projekt mit dem Kürzel D2-Mac, das euphorisch als das „Fernsehen der Zukunft“ angekündigt wurde. HD-MAC sollte die zweite Stufe einer Verbesserung sein, deren erste Stufe das für Satellitenübertragung entwickelte D- bzw. D2-MAC war, das sich allerdings aus verschiedenen Gründen bei Endanwendern (mit Ausnahme skandinavischen Bezahlfernsehens) nicht durchsetzen konnte. HD-MAC ist ein sehr komplexes analog/digitales Hybridsignal, erzeugt mit einem modifizierten D2-MAC-Encoder. Es überträgt 1250 Zeilen/s und 50 Halbbilder/s im 16:9-Format. Doch alle Beteiligten hatten auf eine veraltete Technik gesetzt: HDTV sollte analog übertragen werden. Als die Verantwortlichen erkannten, dass sie ohne Digitaltechnik in die Sackgasse fahren würden, wurde das Projekt eingestampft - die Millionen waren versenkt, auf Kosten der Steuerzahler. Nach diesem Fehlstart hatte in Europa erst einmal keiner mehr Lust, sich noch mal mit HDTV zu blamieren.

Ein Ansatz zur Qualitätsverbesserung der Analogtechnik war in Europa Mitte der 90er PALplus. Das Prinzip verbessert die vertikale Auflösung von Spielfilmen mit Seitenverhältnissen von 16:9 und grösser. Die Qualitätsunterschiede sind auf 16:9 Geräten deutlich. Die Farbauflösung wird bei PALplus im Vergleich zu Standard-PAL durch den Einsatz von Hilfspulsen verdoppelt. PAL-Effekte treten nicht mehr auf. PALplus hat sich nicht durchgesetzt, da es zu wenige Sender ausstrahlten und die ersten PALplus-Geräte viel zu teuer waren.
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. Folgende Datenraten in Bit pro Pixel sind heutzutage üblich:

Der angegebene Bereich ist etwa das, was für befriedigende bis gute Wiedergabe notwendig ist. Aufgrund dieser hohen Effizienz können in einem für einen analogen Kanal benötigten Frequenzbereich per Satellit oder Kabel sechs und per terrestrischer Antenne drei bis vier digitale Programme gleichbleibender Qualität übertragen werden – oder ein bis zwei HD-Kanäle.

1.3 Entwicklung von HDTV weltweit und in Europa

Nordamerika: In den 90ern wurde in den USA ein entscheidender Schritt für die Einführung von HDTV vollzogen: Per Gesetz wurden alle landesweiten Sender (ABC, CBS, NBC, Fox) verpflichtet, ab 2006 digital zu senden, so dass die analoge Ausstrahlung beendet werden kann. Seit dem Jahr 2000 setzen die Sender in den USA vermehrt auf HDTV in der Hauptsendezeit. Der Absatz von HD-fähigen Fernsehern, LCD- und Plasma-Bildschirmen, sowie den dazugehörigen HD-Receivern ist gross und die Nachfrage wächst immer weiter.

Ostasien: Japan und Südkorea, die traditionell ebenfalls ein NTSC-Format mit 60 Hz nutzen, sind mit der Einführung von HDTV ebenfalls schon weit fortgeschritten. Es werden mehrere Programme über TV-Satellit und terrestrisch via ISDB bzw. ATSC ausgestrahlt.
Australien: Australien war das erste Land mit HDTV-Regelbetrieb in 50 Hz und mit MPEG-2 per DVB (via Satellit und terrestrisch), allerdings werden dort auch einige Auflösungen (z. B. 576p50) als hochauflösend betrachtet, die anderswo nur als EDTV eingestuft werden.

Europa: In Europa folgten nach dem Start des neuen, paneuropäischen Satelliten-TV-Senders Euro1080 (inzwischen „HD1“) ab 2004 einige öffentliche Testausstrahlungen, in Deutschland insbesondere der ProSiebenSat.1 Media AG. Neben einigen Live-Grossereignissen wie dem Eurovision Song Contest 2003 oder dem Finale des UEFA Cup 2004/05 werden vor allem Dokumentationen, etwa der BBC, schon länger in hoher Auflösung oder auf nachträglich abtastbarem Film produziert, um sie international besser und auch zukünftig noch verkaufen zu können. In den grössten Fernsehmärkten Deutschland, Grossbritannien und Frankreich haben die jeweiligen grossen Bezahlfernsehanbieter den eigentlich angepeilten HDTV-Start zum Weihnachtsgeschäft 2005 wegen der Entscheidung zu MPEG-4 AVC verpasst und starten im ersten Halbjahr 2006. Sie hoffen, insbesondere mit der Fussball-WM in Deutschland Zuschauer gewinnen zu können.

Frei empfangbare private und öffentlich-rechtliche Sender halten sich bisher in den meisten europäischen Ländern mit der Einführung zurück, aber seit dem 26. Oktober 2005 senden die Sender Pro7 und Sat.1 ihre Programme (parallel zum normalen Betrieb) über DVB-S2 in HDTV (1080i).

Die deutschen öffentlich-rechtlichen Sender geben sich aufgrund der bisher geringen Anzahl entsprechend ausgestatteter Haushalte und der nötigen Investitionskosten für die Produktions- und Sendetechnik zurückhaltend. ARD und ZDF sehen frühestens mit der Übertragung der Olympischen Sommerspiele 2008 in Peking die Möglichkeit, schrittweise auf HDTV umzustellen. In der Schweiz gab die SRG bekannt, ebenfalls 2008 erste Versuchssendungen zu machen. Ab 2010 soll schrittweise umgestellt werden. In Österreich gab der ORF bekannt, nicht vor 2015 hochauflösendes Fernsehen auszustrahlen.

Der im Vergleich zu Nordamerika und Südostasien verspätete Start in Europa ermöglicht es den Anbietern, mit moderneren, kostensparenden Verfahren zu starten (MPEG-4-AVC und DVB-S2). Ausserdem steht parallel die Markteinführung vorbespielter HD-Medien (HD-DVD, BD) an.

1.4 Technik und Auflösung von analogem TV und HDTV

Auflösung
Während die Auflösung von NTSC bei 720 x 480 Bildpunkten und die des europäischen PAL-Systems bei 720 x 576 Bildpunkten liegt, ist die Auflösung von HDTV um ein vielfaches höher. Unter HDTV versteht man heute Bildauflösungen mit den Bezeichnungen „720p“ (1280 x 720 Pixel bei progressiver Wiedergabe) oder „1080i“ (1920 x 1080 Pixel“ bei Interlaced-Wiedergabe). HDTV ist ein reines 16:9-Format und entspricht damit mehr den menschlichen Sehgewohnheiten als herkömmliches 4:3-TV. Bildformate mit einem Seitenverhältnis von 4:3 sind bei HDTV nicht vorgesehen. Bei der Übernahme von 4:3-Material oder Werbung erscheinen links und rechts schwarze Balken.

Mehrere Tests haben ergeben, dass ein progressives 720p-HDTV-Bild mit unter einer Million Bildpunkten als nahezu ebenso detailreich empfunden wird, wie ein 1080i-HDTV-Bild, bei dem zu einem Zeitpunkt stets nur 540 Zeilen angezeigt werden. Aktuelle Untersuchungen deutscher Fernsehsender sollen allerdings ergeben haben, dass das 720p-Bild als besser empfunden wird. Interessant ist auch, dass mit steigender Display-Grösse immer mehr Versuchspersonen 1080i als deutlich besser empfinden.

Jede Auflösung, auch 1920 × 1080, kann prinzipiell sowohl mit als auch ohne Zeilensprung übertragen werden. Allerdings übersteigt die Datenmenge von 1080p50 (und -60) das von den eingesetzten Übertragungsverfahren (DVB und ATSC) vorgesehene Maximum.

Bildwiederholfrequenz

Während die Auflösung den Detailreichtum des Bildes definiert, stehen Bildwiederholfrequenz und Wiedergabeverfahren (PAL oder NTSC) für die Flimmerfreiheit des TV-Bildes. Die Bildwiederholfrequenz sagt aus, wie oft pro Sekunde ein Bildsignal geliefert wird. Bei 50 Hz ist dies 50-mal je Sekunde. Ein 50Hz TV-Bild wird mit der subjektiven Auffassung des menschlichen Auges gerade noch als ein zusammenhängendes Bild wahrgenommen. Das Halbbildverfahren stammt aus der Anfangszeit des Fernsehens. Im PAL-Standard werden 25 Bilder je Sekunde übertragen, wobei zu einem Zeitpunkt nur die jeweils übernächste Zeile des Bildes beschrieben wird. Oder einfacher ausgedrückt, das menschliche Auge sieht 50 Mal in der Sekunde jeweils ein halbes Bild. Die beiden ineinander verzahnten Bildhälften verschmelzen durch das Nachleuchten der Bildpunkte und die Trägheit des menschlichen Auges zu einem vollständigen Bild. Dieses Verfahren wird auch „interlaced" oder Zeilensprungverfahren genannt. Das Alternativ-Verfahren ist das Vollbildverfahren, auch „progressive" genannt, bei dem jede Zeile sequenziell beschrieben wird. Progressive gilt als erheblich angenehmer für das Sehempfinden des Zuschauers, stellt jedoch höhere Anforderungen an die Übertragungstechnik.

Die traditionelle Frequenz von 50Hz bzw. 25Hz wird für eine Darstellung des deutlich grösseren dargestellten Bildes von einigen Experten als zu gering angesehen, weswegen auch in Europa die Nutzung von 60Hz bzw. 30Hz erwogen wird. Zudem gibt es Überlegungen, Kinofilme in Originalgeschwindigkeit von 24 Vollbildern pro Sekunde (p24) zu übertragen. Die PAL- und SECAM-kompatiblen 50Hertz haben gegenüber den NTSC-kompatiblen 60Hertz den offensichtlichen Nachteil eines leichter bemerkbaren Flimmerns, aber den Vorteil einer geringeren Datenrate bei gleicher Kompression.

Datenrate

Um die vorhandenen Datenraten so effizient wie möglich zu nutzen, gibt es mehrere Möglichkeiten. Erstens können Filme mit einem Originalseitenverhältnis von 2,35:1 auf 16:9 beschnitten (gecroppt) und auf das vorgeschriebene 16:9-Verhältnis gebracht werden. Dabei wird kein schwarzer Rand am oberen und unteren Bildrand mitübertragen, da er keine sichtbaren Bildinformationen enthält und somit überflüssig ist. Jedoch fallen dabei Bildinformationen an den Seiten weg. Zweitens können nur die sichtbaren Zeilen gespeichert und erst beim Abspielen die schwarzen Balken zum Auffüllen der Bildschirmauflösung eingefügt werden. Beide Verfahren werden angewandt, wenn das Seitenverhältnis von den verlangten 16:9 abweicht, also breiter wird. Eine ähnliche Methode wäre bei 4:3-Filmmaterial auf 16:9 denkbar, und würde die schwarzen Ränder (Pillarbox) an den Seiten ersetzen.

Für 1080i50 in MPEG-2 wird eine Bitrate von 27MHz empfohlen (=0,52bit/px, für SDTV bei 576i50 entspricht dies ca. 5,4 Mbit/s), bei geringeren Qualitätsanforderungen 22MHz (=0,42bit/Pixel, das entspricht 4,4Mbit/s für PAL).

1.5 Tonformate

Auch bei HDTV sind alle Tonformate möglich, die beim Digitalfernsehen oder auf der DVD zum Einsatz kommen. In den Transportströmen kann MPEG-1/-2 Audio Layer-2 bis Dolby Digital (AC3) von Mono bis Mehrkanalton genutzt werden. Da HDTV als Premiumangebot gilt, wird sowohl für das Bild als auch für den Ton mehr Bandbreite bereitgestellt und somit häufig Mehrkanalton angeboten. Überwiegend hat sich Dolby Digital durchgesetzt. Zukünftig sollen auch die Weiterentwicklungen Dolby Digital Plus und DTS HD in Fernsehübertragungen und auf Datenträgern genutzt werden, welche effizienter arbeiten und mehr Kanäle und Zusatzfeatures erlauben sollen.

Schematische Darstellung von Dolby Digital EX

1.6 Menschliche Physiologie

Durch die höhere Auflösung kann gegenüber herkömmlichen Geräten der Betrachtungsabstand im Verhältnis zur Bildfläche verringert werden. Das heisst, dass der Zuschauer ohne Verlust an Bildqualität näher am Bildschirm sitzen kann oder die Bilddiagonale grösser sein darf (es gibt unterschiedliche Ansichten über die optimalen Werte). Bei gleichbleibendem Abstand können, wenn er nicht zu gross ist, mehr Details wahrgenommen werden. Daneben sinkt die Gefahr des Zeilenflimmerns (1080i) bzw. verschwindet ganz (720p).

720p wird bei Sehtests auf Bildschirmen üblicher Grösse, d. h. bis zu einer Bildschirmdiagonalen von etwa einem Meter, von den meisten Menschen gegenüber 1080i vorgezogen. Die EBU empfiehlt ihren Mitgliedern 720p wegen der geringeren Datenrate. Ausserdem muss das notwendige Deinterlacing nur einmal im Sendezentrum durchgeführt werden.