Was ist die PixelShift Technologie bei 4K-Projektion?
von Sven Schuhen, Artikel aus dem Archiv vom
Bei Projektion ist nicht alles 4K, was als solches deklariert ist. Bei vielen Projektoren tauchen Bezeichnungen wie „4K-Enhancement“, „PixelShift“ oder „e-Shift“ auf – nur wenige Hersteller haben in der Kategorie bis 5.000 Lumen Lichtleistung auch wirklich native Geräte mit hoher Auflösung im Programm. Was PixelShift bedeutet und wie sich diese Technologie im Vergleich zu nativem 4K verhält, erklären wir hier.
Der Begriff 4K kommt eigentlich aus dem Kino, welches auch den Begriff 2K geprägt hat. 2K-Auflösung wird durch 2.048 x 1.080 Pixel (rund 2.000 Pixel horizontal) definiert und hat daher eine leicht höhere horizontale Pixelauflösung als das außerhalb von Kinos verbreitete Full HD mit 1.920 x 1.080 Pixeln. 4K im Kinobereich hat mit 4.096 x 2.160 Pixeln sowohl horizontal als auch vertikal die doppelte Auflösung gegenüber 2K – analog zu dem außerhalb des Kinos verbreiteten UHD (Ultra High Definition) mit 3.840 x 2.160 Pixeln gegenüber Full HD. 4K ist im Gegensatz zu UHD und Full HD nicht scharf definiert und wird in diesem Artikel, wie im AV-Markt üblich, als Synonym für hohe Auflösungen mit acht Millionen Pixeln benutzt. Einzig Sony setzt bei seinen Projektoren außerhalb des Kinos auf „wirkliche“ 4K-Auflösung. Allerdings ist die Bezeichnung UHD bzw. UltraHD ein geschützter Begriff, der nur in Verwendung mit tatsächlicher UHD-Auflösung verwendet werden darf. Somit nutzen viele Hersteller 4K als Begriff für ihre Shifting-Technologien, da dieser keinerlei Kontrolle unterliegt.
Neben UltraHD und Kino-4K gibt es noch folgende Auflösungsvarianten:
Academy 4K im Format 1,37:1 mit 3.656×2.664 Pixeln,
Digital Cinema 4K im Format 1,78:1 mit 3.996×2.160 Pixeln,
Digital Cinema 4K im Format 2,39:1 mit 4.096×1.714 Pixeln.
Darüber hinaus verwendet JVC für seine nativen 4K-Projektoren die Auflösung 4.096×2.400 Pixeln ebenfalls unter dem Begriff 4K.
Anders als Displays und Monitore, wo die Auflösung durch die Pixel verteilt über die gesamte Bildschirmfläche definiert wird und somit je nach Displaygröße relativ viel Platz zu Verfügung steht, sind die Displays, die in Projektoren für die Bildgenerierung verwendet werden, winzig kleine Chips. Im Fall der in diesem Artikel behandelten Leistungsklasse haben diese Chips eine Diagonale von 0,7 bzw. 0,74 Zoll und somit eine Fläche von 1,35 bzw. 1,44 cm². Da die Projektoren eine möglichst kompakte Bauform aufweisen sollen, sind die optischen Komponenten auch auf diese Chipgröße ausgelegt, so dass hier kein Spielraum für Abweichungen bei der Chipgröße besteht. Auf dieser Fläche sind beim klassischen Full HD-Chip rund 2 Millionen Pixel verteilt, was einer einzelnen Pixelgröße von etwa 8 µm entspricht. Es ist also schon eine Kunst, so kleine Pixel derart dicht auf einen Chip zu bringen. Für eine Projektion mit 4K-Auflösung werden also nun auch viermal so viele Pixel auf der gleichen Chipfläche benötigt. Und das erfordert bei nun nur noch etwa 2 µm großen Pixeln eine unglaubliche Präzision, die nur von äußerst wenigen Chipherstellern derzeit erfolgreich in der Massenproduktion möglich ist. Hinzu kommt, dass bei einigen Geräten auch noch drei dieser Bild-Chips verwendet werden, für jede Grundfarbe einer.
Alles in allem bedeutet das einen sehr hohen Preis für den gesamten Projektor, mit dem man die Kunden nur schwer von den Vorteilen einer 4K-Auflösung überzeugen kann. Die günstigsten nativen 4K-Projektoren sind ab etwa 5.000 € zu bekommen, allerdings dann als Modell mit Entladungslampe anstelle modernerer Laserlichtquelle. Somit suchen die Hersteller nach Lösungen, um die teuren Chips zu umgehen.
JVC hat mit seiner „e-Shift“ genannten Technologie bereits 2012 als erstes Unternehmen die Idee gehabt mit einem Full HD-Chip und einer optischen Verschiebung des Bildes mit einem kippbaren Glas im optischen System zwischen Linse und Bildgenerierung um einen halben Pixel diagonal, die Auflösung künstlich zu verdoppeln. Hierdurch wird das originale Pixelraster auf der Projektionsfläche um ein weiteres Raster überlagert. Die Verschiebung findet mit 120 Hz statt und die Trägheit des Auges nimmt die beiden eigentlich hintereinander projizierten Bilder als eines wahr, welches insgesamt deutlich schärfer wirkt als ein Bild in Full HD-Auflösung. Das Verfahren ist aber insgesamt nicht als 4K zu bezeichnen, da es sich maximal um eine Verdopplung der dargestellten Pixel handelt, die aber noch miteinander verschmelzen und damit für das menschliche Auge die sichtbare Pixelstruktur verwaschen. Man könnte dieses Ergebnis vielleicht 3K nennen, denn in Wahrheit hat man ja nur einen halben Pixel horizontal sowie einen halben Pixel vertikal mehr. Dadurch, dass das PixelShift-Glas mit 120 Hz oszilliert, muss auch die Bildfrequenz bei 60Hz liegen, um die beiden einzelnen Bilder zur richtigen Zeit projizieren zu können. Inhalte mit einer anderen Bildfrequenz als 60Hz werden konvertiert, wenn sie der Hälfte oder einem Drittel der Bildfrequenz entsprechen. Für eine zugespielte Bildfrequenz von 24 Hz arbeitet JVCs e-Shift Technologie mit 96 statt 120 Hz. 2016 hat JVC ein erstes Modell mit nativer 4K-Auflösung (4.096×2160 Pixel) mit eigenem 0,69 Zoll D-ILA-Chip vorgestellt. Preisempfehlung des Herstellers: 35.000 €. Das neuste Modell (DLA-RS3000) werden wir im zweiten Teil dieser Reihe näher vorstellen.
Vergleich der XPR1-Pixelshift-Technologie (oben) von Texas Instruments mit XPR2 (unten). Anders als die 4K-Enhancement- oder auch die erste eShift-Technologie mit nur 4,1 Millionen Pixeln, erzeugt XPR in beiden Va-rianten wirklich 8,3 Millionen darstellbare Pixel. (Bild: BenQ)
Auch Epson nutzt die PixelShift-Technologie und setzt unter eigenem Namen eine zu JVCs e-Shift nahezu identische Lösung ein. Im Gegensatz zur D-ILA Technologie des JVC Bild-Chips arbeitet Epson mit LCD-Chips, deren Pixel eine etwas gröbere Struktur aufweisen und somit auch mit 4K-Enhancement eine noch sichtbare Pixelstruktur auf der Projektionsfläche darstellen. Dennoch handelt es sich weiterhin nur um eine Verdopplung der Pixel und somit bleibt die Auflösung auch hier deutlich unter den eigentlich angestrebten 4K. Gegenüber einem Full HD-Bild gibt es trotzdem einen wahrnehmbaren Schärfegewinn und bei einem gewissen Abstand zu Leinwand einen subjektiven Eindruck eines analogeren Bildeindrucks. Das aktuelle 4K-eShift-Flagschiff EW-TW9400W werden wir in der kommenden Ausgabe vorstellen.
Es gibt Geräte am Markt, die das hochauflösende UHD-Quellmaterial zuerst auf FullHD hinabskalieren, um es dann über den PixelShift scheinbar in hoher Auflösung wiederzugeben. Hierbei wird das FullHD-Bild jedoch lediglich doppelt versetzt dargestellt und hat nach Meinung des Autors überhaupt keinen Vorteil gegenüber einer guten Full HD-Projektion. Glücklicherweise sind solche Geräte eher selten und unter den hier vorgestellten Projektoren auch nicht anzutreffen.
Der DLP-Chip-Entwickler Texas Instruments geht bei seiner PixelShift-Technologie XPR eine Art Zwischenweg. Bei den 1-Chip-DLP-Projektoren ist dem Namen nach schon ersichtlich, dass hier lediglich ein Bild-Chip das Bild erzeugt. Über ein schnell drehendes Farbrad wird dem weißen Licht jeweils der Anteil entzogen, der zur Darstellung der Grundfarben Rot, Grün und Blau notwendig ist. Das Bild eines solchen Projektors wird somit durch das schnelle Beleuchten des Chips durch die drei Grundfarben hintereinander erzeugt. Das relativ träge Auge nimmt am Ende ein farbiges Bild wahr. Mit nur einem Bild-Chip ist diese Projektionstechnik deutlich günstiger als 3-Chip-Varianten. Texas Instruments hat einen DMD-Chip (Digital Mirror Device) mit 2.716×1.528 Bildpunkten auf einer Fläche von nur 0,66 Zoll entwickelt – etwas mehr als Full HD, aber auch noch lange nicht genug für echtes 4K. Wenn man nun kurz nacheinander zwei Bilder um einen halben Pixel diagonal versetzt projiziert, ergibt sich eine mögliche Auflösung von 4.074 x 2.292 Pixeln, die somit noch über einer echten Ultra HD-Auflösung liegen würde. Technisch erzeugt diese PixelShift-Technologie letztendlich doch ein Bild in UHD-Auflösung. Laut Texas Instruments sind alle so erzeugten Pixel einzeln adressierbar und somit erfülle es die Voraussetzung für eine 4K-Projektion, die auch die UHD-Spezifikation erfüllt. Doch auch bei der XPR-Technologie überlappen sich die diagonal verschobenen Bilder und eine klares Pixelgitter ist kaum noch erkennbar. Es gibt bereits Projektoren für um die 2.000 € mit dieser Technik.
Projektoren mit Pixelshift können keine 1px-Strukturen (links) darstellen. Es lässt sich zwar das horizontale Linienmuster erahnen, aber fein auflösen kann das nur ein Projektor mit nativer Auflösung. Die 2px-Strukturen rechts können schon deutlicher erkannt werden, aber auch hier verwischt das PixelShifting die Abbildung noch ein wenig. (Bild: Sven Schuhen)
Da die DMD-Chips von Texas Instruments mit der höheren Auflösung vielen Herstellern und damit die Projektoren auch den Kunden noch zu teuer waren, hat der Chip-Hersteller für seinen XPR2 genannten Nachfolger wieder einen herkömmlichen Full HD Bild-Chip verwendet. Um dennoch eine höhere Auflösung als die bisherigen Shifting-Varianten von JVC und Epson zu erzielen, kippt Texas Instruments sein Shift-Glas über zwei Achsen und verschiebt damit alle Pixel des Chips viermal. Ähnlich wie bei der einfachen Verschiebung überlagern sich so jedoch die einzelnen Pixel bei dieser dreimaligen Verschiebung noch deutlich mehr. Der Gewinn der zusätzlichen Pixel wird somit leider wieder relativiert. Dadurch, dass auch bei diesem Verfahren alle Pixel einzeln adressiert werden können, darf sich ein Projektor mit XPR2 offiziell mit dem UHD Logo schmücken. Geräte mit XPR2-Technologie sind bereits für etwas über 1.000 € zu bekommen.
Toller Bericht zu dem Pixel-Wirrwarr und leicht zu verstehen, vielen Dank dafür!