Auflösungsanalyse von Filmen

Da wir in letzter Zeit viel über die Auflösung bzw. Schärfe von Filmen diskutiert haben, habe ich mal geschaut, ob man das messen kann. Gefunden habe ich ein Avisynth-Plugin, mit dem man eine 2D-FFT durchführen kann. Diese transformiert ein Bild in den Frequenzbereich und stellt das Spektrum in 2D dar. Das ist im Grunde analog zum Spektrum bei Audio, nur dass die Zeit beim Bild dem Ort entspricht und die Amplitude der Helligkeitswert. Daher spricht man von Ortsfrequenzen. Da ein Bild in 2D vorliegt, besitzt auch das Spektrum eine Dimension mehr als bei Audio. Das Spektrum zeigt die positiven und negativen Ortsfrequenzen, ist also gespiegelt. Im Grunde reicht es, eine Hälfte zu zeigen, üblicherweise wird aber immer das ganze Diagramm dargestellt.

Auch wenn es nicht ganz einfach lesbar ist, gilt grundsätzlich: in der Mitte befindet sich 0 Hz. Zu den Rändern hin steigen die Frequenzen an. Befindet sich etwas direkt auf dem Rand, so handelt es sich um die Nyquistfrequenz (=halbe Abtastrate), also das maximum, was möglich ist. So ein 2D-Spektrum enthält keine Absoluten Größen, sondern bezieht sich immer auf die Auflösung des transformierten Bildes. Das heißt, ein großes Spektrum in 1080p entspricht einem mittleren in 2160p usw.

Ich habe mir einige Blu-rays und UHD BDs angeschaut und auch miteinander verglichen. Hier das Ergebnis.

Zunächst eine sehr gute Blu-ray ("Das war der wilde Westen"):

Man sieht, dass die Auflösung hervorragend ist und bis an das maximal Mögliche heranreicht.

Dagegen drei sehr gute UHD BDs.

"Tenet" (01:09:41)

"Lucy" (00:43:41):

"Passengers" (00:27:01):

Obwohl diese derzeit zu den höchstauflösenden UHD BDs gehören und ich nach hochauflösenden Szenen gesucht habe, schöpfen sie die Auflösung des Mediums nicht aus.

Dagegen ein Demo-Clip von Samsung:

Das nenne ich einen Unterschied. Der Clip ist zwar ordentlich angeschärft und zeigt leichte Doppelkonturen, aber der Detailgrad ist im Bild sichtbar höher als in den besten Filmen.

Hier ein paar Vergleiche zwischen der BD und der UHD BD. Die BD wurde dafür per NGU auf 2160p hochskaliert. Somit sind die Spektren vergleichbar.

"Der Hobbit" (00:17:39):

Blu-ray:

UHD Blu-ray:

Hier sieht man schön, dass die UHD BD nicht mehr Details enthält. Das Bild wurde nur angeschärft, sprich: die Amplitude der höchsten Ortsfrequenzen wurde angehoben. Das sieht man so aber nicht direkt im Spektrum.

"Oblivion" (00:21:25):

Blu-ray:

UHD Blu-ray:

Hier ist die UHD BD sogar schlechter als die BD. Das wurde ja auch in diversen Reviews schon festgestellt. Hier sieht man das eben auch mal messbar.

Danke!

Zitat von Radschi

D.h. man kann mit diesen Diagrammen vergleichen, ob ein Film die Auflösung vom jeweiligem Format ausnützt?

Genau. Und wenn man beide Bilder auf dieselbe Auflösung skaliert, kann man direkt vergleichen.

Die Art der Skalierung ist übrigens auch relevant. Hier ein Vergleich zwischen Lanczos und dem K.I-basierten NGU Sharp.

Die obige Szene aus Passengers.

Blu-ray mit Lanczos hochskaliert:

Blu-ray mit NGU Sharp hochskaliert:

UHD Blu-ray:

Auch wenn mit NGU-Skalierung noch minimal Details gegenüber der UHD BD fehlen, so werden doch die Kanten schärfer abgebildet, was den Frequenzbereich erweitert und zu einem schärferen Bild führt.

Zitat von Armin289

In welchem Maße ist die Auswertung szenenabhängig?

Sehr stark. Die Szene muss entsprechend Details enthalten. Es ist ähnlich der Anregung bei Audiomessungen. Man benutzt da ja auch ein Signal, das möglichst alle Frequenzen enthält (Rauschen, Gleitsinus). Das ist hier im Grunde genauso. Eine matschige Szene ergibt dementsprechend ein anderes Ergebnis als eine detaillierte.

Hier wollen wir ja aber bewusst den Film bzw. die Szenen bewerten, denn das ist ja das, was wir sehen. Ein zusätzliches Testrauschen auf jeder Disc für die Qualität des Transfers wäre natürlich schön, würde uns aber keine Informationen über den wahren Inhalt liefern.

Zitat von Armin289

Also, nur ein kleiner Teil des Bildes ist sehr scharf vs. große Teile des Bildes sind sehr scharf.

Das ist nicht ganz so entscheidend. Man sieht es z.B. an dem Bild von "Lucy". Da ist nur ein Teil detailliert, das reicht aber schon. Ich habe in dem Film auch andere Szenen analysiert. Das Ergebnis war nicht besser.

Das Beispiel in "Passengers" ist übrigens relativ extrem. Die meisten anderen Szenen sind nicht so hochauflösend.

Zitat von Simon2

Mich würde mal interessieren, wie so eine Analyse von weißem Rauschen aussähe (pro Pixel einen Zufallswert über Farbe und Helligkeit über das komplette Spektrum…und das wiederum über eine gewisse Anzahl solcher Bilder gemittelt).

Kein Problem. Weißes Rauschen gibt es zum Glück bei Wikipedia. Das Bild ist zwar nicht sehr groß, aber es reicht, um zu sehen, dass alle Frequenzen enthalten sind.

Weißes Rauschen (Wikipedia):

FFT:

Zitat von Birdie

Billy Lynn?

Der Film ist eher Durchschnitt in Bezug auf die Auflösung.

"Die irre Heldentour des Billy Lynn" (01:06:29):

Zitat von Death_Monkey

Kannst du das auch Mal mit einem Animationsfilm machen?

Klar.

"Die Monster AG" (00:07:05):

Der Film zeigt in den Haaren und an einigen anderen Stellen Aliasing. Ich vermute, dass das für die hohen Frequenzen verantwortlich ist. Trotzdem ist der insgesamt recht gut aufgelöst. Der zweite Teil zeigt dieses Aliasing nicht und sieht insgesamt dadurch weicher aus, was man auch im Spektrum sieht.

"Die Monster AG 2" (00:49:15):

Zitat von Death_Monkey

zenen mit viel schwarz oder so dunkel gehaltene wie Batman beeinflussen auch das Ergebnis Nehm ich an, zumindest wenn diese Szenen zu viel Teile im Bild enthalten. Ist das auch bei Bildrauschen der Fall oder ist das unrelevant?

Ja, in dunklen Szene sieht man das Diagramm regelmäßig aufblühen, weil das Rauschen den Rest dominiert. Daher wähle ich bewusst helle Szenen für die Analyse aus.

Zitat von Vorlone

Interessant wäre noch die neue HdR Serie, da gibt es ja eine menge Szenen mit toller Schärfe.

Sieht soweit ganz gut aus. Aber auch hier ist 4K noch nicht ausgereizt.

Zitat von Squeezeman

FoLLgoTT Könntest du das bitte auch mal in die andere Richtung machen?

BR>1080p

UHD>1080p

Mache ich noch. Man kann hier leider immer nur 10 Bilder pro Beitrag hochladen.

Zitat von Birdie

Das Intro von „Belle“ könnte bei Animationen auch ein top Beispiel sein.

Meinst du das hier?

Zitat von Squeezeman

FoLLgoTT Könntest du das bitte auch mal in die andere Richtung machen?

BR>1080p

UHD>1080p

Die Szene aus "Passengers" in 1080p. Die UHD BD wurde mit SSIM runterskaliert.

Blu-ray:

UHD Blu-ray (runterskaliert mit SSIM):

Zitat von Squeezeman

Wie kann ich das Plugin nutzen?

Ich nutze FFTSpectrum für Avisynth. Das folgende Script kannst du direkt in AvisynthFilter ausführen und dann den Film mit MPC-HC abspielen.

AvsFilterSource()
LoadPlugin("C:\Program Files (x86)\AviSynth+\plugins\fftspectrum.dll") 

ConvertTo8Bit()
ConvertToYv24()
clip2 = last

FFTSpectrum(grid=false)
ConvertToYV24()

StackHorizontal(last, clip2)

Zitat von Cistr

bekommst du das auch für die Streamingdienste analysiert?

Ich sage es mal so: heutzutage ist technisch viel möglich.

Hier noch mal ein synthetischer Sinus mit 1/2 der möglichen Wellenlänge. Die Punkte im Spektrum sitzen exakt bei der Hälfte zwischen Mitte und Rand. Sie spannen damit den Bereich auf, den 1080p maximal erreichen kann, wenn man das Spektrum auf 2160p bezieht.

Sinus mit 1/4 der Abtastrate (1/2 der maximal darstellbaren Frequenz).

Zitat von Mankra

Vor kurzem war Jemand mit einem Streaming Ausschnitt von "Im Westen nichts Neues", die Szene wo die Beiden auf dem Donnerbalken sitzen und den Brief lesen, bei mir. Das hat eine sehr gute Schärfe im Gesicht der Darsteller.

Hab dann gleich die UHD angesehen und mir kam dann diese Szene weicher vor.

Ich will nicht ausschließen, dass es Einbildung ist. den Direktvergleich hab ich noch nicht, muss schauen, dass ich den Clip bekomme, um es direkt vergleichen zu können.

Kompressionsartefakte spielen sich häufig in höheren Ortsfrequenzen ab. Es kann gut sein, dass sie dem Auge Schärfe vorgaukeln. Das tut Rauschen z.B. ja auch.