14.01.2021 Provider
4K Video wird oft als zukünftige, bandbreitenhungrige Anwendung genannt, die nur mit höchsten Bandbreiten von 5G- und Glasfaseranschlüssen sinnvoll umzusetzen ist.
Aber stimmt das? Ergibt es überhaupt Sinn, 4K Video auf einem 6 Zoll großen Bildschirm zu betrachten? Oder ist das nur etwas für den „Big Screen“, gemütlich von der Sofaecke auf dem 60-Zoll-Fernseher angeschaut? Diesen Fragen gehen wir in diesem Artikel nach.
4K gleich UHD?
Zunächst einmal wollen wir etwas Licht in die Begriffsverwirrung bringen, vor allem zu 4K und Ultra High Definition (UHD/Ultra HD). Diese beiden Begriffe werden gerne in einem Atemzug benutzt und Hersteller vor allem von Fernsehern bewerben beides in großen Lettern für ihre Produkte.
Dabei muss man wissen, dass 4K eigentlich aus der digitalen Kinowelt kommt und verschiedene Leinwandformate bis zu einer maximalen Auflösung von 4096 x 2160 Pixeln beschreibt, was ungefähr einem Seitenverhältnis von 17:9 entspricht. Für das Fernsehen im typischen 16:9 Format wurde UHD mit einer Auflösung von 3840 x 2160 Pixeln definiert. Und das ist auch genau die Auflösung, die die meisten "4K"-Fernseher und Displays tatsächlich bieten. 4K wird aber trotzdem als Bezeichnung verwendet, auch wenn das Panel "nur" UHD-Auflösung hat.
Auch 8k steht schon zur Debatte, aber da die meisten Konsumerprodukte sich heute im 4k Bereich tummeln, fokussieren wir hier einmal darauf.
Das smarte Phone und 4K
Bei Smart Phones sieht es nochmals anders aus. Hier haben nur die wenigsten Modelle einen echten, nativen 4K oder UHD Bildschirm, obschon viele Geräte heute UHD oder sogar 4K Videos aufnehmen können, was entsprechend angepriesen wird. Auf dem eigenen Bildschirm mit geringerer Auflösung werden diese einfach heruntergerechnet. Und wenn sie ein echtes "4K" Display haben, besitzt dies meist UHD Auflösung, also 3.840x2.160 Pixel, was aber nur bei sehr wenigen Modellen der Fall ist. Warum, werden wir weiter unten noch sehen.
Die Formate und ihre Datenrate
| Bezeichnung | Pixel | Video-Kodierung | Typische Bitraten |
| 4K | Bis zu 4096 x 2160 | H.265 (HEVC) | 20 bis 60 Mbit/s |
| UHD-1 (UHD/Ultra HD) | 3840 x 2160 | H.265 (HEVC) | 15 bis 60 Mbit/s |
| Full HD | 1920 x 1080 | H.264 (AVC) | 5 bis 20 Mbit/s |
| HD | 1280 x 720 | H.264 (AVC) | 2 bis 10 Mbit/s |
| SD (PAL) | 768 x 576 | MPEG-2 | 1 bis 5 Mbit/s |
HEVC: High Efficiency Video Coding, AVC: Advanced Video Coding
Soviel zu 4K und UHD, aber welche Datenrate wird nun benötigt? Diese Frage ist nicht einfach zu beantworten, denn es kommt stark darauf an, welche Tools und Methoden aus dem reichhaltigen Werkzeugkasten der Kodierungsverfahren zum Einsatz kommen. Die reine Auflösung in Pixeln sagt schlussendlich noch nichts über die Qualität des Bildes aus. So gibt es durchaus Streaming-Dienste im Internet, die Full HD Inhalte mit 1 Mbit/s anbieten. Echte Fernsehqualität für einen größeren Bildschirm erreicht man so aber nicht. Sehr gute Fernsehqualität, wie sie zum Beispiel über Satelliten verbreitet wird, bewegt sich eher im mittleren und oberen Bereich der in Tabelle angeführten Datenraten, also zum Beispiel 10 Mbit/s für ein Full HD Fernsehsignal. Einfluss haben dabei auch die Audiospuren, die einem Video beigefügt sind. So kann ein Surround-System schnell noch mal zwei oder mehr Mbit/s beitragen.
Offline Inhalte für Videotheken können dabei oftmals aufwendiger komprimiert werden, da dies in „aller Ruhe“ geschehen kann, während man bei Live-Übertragungen möglichst wenig Verzögerung erzeugen möchte und so auf bestimmte Bearbeitungsschritte verzichtet. Somit können On Demand Videos durchaus auf der unteren Seite der Skala eine recht gute Qualität liefern. Und schlussendlich stellt sich im Falle der Übertragung über eine IP-basierende Infrastruktur wie das Internet noch die Frage, wie viele Videodaten man in ein IP-Paket steckt, sprich wieviel Netzwerkoverhead produziert wird.
Etwas idealisiert betrachtet, kommt man mit wenigen 10 Mbit/s für UHD-Inhalte aus. Kein Problem für einen Glasfaseranschluss, bei VDSL-Technologien sollte es auch in den meisten Fällen passen, aber wie sieht es mit 5G aus? Realistisch gesehen ist das Ziel von 5G, für viele Anwender einige 10 Mbit/s zur Verfügung stellen. Die viel beschworenen Gigabits/s in 5G Netzen werden einzelnen Nutzern im Massenmarkt nicht zur Verfügung stehen, aber das müssen sie zumindest für Video-Streaming auch gar nicht, wie man sieht.
Aus Anwendungssicht kommen die meisten sinnvollen Applikation mit relativ wenig Datenrate aus. Das Ziel von 5G ist daher auch, mehr Endgeräten bzw. Benutzern gleichzeitig eine stabile Verbindung mit bis zu einigen 10 Mbit/s zu liefern. Ob man diese Kapazitäten aber überall zur Verfügung haben wird, kann erst die Zukunft zeigen. Siehe hierzu auch unseren Blogartikel 5G Faktencheck – Die wahren Stärken von 5G!
Bandbreite ok, aber ergibt 4k auch überall Sinn? – Etwas Physik hilft weiter!
Generell stellt sich die Frage, ob 4K respektive UHD-Inhalte auf einem Smartphone, aber auch im Wohnzimmer sinnvoll sind? Wenn man darüber nachdenkt, lohnt es sich, etwas in die Physik einzutauchen und die Auflösung unseres Auges zu betrachten. Nebenbei ergeben sich dabei auch hilfreiche Informationen für die Aufstellung der Wohnzimmereinrichtung zusammen mit 4K Fernsehern.
Die Auflösung des Auges wird bestimmt durch unsere Pupille. Vielleicht erinnert sich der ein oder andere noch an den Physikunterricht. Dort ist das Auge ein Beispiel für die Beugung von Licht an einer kreisrunden Öffnung. Also, kurzer Flashback in die Physik. Wem es jetzt zu theoretisch wird: einfach weiter runterscrollen!
Es gibt einen kritischen Winkel, unter dem sich zwei punkförmige Lichtquellen – wir stellen uns hier einmal zwei Bildpunkte (Pixel) vor – noch unterscheiden lassen. Dies ist genau dann der Fall, wenn sich das Hauptmaximum des Beugungsmusters der einen Lichtquelle gerade noch im ersten Minimum des Beugungsmusters der zweiten Lichtquelle befindet.
Evolutionsbiologisch ist übrigens interessant, dass sich die Netzhaut daran angepasst hat. Die Dichte der Zäpfchen und Stäbchen liegt zwischen 1 und 5 µm. Eine höhere Dichte würde nicht zu einer besseren Auflösung führen, da die beschriebene Physik dies nicht erlaubt. Daher verschwendet die Natur keine Ressourcen darauf, mehr Zäpfchen und Stäbchen auf der Netzhaut zu bilden, als zwingend nötig und sinnvoll.
Der kritische Winkel berechnet sich wie folgt:
sin(⍴krit )= 1,22 λ / d
Dabei ist d der Durchmesser der Pupille und λ die Wellenlänge, also die Farbe des Lichts.
Der kritische Winkel definiert somit auch den Abstand a zweier Lichtpunkte, die man aus einem Abstand A gerade noch auseinanderhalten kann. Das war’s auch schon mit Physik und Mathematik. Wer mehr dazu wissen möchte, kann sich vertrauensvoll an Wikipedia wenden oder die Physikbücher der Kinder im passenden Schulalter zu Rate ziehen.
Man muss nah ran
Mit der Lichtwellenlänge λ = 600nm (rot) und einer typischen Pupillenweite d von 3mm bis 5mm lässt sich ausrechnen, wie weit ein Bildschirm mit einem bestimmten Abstand von Pixeln entfernt sein muss, damit man diese theoretisch überhaupt unterscheiden kann. Das ist der sogenannte kritische Abstand.
Da Geräte unterschiedlich groß sein können und verschiedene Displays verbaut sind, nehmen wir der Einfachheit halber die Pixeldichte pro Inch (ppi) und berechnen daraus quasi den Abstand zwischen zwei Pixeln. Dieser Wert wird bei vielen Geräten und gerade bei Smart Phones oft angegeben. Mit etwas Mathematik kann dann der kritische Abstand berechnet werden:
| Gerät | PPI | Kritischer Abstand |
| Einfaches Smartphone | 300 | 0,3m – 0,6m |
| Gutes Smartphone | 400 | 0,25m – 0,5m |
| Smartphone mit nativem UHD Display | 800 | 0,12m – 0,25m |
| UHD Fernseher 40" | 110 | 0,9m – 1,5m |
| UHD Fernseher 60" | 70 | 1,5m – 2,5m |
| UHD Fernseher 85" | 50 | 2,0m – 3,5m |
Gut, das ist jetzt etwas vereinfacht mit einer Pupillenweite von 3mm bis 5mm gerechnet, nur für eine Lichtfarbe, das Innenleben des Auges, das ja nicht aus Luft besteht, ist nicht berücksichtigt. Trotzdem gibt die Rechnung eine gute Indikation dafür, wie nah man an einem Display sein muss, um wirklich die Auflösung wahrzunehmen. Bei einem UHD Smartphone ist der Abstand mit 12cm bis 25cm schon grenzwertig nah.
Ehrlich gesagt sehe ich in fortgeschrittenem Alter auch bei meinem 400ppi Telefon keine Pixel aus nur 10cm Entfernung. Aber das mag auch auf die nachlassende Sehschärfe in der Nähe zurückzuführen sein. Insofern kann man den Nutzen solch hochauflösender Displays schon in Frage stellen.
Daher haben auch viele Smart Phones des oberen Preissegments nicht unbedingt ein UHD-Display, sondern bewegen sich je nach Displaygröße zwischen 400 und 500 ppi. Sinnvoll ist eine hohe Auflösung aber bei Anwendungen, bei denen sich die Displays nah vor dem Auge befinden, wie es zum Beispiel bei Virtual Reality Brillen der Fall ist. Hier befinden sich die Bildschirme ja nur wenige Zentimeter vor den Augen.
Wohnungsdesign à la 4K
Bei der Wohnzimmereinrichtung sollte man ebenfalls nicht zu weit vom UHD Fernseher abrücken. Sonst hat man nichts mehr von der tollen Auflösung. Die Hersteller empfehlen sogar entsprechende Sitzabstände für die verschieden großen Geräte. Unter 50" hat ein UHD Fernseher eigentlich keinen Sinn. In den meisten Haushalten wird das Sofa nicht einen Meter vor dem Bildschirm positioniert sein.
Zur Ehrenrettung sei aber gesagt, dass UHD Video noch andere Eigenschaften mitbringt, die ein Video auch auf einem Display mit vermeintlich geringerer Auflösung oder aus größerer Entfernung dennoch besser aussehen lassen. Hier ist vor allem HDR (High Dynamic Range) zu nennen, das zu einem besseren Kontrast und besserer Farbdarstellung führt. Wo vorher nur Schatten war, ist auf einmal Licht und man kann Details erkennen, die ohne HDR nicht mehr wahrnehmbar wären. Das ist eigentlich das, was die meisten Personen beeindruckt. Das Bild wirkt viel natürlicher und brillanter.
Die Auflösung ist eigentlich zweitrangig, obwohl oft beworben, und da gerade Smart Phones oft garkeinen UHD-Bildschirm besitzen, ist es eigentlich übertrieben, ihnen so eine hohe Auflösung zur Verfügung zu stellen, die sie dann so oder so wieder herunterrechnen müssen.
4K – Das Resümee
Insofern lässt sich sagen: Nur von der Auflösung her gesehen, ergibt UHD auf einem Smart Phone und in vielen Wohnzimmern eher weniger Sinn. Aber wenn das Video mit HDR daherkommt, kann das schon knackig und besser aussehen. Ob wirklich UHD Streaming in einem Mobilfunknetz sinnvoll ist und echten Mehrwert bietet, bleibt fraglich.
Schlussendlich ist die Kapazität der Funkzellen begrenzt und im Real Life muss sich erst noch zeigen, welche Geschwindigkeiten erreicht werden, wenn sich viele 5G Nutzer unter Alltagsbedingungen in einer Funkzelle tummeln. Mehr Geld von Kunden zu erhalten für 4K-Inhalte wird schwierig, da der Mehrwert für die meisten Personen nicht so erdrückend sein dürfte.
Das Potenzial bringt 5G aber allemal mit. Gut kodierte Inhalte in Full-HD-Auflösung werden für die meisten Nutzer auf kleinen Bildschirmen meiner Meinung nach das Bedürfnis nach "Action" im Bewegt-Bild befriedigen können. Bei Virtual oder Augmented Reality Anwendungen ist noch am ehesten eine 4K Auflösung auf nahe vor den Augen getragenen Bildschirmen sinnhaft. Dafür wird man dann auch entsprechende Bandbreiten benötigen, zumal ja für jedes Auge ein Bildschirm mit Daten zu versorgen ist.
Ob sich 4K Inhalte wirklich durchsetzen, ist schlussendlich eine Frage des Kosten-Nutzen-Verhältnisses. Die Produktionskosten für 4K Live-Fernsehen sind sehr hoch und es ist eben fraglich, ob Abonnenten bereit sind, für den eher geringen Mehrwert deutlich höhere Gebühren zu zahlen. Andererseits werden Kinofilme für den Kinosaal von vorne herein in 4K oder in Zukunft sogar 8K Auflösung gedreht. Somit steht auf der Seite für Video on Demand Dienste immer mehr Material zur Verfügung, dass vermarktet werden muss. Es wäre aber nicht das erste Mal, dass Technologien nicht wirklich in der Praxis Fuß fassen. Man erinnert sich noch an Zeiten, als es praktisch nur 3D-Fernseher zu kaufen gab. Heute ist es halt 4K und wir werden sehen, ob es sich wirklich durchsetzt und wenn ja, in welchen Bereichen.
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