Studie

Nutzer können 4K und 8K nicht unterscheiden

03.03.2020
Von Scott Wilkinson
In einer hochinteressanten Studie haben Videoproduzenten Nutzer gebeten, Inhalte in 4K und 8K zu bewerten.

Ich habe lange behauptet, dass der Wert von 8K-Displays nicht in der erhöhten Pixelzahl liegt. Es gibt eine Grenze für die Auflösung, die Menschen auf Videobildschirmen bei normalen Sitzabständen wahrnehmen können, und eine Erhöhung der Pixeldichte über diese Grenze hinaus bietet keinen Vorteil.

Aber wo genau liegt diese Grenze? Genauer gesagt, bieten 8K-Displays einen Vorteil in Bezug auf die wahrgenommenen Details im Vergleich zu 4K unter normalen Betrachtungsbedingungen? In Zusammenarbeit mit Pixar, Amazon Prime Video, LG, und der American Society of Cinematographers (ASC) hat Warner Bros. diese Frage kürzlich in einer gut konzipierten, doppelblinden Studie untersucht, um zu sehen, ob Menschen bei verschiedenen Inhalten einen Unterschied zwischen 4K und 8K erkennen können.

Für die Zwecke dieses Artikels bezieht sich "4K" auf eine Auflösung von 3840 × 2160 und "8K" auf eine Auflösung von 7680 × 4320. Wie Sie vielleicht schon wissen, sind diese Definitionen etwas falsch benannt; um technisch korrekt zu sein, bedeutet "4K" in Wirklichkeit 4096 × 2160 und "8K" 8192 × 4320. Aber diese Begriffe wurden von der Unterhaltungselektronikindustrie für die entsprechenden Fernsehauflösungen angeeignet, sodass ich sie hier so verwenden werde.

Auswahl und Vorbereitung der Inhalte

Insgesamt wurden sieben Videos vorbereitet, jedes in nativer 8K-Auflösung und etwa 10 Sekunden lang ohne Komprimierung. Zwei Videos aus Warner Bros.' "Dünkirchen" (8K-Scans von 70mm-Film) enthielten eine Nahaufnahme einer Figur und eine Weitwinkelaufnahme des Strandes. Für diese Studie wurden animierte Videos aus Pixars "Merida" und "Das große Krabbeln" in 8K gerendert. Und zwei Videos aus der Amazon-Serie "The Tick" – einer in einer Höhle und der andere in einem Raumschiff wurden in 8K mit einer RED-Digitalkamera aufgenommen, ebenso wie ein Video mit Naturaufnahmen von Stacey Spears.

Alle sieben Videos wurden ebenfalls in HDR gedreht und in HDR10 kodiert. Abbildung 1 zeigt die HDR10-Statistik für jedes Video.

Alle Videos waren für HDR10 kodiert, allerdings gab es Unterschiede bei der Belichtung: MaxFALL bedeutet Maximum Frame Average Light Level, Max CLL steht für Maximum Content Light Level.
Alle Videos waren für HDR10 kodiert, allerdings gab es Unterschiede bei der Belichtung: MaxFALL bedeutet Maximum Frame Average Light Level, Max CLL steht für Maximum Content Light Level.
Foto:

Jedes Video wurde außerdem mit der branchenüblichen Postproduktionssoftware Nuke auf 4K herunter skaliert. Dann wurden die 4K-Videos mit Hilfe des kubischen Nuke-Filters auf 8K "zurückskaliert", der im Grunde jedes Pixel mit nur ein wenig Glättung viermal dupliziert, sodass das endgültige Bild effektiv 4K in einem 8K-"Container" ist.

Warum die 4K-Versionen wieder auf 8K hochskalieren? Weil beide Versionen auf dem gleichen 8K-Display in zufälliger Weise abgespielt werden würden (mehr dazu unten). Um die 4K- und 8K-Versionen jedes Videos nahtlos und ohne HDMI-Probleme oder Auslösen der Anzeige zur kurzzeitigen Anzeige der Auflösung des Eingangssignals abzuspielen, mussten beide für die Anzeige "wie" 8K aussehen.

Testausrüstung und Verfahren

Das Display, auf dem alle Videos gezeigt wurden, war ein LG 88Z9 88-Zoll-8K-OLED-Fernseher, den ich hier besprochen habe. Alle Videos wurden auf einen Windows-PC mit einer Intel 18-Core i9 CPU, SSD RAID-Speicher und Nvidia 1080Ti GPU geladen. Eine BlackMagic 8K Pro-Videoschnittstelle schickte das Video über vier 12G-SDI-Links an vier AJA Hi5-12G SDI-zu-HDMI-Konverter, die HDMI 2.0 ausgeben. Die vier Konverter schickten HDMI 2.0 an einen Astrodesign SD-7075, der sie in einen einzigen HDMI 2.1-Bit-Stream umwandelte, der an den Fernseher gesendet wurde.

Auslieferung der Inhalte
Auslieferung der Inhalte
Foto:

Die unkomprimierten Dateien wurden im professionellen DPX-Format mit 24 Bildern pro Sekunde progressiv (24p) geliefert. Sie wurden mit 10-Bit-Präzision in BT.2100 kodiert, das den BT.2020-Farbraum und PQ EOTF (elektro-optische Übertragungsfunktion) verwendet; dies ist der Standard für HDR10. Diese Dateien erfordern eine anhaltende Datei-Leserate von mindestens 3 GB (ja, das sind drei Gigabyte pro Sekunde!), weshalb ein so deftiges Hardwaresystem benötigt wurde.

Insgesamt nahmen 139 Personen an der Studie teil, die über drei Tage durchgeführt wurde. Es gab fünf Teilnehmer in jeder Sitzung, die etwa 30 Minuten dauerte. Zwei Teilnehmer saßen in der ersten Reihe, etwa anderthalb Meter vom Bildschirm entfernt, und drei in der hinteren Reihe, knapp drei Meter vom Bildschirm entfernt. Aus Gründen des Kontexts entsprechen zwei Meter vom Bildschirm zwei Bildschirmhöhen, und die ITU (Internationale Fernmeldeunion) hat festgestellt, dass zwei Meter die durchschnittliche Betrachtungsentfernung in der Wohnung ist, unabhängig von der Bildschirmgröße.

In jeder Sitzung wurden die 4K- und 8K-Versionen jedes Videos in drei Sequenzen abgespielt, wobei die Sequenzen für jeden Clip nicht unmittelbar nacheinander präsentiert wurden. In zwei der Sequenzen wurden die 4K- und 8K-Versionen nach dem Zufallsprinzip mit den Bezeichnungen "A" und "B" versehen und zweimal abwechselnd abgespielt, d. h. A-B-A-B, woraufhin die Teilnehmer auf einem Bewertungsformular angaben, welche Version besser aussieht (siehe Abb. 3). In der dritten Sequenz wurde die 4K-Version viermal gespielt, obwohl die Teilnehmer die Bezeichnungen "A" und "B" immer noch abwechselnd sahen und wie zuvor bewerteten. Dadurch entstand eine Kontrollgruppe, um eine robustere Statistik zu gewährleisten.

Fragebogen
Fragebogen
Foto:

Während jeder Sitzung sahen die Teilnehmer eine Sequenz aus einem Video, dann eine Sequenz aus einem anderen Video und so weiter, in einer zufälligen Reihenfolge, bis alle 21 Sequenzen präsentiert wurden. Zu keinem Zeitpunkt sahen sie zwei Sequenzen aus demselben Video, die unmittelbar nacheinander abgespielt wurden.

Bewertung der Sehschärfe

Vor Beginn der Tests wurde jeder Teilnehmer auf seine Sehschärfe hin untersucht – schließlich wäre die Studie ziemlich bedeutungslos, wenn er nicht die Fähigkeit hätte, feine Details wahrzunehmen. Alle erhielten den Standard-Sehschärfentest mit dem Snellen-Augendiagramm, das bei Optikern üblich ist.

Eine Möglichkeit zur Quantifizierung der Sehschärfe besteht in zwei Zahlen, die als "20/X" ausgedrückt werden, wobei 20/20 als normal angesehen wird; d. h. eine Person mit 20/20 Sehschärfe kann in einer Entfernung von sechs Meter das gleiche Maß an Details erkennen wie eine Person mit normaler Sehschärfe in dieser Entfernung. Eine Sehschärfe von 20/200 bedeutet, dass Sie in einer Entfernung von 6 Metern den gleichen Detaillierungsgrad erkennen können wie eine Person mit normaler Sehschärfe in einer Entfernung von 60 Meter – nicht gut! Umgekehrt bedeutet eine Sehschärfe von 20/10, dass Sie in einer Entfernung von sechs Meter den gleichen Detaillierungsgrad erkennen können, wie eine Person mit normaler Sehschärfe in einer Entfernung von drei Meter – also besser als normal – erkennen kann.

Wie ich mir für diese Studie erhoffe, hatten die meisten Teilnehmer eine Sehschärfe von 20/20 oder besser (siehe Abb. 4): 27 Prozent waren besser als 20/20, 34 Prozent waren 20/20 und 39 Prozent waren schlechter als 20/20, wobei die überwiegende Mehrheit davon 20/25 oder 20/30 war.

Die meisten Teilnehmer hatten eine gute oder normale Sehstärke.
Die meisten Teilnehmer hatten eine gute oder normale Sehstärke.
Foto:

Testergebnisse

Die Bewertungen wurden auf verschiedene Weise tabellarisch dargestellt. Im Durchschnitt aller Ergebnisse wurden die 8K-Videos "geringfügig etwas besser" bewertet als die 4K-Videos (siehe Abb. 5). Der Mittelwert betrug nicht mehr als 0,252, was ein Viertel des Wertes von "geringfügig besser" ist. In Abb. 5 sind auch die durchschnittlichen Ergebnisse der Teilnehmer mit einer Sehkraft von 20/20 oder besser zu sehen. In diesem Fall tendierte der Mittelwert bei einigen Videos etwas mehr in Richtung 8K, bei anderen Videos jedoch etwas weniger.

Es bestehen kaum signifikante Unterschiede zwischen der Perzeption von 4K- und 8K-Inhalten.
Es bestehen kaum signifikante Unterschiede zwischen der Perzeption von 4K- und 8K-Inhalten.
Foto:

Betrachtet man die durchschnittlichen Ergebnisse von Teilnehmern mit einer Sehschärfe von 20/10, die in der ersten Reihe saßen (siehe Abb. 6), so schnitt die 8K-Version von zwei Videos – "Das große Krabbeln" und Stacey Spears' Naturaufnahmen – deutlich besser ab, etwa um den vollen Wert von "etwas besser". Die anderen Videos waren noch ein kleiner Bruchteil davon. Die Ergebnisse aus dieser Gruppe von Teilnehmern wurden besonders hervorgehoben, weil sie nach einer technischeren und präziseren Darstellung der Schärfegrenzen in der Lage waren, auf einem 88-Zoll-Bildschirm in dieser Entfernung eine Auflösung von 8K vollständig aufzulösen.

Nur bei zwei Videos konnten die Zuschauer einige Unterschiede erkennen: Beim "Das große Krabbeln" und Naturaufnahmen.
Nur bei zwei Videos konnten die Zuschauer einige Unterschiede erkennen: Beim "Das große Krabbeln" und Naturaufnahmen.
Foto:

Wenn man die Zahlen auf eine andere Art und Weise auswertet, wurden alle "etwas besseren", "besseren" und "viel besseren" Antworten zu einem einzigen "besseren" Ergebnis zusammengefasst. Laut Michael Zink, VP of Technology bei Warner Bros. und einer der Autoren der Studie, "war es das Ziel, die Nuancen aus der Gleichung herauszunehmen. Was für die eine Person 'etwas besser' sein könnte, könnte für eine andere Person in Bezug auf den Wahrnehmungsunterschied 'viel besser' sein. Im Kern wollten wir den Unterschied zwischen Menschen sehen, die auf jeder Ebene 'gleich' und 'besser' abschneiden. Diese Ergebnisse sind in der rechten Hälfte von Abb. 7 dargestellt.

Eine weitere interessante Ansicht der Antwortdaten ist in der linken Hälfte von Abb. 7 dargestellt. Das Diagramm zeigt die Verteilung der Antworten, die darauf hindeuteten, dass 4K besser als 8K aussah, die beiden Versionen sahen gleich aus, und 8K sah besser aus als 4K. Interessanterweise wies das Naturmaterial von Stacey Spears eine andere Verteilung der Bewertungen auf als die anderen Videos, wobei mehr Antworten die 8K-Version besser bewerteten als die 4K-Version.

Es gab auch einige Bewertungen, die gar 4K besser als 8k eingestuft hatten.
Es gab auch einige Bewertungen, die gar 4K besser als 8k eingestuft hatten.
Foto:

Ich war erstaunt zu sehen, wie viele Bewertungen die 4K-Version besser als die 8K-Version einstufen. Als ich Michael Zink dazu befragte, antwortete er: "Ich glaube, der Grund dafür, dass Sie eine große Anzahl von Leuten sehen, die '4K besser als 8K' bewerten, ist, dass sie wirklich keinen Unterschied sehen können und einfach nur raten. Der interessantere Punkt ist die Tatsache, dass bei allen Videos außer Video 7 [dem Naturfilm] die meisten Leute '4K gleich wie 8K' bewertet haben, und '8K besser als 4K' ist die zweithäufigste bewertete Option. Bei Clip 7 ist es anders, und die meisten Leute erzielten '8K besser als 4K', was ein interessanter Mitnahmeeffekt war.

Fazit

Natürlich zogen Zink und seine Kollegen mehrere Schlussfolgerungen aus diesen Ergebnissen. Zum einen führt die Erhöhung der räumlichen Auflösung von 4K auf 8K unter typischen Betrachtungsbedingungen nicht zu einer signifikanten visuellen Verbesserung. Zum anderen ist ein Wahrnehmungsunterschied in gewisser Weise vom Inhalt abhängig; insbesondere die Bewertungen für die Videos aus den Naturaufnahmen von Stacey Spears neigten etwas mehr zu 8K als die anderen, möglicherweise weil sie viele hochfrequente Details aufweisen.

Am wichtigsten ist vielleicht, dass ein Wahrnehmungsunterschied von der Sehschärfe und dem Sitzabstand abhängig ist. Teilnehmer mit einer Sehschärfe von 20/10 in der ersten Reihe bewerteten die 8K-Versionen von "Das große Krabbeln" und die Naturaufnahmen zuversichtlich höher als die anderen Videos. Eine weitere Schlussfolgerung war, dass die ITU ihre Empfehlungen bezüglich des Betrachtungsabstands möglicherweise überarbeiten sollte, um auch Zuschauer mit einer Sehschärfe von 20/10 oder 20/15 einzubeziehen.

Eine Sache, auf die die Studie nicht einging, ist die Frage, ob die Display-Technologie einen Einfluss auf die Fähigkeit, 8K zu erkennen, hat. Wären die Ergebnisse anders, wenn der Bildschirm ein 8K-LCD-Fernseher und nicht eine OLED wäre? Ich vermute nicht, aber es würde eine andere Studie erfordern, um objektiv zu bestimmen.

Diese Studie unterstützt die Vorstellung, dass 8K in Bezug auf die wahrgenommenen Details nur geringfügig besser ist als 4K – und das nur bei guter Sehschärfe in relativ geringem Abstand zum Bildschirm. Ansonsten bietet 4K so viele Details, wie die überwiegende Mehrheit der Verbraucher wahrnehmen kann. Dennoch bin ich mir sicher, dass die Fernsehhersteller weiterhin 8K-Fernseher herstellen und diese Auflösung in ihre Mittelklasse-Modelle migrieren werden, genau wie damals, als die 4K-Fernseher auf den Markt kamen, obwohl ich bezweifle, dass die Studios in absehbarer Zeit viele Inhalte in nativen 8K-Fernsehern erstellen werden. Es hängt also alles davon ab, wie gut 8K-Fernseher niedrigere Auflösungen hochskalieren. Vielleicht könnte dies Gegenstand einer weiteren Studie sein.