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Digitale Anzeigen und das menschliche Auge

Auflösungsvermögen des Auges
Um das optische Empfinden der Bildauflösung (der Pixeldichte) eines gerasterten (digitalen) Bildes einschätzen zu können, ist es wichtig zu wissen, dass das durchschnittliche menschliche Auge eine Auflösung von etwa einer Winkelminute hat. Das gilt allerdings nur im Zentrum und nur, wenn der Betrachter ausgeruht und entspannt ist. Somit ist die erkennbare Bildschirmauflösung stark vom Betrachtungsabstand abhängig, wie die folgende Tabelle verdeutlicht.
Die Pixeldichte wird üblicherweise in Pixel pro inch (PPI), also als Anzahl der Bildpunkte auf eine Strecke von 25,4 mm angegeben.

Betrachtungsabstand
[m]

Auflösungsvermögen des Auges [mm]

Auflösungsvermögen des Auges [PPI]

typische Anwendungen

0,25

0,07

350

Handy, Monitor einer Fotokamera

0,35

0,10

250

Leseabstand (Tablet Computer, Zeitschrift)

0,5

0,15

175

Computerbildschirm

1,5

0,44

58

Kleiner Fernseher

3

0,87

29

Großer Fernseher (Wohnzimmer)

10

2,9

9

Kino

Auflösungsvermögen bezeichnet die Fähigkeit des Auges, auf der Anzeige im Betrachtungsabstand den Unterschied zwischen zwei Pixeln erkennen zu können.
Pixel oder Dots?
Es ist schon seit annähernd 200 Jahre bekannt, daß man alle für das menschliche Auge sichtbaren Farben erzeugen kann, indem man Licht der drei Primärfarben rot, grün und blau überlagert. Seit Oktober 1953 gibt es in den USA und seit 1967 auch in Deutschland Farbfernsehen, das auf diesem Prinzip beruht. Das heißt: Jeder sichtbare Bildpunkt (jedes Pixel) besteht aus drei kleinen Subpixeln, die in den Primärfarben leuchten. Ursprünglich waren dies farbige Phosphorschichten einer Bildröhre, mittlerweile sind es einzelne Elemente einer Flüssigkristallanzeige (LCD) oder lichtemittierende organische Bildpunkte (OLED).
Ein anderes Verfahren, um Farbbilder zu erzeugen, wird in einigen Video-Projektoren eingesetzt. Hier rotiert ein Farbrad mit unterschiedlichen Farbfeldern in hoher Geschwindigkeit vor der Projektoreinheit und das Bild wird entsprechend der Position des Farbrades sehr schnell immer wieder zwischen den drei Farbauszügen umgeschaltet.

Letztlich ist es egal, ob die Farbdarstellung durch räumliche Verteilung (Fernsehen, LC-Monitore, Plasmabildschirme) oder durch zeitliche Verteilung (DLP-Projektor) der drei Primärfarben entsteht: Bei angemessenem Betrachtungsabstand kann unser Auge die Einzelfarben nicht mehr auflösen und nimmt ein homogenes Bild wahr.

Für die Bestimmung der Auflösung, also der für unser Auge sichtbaren Schärfe, ist nur die Farbpixelauflösung maßgeblich und nicht, wie die Farben entstanden sind. Die Ansteuerung der einzelnen Subpixel ist per Computer (oder dem in tragbaren Geräten eingebauten Microcontroller) auch gar nicht möglich: Die zur Farbdarstellung benötigte Ansteuerung der einzelnen Leuchtelemente erfolgt auf Hardware-Ebene. Weil alle drei Grundfarben gemeinsam für die Darstellung von Schwarz/Weiß-Bildern benötigt werden, bestimmt auch nur die Auflösung der vollständigen Pixel den Schärfeeindruck beim Betrachter.

Dieses Prinzip ist universell seit der Erfindung des Farbfernsehens. Spricht man beispielsweise von der DVD-Auflösung, also 720 Spalten und 576 Zeilen, so sind damit natürlich farbige Bildpunkte (Pixel) gemeint. HDTV kommt in zwei Varianten (1280 x 720 Bildpunkte und 1920 x 1080 Bildpunkte) und wieder sind farbige Bildpunkte gemeint.
Die Auflösung von Computerbildschirmen beträgt heute oft 1920 x 1200 Bildpunkte, Apples iPhone 5 hat ein Retina-Display mit 1136 x 640 Bildpunkten usw. Immer und überall werden farbige Bildpunkte gezählt.

Nur bei der Katalogangabe der Auflösung von Monitoren in Foto- und Videokameras gehen die Hersteller einen anderen Weg.

Vor einigen Jahren kam ein offenbar besonders cleverer Marketingmensch auf die Idee, die Zahlenwerte im Katalog würden besser aussehen, wenn sie höher wären. Also hat er einfach die Anzahl der Pixel mit drei multipliziert und frech behauptet, das sei die erreichte Auflösung. Nach einiger Zeit mussten die anderen Hersteller aus Wettbewerbsgründen nachziehen und so hat sich diese Unsitte mittlerweile bei Foto- und Videogeräten eingebürgert.
Selbst einige Fotomagazine folgen dieser Doktrin (z.B. Chip FotoVideo), während sich andere verweigern und die unsinnigen Herstellerangaben auf die realen Werte herunter rechnen, also durch drei teilen (z.B. Colorfoto). Um den Unterschied zwischen echten Pixeln und dieser irreführenden Falschangabe deutlich zu machen, spricht man manchmal von Subpixeln oder Dots.

Stacks Image 4467
Links: Nahaufnahme eines Sony HDTV LCD-Fernsehers. In diesem Fall besteht jedes Pixel nicht aus drei, sondern aus neun Subpixeln, nämlich drei übereinander gestapelten Elementen pro Grundfarbe (rot, grün, blau). Damit wird eine bessere Helligkeitsabstufung ermöglicht.
Schaut man noch genauer hin dann erkennt man, dass jedes der neun Subpixeln wiederum aus vier leuchtenden Flächen aufgebaut ist.
Dennoch beträgt die Auflösung dieses Fernsehers "nur" 1920 x 1080 Pixel. Die Ansteuerung der 3x3x4 Subpixel pro Pixel erfolgt rein auf Hardware-Ebene.

Unten links: Ein einzelnes Pixel in voller Pracht.
Unten rechts: So sehen die Pixel eines alten Röhrenfernsehers aus.
Stacks Image 4474
Stacks Image 4477

Pixel peeping


Das Video (640 x 480, 6,3 MB) zeigt einen hochauflösenden Ausschnitt eines modernen 55" HDTV-Fernsehens. Man erkennt, wie sich die Pixel aus Subpixeln zusammensetzen und mit dem Bildinhalt verändern.

Der Film ist im modernen MPEG-4 Verfahren kodiert. Bei Problemen beim Abspielen hilft die Installation des neuesten Quick-Time Players von Apple (auch für Windows-PCs).

Retina-Displays
Die Firma Apple hat den Marketingbegriff "Retina-Display" für digitale Anzeigen eingeführt, wenn die Auflösung bei typischem Betrachtungsabstand besser (kleiner) als das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges ist, also rund eine Bogenminute. Die folgende Tabelle zeigt die Verhältnisse für einige Geräte. Interessant dabei ist, dass die schon länger auf dem Markt befindlichen Full-HD Fernseher das Kriterium eines "Retina-Displays" locker erfüllen. Tatsächlich ist ihre relative Auflösung höher als die eines iPhone 5 oder iPad Retina. Vor diesem Hintergrund erscheint die Einführung von 4K-Fernsehern fragwürdig.

Hersteller

Gerät

Horiz.
[Pixel]

Vertikal
[Pixel]

Mega-
Pixel

Diagonale
[inch]

Auflösung
[PPI]

Sehabstand
[m]

Erforderliche
Auflösung
[Bogenmin]

Retina
Display?

Apple

iPhone 4S

960

640

0,614

3,5

330

0,25

1,06

Ja

Apple

iPhone 5

1136

640

0,727

4

326

0,25

1,07

Ja

Samsung

Galaxy SIII

1280

720

0,922 (*1)

4,8

306

0,3

0,95

Ja

Apple

iPad Mini

1024

768

0,786

7,9

162

0,35

1,54

Nein

Apple

iPad 2

1024

768

0,786

9,7

132

0,35

1,89

Nein

Apple

iPad Retina

2048

1536

3,149

9,7

264

0,35

0,95

Ja

Sony

Alpha 99

800 (*2)

512 (*2)

0,410

3

317

0,3

0,92

Ja

Canon

EOS 5D Mark III

720 (*2)

480 (*2)

0,346

3,2

270

0,3

1,08

Ja

Nikon

D800

740 (*2)

415 (*2)

0,307

3,2

265

0,3

1,10

Ja

Panasonic

GH3

640 (*2)

320 (*2)

0,205

3

239

0,3

1,22

Nein

Canon

XF100

740 (*2)

415 (*2)

0,307

3,5

242

0,4

0,90

Ja

Computer-
Monitor

1024

768

0,786

20

64

0,5

2,37

Nein

Computer-
Monitor

1920

1200

2,304

24

94

0,5

1,85

Nein

HDTV-
Fernseher mittel

1920

1080

2,074

42

52

1,6

1,04

Ja

HDTV-
Fernseher groß

1920

1080

2,074

55

40

2

1,09

Ja

Der Sehabstand ist eine angenommener, typischer Abstand beim Gebrauch des jeweiligen Gerätes.
Die erforderliche Auflösung wird beim angenommenen Sehabstand und der berechneten Pixeldichte benötigt, um einzelne Pixel wahrnehmen zu können. Liegt die erforderliche Auflösung bei oder unter der realen Auflösung des Auges (etwa eine Bogenminute), dann spricht man von einem Retina Display.
(*1) Das Samsung SIII verwendet nur zwei der drei Grundfarben pro Pixel. Daher ist die Farbauflösung niedriger als angegeben.
(*2) Schätzwert auf Basis von gesamter Pixelanzahl und Seitenverhältnis.
Digital displays and the human eye

Resolution of human eyes
To assess the visual perception of the resolution (pixel density) of a rasterized (digital) image, it is important to know that the average human eye has a resolution of about one arc minute. But this is true only in the center and only when the viewer is rested and relaxed. Thus, the visible screen resolution is strongly dependent on the viewing distance, as the following table illustrates.
The pixel density is usually measured in pixels per inch (PPI), i.e. as the number of pixels across a distance of 25.4 mm.

Viewing Distance
[m]

Eye Resolution [mm]

Eye Resolution [PPI]

Typical Application

0,25

0,07

350

Handy, display of a photo camera

0,35

0,10

250

Reading distance (tablet computer, magazine)

0,5

0,15

175

Computer monitor

1,5

0,44

58

Small television set

3

0,87

29

Large television set

10

2,9

9

Cinema

Eye resolution means the eye's capability to differentiate two adjacent pixels from the given viewing distance.
Pixels or dots?
It has been known for nearly 200 years, that all colors visible to the human eye can be produced by superimposing the light of the three primary colors red, green and blue. Since October 1953 there is color TV in the U.S. (since 1967 also in Germany), which is based on this principle. Every visible picture element (each pixel) consists of three small sub-pixels that glow in the primary colors. Originally the pixels were colored phosphor layers of a picture tube, now they are elements of a liquid crystal display (LCD) or organic light emitting diodes (OLED).
Another method to produce color images is used in some video projectors. Here a color wheel with different color fields rotates at high speed in front of the lamp and the image is quickly switched repeatedly between the three colors according to the position of the color wheel.

Ultimately, it does not matter whether the color results from a spatial distribution (TV, LCD monitors, plasma screens) or by temporal distribution (DLP projector) of the three primaries: For reasonable viewing distance, our eyes can not resolve individual sub pixels and experiences a homogeneous color image.

For the determination of the resolution visible to our eyes, only the color pixel resolution is relevant and not how the color was created. A control of the individual sub-pixels by computer is not even possible: the individual lighting elements are entirely controlled at the hardware level. Since all three primary colors together are needed for the representation of black & white images, only the resolution of the full pixel determines the sharpness impression on the viewer.

This is an universal principle followed since the invention of color television. For example, DVD resolution is 720 columns and 576 rows, which of course means colored dots (pixels). HDTV comes in two versions (1280 x 720 pixels and 1920 x 1080 pixels) and that again counts complete pixels only.
The resolution of computer monitors is often 1920 x 1200 pixels, Apple's iPhone 5 has a retina display with 1136 x 640 pixels, etc. Always and everywhere complete, colored pixels are counted.

Only the resolution of monitors in photo and video cameras is stated in another way by the manufacturers.

Some years ago an apparently clever marketing guy came up with the idea that numerical values ​​in the catalog would look better if they were higher. So he simply multiplied the number of pixels with three and cheeky claimed this were the resolution achieved. After some time other manufacturers had to follow suit for competitive reasons, and so this bad habit has now naturalized in photo and video equipment.
Even some photography magazines follow this doctrine (e.g. the German
Chip FotoVideo) while others refuse and recalculate the absurd manufacturer values down to real values (divide by three), for example the German Colorfoto. To make a clear distinction between real pixels and this deceptive misrepresentation, they are referred to as sub-pixels or dots.
Stacks Image 3615
Left: Closeup of a Sony HDTV LCD television.
Each pixel is made of nine sub-pixels (instead of three), namely three stacked elements per primary color (red, green, blue). This results in better control of the brightness levels.
If you look even closer then you can see that each of the nine sub-pixels is again composed of four bright areas.
Nevertheless, even the resolution of this TV is "just" 1920 x 1080 pixels. The 3x3x4 sub-pixels per pixel are controlled purely on hardware level and do not improve the perceived image resolution.

Below left: A single pixel in all of its glory.
Below right: This is what pixels of an old CRT-TV look like.
Stacks Image 63
Stacks Image 4463

Pixel peeping


The Video (640 x 480, 6,3 MB) shows a high resolution detail of the display of a modern 55" HDTV. It
einen hochauflösenden Ausschnitt eines modernen 55" HDTV-Fernsehens. One can see how pixels and sub-pixels are composed and change with image content.

The film is encoded in a modern MPEG-4 format. Playback problems can usually be resolved by installing the latest Quick-Time Player from Apple (also available for Windows PCs).

Retina displays
The Apple company has launched the marketing term "retina display" for digital displays, when the resolution at typical viewing distance is better than the resolution of the human eye, which is about one minute of an arc. The following table shows typical conditions for popular devices. It is interesting to note that full HD TVs, which have been on the market for quite a while, easily meet the criterion of "retina displays". As a matter of fact, their relative resolution is much better than a current iPad Retina or iPhone 5. Against this background, the introduction of 4K TVs appears questionable.

Manu-
facturer

Device

Horiz.
[Pixel]

Vertical
[Pixel]

Mega-
Pixel

Diagonal
[inch]

Resolution
[PPI]

Viewing distance
[m]

Required
resolution
[arc min]

Retina
Display?

Apple

iPhone 4S

960

640

0,614

3,5

330

0,25

1,06

Yes

Apple

iPhone 5

1136

640

0,727

4

326

0,25

1,07

Yes

Samsung

Galaxy SIII

1280

720

0,922 (*1)

4,8

306

0,3

0,95

Yes

Apple

iPad Mini

1024

768

0,786

7,9

162

0,35

1,54

No

Apple

iPad 2

1024

768

0,786

9,7

132

0,35

1,89

No

Apple

iPad Retina

2048

1536

3,149

9,7

264

0,35

0,95

Yes

Sony

Alpha 99

800 (*2)

512 (*2)

0,410

3

317

0,3

0,92

Yes

Canon

EOS 5D Mark III

720 (*2)

480 (*2)

0,346

3,2

270

0,3

1,08

Yes

Nikon

D800

740 (*2)

415 (*2)

0,307

3,2

265

0,3

1,10

Yes

Panasonic

GH3

640 (*2)

320 (*2)

0,205

3

239

0,3

1,22

No

Canon

XF100

740 (*2)

415 (*2)

0,307

3,5

242

0,4

0,90

Yes

Computer-
Monitor

1024

768

0,786

20

64

0,5

2,37

No

Computer-
Monitor

1920

1200

2,304

24

94

0,5

1,85

No

medium sized
HDTV-television

1920

1080

2,074

42

52

1,6

1,04

Yes

Large HDTV-
television

1920

1080

2,074

55

40

2

1,09

Yes

The viewing distance is the assumed, typical distance when using the respective device.
The required resolution is measured when the device of a given pixel density is held at the viewing distance in order to discern individual pixels. If the required eye resolution is at or below the real eye resolution (about one minute of arc), then the device is called a Retina display.
(* 1) The Samsung SIII uses only two of the three primary colors per pixel. Therefore, its color resolution is lower than indicated.
(* 2) Estimated value based on specified total number of pixels and aspect ratio.