Mehr Pixel, mehr Grafikpower

Eric Soder «Die Software wird schneller langsamer, als die Hardware schneller wird.» Dieses so genannte Wirthsche Gesetz (nach Niklaus Wirth, einem Informatikpionier und langjährigen Professor an der ETH Zürich) trifft mit voller Härte auf die Verarbeitung digitaler Fotos und Videos zu. Denn die hierfür eingesetzten Programme sind gespickt mit äusserst rechenintensiven Funktionen. Und der Aufwand wächst infolge immer höherer Auflösungen bei den Kamerasensoren für die Bild- oder Videoaufzeichnung rapide an.

In der Medienproduktion kann die Grafikleistung der eingesetzten Geräte grossen Einfluss auf die Verarbeitungszeit und damit auf die Produktionskosten haben. Deshalb lohnt sich eine genaue Abstimmung der Komponenten auf die speziellen Anforderungen an einen professionellen Grafikarbeitsplatz. Eine gute Hardware-Konfiguration arbeitet rasch einmal um Faktoren schneller als ein normal ausgestatteter Bürocomputer. Im Folgenden erfahren Sie, worauf es ankommt und wo allenfalls Potenzial schlummert, um auch einem vorhandenen Computer durch gezielte Aufrüstung für Imagingzwecke mehr Schub zu verleihen. Zum besseren Verständnis zeigt ein einleitender Exkurs die Bestandteile eines Computers auf und erläutert die technischen Zusammenhänge, welche den Rahmen für aktuelle Entwicklungen bei Grafikkarten und hoch auflösenden Monitoren bilden.

Prozessor und Betriebssystem

Die Grundlage eines Computersystems sind der Prozessor (CPU, Central Processing Unit) und das Betriebssystem (OS, Operating System). Die CPU erledigt die eigentliche Arbeit, nämlich das Ausführen von Programmen, und das Betriebssystem steuert den Datenfluss zwischen verschiedenen Programmen, Eingabe, Arbeitsspeicher, Massenspeicher, Prozessor und Ausgabe. Die Unterscheidung zwischen Arbeitsspeicher (RAM, Random Access Memory) und Massenspeichern wie Festplatten oder SSDs hat praktische Gründe: RAM ist sehr schnell, aber flüchtig, wenn die Stromzufuhr ausgeschaltet wird. Massenspeicher sind langsamer, speichern die Daten aber auch ohne Strom dauerhaft und erlauben viel grössere Kapazitäten, weil die Kosten pro Gigabyte nur einen Bruchteil jener von RAM ausmachen. Die höchste Effizienz erreicht ein Computer mit genügend RAM, damit keine Zwischenergebnisse auf den Massenspeicher ausgelagert werden müssen; dies nämlich verlangsamt die Verarbeitung grosser Dateien in deutlich spürbarem Ausmass.

Früher wurde von einer Prozessorgeneration zur nächsten laufend die Taktfrequenz und die Anzahl Transistoren der CPU erhöht. Da dies mittlerweile an technische Grenzen stösst, weichen die Chiphersteller darauf aus, die heutigen Prozessoren mit mehreren «Kernen» (engl. Cores) zu bestücken, die gleichzeitig und unabhängig voneinander Programmbefehle ausführen. So können mehrere Programme auf separaten Kernen laufen. Oder mehrere Kerne teilen sich die Rechenlast eines Programms parallel. Dies geht maximal in dem Umfang, wie sich der jeweilige Rechenalgorithmus überhaupt auf mehrere Stränge («Threads») aufteilen lässt. Dabei muss das Betriebssystem die höhere Anzahl paralleler Threads und Speicherzugriffe effizient verwalten. Bei Multicore-Prozessoren steigt die in der Praxis erreichte Rechenleistung also nicht unbedingt proportional zur Anzahl der Kerne. Photoshop arbeitet auf einem höher getakteten Prozessor mit weniger Kernen unter Umständen schneller als auf einem mit mehr Kernen, aber tieferem Takt.

Die physische Architektur eines Prozessors bestimmt massgeblich seine Leistung. Zum Beispiel arbeitet ein Prozessor des Typs Intel Core i7 oder Xeon in der Regel schneller als eine Core-i3- oder i5-CPU der selben Generation. Demgegenüber ist das Betriebssystem flexibler; mittels Updates ist es möglich, auch ohne Austausch der Hardware nachträglich die Leistung zu steigern, etwa bei Gerätetreibern, Speicherverwaltung oder bei Fenster- und Dateioperationen.

Rechenleistung in der GPU

Für die Steuerung der Anzeige lagert das Betriebssystem viele Berechnungen auf die Grafikkarte aus. Diese verfügt über spezielle Chips, die optimiert sind, um bestimmte mathematische Operationen – wie etwa eine Farbkorrektur – jeweils auf eine grosse Anzahl Pixel anzuwenden. Der Grafikprozessor (GPU, Graphics Processing Unit) besitzt viele so genannte Shader-Einheiten (auch «Stream-Prozessoren» genannt) für die Berechnung von Transparenzen und geometrischen Transformationen in Echtzeit. Diese werden wie die Kerne einer CPU parallel genutzt.

Mit über 1000 oder gar 2000 Shadern erreicht eine moderne GPU bei gewissen Aufgaben gesamthaft mehr Fliesskomma-Operationen pro Sekunde als die wenigen Kerne der CPU. Damit diese Leistung nicht durch Zugriffe auf das RAM über den «nur» 64 Bit breiten Systembus ausgebremst wird, besitzt die GPU meist einen separaten Grafikspeicher mit höherer Bandbreite für die zahlreichen Shader. Dank standardisierter Schnittstellen sowie Programmiersprachen wie OpenGL und OpenCL können auch Anwendungen wie Bildbearbeitungs-, CAD- und Videoschnittprogramme den Grafikprozessor direkt für parallele Berechnungen nutzen und so eine enorme Beschleunigung erfahren, die mehrere Zehnerpotenzen ausmachen kann.

Im Gegensatz zu Hochleistungs-GPUs verzichten die Hersteller bei den günstigsten Grafikkarten auf speziellen GDDR-Speicher und verwenden stattdessen die billigeren DDR-Module oder zweigen einfach einen Teil des normalen Arbeitsspeichers für die Nutzung als Grafikspeicher ab. Letzteres heisst dann «shared memory» (geteilter Speicher) und ist oft bei Notebooks mit auf der Hauptplatine oder direkt in der CPU integrierter Grafikhardware anzutreffen. Solch ein Rechner eignet sich weniger für professionelle Grafikarbeiten. Eine vollwertige GPU mit (viel) dediziertem GDDR-Speicher und mindestens ein paar Hundert Shader-Einheiten leistet erheblich mehr.

Im Handel findet man eine Fülle von Grafikprozessoren, mit denen sich ein schwach «motorisierter» Rechner nachrüsten lässt. Consumer-Grafikkarten im mittleren und oberen Preissegment sind unter anderem auf die Bedürfnisse von Gamern ausgerichtet und können teils mit beachtlichen Leistungsdaten glänzen; für den professionellen Einsatz empfiehlt sich indes vor allem ein Blick auf die Produktlinien der «Workstation-Klasse». Bei diesen GPUs legen die Hersteller den Fokus auf ein optimales Zusammenspiel mit Software wie der Creative Cloud und weiteren Programmen für Video, 3D-Rendering und dergleichen. Zudem werden die Treiber wohl gründlicher getestet und gewartet als bei den kurzlebigen Grafikkarten für den Massenmarkt. Die beiden führenden Anbieter liefern sich aber auch im Workstation-Segment ein stetes Kopf-an-Kopf-Rennen. Für die Medienproduktion interessant sind die Produktgruppe FirePro von AMD und die Modelle namens Quadro von Nvidia. Die Einsteiger-GPUs dieser Serien kosten bei beiden Anbietern zwischen 100 und 200 Franken, dann ziehen die Preise an bis in den vierstelligen Bereich für die Topmodelle.

Hoch performante Workstations

Worin unterscheidet sich eigentlich eine Workstation von einem gemeinen Allerwelts-PC? Da wäre einmal der Prozessor: Durchschnittliche PCs besitzen derzeit in der Regel eine einzelne CPU mit zwei oder vier Kernen. Eine leistungsfähige Workstation kann dagegen auch zwei Prozessoren mit je sechs oder mehr Kernen enthalten. In Mehrprozessorsystemen kommen spezielle CPUs zum Einsatz; der bekannteste Vertreter dieses Typs heisst Intel Xeon, das ist sozusagen die Workstation-Variante des Core i7.

Ein Hochleistungscomputer braucht nicht bloss viel rohe Kraft zum Rechnen, sondern auch schnelle Leitungen, um das elektronische Hirn laufend mit Datenfutter zu versorgen, und natürlich auch ausreichend Speicher, der mit dem hohen Tempo mithalten kann. Eine gewöhnliche Festplatte wird in einer solchen Maschine schnell zum Flaschenhals, deshalb wird hier beim Massenspeicher meist auf ein RAID ausgewichen und/oder auf Festkörperspeicher (SSD, Solid-state Drive, Flash-Speicher) statt Festplatten. Ein RAID-System (Redundant Array of Independent Disks) ist ein Verbund aus mehreren Datenträgern, dessen Controller Daten in Teilstücke aufteilt und diese parallel auf alle Datenträger schreibt beziehungsweise davon liest. So vervielfachen sich der Datendurchsatz und die Gesamtkapazität im Vergleich zu einem einzelnen Datenträger. Für hoch aufgelöstes, unkomprimiertes Videomaterial ist diese Technik kaum zu umgehen, um etwa für einen ganzen Kinofilm überhaupt die nötige Datenrate (konstant rund 800 MB/s) und genügend Speicherplatz (mehrere Terabyte für ein bis zwei Stunden Digitalkino) zu erhalten.

4K Ultra-HD-Auflösung

Nach der Ablösung des analogen Fernsehens durch digitales HDTV im Lauf der letzten Jahre macht sich jetzt der nächste Qualitätssprung auf breiter Front bemerkbar: Von der Full-HD-Auflösung zu Ultra-HD vervierfacht sich auf einen Schlag die Pixelzahl. Videokameras, Computermonitore und Fernseher mit der neuen Technik sind bereits geraume Zeit im Handel. Im November und Dezember bringt NEC Display Solutions zwei neue 32-Zöller mit Ultra-HD heraus. Das Modell SpectraView Reference 322 richtet sich an die grafische Industrie; es eignet sich mit Hardwarekalibration und grossem Farb­raum speziell für Softproofing und andere farbkritische Arbeiten. Im Oktober hat auch Eizo mit dem FlexScan EV3237WFS3 einen ersten Monitor mit Ultra-HD vorgestellt; diesem dürfte ein Modell in der ColorEdge-Serie für farbverbindliche Einsatzbereiche folgen.

Für einen Praxistest mit 4K haben der abgebildete Mac Pro und ein Sharp PN-K322BH (mit Touchscreen-Funktion unter Windows) zur Verfügung gestanden. Bei diesem Monitor schien dem Bild aus der Nähe betrachtet ein feines, wabenförmiges Muster überlagert, das möglicherweise mit der Multitouch-Steuerung zusammenhängt. Im Apple Store online wird das Modell PN-K321 ohne Touchscreen angeboten, das leider nicht in natura begutachtet werden konnte. Dafür hat es noch gereicht für einen ersten Live-Eindruck vom neuen iMac 27 Zoll mit 5K-Retina-Display im physischen Apple Store.

Dank der extrem hohen Auflösung können diese Monitore Fotos und Illustrationen mit einem beeindruckenden Detailreichtum wiedergeben. Der Qualitätsgewinn durch die doppelte Anzahl Pixel in der Breite und Höhe gegenüber Full HD (von total 2 Millionen auf 8 Millionen Pixel) entspricht demselben Verhältnis wie zwischen der Aufnahme mit einer 6-Megapixel-Kamera von vor zehn Jahren und dem Bild aus einer jetzt immer noch einigermassen aktuellen 24-Megapixel-DSLR. In der Fotografie liegen Welten zwischen einem Foto für eine A5-Postkarte und einem, das in gleich guter Druckauflösung als Magazin-Doppelseite oder in einem Kalenderformat über A3 verwendet werden kann. Auch am Bildschirm treten mit Ultra-HD viel mehr Details zutage, und die schiere Grösse des 32-Zoll-Monitors trägt das Ihre zur gesteigerten Wirkung bei. Auf den nahtlosen Schreibtisch passen zudem mehr Fenster und Paletten als auf zwei oder drei gekoppelte 24-Zöller.

Beim Layouten in der A4-Doppelseitenansicht werden auch magere Schriften in kleinen Graden noch scharf und leserlich dargestellt, sodass man seltener zu zoomen und zu scrollen braucht. Jedoch hat die riesige Arbeitsfläche auch ihre Kehrseite – vor einem strukturierten Hintergrund kann man durchaus ab und zu mal den Mauszeiger aus den Augen verlieren.

Die Sache mit der Pixelgrösse

Betrachtet man die bisher üblichen Auflösungen und die ihnen entsprechenden Monitorgrössen, fällt auf, dass die Bildbreite in Pixeln zum Beispiel von WQXGA (2560×1600) auf 4K (3840×2160) einen viel grösseren Sprung macht als die Abmessungen des Monitors von 27 bis 30 Zoll auf 32 Zoll. Damit geht zwangsläufig eine markante Verkleinerung der Pixel einher. Erst recht gilt dies für 24-Zoll-Monitore mit Ultra-HD, wo die Auflösung doppelt so hoch ist wie bei einem typischerweise etwa gleich grossen Full-HD-Monitor. Die kleineren Pixel reduzieren die sichtbaren Treppeneffekte an schrägen Kanten, jedoch verkleinern sich gleichzeitig auch die Elemente der Benutzeroberfläche.

Die Standardgrösse der Systemschrift in Menüs und Paletten ist so gewählt, dass Text bei einer Monitorauflösung in der Grössenordnung um etwa 100 ppi bei üblichem Betrachtungsabstand bequem zu lesen ist. Bei 140 bis 200 ppi wird es jedoch anstrengend, wenn man nicht mit der Nase am Bildschirm kleben will. Es ist daher ratsam, im Betriebssystem einen grösseren Schriftgrad einzustellen. Das wirkt sich dann auf alle Dialoge aus, bei denen Programme die Routinen des Betriebssystems verwenden, was allerdings nicht immer einheitlich so gehandhabt wird.

Eine praktische Lösung hat Apple für die Produkte mit hoch auflösenden, so genannten Retina-Displays gefunden. Auf diesen Geräten werden Menüs und Systemdialoge in Höhe und Breite auf die doppelte Anzahl Pixel vergrössert, damit sie gut zu lesen sind, während die Inhalte im Dokumentbereich des Fensters normal dargestellt beziehungsweise in das Fenster eingepasst werden. Dies erfordert jedoch eine Anpassung der Software; bei älteren Programmen ohne diese Retina-Funktion können Elemente zu klein angezeigt werden und damit die Lesbarkeit beeinträchtigen.

Anforderungen an die Hardware

Wie bereits angesprochen, braucht ein 4K-Ultra-HD-Signal bei gleicher Bildfrequenz die vierfache Bandbreite von Full HD. Dies übersteigt die Spezifikation älterer Grafikstandards. Bei DVI ist selbst mit Double-Link bei einer Monitorauflösung von 2560 mal 1600 Pixel mit 60 Hertz Schluss, 4K wird also nicht unterstützt. Um einen Ultra-HD-Monitor anzuschliessen, benötigt man zwingend eine Grafikkarte mit einer neueren Version von HDMI oder besser gleich DisplayPort/Thunderbolt, dessen Spezifikation bei der Bandbreite mehr Spielraum nach oben lässt.

Wenn eine ältere Grafikkarte mit DisplayPort- oder HDMI-Anschluss noch kein Ultra-HD unterstützt, hilft eventuell ein Treiberupdate. Der Testmonitor liess sich an einen PC mit einer FirePro V4900 Grafikkarte und aktuellen Treibern problemlos anschliessen und mit vollen 4K betreiben – sowohl unter Windows 7 als auch mit Ubuntu Linux. Dies obwohl das Datenblatt der GPU 2560×1600 Pixel als maximal mögliche Auflösung nennt.

Bei Laptops und All-in-One-Computern wie dem iMac ist die GPU in der Regel auf dem Mainboard integriert und kann nicht ausgetauscht werden. Ähnlich gering sind auch die Erweiterungsoptionen beim aktuellen Mac Pro. Dessen Basisvarianten bauen allerdings von vornherein auf sehr leistungsfähigen Workstation-Komponenten auf, zu denen es kaum schnellere Alternativen gibt. Als Massenspeicher dient ein Flashmodul mit proprietärem Anschluss, der eine noch höhere Datentransferrate erzielt als übliche SATA-3-SSDs im 2,5-Zoll-Format. Der Mac Pro nimmt leider nur ein einzelnes Flashmodul auf, und dessen Kapazität liegt heute bei höchstens 1 TB. Das ist zu wenig für eine umfangreiche Bilddatenbank oder für die Video­bearbeitung, deshalb ist für den professionellen Einsatz entweder ein Server im Netzwerk oder eine externe Speicherlösung erforderlich.

Eine Serveranbindung über Gigabit Ethernet mit 100 MB/s oder ein noch langsameres WLAN erzielt eine recht dürftige Performance bei grossen Datentransfers. Im Towergehäuse älterer Modelle des Mac Pro kann man hingegen bis zu vier interne Festplatten oder SSDs als RAID mit mindestens der doppelten Datenrate von Gigabit Ethernet nutzen. Seit dem Mac Pro 3,1 von Anfang 2008 sind diese Rechner sowohl mit PCI Express 2.0 als auch einem 64-Bit EFI ausgestattet. Das heisst, sie lassen sich mit leistungsfähigen GPUs aufrüsten und sind mit OS X bis hinauf zur aktuellen Version 10.10 «Yosemite» kompatibel.

Beim neuen Mac Pro erlaubt das Thunderbolt-Interface eine viel schnellere Verbindung mit externen Geräten (bis 20 Gbit/s bzw. netto 2 GB/s), zum Beispiel einem externen RAID-System. Solche Lösungen gehen jedoch mächtig ins Geld. Gehäuse für Windows-Workstations bieten teils noch mehr als vier interne Laufwerkseinschübe, und bei Rack-Systemen kann man erst recht aus den Vollen schöpfen mit einem RAID aus Dutzenden Datenträgern, etwa für einen Videoserver. Die Netzwerkverbindung zu den Arbeitsplätzen könnte in diesem Fall über 10-Gigabit-Ethernet realisiert werden, um einen zügigen Datenfluss zu erzielen.

Für kleinere Ansprüche genügt eventuell schon eine externe Platte oder ein SSD als Erweiterung, das per USB 3 oder eSATA an den Rechner angeschlossen wird. Eine externe Festplatte kann die Kapazität auf mehrere Tera­byte erweitern, und ein SSD erreicht immerhin eine Transferrate von etwa 500 MB/s, wobei ein einzelner Datenträger derzeit bis zu einem TB Platz bietet, wie beim internen Flash-Speicher des Mac Pro.

Hohe Farbtiefe

Ein Merkmal hochwertiger Flachbildschirme und Grafikkarten ist die Möglichkeit, ein Signal mit zehn Bit statt der üblichen acht pro Farbkanal zu verwenden. Dies erlaubt feinere Tonwertabstufungen dank einer Palette von Milliarden statt «nur» Millionen Farben und 1024 statt 256 Graustufen. Auch hier muss DVI passen; erst HDMI und DisplayPort erlauben mehr als 8 Bit pro Kanal. Unter Windows steht die hohe Farbtiefe seit Jahren zur Verfügung, sofern sie von der eingesetzten Hard- und Software unterstützt wird. Zu empfehlen ist diese Option besonders für die Bild- oder Videobearbeitung auf einem hardwarekalibrierbaren Monitor.

Ein Mac kann einen Monitor allein mit Bordmitteln leider nicht mit hoher Farbtiefe ansteuern, obschon Software wie Photoshop, Premiere Pro und Final Cut Pro die 10-Bit-Ausgabe beherrschen. Es gibt keinen offiziellen Weg, diese undokumentierte Funktion, die seit Lion implementiert sein soll, im Betriebssystem zu aktivieren. Videoprofis können diese Einschränkung jedoch mithilfe von Zusatzgeräten umgehen, etwa mit dem UltraStudio für Thunder­bolt von Blackmagic Design. Diese Firma stellt übrigens auch Filmkameras mit 4K-Auflösung her.

Es wird spannend bleiben, die weitere Entwicklung zu verfolgen …