Alias-Effekt

Alias-Effekte sind durch die Verletzung des Abtasttheorems auftretende Fehler beim Abtasten von Signalen.

Signalverarbeitung

In der Signalverarbeitung treten Alias-Effekte beim Digitalisieren analoger Signale auf.

Damit das Ursprungssignal korrekt wiederhergestellt werden kann, dürfen im abgetasteten Signal nur Frequenzanteile vorkommen, die weniger als halb so groß sind wie die Abtastfrequenz. Wird dieses Abtasttheorem verletzt, werden Frequenzanteile, die größer sind als die halbe Abtastfrequenz als niedrigere Frequenzen interpretiert. Die hohen Frequenzen geben sich sozusagen als jemand anderes aus, daher die Bezeichnung Alias. Die halbe Abtastfrequenz wird als Nyquist-Frequenz bezeichnet.

Falls es nicht zu vermeiden ist, dass hohe Frequenzen im Eingangssignal vorhanden sind, wird das Eingangssignal zur Unterdrückung von Alias-Effekten durch einen Tiefpass gefiltert, wobei die aktive Filterwirkung dieses Abschneidens der hohen Frequenzen eindeutiger mit Höhensperre, Höhenfilter, High Cut und Treble Cut beschrieben wird.

Bilderfassung

In der Bildverarbeitung treten Alias-Effekte bei der Erfassung von Bildern auf. Beispiele für Alias-Effekte sind:

• Moiré-Muster
• Treppeneffekte an harten Kanten
• Verschwinden von Strukturen, die dünner sind als ein Pixel (z.B. Stromleitung)
• Farbmuster auf karierten oder gestreiften Hemden (tritt nicht auf bei Kameras mit 3 Farbsensoren für jedes Pixel, welche allerdings sehr selten sind)

Da der Alias-Effekt nicht beim digitalisieren, sondern beim Abtasten auftritt, können die genannten Beispiele sowohl bei analogen Fernsehbildern als auch bei digitalen Fotos beobachtet werden.

Bei Kameras ab 3 Megapixel werden Alias-Effekte meist zuverlässig duch geschicktes Auslegen der Optik unterdrückt. Die optische Auflösung bleibt hier absichtlich unter der Pixelauflösung. Die Optik bildet also ein wenig unscharf ab und dient somit als Tiefpassfilter.

Filme

In Filmen können Alias-Effekte auftreten, welche auf die Zusammensetzung des Films aus Einzelbildern zurückzuführen sind. Als weithin bekanntes Beispiel sei das langsame Rückwärtslaufen der Wagenräder in Western genannt. Es tritt auf, wenn das Rad sich von Bild zu Bild gerade um etwas weniger als der Abstand der Speichen weiterdreht.

Beobachtet man die Beschleunigung eines Wagens im Film, dreht sich das Rad zunächst in die richtige Richtung. Ab einer bestimmten Geschwindigkeit dreht sich das Rad rückwärts und wird immer langsamer. Dann scheint es stehenzubleiben um sich gleich danach mit unnatürlich langsamer Geschwindigkeit wieder in die richtige Richtung zu bewegen. Das Vor- und Rückwärtslaufen wiederholt sich bei weiterer Beschleunigung.

Signaltheoretisch betrachtet stellt jedes Einzelbild stellt einen Abtastvorgang dar. Die Abtastfrequenz entspricht der Bildwiederholfrequenz (typ. 25 Bilder pro Sekunde). Die Signalfrequenz entspricht der Frequenz, mit der die Speichen einen gewissen Winkel durchlaufen.

• Dreht sich das Rad pro Bild um eine halbe Speiche weiter, kann nicht mehr unterschieden werden, ob es sich vorwärts oder rückwärts dreht (Signalfrequenz = Nyquist-Frequenz). Ab dieser Geschwindigkeit beginnt der Alias-Effekt.
• Liegt die Signalfrequenz zwischen der Nyquist-Frequenz und der Abtastfrequenz, ist die Phase invertiert, das Wagenrad scheint rückwärts zu laufen.
• Bewegt sich das Rad pro Bild um genau eine Speiche weiter, scheint es stillzustehen (Signalfrequenz = Abtastfrequenz).
• Das Rad scheint auch stillzustehen, wenn sich das Rad zwischen zwei Bildern um eine beliebige ganzzahlige Anzahl von Speichen weiterdreht (n * Signalfrequenz = Abtastfrequenz).

Darstellung von Grafiken

Mit Aliasing oder Treppeneffekt werden sichtbare Effekte an harten Kanten oder Farbübergängen in Grafiken bezeichnet, hervorgerufen durch Nichterfüllung des Abtasttheorems.

Moderne Grafikkarten verwenden Algorithmen, die diesen Effekt durch das so genannte Anti-Aliasing (Treppeneffektglättung) ausgleichen.