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AV1 Film Grain Synthesis erklärt

Von Dirk Hildebrandt, CTO von Wavelet Beam

Filmkorn gehört zum Look eines Films und ist eines der teuersten Dinge beim Encoding. AV1 Film Grain Synthesis löst das: Das Korn wird vor dem Encoding entfernt, in wenigen Bytes Metadaten beschrieben und bei der Wiedergabe wieder hinzugefügt. Dieser Guide erklärt, wie das funktioniert, warum es so viel Bitrate spart und was in der Praxis schiefgeht.

Warum Korn teuer ist

Korn ist zufällig. Es ändert sich in jedem Bild und hat keine zeitliche Redundanz, der Encoder kann es also nicht aus vorherigen Bildern vorhersagen. Blockbasierte Codecs wie H.264, HEVC und VVC quantisieren die hohen Frequenzen, in denen das Korn liegt. Bei niedrigen Bitraten wird das Korn zu glatten, plastischen Flächen oder blockigem Rauschen. Bei hohen Bitraten bleibt es erhalten, frisst aber einen großen Teil des Budgets. Entweder leidet der Look oder die Bandbreite.

So funktioniert Film Grain Synthesis

1. Entrauschen: Das Korn wird vor dem Encoding aus der Quelle entfernt.
2. Schätzen: Das Korn des Originals wird analysiert und als Parameter beschrieben, die Film Grain Table: Stärke pro Helligkeitsstufe, Korngröße und Korrelation.
3. Encodieren: Das saubere Bild wird encodiert. Der Encoder gibt seine Bits für echte Bilddetails aus.
4. Übertragen: Die Grain Table reist als schlanke Metadaten mit dem Stream.
5. Synthetisieren: Der Decoder erzeugt aus der Tabelle neues Korn und legt es bei der Wiedergabe auf das decodierte Bild.

AV1 ist der erste Codec, in dem Film Grain Synthesis ein verpflichtender Teil des Decoders ist, jeder konforme AV1-Player kann das Korn also wiedergeben. In VVC ist es optional.

Wie viel Bitrate es spart

Jede neue Codec-Generation wird mit 50 % Einsparung gegenüber der vorherigen beworben. In der Praxis liegen die Gewinne zwischen Generationen eher bei 20 bis 25 %. Einsparungen von 50 % oder mehr sind praktisch nur mit Film Grain Synthesis erreichbar. Netflix berichtet von rund 30 % Einsparung mit AV1 Film Grain Synthesis, und wir bestätigen das. Wir haben die Netflix-Testszene "Meridian" in UHD mit AV1 und Film Grain Synthesis unter 6 Mbit/s encodiert: 12 Minuten mit nur 536 MB.

Wo es schiefgeht: Entrauschung und Banding

Film Grain Synthesis ist nur so gut wie die Entrauschung in Schritt 1. Standardentrauscher verlieren Bildtreue: Sie glätten feine Details zusammen mit dem Korn. Bei niedrigen Bitraten zerfallen die geglätteten Verläufe in Stufen. Ein verbreiteter Ausweg ist, mehr künstliches Korn hinzuzufügen, um das Banding zu verstecken. Wir sehen das anders: Wenn Banding auftritt, wurden die Encoding-Standards nicht eingehalten, und pauschales Nachkörnen verbessert das eigentliche Bild nicht.

Das Problem ist bekannt. Auf der Demuxed 2025 erklärte Netflix, dass FGS bei kritischen Sequenzen abgeschaltet werden musste, weil die Standard-Vorfilterung das Bild verschlechterte. Das erzeugt einen sichtbaren Bruch für den Zuschauer: Der durchgehende Korneindruck ändert sich von Szene zu Szene. Genaue Film Grain Tables zu erzeugen, ist komplex und funktioniert selten auf Anhieb.

FGS richtig messen

Synthetisiertes Korn ist zufällig und stimmt nie Pixel für Pixel mit dem Originalkorn überein. Gegen das körnige Original gemessen, bestraft jede Metrik das neue Korn als Fehler. Um die echte Kompressionseffizienz zu beurteilen, vergleicht man das entrauschte Master mit dem decodierten AV1-Stream ohne Nachkörnung. So misst man die Qualität der Kompression, nicht das Rauschen.

Dabei zählt die Stabilität, nicht nur der Mittelwert. In einem AV1-4K-Encode mit 6,696 Mbit/s erreichten wir einen mittleren VMAF von 92,80 mit einer Standardabweichung von 1,63 und einen mittleren PSNR-Y von 36,15 dB mit einer Standardabweichung von 0,43 dB. Eine geringe Standardabweichung bedeutet ein ruhiges Bild ohne Quality Pumping. Siehe unseren Guide zu VMAF-Mittelwerten und QBVE.

Unser Ansatz

Wir verbinden drei Bausteine zu einer Pipeline:

• IRIS-Entrauschung holt das echte Signal heraus, statt es zu glätten, es gibt also nichts, was man mit zusätzlichem Korn verstecken müsste.
• Eigene Film Grain Tables, von Grund auf entwickelt, vermeiden sich wiederholende Kornmuster und bilden das Korn des Originals so genau wie möglich nach.
• Per-Shot-Encoding in einem Durchgang gibt jedem Shot die Bits, die er braucht, exportiert für HLS und DASH.

Das Ergebnis ist Kino-Ästhetik in UHD bei Bandbreiten, die sonst 1080p vorbehalten sind. Bei sauberem digitalem Material ohne Korn verbessert schon die Vorverarbeitung mit IRIS die Komprimierbarkeit für jeden Codec, siehe Warum vor dem Encoding entrauschen? Mehr auf der Seite zu AV1 Film Grain Synthesis.