Analoges Video-Quellensignal

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1 Kapitel 2 Analoges Video-Quellensignal 2.1 Prinzip der Bildübertragung Fernsehen als ein Übertragungsverfahren der elektrischen Nachrichtentechnik beruht auf der Umwandlung der Helligkeits- und Farbverteilung einer Bildvorlage in ein entsprechendes elektrisches Signal, das leitungsgebunden oder auf dem Funkweg dem Empfangssystem zugeführt und dort wieder in ein äquivalentes optisches Bild umgewandelt wird. Sowohl von der Historie als auch von der Technik her baut das Fernsehen auf der Übertragung und Wiedergabe von Schwarzweißbildern, also der Helligkeitsverteilung der Bildvorlage, auf. Über ein optisch-elektrisches Wandlersystem wird dazu von den einzelnen Bildelementen, den Bildpunkten oder Pixeln, nacheinander in bestimmter Reihenfolge ein elektrisches Signal erzeugt. Aus der zweidimensionalen, geometrischen Zuordnung der Bildpunkte leitet sich so durch den Vorgang der Bildabtastung ein zeitabhängiges elektrisches Signal ab, dessen Momentanwert der Helligkeit des gerade abgetasteten Bildpunktes proportional ist. Empfangsseitig wird, nach entsprechender Aufbereitung, das elektrische Signal einem elektrisch-optischen Wandler, der Fernsehbildröhre, zugeführt und als ein Abbild der Helligkeitsverteilung der Bildvorlage wiedergegeben (Bild 2.1). Abb. 2.1: Prinzip der Fernsehbildübertragung

2 Kapitel 2 Analoges Video-Quellensignal In der prinzipiellen Darstellung nach Bild 2.1 wird der Einfachheit halber noch von einem Lesestrahl und von einem Schreibstrahl gesprochen. Tatsächlich werden schon lange für die Bildaufnahme vakuumlose Halbleiter-Zeilen- (bei der Filmabtastung) oder -Flächen-Sensoren (bei Fernsehkameras) verwendet. Die Zuordnung des Lesestrahls erfolgt nun über die sequentielle Abtastung der Bildpunkte, deren Helligkeitsverteilung als Ladungsbild in eine CCD-Speicheranordnung übertragen wird. Die Ladungsverteilung wiederum wird zeilenweise ausgelesen. Die Bildwiedergabe geschieht noch weitgehend mit Fernsehbildröhren mit einem Elektronenstrahl im Hochvakuum. Aber zunehmend mehr an Bedeutung gewinnen Flachbild-LCD- oder -Plasma-Displays, bei denen die Bildwiedergabe zeilenweise über adressierbare Bildpunkte erfolgt Bildabtastung Die Abtastung der Bildvorlage durch den Lesestrahl läuft zeilenweise ab, wobei der Lesestrahl gleichzeitig horizontal von links nach rechts und vertikal von oben nach unten abgelenkt wird. Der Vorgang lässt sich mit der Bewegung des Gesichtsfeldes beim Lesen eines Textes von links nach rechts längs der Textzeilen und mit dem raschem Zurückspringen auf den Beginn der nächstfolgenden Zeile vergleichen. Vom Ende der letzten Zeile am unteren Bildrand wird der Abtaststrahl zum Ausgangspunkt am linken oberen Bildrand zurückgeführt und das Zeilenraster wiederholt durchlaufen. Die Ablenkung des Lese- bzw. Schreibstrahles in der horizontalen und vertikalen Richtung und die sich damit ergebende Rasterstruktur zeigt Bild 2.2. Abb. 2.2: Ablenkung des Lese- bzw. Schreibstrahles und Zeilenraster Tatsächlich werden als optisch-elektrische Aufnahmewandler heute nur noch Halbleiter-Sensoren mit CCD-Technik (CCD: Charge Coupled Device) verwendet, bei denen die Abtastung in den Zeilen diskret in den einzelnen Bildpunkten erfolgt. Auch beim elektrisch-optischen Wiedergabewandler findet man bereits Flachbildschirme mit punktweiser Bildrekonstruktion. In beiden Fällen werden die Bildpunkte von adressierbaren Steuersignalen angesprochen. Damit sich der Lesestrahl und der Schreibstrahl gleichzeitig in richtiger Zuordnung über die Bildfläche bewegen bzw. damit bei der bildpunktweisen Aufnahme und 8

3 2.1 Prinzip der Bildübertragung Wiedergabe jeweils gleiche Bildpunkte zugeordnet werden, müssen geeignete Synchronisierzeichen übertragen werden Zeilenzahl Die Qualität der Bildübertragung wird durch die Auflösung des Bildes, d. h. durch die Anzahl der Zeilen und Bildpunkte in der Zeile, bestimmt. Die Auflösung und damit die Bildschärfe ist umso besser, je höher die Anzahl der Bildpunkte pro Zeile (horizontale Auflösung) und je höher die Zeilenzahl (vertikale Auflösung) ist. Mit zunehmender Anzahl von Bildpunkten und Zeilen wachsen aber auch die Anforderungen an die Bandbreite des Übertragungssystems, so dass es gilt, einen vernünftigen Kompromiss zu finden. Eine Mindestzahl von Zeilen ist notwendig, damit die Rasterstruktur des wiedergegebenen Bildes nicht störend in Erscheinung tritt. Diese kann jedoch nur im Zusammenhang mit den Abmessungen des Fernsehbildes und dem Betrachtungsabstand sowie dem Auflösungsvermögen des menschlichen Auges gefunden werden. Nach einer Näherungsformel erhält man für die mindestens notwendige Anzahl Z aktiv der auf dem Bildschirm sichtbaren Zeilen Z aktiv = , (2.1) E H wobei E der Betrachtungsabstand und H die Höhe des sichtbaren Bildes sind. Mit einem vernünftigen Wert von E/H = 5 ergibt sich eine mindestens notwendige Anzahl von Z aktiv = 500 sichtbaren Zeilen. Diesen Wert findet man annähernd auch in den eingeführten Standard-Fernsehsystemen. Europäisches 625-Zeilen-System: Amerikanisches 525-Zeilen-System: Bild-Seitenverhältnis 575 (analog) bzw. 576 (digital) aktive, d. h. sichtbare Zeilen 485 (analog) bzw. 480 (digital) aktive, d. h. sichtbare Zeilen Das Verhältnis von Bildbreite B zur Bildhöhe H wurde vom ursprünglichen Kino- Bildformat mit B/H = 4 : 3 übernommen. Beim Kinofilm gibt es aber mittlerweile fast 20 verschiedene Breitbildformate. Für das kinoähnliche Fernsehbild, ursprünglich nur auf das hochauflösende Fernsehen HDTV bezogen, wurde in Europa ein Breitbildformat von B/H =16 : 9 9

4 Kapitel 2 Analoges Video-Quellensignal festgelegt, was einem Verhältnis von (4 : 3) 4/3 bzw. 5,33 : 3 entspricht. Dieses Breitbildformat wurde mittlerweile auch bei Standard-TV (SDTV), z. B. bei dem PALplus-System, eingeführt. Das Bild-Seitenverhältnis ist praktisch durch das Format der Bildwiedergaberöhre bestimmt. Bei Breitbildröhren kann durch eine geringere Horizontalablenkung auch ein 4:3-Bild wiedergegeben werden Bildwechselfrequenz Die Übertragung einer Bewegtbildvorlage erfolgt ähnlich wie beim Kinofilm über eine Folge von einzelnen Teilbildern. Bei der Festlegung der Bildwechselfrequenz sind die physiologischen Eigenschaften des menschlichen Sehorgans zu berücksichtigen. Zunächst muss davon ausgegangen werden, dass zur Wiedergabe eines kontinuierlichen, schnellen Bewegungsvorgangs eine bestimmte Mindest- Teilbildfrequenz erforderlich ist, damit keine störenden Diskontinuitäten im Bild entstehen. Ein Wert von 16 Teilbildern pro Sekunde stellt hier die untere Grenze dar. Beim Kinofilm arbeitet man mit 24 Teilbildern pro Sekunde. Dieser Wert könnte auch beim Fernsehen übernommen werden, doch es wurde hier mit Rücksicht auf eine mögliche Verkopplung mit der Netzfrequenz (u. a. auch wegen der Beleuchtungstechnik mit Gasentladungslampen) eine Bildwechselfrequenz von f w = 25 Hz bei einer Netzversorgung mit 50 Hz beziehungsweise von f w = 30 Hz bei einer Netzfrequenz von 60 Hz gewählt. In den USA wurde der Wert bei der Einführung des Farbfernsehens geringfügig geändert von 30 Hz auf 29,97 Hz [4], [5]. Eine Bildwechselfrequenz von 25 Hz oder 30 Hz reicht jedoch für eine flimmerfreie Bildwiedergabe nicht aus. Die subjektiv empfundene Flimmerstörung eines in der Helligkeit periodisch schwankenden Bildfeldes hängt von verschiedenen Faktoren ab. Dazu zählen die Frequenz der Helligkeitsschwankung und das Verhältnis Hellzu Dunkelzeit. Die Flimmergrenzfrequenz, oberhalb der unter normalen Bedingungen kein Flimmern mehr wahrgenommen wird, liegt etwa zwischen 50 Hz und 60 Hz. Dieses Problem lag auch schon bei der Einführung des Kinofilms vor und wurde durch eine Verdoppelung der Teilbildfrequenz gelöst. Über eine so genannte Flimmerblende wird die Projektion jedes Teilbildes einmal unterbrochen, wodurch der Eindruck der doppelten Bildwechselfrequenz entsteht. Bei der Einführung des Fernsehens konnte man noch nicht auf die heute mögliche Speicherung von Fernsehteilbildern zurückgreifen. Es musste eine andere Möglichkeit zur Erhöhung der Teilbildfrequenz gefunden werden. 10

5 2.1.5 Zeilensprungverfahren 2.1 Prinzip der Bildübertragung Die Bildwechselfrequenz auf den doppelten Wert zu erhöhen wäre zwar eine Möglichkeit, um das Flimmern (weitestgehend) zu vermeiden. Es hätte aber gleichzeitig eine Erhöhung der notwendigen Übertragungsbandbreite um den Faktor zwei zur Folge. Schon sehr früh angestellte Versuche ergaben jedoch, dass die Bildwechselfrequenz auf kleine Bildbereiche bezogen relativ niedrig sein kann, wenn nur das Zeilenraster genügend oft geschrieben wird. Gegenüber der so genannten progressiven Abtastung, wo gemäß der bisherigen Annahme die Zeilen aufeinanderfolgend abgetastet und geschrieben werden (Bild 2.3, links), erfolgt beim Zeilensprungverfahren (auch Zwischenzeilenverfahren genannt, engl. interlaced scanning) eine Aufteilung des gesamten Rasters in zwei Halbraster mit jeweils halber Zeilenzahl, die ineinander verschachtelt sind und die zeitlich nacheinander übertragen und geschrieben werden (Bild 2.3, rechts). In der Darstellung nach Bild 2.3 wird vereinfacht davon ausgegangen, dass das horizontale Zurücksetzen auf den Anfang der nächsten zu übertragenden Zeile sowie das vertikale Zurücksetzen auf den Anfang des nächsten zu übertragenden Vollbildes oder Halbbildes in vernachlässigbar kurzer Zeit geschieht. Abb. 2.3: Progressive Abtastung (links) und Zeilensprungverfahren (rechts) Der Wechsel vom ersten zum zweiten Halbraster erfolgt bei ungerader Zeilenzahl, zum Beispiel mit Z = 625, am Ende des ersten Halbrasters nach Durchlaufen einer halben Zeile, womit das zweite Halbraster mit der verbleibenden halben Zeile beginnt. Damit erübrigt sich ein besonderes Hilfssignal zum periodischen Versatz der beiden Halbraster und es ist stets die Voraussetzung geschaffen, dass die Zeilen des zweiten Halbrasters mittig in den Zwischenräumen des ersten Halbrasters liegen und somit ein gleichmäßig verteiltes Gesamtraster entsteht. 11

6 Kapitel 2 Analoges Video-Quellensignal An Stelle von 25 Vollbildern pro Sekunde, engl. frames, mit je 625 Zeilen bei dem europäischen Fernsehsystem und der Bildwechselfrequenz f w = 25 Hz, werden also 50 Halbbilder pro Sekunde, engl. fields, mit je 312 1/2 Zeilen übertragen. Es ergibt sich somit eine Halbbildwechselfrequenz, auch als Rasterwechselfrequenz oder Vertikalfrequenz bezeichnet, mit f v = 50 Hz. Die Periodendauer des Halbbildwechsels beziehungsweise die Periodendauer der Vertikalablenkung, engl. field duration beträgt T v = 1/f v = 20 ms. Ein heute neu zu definierendes Fernsehsystem würde, wie auch beim Computer- Monitor, mit progressiver Abtastung arbeiten. Mit Rücksicht auf die eingeführten und installierten Geräte und Systeme kann jedoch keine abrupte Umstellung von Zeilensprung-Abtastung auf progressive Abtastung erfolgen. Wie später angeführt wird, bietet aber das digitale Fernsehen die Möglichkeit, auch auf progressive Abtastung überzugehen, was z. B. bei den digitalen Standards in den USA schon ausgenützt wird Zeilenfrequenz Die Zeilenwechselfrequenz oder Zeilenfrequenz, auch Horizontalwechselfrequenz f h genannt, engl. line frequency, leitet sich nach der Beziehung f h = Z 2 f v = Z f w (2.2) ab. 12