tat-tv Technische Arbeitstechniken für die Video- und Fernsehproduktion Ing. Karl M. Slavik, Dipl.Päd. Vorstellung > Ihr Referent: Karl M.

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1 tat-tv ARTECAST tat-tv Technische Arbeitstechniken für die Video- und Fernsehproduktion Ing. Karl M. Slavik, Dipl.Päd. Vorstellung > Ihr Referent: Karl M. Slavik HTL-Studium Nachrichtentechnik & Elektronik (1990) Lehramtsstudium Elektrotechnik, Medien (1996) Seit 1981 im Bereich Ton, Video, Film, Broadcast Berufserfahrung als Toningenieur, Video- und Veranstaltungstechniker, Filmemacher Toningenieur und Projektleiter beim ORF Seit 2005 selbständig, Gründung von artecast Zertifizierter Dolby Consultant & Trainer Lehrbeauftragter an der Uni Wien (HF- & TV-Produktion), ARD-ZDF-Medienakademie, Singapore Media Academy Co-Autor verschiedener Fachbücher, u.a. "Handbuch HD-Produktion" und Autor zahlreicher Fachartikel Telefon: +43 (0) Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 1

2 Inhalte > tat-tv 1. Geschichtliche Entwicklung 2. Visuelle und auditive Wahrnehmung 3. Bild-, Ton- und Lichtgestaltung 4. Technische Grundlagen: Signale, Formate und Standards 5. Vor der Produktion: Idee, Treatment, Planung 6. Drehen: Kamera, Mikrofon, Aufzeichnung, Licht 7. Nachbearbeitung: Schnitt, Tonmischung, Delivery 8. Live-TV: Übertragung (Streaming, SNG) 9. Literaturempfehlungen November 15by Karl M. Slavik Kurze Geschichte der Film-, Videound Fernsehtechnik 2

3 Kurze Geschichte > Eadweard Muybridge stellt erstmals Serienaufnahmen (Bewegtbilder) her 1883 Elektrisches Teleskop von Paul Nipkow (Nipkow-Scheibe), 30 Zeilen Nitrozellulose als flexibler Schichtträger für Film Edison Kinematograph, 35mm Film mit 4 Perforationslöchern (4-Perf) Erste öffentliche Filmvorführung der Gebrüder Lumiere (28.12.) 1897 Ferdinand Braun, Jonathan Zenneck: Kathodenstrahlröhre, CRT mm Film wird weltweit standardisiert Zweistreifige Farbfilm-Projektion (orange und blaugrün, "Komponenten") 1926 John Logie Baird (Schottland), etwa 120 Zeilen 1931 Erstes elektronisches TV, Manfred von Ardenne, Berlin März, weltweit erster regelmäßiger Fernsehdienst, Berlin, 180 Zeilen 1936 Olympische Sommerspiele Berlin, erste Ikonoskop-Kamera 1939 Eidophor, erster elektronischer Großbildprojektor wird patentiert Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Kurze Geschichte > 1877 Eadweard Muybridge Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 3

4 Kurze Geschichte > Nipkow: zeilenweise, synchron Aus Digitale Film- und Videotechnik von U. Schmidt, Hanser Verlag Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Kurze Geschichte > John Logie Baird Massiven Auftrieb erhielt die junge Video- und Fernsehtechnik durch die Erfindung der Elektronenröhre 1906 (Lieben, de Forest). Erstmals konnten damit Signale verstärkt werden. John Logie Baird, 1926 Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 4

5 Kurze Geschichte > 1938 Produktion eines Fernsehspiels, Deutschland, etwa 1938 (120 Zeilen Video). Zunächst auf Film oder direkt gesendet. Band erst ab 1965 (2" Quadruplex) Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Kurze Geschichte > Elektrisches Teleskop von Paul Nipkow (Nipkow-Scheibe), 30 Zeilen 1897 Ferdinand Braun, Jonathan Zenneck: Kathodenstrahlröhre, CRT 1926 John Logie Baird (Schottland), etwa 120 Zeilen 1931 Erstes elektronisches TV, Manfred von Ardenne, Berlin März, weltweit erster regelmäßiger Fernsehdienst, Berlin, 180 Zeilen 1936 Olympische Sommerspiele Berlin, erste Ikonoskop-Kamera BBC bietet "HD" mit 405 Zeilen 1939 Eidophor, erster elektronischer Großbildprojektor wird patentiert TV-Geräte in den USA, 480 Zeilen 1955 Farbfernsehen (NTSC) in USA, 480 aktive Zeilen 1965 Erste Videorecorder: 2 Quadruplex von RCA und Ampex 1967 Farbfernsehen (PAL) in Europa, BRD, 575 aktive Zeilen (625 Summe) 1969 EIAJ-Format, erste ½ Consumer-Recorder von Sony Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 5

6 Kurze Geschichte > Einstreifiger Farbfilm (Wiedergabe) von Technicolor TV-Geräte in den USA, 480 Zeilen 1955 Farbfernsehen (NTSC) in USA, 480 Zeilen 1965 Erste Videorecorder: 2 Quadruplex von RCA und Ampex 1967 Farbfernsehen (PAL) in Europa, BRD, 576 Zeilen 1969 EIAJ-Format, erste ½ Consumer-Recorder von Sony 1973 Elvis Presley Aloha from Hawaii. Erstes Pop-Konzert via Satellit, in Farbe und mit Stereo-Ton 1975 Erste kommerziell verfügbare CRT-Projektoren (Cathode Ray Tube) B-Format und 1" C-Format (Magnetaufzeichnung), SMPTE 1976 VHS-Videoformat (Vector Helical Scan) von JVC, etwa 240 Zeilen 1980 Laserdisc. Analog-Bild und Ton, ab 1992 digitaler Ton (AC-3) 1986 Betacam SP, analoges Komponentenformat (Y-P B -P R ) von Sony Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Kurze Geschichte > USA 1958 Familie beim Fernsehen, USA 1958 (480 Zeilen, SW) Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 6

7 Kurze Geschichte > Von Tape zu Tapeless DVD Laserdisc Sony ½ VTR, 1969 Laserdisc & DVD Viele Konsumenten vollzogen bereits ab 1980 (Laserdisc) oder spätestens ab 1996 (DVD) den Umstieg von Videoband (VHS-Cassetten) auf "Tapeless". Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Kurze Geschichte > Erste LCD-Panels für Video, LCD-Projektoren 1992 Olympische Spiele in HD-MAC: Zeilen/s, 50 Halbbilder/s, 16: Sony Digital Betacam, digitale Komponenten (Y-C B -C R ), 576 Zeilen Non-Linearer Schnitt (NLE) wird praxistauglich, > 50 Gigabyte möglich 1995 D-ILA (JVC Hughes) und DLP (Texas Instruments): HD-Projektion 1996 DVD-Video. Digitales Bild & Ton, Datenreduktion, etwa 576 Zeilen 2000 Videostreaming im Internet, Beginn von IPTV, 240 Zeilen und mehr "Star Wars Angriff der Klonkrieger" Erster digital gedrehter Kinofilm HDTV-Kanäle auf Astra: HD1, 3 x Premiere, Sat1, Pro Erste volldigitale, standardisierte Kinos (E-Cinema, D-Cinema, dci) 2007 Blu-Ray-Disc, 70 Kanäle in Europa in HDTV, "Tapeless" greift um sich 2011 > 414 Kanäle in Europa in HDTV, viele Broadcaster komplett "tapeless" 2012 Trend geht zu 4K Auflösung (4.096 x 2.160), bald 16K ( x 8.640)? Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 7

8 Visuelle und auditive Wahrnehmung Ortsauflösung Wahrnehmung > Menschliche Empfindung Hermann von Helmholtz. Seit mehr als 170 Jahren wird die menschliche Empfindung auraler und visueller Eindrücke untersucht. Ein Beispiel: 1842 entdeckte Hermann von Helmholtz die Funktion von Nerven und Ganglienzellen. Er erstellte empirische Theorien zur Tiefenwahrnehmung, zum Farbensehen und zur Bewegungswahrnehmung veröffentlichte er "Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik" Moderne analoge und digitale Signalverarbeitung basiert auf diesen Erkenntnissen und ermöglicht damit auch genauere, wahrnehmungsgerechte Kodierung von Ton und Bild. Seite by Karl M. Slavik - artecast 8

9 Wahrnehmung > Basis filebasierender Systeme Die visuelle und auditive Wahrnehmung des Menschen ist die Basis und der Maßstab aller ton- und videotechnischen Systeme sowie der kreativen Ton- und Bildgestaltung. Darüber hinaus sind die Charakteristika der menschlichen Wahrnehmung die Grundlage vieler Datenreduktions- und Kompressions-Algorithmen auf Basis wahrnehmungsbasierender Kodierung (Perceptual Coding). Um filebasierende, nichtlineare Systeme im Kontext der menschlichen Anforderungen beurteilen und richtig einsetzen zu können, benötigen wir einen Überblick. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Wahrnehmung > Sehen, Definition Sehen als Gesamtprozess beruht auf zwei Vorgängen: Bildwandlung Optische Signale (Lichtreize) werden im Auge (Augenlinse) fokussiert, auf der Netzhaut abgebildet und als elektrische Signale (Nervenimpulse) via Sehnerv zum Gehirn transportiert. Bildwahrnehmung Die Nervenimpulse werden im Gehirn ausgewertet, bearbeitet (u.a. gedreht), interpretiert, gespeichert und bei Bedarf abgerufen. Mustererkennung. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 9

10 Wahrnehmung > Sehen, Auge Hornhaut Filter, Schutz Iris Blende Linsenmuskel & Linse Schärfe (Autofocus) Netzhaut Bildwandler Aus Professionelle Videotechnik von U. Schmidt, Springer Verlag Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Wahrnehmung > Sehen, Fakten Gesichtssinn H 180 Grad x V 30 Grad (Sehfeld) Ortsauflösung: 10 Linienpaare / Grad (entspricht 20 Zeilen pro Grad). Die visuelle Darstellung wird als umso realistischer empfunden, je weiter das Gesichtsfeld ausgefüllt wird (Prinzip der Total Immersion, z.b. bei IMAX oder Breitwand-Formaten wie Cinemascope). Ab etwa Vollbildern pro Sekunde ist eine fließende Bewegung wahrnehmbar, ab etwa 50 Vollbildern völlig flackerfrei. Sichtbare Wellenlängen: nm (ca. 1 Oktave) Hörbare Wellenlängen: 0,017 m 17 m (10 Oktaven) 6 x10 6 Zäpfchen (für Farbwahrnehmung bei L > 10 cd/m²): 6 Megapixel 120 x10 6 Stäbchen (bei Leuchtdichte L < 0,08 cd/m²): 120 Megapixel Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 10

11 Wahrnehmung > Sehen, Ortsauflösung Ortsauflösung Aus Professionelle Videotechnik von U. Schmidt, Springer Verlag Faustformel für Mindestbetrachtungsabstand: a 576 = H x 6 a 1080 = H x 3 Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Wahrnehmung > Bildwechselfrequenz in B/s oder fps Ab etwa 15 B/s erkennen wir keine einzelnen Bilder mehr, sondern einen kontinuierlichen Fluss visueller Information. Ab etwa 50 B/s gelten Bewegtbilder als "flimmerfrei". Kinofilm arbeitet weltweit, egal ob analog oder digital, mit 24 B/s (2 x 24 B/s bei stereoskopischer 3D Projektion). TV und Disc-Medien bieten Bildwechselfrequenzen zwischen 23,98 und 60 B/s, entweder interlaced (i) oder progressive (p). Das derzeitige Ziel liegt bei 120 B/s (p). Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 11

12 Wahrnehmung > Sehen, Gesichtsfeld Das vom Menschen "bevorzugte" Sehfeld bei Bewegtbildern oder in der Natur entspricht in etwa dem Bildseitenformat 16:9 (Inhalt wird "auf einen Blick" erfasst). Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Wahrnehmung > Bildseitenverhältnisse Dem "bevorzugten Sehfeld" werden einige Bildseitenverhältnisse besonders gut gerecht. Manche übertreffen diesbezüglich sogar die menschliche Wahrnehmung und erlauben - je nach Abstand von der Bildfläche - eine "Total Immersion" (IMAX, Cinemascope,...) 1.78:1 1.85:1 Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 12

13 Wahrnehmung > Was ist HD, High Definition? Der Begriff HD ist immer relativ - bezogen auf den Menschen. Im Vergleich zu 120 und später 180 Zeilen ( , Deutschland) bot die BBC bereits 1936 HDTV mit 405 Zeilen (System Marconi/EMI). Im Vergleich dazu wäre PAL mit 576 aktiven Zeilen Super-HDTV. Kurzum: HD beschreibt visuelle Systeme, deren temporale und örtliche Auflösung die Auflösung der menschlichen Wahrnehmung in einem bestimmten Betrachtungsabstand (!) übertrifft. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Definitionen > Codec und Konsequenzen Vergleich NTSC HDTV Bildausschnitt Bedingt durch größere Auflösungen und größere Bildschirme "versendet" sich bei HD deutlich weniger als bei SD. Codecs müssen daher klug gewählt, richtig und "nativ" genutzt werden, um sichtbare Artefakte (Bildstörungen) zu vermeiden! Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 13

14 Wahrnehmung > Sehen, Ortsauflösung, Ortsfrequenz Die Ortsauflösung beschreibt die Fähigkeit eines visuellen Systems, parallel verlaufende Linien (hell/dunkel) zu unterscheiden. Sie hängt vom Modulationsgrad (= Kontrast) und von der Beleuchtungsstärke ab. Die Ortsauflösung ist bei statischen Vorlagen am besten, bei bewegten Vorlagen schlechter. Aus Kameramann 09/2007, Quelle: Arnold & Richter (ARRI) Größerer Kontrast wird als Schärfe und damit erhöhte Auflösung empfunden Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Wahrnehmung > Ortsfrequenz, Modulationstiefe Aus Kameramann 09/2007, Quelle: Arnold & Richter (ARRI) Kontrast ist die Modulationstiefe der Helligkeit, also der Unterschied Hell > Dunkel. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 14

15 Wahrnehmung > Sehen, Kontrastumfang Kontrast ist der Unterschied zwischen den hellsten und dunkelsten Stellen eines Bildes. Größerer Kontrast wird als Schärfe und damit erhöhte Auflösung interpretiert.. Je größer der Kontrastumfang eines Systems, um so mehr Durchzeichnung ist möglich, umso mehr Helligkeitsunterschiede, Graustufen und Details werden erkannt. Auch vom Codec? Übliche (realistische) Kontrastumfänge: Menschliches Auge: Film (photochemisch): ~ 1: = 20 Blendenstufen = 120 db ~ 1:500 = 9 Blendenstufen = 54 db Fernsehen (minimal, analog): ~ 1:32 = 5 Blendenstufen = 30 db Digital Cinema, HDTV: Digital Cinema Camera: ~ 1:500 = 9 Blendenstufen = 54 db ~1:3980 = 12 Blendenstufen = 72 db Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Wahrnehmung > Sehen, Ortsauflösung Visuelle Prüfung der Ortsfrequenz-Grenze mit "Frequenzbesen", ähnlich dem Siemensstern (Testbild) bei analoger und digitaler Technik. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 15

16 Wahrnehmung > Sehen, Kontrastumfang Beim Kontrastverhalten (Blendenumfang) zählt nicht nur der maximale, theoretische Kontrast der Kamera, der durch den SNR (Signal to Noise Ratio, Rauschabstand) vorgegeben ist (ausgedrückt in db). Ebenso wichtig ist das Verhalten des Aufzeichnungs- und Übertragungsverfahrens (Codec) und die Wiedergabe. Streulicht und Reflexionen auf dem Monitor oder der Leinwand? Übliche (realistische) Kontrastumfänge bei der Wiedergabe: Röhrenmonitor: Filmprojektion: Plasma-Monitor: LCD-Monitor* ) : ~ 1:2000 = 11 Blendenstufen = 66 db ~ 1:126 = 7 Blendenstufen = 42 db ~ 1:2000 = 11 Blendenstufen = 66 db ~ 1:1000 = 10 Blendenstufen = 60 db Die obigen Werte gelten nur in abgedunkelten Räumen. * ) LCD ohne Intelligent Backlight Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Wahrnehmung > Photometrische Größen Größe Formelzeichen SI-Einheit Beleuchtungsstärke E V lx Lux Bemerkung Belichtung H V lx s Lux mal Sekunde Brechwert D m -1 Reziproke Länge Brennweite f m Üblich in mm Farbtemperatur T CP K Kelvin+ Leuchtdichte L V cd/m ² Candela pro m² Lichtausbeute η lm/w Lumen pro Watt Lichtmenge Q V lm/s Lumen pro Sekunde Lichtstrom Φ V lm Lumen Lichtstärke l V cd Candela Ortsauflösung R lp/mm lp/ Linienpaare pro mm Linienpaare pro Grad Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 16

17 Wahrnehmung > Hören, Definition Unser Ohr ist die Schnittstelle zwischen mechanischen Schallwellen und unserer Wahrnehmung. Hören als Gesamtprozess basiert auf zwei Grundelementen: Schallwandlung: Das Ohr dient zur Schallwandlung und Vorverarbeitung (Filterung) Schallwahrnehmung erfolgt im Gehirn: Wahrnehmung, Auswertung, Speicherung, Wiedererkennung Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Wahrnehmung > Hören, das Ohr Aussenohr Mittelohr Innenohr Ohrmuschel Ohrkanal Trommelfell Hörnerv Gehörknöchelchen (Hammer, Amboss, Steigbügel) Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 17

18 Wahrnehmung > Hören, Fakten Gemischt analog-digitales System (hybrid) Frequenzgang des gesunden Ohres: Hz (Neugeborenes) Frequenzgang ist schalldruckabhängig Bandbreitenverlust: Etwa Hz pro Jahr (von oben nach unten) Wahrnehmungsbandbreite jedoch: 1 Hz Hz (Intermodulationen) Systemdynamik des Gehörs: Etwa 120 dba Räumliche Wahrnehmung: horizontal ± 1-3 Grad Richtcharakteristik, frequenzabhängig Klirrfaktorwahrnehmung: Je nach Frequenz k = 1,2-3 % Ideale Mischlautstärke in Regie: SPL = 75 bis 95 dba Maximale Tonhöhenerkennung: SPL = dba Basierend auf: Ears are Analogue? Artikelserie von Dr. Wesley A. Bulla, AudioMedia, Februar - April Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Wahrnehmung > Hören und Sehen, Fazit Erst wenn die Qualität eines audio-visuellen Systems den Fähigkeiten der menschlichen Wahrnehmung gerecht wird oder sie übertrifft, kann man von echter Qualität sprechen. Content is king. But technology is the kings best friend. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 18

19 Bildabtastung bei SD und HD Bildwandlung > Grundsätzliches zur Abtastung Video ist ein flüchtiges Medium. Während die Bewegung beim photochemischen Film mit jeder Belichtung in ein vollständiges Einzelbild zerlegt wird, liefert ein Videosignal lediglich einen Bildpunkt pro Zeitpunkt - zusammengefasst in Halboder Vollbilder. Die Helligkeitswerte der optischen Abbildung werden zeitlich (25 B/s) und räumlich (Pixel H x V) quantisiert erst darauf folgt die eigentliche Digitalisierung des Signals. Die Abtastung erfolgt bei Wandlerröhren zeilenweise kontinuierlich, bei CCDs und CMOS zeilen- und spaltenweise diskret (Pixelmatrix). Sie stehen als Information über die einzelnen Bildpunkte bereit und werden seriell (also nacheinander) übertragen. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 19

20 Bildwandlung > Abtastung, Informationsdichte PAL 576i/25: 625 Zeilen, davon 575 (576) aktive Zeilen, interlaced. 25 Bilder pro Sekunde, Zeilenfrequenz Hz, Bildpunkte pro Sekunde HDTV 720p/50: HDTV 1080i/25: HDTV 1080p/50: 1280 x 720, 50 Vollbilder/Sekunde, progressive Bildpunkte pro Sekunde. 3,84-fache Informationsdichte gegenüber SD! 1920 x 1080, 50 Halbbilder/Sekunde, interlaced Bildpunkte pro Sekunde. 4,3-fache Informationsdichte gegenüber SD! 1920 x 1080, 50 Vollbilder/Sekunde, progressive Bildpunkte pro Sekunde. 8,64-fache Informationsdichte gegenüber SD! Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Bildwandlung > Zeilenweise Abtastung, Quantisierung Aus Professionelle Videotechnik von U. Schmidt, Springer Verlag Bildabtastung beginnt links oben, dann zeilenweise bis rechts unten. Räumliche (H x V) und zeitliche (B/s) Quantisierung. Seite by Ing. Karl M. Slavik - artecast 20

21 Bildwandlung > Signalverlauf Aus Professionelle Videotechnik von U. Schmidt, Springer Verlag Bei hellen Bildpartien steigt die Spannung an (analoges Signal, max. 0,7 V). Seite by Ing. Karl M. Slavik - artecast Bildwandlung > Helligkeit und Signalspannung Steigt die Helligkeit, steigt auch die Signalspannung. Mit Waveform- Monitoren kann der Verlauf der analogen oder digitalen Video- Signalgröße zeilen- und pixelweise dargestellt werden. Fotos: K. M. Slavik Helligkeitsverlauf an einer Graukarte, der gleiche Verlauf in einer Zeile, dargestellt auf dem Waveform-Monitor. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 21

22 Bildwandlung > Was ist grau... Der mittlere Grauwert ist definiert als eine Fläche mit einer Lichtabstrahlung von 18 % dem mittleren Remissonswert zwischen zeichnungslosem Weiß und tiefem Schwarz; bezogen auf einen wiedergebbaren Kontrastumfang von fünf Belichtungsstufen ( => Zonenbelichtung). Neutralgrau errechnet sich ja logarithmisch. 18% grau sind RGB = 128. Fotos: K. M. Slavik Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Bildwandlung > Vertikalaustastung, Halbbilder (PAL) Aus Professionelle Videotechnik von U. Schmidt, Springer Verlag 50 Halbbilder ergeben 25 ganze Bilder pro Sekunde! Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 22

23 Bildwandlung > Vor- und Nachteile von Interlaced Bereits bei der Einführung von TV in den 1930er Jahren bestand der Wunsch nach Vollbild-Abtastung. Um jedoch die benötigten Übertragungsbandbreiten (in MHz) klein zu halten, entschloss man sich zur Halbbild-Übertragung. Ähnliches gilt heute auch bei SD 576i/25 (PAL) oder HD 1080i/25, um die Datenraten (in Mbit/s) klein zu halten. Halbbilder... Fields Erstes Halbbild (Field 1), ungerade Zeilen... Odd Field Zweites Halbbild (Field 2), gerade Zeilen... Even Field Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Bildwandlung > Halbbild-Reihenfolge Von einem Halbbild zum nächsten treten Bewegungsunterschiede auf. In der US-amerikanischen Fernsehnorm NTSC 480i/29,97 liegen die Zeilen des zweiten Halbbilds über denen des ersten Halbbilds, beim europäischen PAL 576i/25 ist dies genau umgekehrt. Fehlermöglichkeiten: Die Halbbild-Reihenfolge kann innerhalb eines Frames verwechselt werden, oder auch über zwei Frames hinweg (z.b. Halbbild 1 von Frame 2 VOR Halbbild 2 von Frame 1). NTSC PAL Field 1 Field 2 Field 1 Field 2 Die Halbbildreihenfolge muss vor allem beim Einspielen (Capture, Ingest) in file-basierende Systemen beachtet werden > Fehlermöglichkeiten! Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 23

24 Bildwandlung > Halbbild-Dominanz Das aus einem ersten und einem zweiten zusammengehörigen Halbbild bestehende Vollbild wird mit Halbbilddominanz 1 gekennzeichnet. Im Gegensatz dazu beschreibt eine Halbbilddominanz 2 ein Vollbild, das aus der Reihenfolge eines zweiten und eines ersten NICHT zusammengehörigen Halbbildes besteht - z.b. an einem Schnittpunkt. Ergebnis als Stand- oder Bewegtbild: Flimmern (Stutter). Kontrollmöglichkeit: Echter (!) Video-Monitor (im Underscan-Modus).. NTSC PAL Field 1 Field 2 Field 1 Field 2 Halbbilddominanz 1 ist bei NLEs die gebräuchliche Einstellung. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Bildwandlung > Vor- und Nachteile von Interlaced Quelle: Martin Fiedler, sci-works GmbH. Die zwei aufeinander folgenden Halbbilder haben NICHT den selben Zeitindex (ϕ), da sie aus unterschiedlichen Abtastungen stammen: Bei PAL 576i/25 (50 Halbbilder) um 20 ms verschoben Bei HD 1080i/25 (50 Halbbilder) um 20 ms verschoben Beim Verweben (De-Interlacing) der Bilder kommt es unweigerlich zu Bewegungsunschärfen und De-Interlacing-Artefakten. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 24

25 Bildwandlung > De-Interlacing, Methoden Hochwertiges De-Interlacing ist wichtig, da übliche Flach- Bildschirme und Projektoren prinzipbedingt nur Vollbilder darstellen können. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Bildwandlung > De-Interlacing Bobbing Die fehlenden Zeilen von HB 1 und HB2 werden durch Interpolation errechnet. Diese neuen, vollständigen Vollbilder werden nacheinander gezeigt, was die effektive Bildwechselfrequenz verdoppelt. Blending Die fehlenden Zeilen von HB 1 und HB2 werden, ähnlich wie bei Bobbing, durch Interpolation errechnet. Die beiden Vollbilder werden überblendet. Motion Compensation und Adaptives De-Interlacing Bewegungsanalyse und Rekonstruktion von Zwischenzeilen anhand vorhergehender und nachfolgender Halbbilder. Seite by ARD.ZDF Medienakademie November und Karl 15 by M. Karl Slavik M. -Slavik artecast 25

26 Bildwandlung > Vollbild und psf Vollbildverfahren (Progressive Scan) Dabei gibt es keine zeilenverschränkten Halbbilder (interlaced), sondern echte Vollbilder. Dadurch wirkt das Bild bei ausreichender Bildwechselfrequenz (!) schärfer und ruhiger, außerdem wird Zeilenflimmern vollständig eliminiert. Zwei Möglichkeiten bestehen zur Vollbildübertragung: Echt als ganze Progressive Frames, z.b. 720p/50, 1080p/50 Unecht als Progressive Segmented Frames, z.b. 1080psF/25, Seite by ARD.ZDF Medienakademie November und Karl 15 by M. Karl Slavik M. -Slavik artecast Bildwandlung > Progressive Segmented Frame, psf Bei psf werden zwei aufeinander folgende Halbbilder mit demselben Zeitindex (ϕ) gebildet, z.b. aus dem Vollbild einer Kamera oder mittels vorhergehendem De-Interlacing (z.b. Weave-Methode). Da die übertragene Datenmenge gleich bleibt, wird durch die Verdopplung der Zeilen- oder Vertikal-Auflösung die zeitliche (temporale) Auflösung halbiert. > z.b. 1080psF/25 statt 1080p/50 Auch HDCAM, HDCAM SR und XDCAM HD 4:2:2 unterstützen psf. Seite by ARD.ZDF Medienakademie November und Karl 15 by M. Karl Slavik M. -Slavik artecast 26

27 Bildwandlung > Abtastung, Wandler, Farbsignal Aus Sony Produktliteratur CCD-Bildwandler, 4:3 Strahlenteiler (Prisma oder dichroitische Spiegel) R Fokussiertes Licht G 8 oder 10 Bit B Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Bildwandlung > Abtastung, 3-Chip Wandler Aus Panasonic Produktliteratur Bei 3-Chip-Kameras werden die Farbauszüge mit dichroitischen Spiegeln oder mit einem Farbteilerprisma hergestellt > Verlust an Empfindlichkeit. Übliche Bildwandler sind CCD (Charge Coupled Device) oder CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) mit jeweils individuellen Vor- und Nachteilen. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 27

28 Bildwandlung > 1-Chip-Wandler mit CFA, Bayer-Maske Aus ARRI Produktliteratur Fokussiertes Licht CCD-Chip mit Bayer Maske CFA (Colour Filter Array) - 25% Blau, 25% Rot, 50% Grün - echte Auflösung daher ein Viertel (!) der vorhandenen Chip-Pixel. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Bildwandlung > 1-Chip-Wandler mit CFA, Bayer-Maske Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 28

29 Bildwandlung > RGB Übertragung, analog Diskrete (einzelne) Übertragung aller 3 Signale: RGB + Sync Optik Spiegelprisma, Trennung in R-G-B Ablenkspulen 3 Strahlenkanonen Andere Verfahren nach "Matrizierung": Analoge Komponenten als Y-U-V und Y-P B -P R Digitale Komponenten als Y-C B -C R Bild aus Professionelle Videotechnik von U. Schmidt, Springer Verlag Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Bildwandlung > Was ist Bildqualität? Die objektive Qualität eines Bewegtbildes wird von zahlreichen Faktoren bestimmt, die Zeilenzahl ist nur eine von vielen: Verzeichnungen (Abberationen) des Objektivs Qualität des Bildwandlers plus Elektronik (SNR, Gammakurve) AD-Wandlung, Sampling: 4:4:4, 4:2:2... oder gar 3:1:1, 4:1:1, 4:2:0? Abtastung: Halb- oder Vollbildverfahren Bildwechselfrequenz: 720p/120 wäre z.b. deutlich bewegungsschärfer als 1080p/50 Codec (Coder-Decoder, Kodier-Dekodier-Algorithmus) Signalübertragung (FBAS, Komponenten, analog, digital,...) Menschliche Faktoren (Wissen & Können) Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 29

30 Bildseitenverhältnisse Seitenverhältnisse > Film, Video, TV Bildseitenverhältnisse beschreiben das Verhältnis der Bildhöhe zur Bildbreite und damit auch das Timing der Synchronimpulse (H-Sync, V-Sync). Bezeichnung Anwendung Seitenverhältnis Kino Academy 35 mm "Normalfilm" SDTV & Computer 1,33:1 = 4:3 Widescreen EU SDTV, HDTV 1,78:1 = 16:9 Kino Breitwand Film 1,85:1 = 16,65:9 Kino Cinemascope Film 2,35:1 = 21,15:9 Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 30

31 Seitenverhältnisse > Entwicklung Marc Robson, Erdbeben (Cinemascope, 1:2,35), 1974 Marc Caro & Jean-Pierre Jeunet Delicatessen (Kino 1:1,85), 1991 Wolfgang Petersen Das Boot (TV-Fassung 16:9 = 1:1,78), 1981 Wolfgang Petersen Das Boot (TV-Fassung 4:3 = 1:1,33), 1981 Fritz Lang M Eine Stadt sucht einen Mörder, 1931 Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Seitenverhältnisse > Film, Video, TV Zur Anpassung an die Formate elektronischer Medien (TV, DVD, BD) wie 4:3 oder 16:9 wird meist mit Pan & Scan gearbeitet. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 31

32 Wahrnehmung > Seitenverhältnisse, Auflösung, Standards Standard SD NTSC (und "echtes" VGA) Bilder pro Sekunde 30/29,97 (60 Halbbilder) Effektive Bildauflösung (H x V) bei 4:3 Effektive Bildauflösung (H x V) bei 16:9 640 x x 360 SD PAL 25 (50 Halbbilder) 720 x 576 (768 x 576) 720 x 432 (768 x 432) HD 720p/50 50 Vollbilder 960 x x 720 HD 1080i/25 25 (50 Halbbilder) 1440 x x 1080 HD 1080p/25 25 Vollbilder 1440 x x 1080 HD 1080p/50 50 Vollbilder 1440 x x 1080 Digital Cinema 2k 24 oder 48 Vollbilder 1440 x x 1080 Digital Cinema 4k 24 oder 48 Vollbilder 2880 x x 2160 Digital Cinema 8k 24 oder 48 Vollbilder 5760 x x 4320 Digital Cinema 16k 24 oder 48 Vollbilder x x 8640 Bei HDTV mit 720 und 1080 Zeilen ist nur 16:9 erlaubt! Seite by ARD.ZDF Medienakademie November und 15by Karl M. Karl Slavik M. -Slavik artecast Auflösung > Bedeutung HDTV erreicht mit 1920 x 1080 (HDTV) bzw x 1080 (2 K) sein derzeitiges Maximum. Wenige elektronische Kameras (ARRI D20/D21, RED One, Thomson Viperstream) bieten deutlich mehr (4K). 35 mm-film liegt bei derzeit 5 K bis 6 K (in der Abtastung) und wird stetig weiterentwickelt. Das Maß der Orts-Auflösung beim Film ist die Anzahl der senkrechten Linien, die man nebeneinander abbilden und getrennt wahrnehmen kann. Bei einer Auflösung von 4 K sind also einzelne Linien in der Bildbreite nebeneinander darstellbar (Ortsauflösung). Nicht nur die Wiedergabequalität profitiert davon, sondern vor allem die Post Production und die darauf folgende Datenreduktion für z.b. Sendung und Disc-Authoring (DVD, Blu-ray). Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 32

33 Seitenverhältnisse, Auflösung > Mögliche Bildgröße 1920 x x x 432 Heilwig Pfanzelter. Photo: K.M.Slavik, 2005 Große Auflösung ermöglicht große Bilddiagonalen ohne Verluste. Dadurch werden jedoch auch Kodier-Artefakte und andere Fehler besser wahrgenommen! Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Farbe und Farbraum bei SD und HD 33

34 Farbraum und Farbmodell > Definitionen Der Farbraum beschreibt, welches Farbspektrum von einem visuellen System (Film, Elektronik, Print) reproduziert werden kann. Die Skalierung erfolgt heute meist im CIE-Farbraum (Lichtwellenlänge in nm). Innerhalb des jeweiligen Farbraums existieren unterschiedliche Farbmodelle, z.b. (für additive Farbmischung) RGB, srgb, Y-P B -P R, Y-C B -C R und (für subtraktive Farbmischung) CMYK. Sollen verschiedene Farbmodelle (z.b. Bildschirm und Druck, PAL und NTSC, SD und HD) den exakt gleichen Farbton wiedergeben, müssen die Farben umgerechnet und angepasst werden (Transformation). Dies ist jedoch nur bedingt und verlustbehaftet möglich (Matrix-Koeffizienten). Die meisten CODECS sind für einen bestimmten Farbraum oder ein Farbmodell optimiert, in dem sie gute Ergebnisse liefern. Außerhalb liegende Farben werden nicht berücksichtigt. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Farbraum und Farbmodell > Definitionen Additive Farbmischung erzeugt mittels RGB, srgb, YUV, Y-P B -P R (analog) und Y-C B -C R (digital) fast jede sichtbare Farbe. Gold, Purpur und Neonfarben können elektronisch nicht "legal" erzeugt und (derzeit) nicht dargestellt werden. Ein Legalizer im Signalweg (Hardware oder Software) begrenzt das Videosignal auf den bei SD (PAL, NTSC) und HD möglichen Bereich. Das Vectorscope dient in Verbindung mit einem Referenz-Monitor - zur Überwachung der Farbsignalqualität. SD und HD verwenden gemäß Norm unterschiedliche Farbräume! Achtung bei Konvertierung, Transcodierung und Import! Achtung bei Monitor-Einstellungen (Auswahl des Farbraums, LUT)! Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 34

35 Farbraum > Digitales Fernsehen, 8 und 10 Bit Digitales Fernsehen kann je nach Auflösung (8 Bit, 10 Bit) - mehr sichtbare Farben darstellen als analoges Fernsehen. Es kommt das Y-C b -C r Farbmodell nach CCIR 601 zum Einsatz, das bei den meisten Arten der digitalen Bild- und Videokompression angewandt wird. Das System basiert (mit Unterschieden) auf dem analogen YUV-Farbraum. Der Unterschied liegt im Detail RGB, YUV, Y-P b -P r und Y-C B -C R lassen sich mit sehr geringen Fehlern bidirektional konvertieren. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Bildwandlung > RGB Diskrete (einzelne) Übertragung aller 3 Signale: RGB + Sync Optik Spiegelprisma, Trennung in R-G-B Ablenkspulen 3 Strahlenkanonen Andere Verfahren nach "Matrizierung": Analoge Komponenten als Y-U-V und Y-P B -P R Digitale Komponenten als Y-C B -C R Bild aus Professionelle Videotechnik von U. Schmidt, Springer Verlag Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 35

36 Bildwandlung > Matrizierung zu "Komponentensignalen" Aus Professionelle Videotechnik von U. Schmidt, Springer Verlag R G B Y = 0,3 R + 0,59 G + 0,11 B Y-(B-Y)-(R-Y) wird nach Pegelreduktion zu Y-U-V, weiter zu Y-P B -P R ACHTUNG: Y-(B-Y)-(R-Y) ist daher NICHT gleich Y-U-V oder Y-P B -P R!!! Y-U-V ist NICHT Y-P B -P R ist NICHT Y-C B -C R!!! Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Farbmodell > Farbkomponenten Y-U-V Das YUV-Farbmodell wird beim analogen Farbfernsehen (PAL und NTSC) verwendet (u.a. zur Quadratur-Modulation des PAL-Farbträgers). Es verwendet zur Darstellung der Farbinformation zwei Komponenten, die Luminanz (Helligkeit) Y und die Chrominanz (Farbanteil) C, wobei diese wiederum aus den zwei Unterkomponenten U und V besteht. Das analoge YUV-Farbmodell ist zwar eng verwandt mit dem analogen Y-P b -P r -Modell und dem digitalen Y-C b -C r -Modell, unterscheidet sich allerdings durch eine andere Skalierung und Differenzbildung. Farbraum RGB PAL. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 36

37 Farbmodell > Farbkomponenten Y-C B -C R, ITU-R BT 601 Das Y-C B -C R -Farbmodell nach ITU-R BT 601 (früher CCIR-601) wurde für als Standard für digitale Bildaufzeichnung beim Digitalfernsehen entwickelt. Es kommt bei JPEG-Bildern, MPEG-Videos und damit auch bei Disc-Medien (DVD) sowie den meisten anderen digitalen Videoformaten zum Einsatz. Das Y-C B -C R -Modell teilt die Farbinformation in die Grundhelligkeit Y (Luminanz) und die zwei Farbkomponenten C B (Colour Blue) und C R (Colour Red) auf. Die Umrechnung RGB zu Y-C B -C R folgt beim HDTV- Standard ITU-R BT.709 nach anderen Konstanten, entsprechend den Darstellungsmöglichkeiten von LCD- und Plasmabildschirmen im Farbraum srgb. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Farbraum > srgb für High Definition Parallel zur Normierung der Farbdarstellung für Computermonitore mit srgb wurden auch die Farbfernsehnormen überarbeitet und angepasst. Da im Prinzip für beide technische Systeme die gleichen elektronisch angeregten Ausgangssubstanzen zur Verfügung stehen (Phosphor, Plasma), sind die Möglichkeiten zur Darstellung von Farben fast gleich. Wie beim srgb-farbraum wurde besonders die Farbwiedergabe im Grün gegenüber einer besseren Rot- und Blaudarstellung zurückgestellt. Es kam zu parallelen Normungen, sodass neben dem EBU/ITU-R- Farbraum auch ein geringfügig abweichender SMPTE-C-Farbraum existiert. Mit der Einführung von HDTV setzt sich zunehmend der srgb-farbraum auch für Fernsehanwendungen durch. Siehe EBU 3213, ITU-R BT.470-2, SMPTE-C. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 37

38 Farbraum > Luminanz- und Chrominanzauflösung Die Weite des Farbraums wird in digitalen elektronischen Systemen durch die Auflösung oder Wortbreite (in Bit) beschrieben. Auflösung in Bit Mögliche Graustufen Luminanz-Auflösung Mögliche Farben Chrominanz-Auflösung (RGB = 3 x 8 Bit) ( RGB = 3 x 10 Bit) ( RGB = 3 x 12 Bit) ( RGB = 3 x 14 Bit) ( RGB = 3 x 16 Bit) Anwendung Consumer & Professional Video Professional Video & High End Postproduction Medizinische Systeme Signalverarbeitung Kamera, prof. Anwend. Signalverarbeitung Kamera, High End Signalverarbeitung Kamera, Highest End, Wissenschaftl. Systeme Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Farbraum > Farbdreieck, Schuhsohle oder Hufeisen Aus: Professionelle Videotechnik, U. Schmidt, Springer Verlag Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 38

39 Farbraum > Unterschiede FCC, EBU, Körperfarben Aus: Professionelle Videotechnik, U. Schmidt, Springer Verlag Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Farbraum > Farbtemperatur Der Farbton des Bildes wird von der Farbtemperatur des Lichts beeinflußt. Je nach Farbtemperatur der Lichtquelle kommt es zu einer Verschiebung des Weißpunktes, die durch einen Weißabgleich (White Balance) der Kamera oder Korrekturen der Lichtquellen (CB, CO) beim Dreh oder durch Colour Matching und Grading in der Post Pro ausgeglichen werden muß. Beispiele üblicher Farbtemperaturen (Angabe in Kelvin, K): Kerze: K (rötlich) Wolfram u.a. Temperaturstrahler: Etwa K (gelblich/orange) Film / TV Kunstlicht: K (normiert) Leuchtstoff-Lampen: Etwa K (grünlich) Mittagssonne: K (bläulich) Film / TV Tageslicht: K (normiert) CIE Normlicht für Monitore: K (D65) Mittagssonne: bis K (im nördlichen Fenster) Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 39

40 CIE-Farbraum > Film & Photo (CMY) Unterschiedliche Medien mit unterschiedlichen Farbsystemen (RGB, srgb, CMYK, Y-P B -P R ) bieten unterschiedliche Farbräume. E Weißpunkt Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast CIE-Farbraum > Fernsehen PAL/RGB Unterschiedliche Medien mit unterschiedlichen Farbsystemen (RGB, srgb, CMYK, Y-P B -P R ) bieten unterschiedliche Farbräume. E Weißpunkt Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 40

41 CIE Farbraum > RGB-Monitor Unterschiedliche Medien mit unterschiedlichen Farbsystemen (RGB, srgb, CMYK, Y-P B -P R ) bieten unterschiedliche Farbräume. E Weißpunkt Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast CIE Farbraum > srgb-monitor PAL-RGB Monitor srgb srgb Standard-RGB (Rot-Grün-Blau) wurde in Kooperation von Hewlett- Packard und Microsoft geschaffen, praktisch alle modernen Computerund Video-Flachbildschirme folgen diesem Standard. srgb ist in CCIR Rec 701 (XA/11) beschrieben. Es sind nicht alle mittels CMYK-RGB-Siebenfarbendruck druckbaren Farben darstellbar. D65 Weißpunkt bei definierter D65 Farbtemperatur = Normlicht als Weißpunkt für srgb Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 41

42 Bildwandlung > Signalüberwachung, WFM und VS Aus Professionelle Videotechnik von U. Schmidt, Springer Verlag Die Prüfung der Farbsignalqualität erfolgt im Betrieb (am Schnittplatz, in der Bildregie, im Ingest) mit dem Vectorscope und Waveform-Monitor (Hardware oder Plug-In) und einem Referenz-Monitor. Achtung auf richtige Skalierung & Farbraum! Beim Vectorscope beschreibt die Phasenlage (Winkel) die Farbe (Farbart), die Zeigerlänge (Vektor) die Intensität der Farbe. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Bildwandlung > Waveform-Monitor und Vectorscope Waveform-Monitor Vectorscope Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 42

43 Bildwandlung > Signalüberwachung, Vectorsope Zur Darstellung werden in der vertikalen Richtung das Farbdifferenzsignal R-Y (Rot minus Helligkeit) und in horizontalen Richtung das Farbdifferenzsignal B-Y (Blau minus Helligkeit) aufgetragen. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Grundlagen der Audio- und Videokodierung, Sampling, Subsampling 43

44 Digitales Video > AD-Wandlung Ton und Bild SDI Clock Mb/s 16:9 component HD Mb/s 16:9 component HD Um analoge Größen in Bits und Bytes zu verwandeln, werden Audio und Video digitalisiert. Jede Digitalisierung ist per Definition (gering) verlustbehaftet > siehe Shannon-Nyquist-Theorem. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Digitales Video > AD-Wandlung Ton und Bild Ein zeit- und wertkontinuierliches Analog-Signal wird durch regelmässige, extrem schnelle Messung in ein zeit- und wertdiskretes Digital- Signal umgewandelt. Abtastzeitpunkte und Abtastwerte (Samples) Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 44

45 Digitales Video > AD-Wandler Ton und Bild Die Umwandlung in ein zeit- und wert-diskretes Signal erfolgt mit einem ADC (Analog-Digital-Converter) Tiefpass Sample & Hold A to D Anti-Aliasing Quellcodierung Kanal- Codierung Kanalcodierung PCM, ITU 601, ITU Takt Die AD-Wandlung erfolgt bei Ton und Bild sehr ähnlich, jedoch mit völlig unterschiedlichen Wortbreiten (Bit) und Samplingfrequenzen (f s ). Daraus resultiert ein gänzlich unterschiedlicher Speicherbedarf pro Stunde. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Digitales Video > Abtastung (Sampling) Abtastfrequenz, Abtastrate. Angabe in Hz. Sie beschreibt die Anzahl der Messwerte (Samples), die einem analogen Signal pro Sekunde entnommen werden müssen, um es weitgehend (!) fehlerfrei zu beschreiben. Das Nyquist-Shannon-Theorem (benannt nach Harry Nyquist und Claude E. Shannon) lieferte bereits 1948 die theoretische Basis der Signalabtastung: f s > 2 x f sig Audio- oder Videosignale werden nur dann verlustarm abgetastet, wenn das Abtasttheorem eingehalten wird. Die Samplingfrequenz kann nicht beliebig gesteigert werden, da jede Erhöhung eine Vergrößerung der Datenrate bedeutet! Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 45

46 Digitales Video > Abtastfrequenzen AUDIO In der Praxis werden heute folgende Audio-Abtastraten verwendet: Medium R-DAT, Digital Satellite Radio (DSR) - nicht mehr aktuell R-DAT, CD, MiniDisc, MP3, AAC R-DAT, DVD-Video, Hörfunk, Fernsehen, Audio für digitales Video (MPEG/IMX, HDCAM, Tapeless), DVB Highend-Recording und Mastering, Ton bei DVD-Video (opt.) Highend-Recording und Mastering, Ton bei DVD-Audio (opt.) Super Audio CD (SACD), Direct Stream Digital (DSD, DxD) 1-Bit-Verfahren, 64-fache CD-f s f s Hz Hz Hz Hz Hz Hz PCM... Pulse Code Modulation Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Digitales Video > Sampling und Sub-Sampling bei Video Um Bandbreite (in MHz) und Datenrate (in Mbit/s) zu sparen, werden nicht alle Video-Signalkomponenten mit der vollen Informationsdichte abgetastet. Dieser Vorgang wird als Sub-Sampling (Unterabtastung) bezeichnet und ist der erste Schritt zur Datenreduktion: Analoges Fernsehen & Video: Die Helligkeitsinformation (Luminanz, Y) wird mit voller Bandbreite (~ 5,5 MHz) übertragen, die Farbinformation (Chrominanz, C) ist auf etwa die Hälfte (~ 2,75 MHz) bandbegrenzt: Y-U-V und Y-P B -P R. Digitales Fernsehen & Video: Die Helligkeitsinformation (Luminanz, Y) wird mit voller Abtastfrequenz gesampelt, die Farbinformation (Chrominanz, C) ist auf die Hälfte begrenzt: 4:2:2 in Form von Y-C B -C R. Menschliches Auge: Die Helligkeitsinformation wird mit etwa 120 Millionen Sensoren (Stäbchen) erfasst, die Farbinformationen (RGB) werden mit lediglich 6 Millionen Zäpfchen gewandelt. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 46

47 Digitales Video > Abtastfrequenzen VIDEO Quantisierung SD nach ITU-R BT 601, CCIR 601 ( D-1 ): 13,50 MHz für Luminanz (Y) = 4 6,75 MHz für Farbdifferenzsignale (P b, P r ) = 2 Daher auch 4:2:2 genannt. Auflösung 8 oder 10 Bit. Quantisierung HD nach ITU-R BT ,250 MHz für das Luminanz-, bzw. R-, G- und B-Signal = 4 37,125 MHz für die Farbkomponenten (Cb, Cr) = 2 Daher auch 4:2:2 genannt. Auflösung 8 oder 10 Bit. Mögliche und übliche Samplingverhältnisse: 4:4:4 für Highend-Graphik, Postproduction, Digital Cinema (auch 4:4:4:4) 4:2:2 Professionelle Videotechnik, Fernsehen 3:1:1 (HDCAM), 4:2:0 bzw. 4:1:1 DV-Format (DCT) und MPEG-2 Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Digitales Video > Sampling und Subsampling bei Video 4:4:4 Verwendet KEIN SUB-SAMPLING! Für RGB und Y-C B -C R eingesetzt. Jede Art der Bildmanipulation möglich, High-End-Qualität für Werbung, digitale Effekte, Filmabtastung, Digital Cinema. 4:4:4:4 bietet zusätzlichen Alphakanal. 4:2:2 Professionelle Videotechnik, fast (!) jede Manipulation (Chroma- Keying, etc.) ohne sichtbare Artefakte möglich. Broadcast. 3:1:1 Die Luminanz wird horizontal nur mit 3/4, also von Samples pro Zeile abgetastet. Die Chrominanz wird pro Zeile mit 480 von 1920 Samples abgetastet, also einem Viertel. 4:2:0 bzw. 4:1:1. Nur eingeschränktes Chroma- und Luma-Keying, Ränder fransen aus. Semiprofessionell, Heimbereich. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 47

48 Digitales Video > Sampling und Subsampling bei Video 1 Zeile Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y C B C B C B C B C B C B C B C B C B C B C R C R C R C R C R C R C R C R C R C R 4:4:4 Jede Bildinformation (RGB oder Komponenten Y- C B - C R ) wird H (horizontal) und V (vertikal) vollständig abgetastet. 1 Bildpunkt Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Digitales Video > Sampling und Subsampling bei Video Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y C B C B C B C B C B C B C B C B C B C B C R C R C R C R C R C R C R C R C R C R 4:2:2 Alle Y-Informationen werden vollständig abgetastet, H aber nur jede zweite Farbinformation von C B und C R. Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y C B C B C B C B C B C B C B C B C B C B C R C R C R C R C R C R C R C R C R C R 4:1:1 Alle Y-Informationen werden vollständig abgetastet, H aber nur jede vierte Farbinformation von C B und C R. Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y C B C B C B C B C B C B C B C B C B C B C R C R C R C R C R C R C R C R C R C R 3:1:1 Y-Informationen werden H nur zu 3/4 abgetastet und nur jede vierte Farbinformation von C B und C R. Je nach Codec erfolgt das Subsampling bei 4:1:1, 4:2:0 und 3:1:1 oft zeilenübergreifend und asymmetrisch, um möglichst genaue "Mittelwerte" zu bilden. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 48

49 Digitales Video > Sub-Sampling, Beispiele Unten: Farbinformation in SW dargestellt, um Verluste sichtbar zu machen. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Digitales Video > Sampling und Subsampling bei Video Subsampling wird bereits bei der AD-Wandlung des Videosignals in der Kamera, aber u.u. auch in Graphik-Workstations und NLEs beim Erstellen oder Rendern von Video-Files durchgeführt. Achtung: Je weniger Informationen ein Codec erhält, also z.b. 4:1:1 statt 4:4:4, umso schlechter wird das Endprodukt sein. Die "Berechnungsbasis" ist "zu dünn" und liefert "Artefakte" (sicht- und hörbare Störungen im Signal). Bildwandlung AD-Wandlung Chip 1440 x :1:1 > 4:2:2 Aufzeichnung Datenreduktion A z.b. ProRes Subsampling 4:2:2 Schnitt Datenreduktion B z.b. ProRes Subsampling 4:4:4 Kontribution Datenreduktion C z.b. MPEG-2HD Subsampling 4:2:2 Distribution Datenreduktion z.b. MPEG-4 Subsampling 4:2:0 KAMERA RECORDER NLE + DVE PLAYOUT SENDUNG Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 49

50 Digitales Video > Pixel-Ratio Digitales Video nach ITU-R BT.601 ("D1") verwendet: unter PAL rechteckige Pixel in horizontaler Anordnung unter NTSC rechteckige Pixel in vertikaler Anordnung. Computermonitore und Projektoren haben jedoch quadratische Pixel. Videos müssen bei der Digitalisierung vom Zeilenformat in dieses Pixelformat gewandelt werden. Wenn man versucht, eine (analoge) Bildzeile in quadratische Pixel umzuwandeln, bleibt das Bildverhältnis nicht gewahrt. Aus diesem Grund hat man in der professionellen Videobearbeitung sehr früh zur Digitalisierung statt quadratischer Pixel rechteckige Pixel eingesetzt. Aus 720 x 575 (PAL analog) wird 768 x 576 (PAL digital im NLE und auf dem NLE-Monitor) und beim Ausspielen wieder 720 x 575. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Digitales Video > Quantisierung (Auflösung) Resolution, Wortbreite. Angabe in Bit. Die Auflösung in Bit gibt an, in wie viele (binäre) Spannungsstufen ein analoges Signal zerlegt wird. n... Anzahl der Bit Auflösung = 2 n Die Auflösung kann nicht beliebig gesteigert werden, da jede Erhöhung um ein Bit eine Vergrößerung der Datenrate bedeutet! Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 50

51 Digitales Video > Quantisierung (Auflösung) Zu digitalisierender Zeitbereich (bei SD 64 µs pro Zeile inkl. H-Lücke) Zu digitalisierender Wertebereich (Spannung) Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Digitales Video > Quantisierung (Auflösung) Der Wertebereich wird üblicherweise LINEAR quantisiert, d.h. die Auflösung in Bit verteilt sich gleichmäßig über den gesamten Werte- Umfang (also Kontrastbereich beim Bild, Dynamik beim Ton). Verschiedene Systeme bieten auch NICHT-LINEARE Quantisierung, entsprechend der menschlichen Wahrnehmung logarithmisch, was vor allem für Highend Postproduction und Digital Cinema interessant ist: 10 log 12 log 14 log Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 51

52 Digitales Video > Quantisierung (Auflösung) Bits Anzahl möglicher Spannungsstufen Originalsignal vor AD-Wandlung Die Feinheit der Auflösung im Wertebereich steigt mit zunehmender Bitanzahl. Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast Digitales Video > Quantisierung, Wortbreiten bei Audio Medium Telefon (ISDN, GSM) Nichtlineare Codierung nach A-Law bzw. µ-law. DV-Format (Consumer) im 4-Kanal-Modus CD, R-DAT, DV-Format, DVCPro, DVCPro50, DVCProHD Sony MPEG-IMX (im 8-Kanal-Modus), Dolby Digital und Dolby E im 6-Channel Mode Alesis ADAT, Digibeta, Dolby E 8-Channel Mode Tascam DTRS, DASH-HR, praktisch alle Audioworkstations, DVD-Audio, DVD-Video, Sony MPEG-IMX im 4-Spur-Modus, HDCAM SR Super Audio CD (SACD), Direct Stream Digital (DSD, DxD) 1-Bit-Verfahren, 64-fache CD-f s Auflösung 8 Bit nichtlinear 12 Bit nichtlinear 16 Bit 20 Bit 24 Bit 1 Bit Seite by ARD.ZDF Medienakademie und Karl M. Slavik - artecast 52