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2 Kompression und Datenformate Kompression und Datenformate Kompression und Datenformate Videotechnik Videotechnik Farbe Medienarchitekturen Medienarchitekturen Authoring Authoring Audio Mediendesign Multimedia XML Multimedia XML Mobile Multimedia Fazit, Konsultationen Seite 2

3 Bildbearbeitung PS Bildbearbeitung PS Videobearbeitung FCP Videobearbeitung FCP Virtual Reality QTVR-Authoring Authoring Flash Authoring Flash Multimedia XML RSS, Podcast, SMIL Seite 3

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6 Analoges Video - Videosignal - Fernsehstandards und Dialekte - Composite-, Y/C-, YUV und RGB-Signale - VHS, S-VHS, Video8, Hi8, Betacam SP Digitales Video Normen und Formate - Digitalisierungsverfahren - D1..D6, BetaCam, Digital Betacam, - DV & Co. - MPEG2 basierte Formate - HDCAM, HDV Digitale Video-Signalübertragung - SDI, SDTI, HD-SDI - HDMI, DVB, IPTV AGENDA Seite 6

7 Interlaced Raster Zeilensprungverfahren Videosignal-Aufbau Austastlücken Synchronimpuls Fernseh-Dialekte: NTSC, PAL, SECAM & Co. Farbvideo-Signale: Composite-, Y/C-, YUV und RGB Videoformate: VHS, S-VHS, Video8, Hi8, Betacam SP Übersicht Analoges Video Seite 7

8 Ein Interlaced-Raster-System besteht aus zwei ineinander-greifenden Einzelbildern. Diese Methode, auch Zeilensprung- Verfahren genannt, wurde eingeführt, um die Videobandbreite bzw. die Bildwiederholrate möglichst klein zu halten. Ein Bild das nur 30-mal pro Sekunde neu geschrieben wird, fängt an vor dem menschlichen Auge zu zittern (Flicker). Beim Interlaced-Verfahren ist die Vollbild-Wiederholrate nur 25Hz (bzw. 30Hz). Durch den Aufbau der ineinander verzahnten Halbbilder mit der doppelten Frequenz wird das Auge jedoch getäuscht. Analoges Video Interlaced Seite 8

9 Das erste Halbbild beginnt mit den Zeilen 1, 3, 5 usw.. das zweite Halbbild füllt die Zeilen 2, 4, 6 usw. Heute bestehen die Bandbreite-Probleme nicht mehr, zudem möchte man die zeitliche Verzerrung der Einzelbilder vermeiden, weshalb das Interlaced- Verfahren bei neueren Anzeige-Standards nicht mehr angewendet wird. Analoges Video Interlaced Seite 9

10 Setzt man Halbbilder zu Vollbildern zusammen, entstehen unansehnliche Strukturen. Wer Halbbilder auf Computerbildschirmen darstellen will, muss mit Qualitätseinbußen rechnen. Analoges Video Interlaced Seite 10

11 Qualitätsverluste: - Grafikhardware setzt einfach die Halbbilder zu Vollbildern zusammen - Interpolation 25Hz/50Hz des Videos auf 75Hz des Computerbildes Zur Beurteilung von Videomaterial: Video- bzw. TV-Monitor unerläßlich! Analoges Video Interlaced Seite 11

12 Quelle: Schmidt, U. Professionelle Videotechnik, Springer 2000 Analoges Video Zeilensprungverfahren Seite 12

13 Quelle: Schmidt, U. Professionelle Videotechnik, Springer 2000 Analoges Video Videosignal Seite 13

14 25 Bilder/s (Europa) = Bilddauer 40ms (vertikale Periodendauer T V ) 625 Zeilen, d.h. Zeilendauer (horizontale Periodendauer) T H =64μs, entspricht 15,625 khz - Austastlücken: Abschaltung (Austastung) des Kathodenstrahls für den Rücksprung - 12μs horizontaler Zeilenrücksprung - 1,6ms vertikaler Zeilenrücksprung Analoges Video Austastung Seite 14

15 Quelle: Schmidt, U. Professionelle Videotechnik, Springer 2000 Analoges Video Austastung Seite 15

16 Quelle: Schmidt, U. Professionelle Videotechnik, Springer Zeilen pro Halb-bild ist der Strahl ausgeschaltet, d.h. von 625 Zeilen sind nur 575 nutzbar. Analoges Video Austastung Seite 16

17 Gleichlauf bei der Übertragung wird durch negative Synchronimpulse in der Austastlücke realisiert. Quelle: Schmidt, U. Professionelle Videotechnik, Springer 2000 Analoges Video Synchronimpuls Seite 17

18 NTSC (National Television System Commitee, 1953) - Zwei Farbinformationen als Modulation eines Trägersignals innerhalb des Frequenzbandes für die Helligkeitsinformation Zeilen - 29,97 Frames per second (fps, Vollbilder) - 59,94 Fields per second (60 Hz, Halbbilder) Analoges Video Fernseh-Dialekte Seite 18

19 PAL (Phase Alternation Line, 1967) - Modifikation von NTSC: Zeilenweise Phasenänderung der Farbträgersignale, dadurch störungsärmer (576) Zeilen - 25 Frames per second (fps, Vollbilder) - 50 Fields per second (50 Hz, Halbbilder) Analoges Video Fernseh-Dialekte Seite 19

20 SECAM (Séquentiel Couleur à Mémoire) - PAL sehr ähnlich: Farbsignal wird anders auf das Luminanzsignal aufmoduliert. Sequentielle Übertragung der Farbsignale. - s/w -Darstellung mit PAL-Empfänger x 625 (576) Pixel (Breite x Höhe) - 25 Frames per second (fps, Vollbilder) - 50 Fields per second (50 Hz, Halbbilder) Analoges Video Fernseh-Dialekte Seite 20

21 Format Zeilen Frequenz in Hz Subcarrier Frequenz in MHz Land NTSC-M ,58 USA, etc. NTSC-Japan ,58 Japan PAL-B ,43 viele PAL-D ,43 China PAL-G ,43 viele PAL-H ,43 Belgien PAL-I ,43 Großbritannien PAL-M ,58 Brasilien PAL-N ,43 Paraguay, Uruguay Bemerkung PAL-N ,58 Argentinien combination PAL ,43 China CD-Videoplayer NTSC (4.43) ,43 Spezial-Anwendungen SECAM ,406/4,25 Osteuropa, Frankreich Analoges Video Fernseh-Dialekte Seite 21

22 Anforderung an analoges Farbvideosignal: - kompatibel zum analogen s/w Videosignal - keine größere Bandbreite Deshalb: - keine direkte RGB-Codierung. - Teilung in Helligkeits- (Luminanz Y ) und Farbdifferenzsignal (Chrominanz C). - Chrominanzsignale werden auf die Farbhilfsträgerfrequenz (4,4 MHz bei PAL) aufmoduliert. Effekt: Wegfall der Chrominanz ergibt s/w-signal. Analoges Video Farbvideo-Signale Seite 22

23 Der wesentliche Unterschied ist die Anzahl der verwendeten Leitungen und die damit einhergehende Codierung der Videosignalbestandteile, Farb-, Helligkeits- und Synchron-Signal. Das Compositesignal vereinigt alle Signale auf einer abgeschirmten Leitung, es wird auch FBAS- (Farb-Bild-Austast-Synchron-) Signal genannt. Zur Kontaktierung des Composite-Signals wird die robuste BNC-Verbindung oder der gelb eingefärbte Cinch-Stecker verwendet. Analoges Video Farbvideo-Signale Seite 23

24 Das Y/C-Signal (auch S-Video oder Komponentensignal) kennt zwei Leitungen, eine ( Y ) transportiert die Helligkeitsinformation und das Synchronsignal, die andere (C) überträgt die Farbinformation, wie sie auch im FBAS-Signal enthalten ist. Durch die Trennung der Farbe (Chrominance) von der Helligkeit (Y = Luminance) werden Interferenzen zwischen beiden Signalen vermieden. Die Auflösung, die Bildschärfe und auch die Farbwiedergabe ist besser im Vergleich zum Composite-Signal. Neben dem abgebildeten Y/C-Steckverbinder werden vor allem RCA-(Cinch-)Steckverbinder für Y/C-Signale verwendet. Analoges Video Farbvideo-Signale Seite 24

25 Analoges Video Farbvideo-Signale Seite 25

26 Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B Analoges Video Farbvideo-Signale Seite 26

27 (G - Y) = - 0,51 (R - Y) - 0,19 (B - Y) Analoges Video Farbvideo-Signale Seite 27

28 Die beste Übertragungsqualität wird beim Transport der Bildinformation mit drei Leitungen RGB erreicht. Hier überträgt jede Leitung eine der drei Grundfarben (Farbkomponenten). Ein Farbhilfsträger wird nicht benötigt, daher ist die Decodierung unkritisch, die Bildschärfe und Farbwiedergabe ist am Besten. Zur Vermeidung einer vierten Leitung wird meist das Synchronsignal in die Grünkomponente integriert. Zur Kontaktierung am TV-Monitor wird oft die Scartbuchse verwendet. Analoges Video Farbvideo-Signale Seite 28

29 Analoges Video Farbvideo-Signale Seite 29

30 VHS: - Entwicklung von JVC, 1976 vorgestellt - 1/2 Kassetten bis 240min - FBAS mit verlegtem Chrominanzsignal (Colour Under Aufzeichnung) Linien Vertikalauflösung S-VHS: - Verbesserte Qualität durch höhere Luminanz-Bandbreite. - Dadurch bessere Kopierqualität, auch über mehrere Generationen. - Getrennte Führung von Y/C-Signal aber FBAS-Aufzeichnung! Wegen ihrer enormen Verbreitung wohl noch einige Jahre in Verwendung Analoges Video Videoformate Seite 30

31 Video8: - Amateur-Format von vielen Herstellern entwickelt - Ähnlich wie VHS, vor allem für Camcorder vorgestellt - 8mm-Bandbreite Hi-8: - höhere Qualität durch separate Führung des Farbsignals wie bei S-VHS (Luminanz noch besser als S-VHS) - Camcorder-Bandformat mit der größten Verbreitung Analoges Video Videoformate Seite 31

32 1988 vorgestellt (Sony, Ampex, Thomson, BTS) Weltweit dominierendes professionelles Analog-Format Komponentenaufzeichnung (Farbqualität!) Timecode-Unterstützung 1/2 Bandbreite, 2 Kassettengrößen (L/S mit 32min/108min Spielzeit) Volle PAL-Auflösung mit 500 Linien vertikal Vier Audiospuren (50Hz... 15kHz) digital (!) Unterstützung für Dolby C, PCM In den 90er Jahren wurden mit der Einführung von Betacam SP (oder dem Konkurrenzformat Panasonic MII) viele Studios für Komponentensignalverarbeitung umgestellt (3-fach Verkabelung BNC). Analoges Video Videoformate Seite 32

33 Übersicht Digitales Video Seite 33

34 CCIR: International Radio Consultative Committee. wurde durch ITU abgelöst. CCIR601 heißt heute ITU-R BT.601 behandelt die Konvertierung der YUV Signale in ein digitales Format über die Definition der Abtastraten der analogen Signale. Y-(Helligkeits-) Werte werden mit doppelt so hoher Frequenz wie U/V- (Farb-) Signale abgetastet. - 4:2:2 Abtastung bei einer Grundfrequenz von 3,375 MHz, d.h. 13,5 MHz Luminanz- und jeweils 6,75 MHz Chrominanzabtastung). D1 Aufzeichnung auf 19mm(3/4 )-Metalloxyd-Band. Digitales Video CCIR601 Seite 34

35 752 x 576 rechteckige Pixel; 4:2:2 Abtastung, ~ 21,6 MB/s für Videodaten. Abtastrate Audio 48KHz bei 16 bis 20 Bit Oversampling. Gesamt-Datenrate rund 27 MB/s. Digitales Video D1 Seite 35

36 Doppelt so viele Luminanzabtastungen (Samples) wie Chrominanzabtastungen je Zeile. Daher resultiert die Bezeichnung 4:2:2. Zu je 2 Chrominanzsamples gibt es 4 Luminanzsamples. In der PAL Standardisierung bei 13,5 MHz 4:2:2 wird eine Zeile genau 864 mal auf Luminanzwerte abgetastet und 432 mal auf Chrominanz (siehe nächste Folie). Bei PAL (wie auch bei NTSC) existieren aber nur 720 aktive Luminanzund 360 aktive Chrominanz-Samples pro Zeile. Der Rest wird für andere Informationen verwendet (Digitale Austastlücke). Digitales Video CCIR601 Seite 36

37 Quelle: Schmidt, U. Professionelle Videotechnik, Springer 2000 Digitales Video CCIR601 Seite 37

38 Voriges Beispiel: Abtastung mit 13,5 MHz, 4:2:2 an einer PAL-Zeile (720 bzw. 864 Samples). Das ganze wird nun für jede der 625 PAL-Zeilen ausgeführt. Die daraus resultierende Datenmenge beträgt ungefähr: ( * 432)* 8Bit * 625 ~ 8,24 MBit je Bild. Digitales Video CCIR601 Seite 38

39 System 18MHz 4:2:2 18MHz 4:4:4 13,5MHz 4:2:2 13,5MHz 4:4:4 PAL 1152/ / / /864 NTSC 1144/ / / /858 * 18 MHz für HDTV Anwendungen mit höherer horizontaler Auflösung * 13,5 MHz für normale TV Anwendungen * 4:2:2 bei normaler Farbauflösung * 4:4:4 bei erhöhter Farbauflösung Digitales Video CCIR601 Seite 39

40 D2 setzt FBAS (Composite-Signal) digital um - 3/4 -MP-(Metallpartikel-)Band - Von Ampex entwickelt, von Sony übernommen - Bandgeschwindigkeit bei D2 niedriger als bei D1 - Dadurch längere Aufzeichnungskapazitäten pro Band - Datenrate bei etwa 19 MB/s D3 als Konkurrenzstandard von Panasonic - Weitgehend ähnlich zu D2-1/2 -MP-Band (Kleinere Kassettengröße) (D3-Cassetten können auch auf D5-Maschinen abgespielt werden)! Bei D2 und D3 wird das analoge Signal nicht in Luminanz und Chrominanz umgewandelt und dann digitalisiert, sondert direkt das FBAS-Signal digitalisiert. Nachteil: Es ist qualitativ etwas schlechter als D1. Digitales Video D2 und D3 Seite 40

41 Digital Betacam als Sony-Folgeentwicklung - Komponentensignal wie bei D1 (CCIR 601) - Abwärtskompatibel zu Betacam SP, 608 Zeilen - Datenkompression 2:1 mit DCT (108,9 Mbit/s) D5 als Konkurrenzformat von Panasonic - 1/2-Zoll-MP-(Metallpartikel-) Band. - Das System arbeitet ohne Daten-Kompression - Abwärtskompatibel zu D3 Digitales Video D5, DigiBeta Seite 41

42 Gilt als Amateurverfahren mit professionellem Anspruch Erheblich bessere Bildqualität als S-VHS oder Hi-8 CCIR601 Komponentensignal Farb- und Datenreduktion - 4:2:0 (PAL): Jede zweite Chrominanz-Zeile unberücksichtigt - 4:1:1 (NTSC): Nur 1/4 horizontale Chrominanzauflösung - Datenrate bei nur 3,2 MB/s Ton mit 48 khz/44 KHz bei 16 Bit oder 32 KHz bei 12bit 576 Zeilen aufgezeichnet Digitales Video DV Seite 42

43 DCT 5-fach Datenkompression - 25 Mbit/s statt 125 Mbit/s - + Zusatzdaten, Fehlerredundanz, Audio = 42 MBit/s Gesamtdatenrate DV Kompression basiert auf Einzelbildern (!) (nicht wie bei MPEG-2»I/B/P-Frame«) Von EBU standardisiert; mehr als 60 Hersteller Durch IEEE1394 (FireWire, ilink) Verbreitung unterstützt - verbindet Videogeräte und Computerwelt mit 400 Mbit/s - Video-, Ton- und Steuerinformationen auf einem bidirektionalen Kabel (4 Datenleitungen) (näheres in der 2. Video-Vorlesung) Varianten: DVCAM, minidv, Digital8, DVCPRO, Digital Betacam Digitales Video DV Seite 43

44 Betacam SX (D7) - I/B/P-Frames codiert (Bearbeitung problematisch) - Abwärtskompatibel zu Betacam SP (1/2 184/90/60min) - 10:1 Kompression / 18 Mbit/s IMX (D10) - Ausschließlich in i-frames codiert (Bearbeitungsmöglichkeiten!) - Abwärtskompatibel zu Betacam SP (1/2 220/72min) - 3,3:1 Kompression / 50 MBit/s MicroMV - Consumerformat mit extrem kleinen Kassetten - I/B/P-Frames codiert (Bearbeitung problematisch) - 10:1 Kompression / 12 Mbit/s Digitales Video MPEG2-Formate Seite 44

45 Format D1 D2 D3 D5 D6 Hersteller Sony Ampex Panasonic Panasonic Sony Betriebsart Komponenten FBAS FBAS Komponenten Komponenten Abtastprinzip 4:2: :2:2 4:2:2 Zeilen/Halbbild > Quantisierung 8Bit 8Bit 8Bit 10/8Bit 8Bit Datenkompr DCT ~2-fach - Videodatenrate 173 Mbit/s 115 Mbit/s 110 Mbit/s 207 Mbit/s 860 Mbit/s Bandgeschwindigkeit ~ 28 cm/s ~ 13 cm/s ~ 8 cm/s ~ 17 cm/s ~ 50 cm/s Bandbreite 3/4 (19mm) 3/4 (19mm) 1/2 (12,7mm) 1/2 (12,7mm) 3/4 (19mm) Digitales Video Formatübersichten Seite 45

46 Digitales Video Formatübersichten Seite 46

47 Format minidv DVCAM DVCPRO DVCPRO 50 Digital Betacam MicroMV Hersteller Sony Sony Panasonic Panasonic Sony Sony Betriebsart Komponenten Abtastprinzip 4:2:0 4:2:0 4:1:1 4:2:2 4:2:2 4:2:0 Zeilen/Halbbild Quantisierung 8bit 8bit 8bit 8bit 10Bit 8bit Videodatenrate 25Mbit/s 25Mbit/s 25Mbit/s 50Mbit/s 108 Mbit/s 12Mbit/s Datenkompr. 5:1 (DCT) 5:1 (DCT) 5:1 (DCT) 3,3:1 (DCT) 2:1 (DCT) 10:1 (MPEG2) Bandgeschwindigkeit ~2cm/s ~3cm/s ~3cm/s ~7cm/s ~ 1 cm/s ~7cm/s Bandgröße 1/4 (6,3mm) 1/4 (6,3mm) 1/4 (6,3mm) 1/4 (6,3mm) 1/2 (12,7mm) ~5mm Digitales Video Formatübersichten Seite 47

48 Format Betacam SX (D7) Digital 8 (D8) Digital S (D9) IMX (D10) Hersteller Sony Sony JVC Sony Betriebsart Komponenten Abtastprinzip 4:2:2 4:2:0 4:2:2 4:2:2 Zeilen/Halbbild Quantisierung 8bit 8bit 8bit 8bit Videodatenrate 18Mbit/s 25Mbit/s 50Mbit/s 50Mbit/s Datenkompression 10:1 (MPEG2) 5:1 (DCT) 3,3:1 (DCT) 3,3:1 (MPEG2) Bandgeschwindigkeit ~6cm/s ~3cm/s ~6cm/s? Bandgröße 1/2 (12,7mm) 8mm 1/2 (12,7mm) 1/2 (12,7mm) Digitales Video Formatübersichten Seite 48

49 Seite 49

50 High Definition mit höherer Auflösung 1/2 Bänder, abwärtskompatibel x HDTV-Auflösung, 16:9 (nichtquadratische Pixel) Varianten - 24P: 24 fps, progressive (ehemals NTSC), ITU-compliant! 4% schneller bei PAL-Wiedergabe. - 60i: 60 fps, interlaced (ehemals NTSC) - 50i: 50 fps, interlaced (ehemals PAL) 4:1 Kompression, 140 Mbit/s AES/EBU 8-Kanal, Dolby-E und Dolby AC-3 Audio Geräte seit 2001 am Markt (Sony) Digitales Video HDCAM Seite 50

51 2003 eingeführt (HDCAM»superior resolutioncine alta«) Bänder mit höherer Datendichte 440 Mbit/s (statt 140 Mbit/s) 4:4:4 RGB Aufzeichnung (statt 4:2:2 YUV ) MPEG4 Kompression (statt 4:1 JPEG/DV ) 12 Spuren Audio (statt 4) 1920 x 1080 Pixel (statt 1440 x 1080) 1080p oder 1080i mit voller HDTV-Auflösung und RGB-Farbspektrum Digitales Video HDCAM SR Seite 51

52 Digitales Video HDCAM SR Seite 52

53 Von Canon, Sharp, Sony, JVC entwickeltes HD-Format für Consumer HD-Video auf DV-Tapes mit max. 25 Mbit/s MPEG2 Datenstrom 1080i (1.440 x Pixel interlaced), 50/60 Fps 720p (1.280 x 720 Pixel progressive) 60/50/30/25 Vollbilder pro Sekunde 48 khz 16 bit MPEG-1 Audio Layer II 384 kbit/s Gleiche Mechanik wie DV-Laufwerke Digitales Video HDV Seite 53

54 Format HDCAM HDCAM SR HDV Hersteller Sony Sony Sony, JVC, Canon, Sharp Betriebsart Komponenten Abtastprinzip 4:2:2 YUV 4:4:4 RGB 4:2:0 YUV Zeilen Spalten Quantisierung 10Bit 10Bit 8Bit Datenkompression 4:1 4,2:1 MPEG4 (SP) MPEG2 Videodatenrate 140 Mbit/s 440 Mbit/s Mbit/s Bandgeschwindigkeit ~ 0,77 cm/s ~ 0,94 cm/s ~2 cm/s Bandbreite 3/4 (19mm) 3/4 (19mm) 1/4 (6,3mm) Digitales Video Überblick HD Seite 54

55 Analoges/digitales Video Zusammenfassung Seite 55