Videotechnik. Fernsehstandards Analoge und digitale Videoformate Übertragungstechnologien

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1 Vorlesungen Kompression und Datenformate Kompression und Datenformate Kompression und Datenformate Audio Videotechnik Videotechnik Medienarchitekturen Medienarchitekturen Farbe Multimedia XML Multimedia XML Authoring Authoring Mobile Multimedia Fazit, Konsultationen Klausur Mündliche Prüfung Seite 1

2 Übungen Bildbearbeitung PS Bildbearbeitung PS Videobearbeitung FCP Videobearbeitung FCP Virtual Reality QTVR-Authoring Multimedia XML RSS, Podcast, SMIL Authoring Flash Seite 2

3 Videotechnik Fernsehstandards Analoge und digitale Videoformate Übertragungstechnologien

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5 AGENDA 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 5

6 Analoges Video 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 6

7 Was bedeutet Interlaced? 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 7

8 Halbbilder gegen das Flimmern 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 8

9 Halbbild + Halbbild = Vollbild? Setzt man Halbbilder zu Vollbildern zusammen, entstehen unansehnliche Strukturen. Wer Halbbilder auf Computerbildschirmen darstellen will, muss mit Qualitätseinbußen rechnen. Analoges Video Interlaced Seite 9

10 Videodarstellung auf dem Computer 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 10

11 Zeilensprungverfahren Quelle: Schmidt, U. Professionelle Videotechnik, Springer 2000 Analoges Video Zeilensprungverfahren Seite 11

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

13 Austastlücken 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 13

14 Horizontalaustastung Quelle: Schmidt, U. Professionelle Videotechnik, Springer 2000 Analoges Video Austastung Seite 14

15 Vertikalaustastung 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 15

16 Synchronimpuls Gleichlauf bei der Übertragung wird durch negative Synchronimpulse in der Austastlücke realisiert. Quelle: Schmidt, U. Professionelle Videotechnik, Springer 2000 Analoges Video Synchronimpuls Seite 16

17 Farbfernsehen 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 17

18 Fernsehstandard NTSC 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 Fernsehstandard PAL 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 Fernsehstandard SECAM 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 Analoge Fernseh-Dialekte (Übersicht) Format Zeilen! Frequenz in Hz! Subcarrier Frequenz in MHz! Land!!!!!!!!! NTSC-M! 525! 60! 3,58! USA, etc.! NTSC-Japan! 525! 60! 3,58! Japan! PAL-B! 625! 50! 4,43! viele! PAL-D! 625! 50! 4,43! China! PAL-G! 625! 50! 4,43! viele! PAL-H! 625! 50! 4,43! Belgien! PAL-I! 625! 50! 4,43! Großbritannien! PAL-M! 525! 60! 3,58! Brasilien! PAL-N! 625! 50! 4,43! Paraguay, Uruguay! Bemerkung! PAL-N combination! 625! 50! 3,58! Argentinien! PAL-60! 525! 60! 4,43! China! CD-Videoplayer! NTSC (4.43)! 525! 60! 4,43! Spezial-Anwendungen! SECAM! 625! 50! 4,406/4,25! Osteuropa, Frankreich Analoges Video Fernseh-Dialekte Seite 21

22 Was unterscheidet Composite-, Y/C-, YUV und RGB-Signale? 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 22

23 Y/C 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 23

24 YUV YIQ Y/R-Y/B-Y Für professionelle Anwender (Betacam -Klasse), gibt es einen qualitativ hochwertigeren Komponenten-Anschluß. Das YUV-Signal wird in drei Komponenten aufgeteilt. Neben dem Signal für die Helligkeit (Y) teilt man das Farbsignal in zwei Bereiche die Rot-Cyan- (U) und die Gelb-Blau-Balance (V). Die Verbindung besteht aus Koaxialkabeln oder mehrpoligen, metallenen Schraubverbindern. Beim YIQ-Signal wird mit der Cyan-Orange Balance (I) und der Magenta-Grün-Balance (Q) als Komponenten übertragen. Eine weitere Möglichkeit der Komponenten-Signalübertragung ist das Y / (R - Y) / (B - Y) -Verfahren, bei dem man dem Luminanzsignal ( Y ) noch die Rot-Luminanzdifferenz (R-Y ) und die Blau-Luminanzdifferenz (B-Y ) zur Seite stellt. Analoges Video Farbvideo-Signale Seite 24

25 Beispiel: RGB in YUV Wandlung Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B Analoges Video Farbvideo-Signale Seite 25

26 YUV in RGB Wandlung (G - Y ) = - 0,51 (R - Y ) - 0,19 (B - Y ) Analoges Video Farbvideo-Signale Seite 26

27 RGB 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 27

28 Scart Analoges Video Farbvideo-Signale Seite 28

29 VHS, S-VHS ( Video Home System) 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 29

30 Video8/Hi8 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 30

31 Betacam SP 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 31

32 Digitales Video Normen und Formate D1 Digitalisierungsverfahren CCIR601 D2 und D3 D5 und Digital Betacam DV-Formate MPEG2-basierende Formate Übersichten HDCAM Übersicht Digitales Video Seite 32

33 D1 und CCIR601 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 (1986) Digitales Video CCIR601 Seite 33

34 Datenraten D1 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 34

35 Digitalisierungsverfahren 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 35

36 Quelle: Schmidt, U. Professionelle Videotechnik, Springer 2000 Digitales Video CCIR601 Seite 36

37 Digitalisierung eines Videobildes 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. Wie groß ist die daraus resultierende Datenmenge? ( * 432)* 8Bit * 625 ~ 8,24 MBit je Bild. Digitales Video CCIR601 Seite 37

38 Verschiedene Abtastparameter Anzahl der Samples je Zeile 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 38

39 D2 und D3 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 39

40 D5 und Digital Betacam Digital Betacam als Sony-Folgeentwicklung (1993) - 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 40

41 Das DV-Format Galt als Amateurverfahren mit professionellem Anspruch (1994) 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 41

42 Das DV-Format 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 42

43 MPEG2-basierte Formate 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 43

44 MicroMV (5 mm) minidv (6,3 mm) Hi8/D8 (8 mm) Digitales Video MPEG2-Formate Seite 44

45 Übersicht D1.. D6 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 Bandgrößen 3/4, 1/2, 1/4 (Breite) Digitales Video Formatübersichten Seite 46

47 Übersicht DV & Co. 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 Bandgröße 1/4 (6,3mm) ~2cm/s ~3cm/s ~3cm/s ~7cm/s ~ 1 cm/s ~7cm/s 1/4 (6,3mm) 1/4 (6,3mm) 1/4 (6,3mm) 1/2 (12,7mm) ~5mm Digitales Video Formatübersichten Seite 47

48 D7.. D10 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 Von SD- zu HD-TV Standardisierung: ITU BT.601 (SD) ITU BT.709 (HD) Seite 49

50 HDCAM 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 HDV 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 Überblick HD-Formate 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 AVCHD (Advanced Video Codec High Definition) Von Panasonic und Sony neu entwickeltes HD-Format für Consumer (2006) H.264/MPEG-4 AVC-Codec (Full HD) Video: 720p/(30/25/24), 1080i/(60/50) und 1080p/24, sowie 480i/60, 576i/50 Farbabtastung 4:2:0, 8bit pro Pixel Audio: Dolby Digital AC-3, Kanäle (max. 640kbps), PCM 2.0 (1,5Mbps) Insgesamt Mbit/s Datenrate (26 bzw. 5min pro GB) auf minidvd, Festplatten oder SDHC-Karten/Class6, Formatunterstützung in Blu-Ray-Playern AVCHD Lite: 720p ( Januar 2009) Digitales Video HDV Seite 55

56 Zusammenfassung Begriffe PAL, SECAM, NTSC Interlaced Progressive Austastlücke Composite, FBAS Komponentensignal, Y/C YUV, RGB VHS, S-VHS, Video8, Hi8, Betacam SP SCART, S-Video, Cinch, BNC D1... D10 Beta, DigiBeta, Beta SX, IMX, HDCAM, HDCAM SR DV, minidv, DVCAM, D8 HDV, AVCHD DCT versus MPEG2 versus MPEG4 Analoges/digitales Video Zusammenfassung Seite 56

57 Digitale Video-Signalübertragung SDI, SDTI, HD-SDI, HDMI, DVB, IPTV

58 Interface Beispiel (Sony ES-03) Digitale Videosignalübertragung Seite 58

59 Serial Digital Interface (SDI) Digitale Videosignalübertragung SDI Seite 59

60 Digitalisierung einer analogen Videozeile mit folgenden Parametern (ITU-BT.601): PAL-Zeile mit 720 bzw. 864 Samples, Abtastung mit 13,5 MHz, Farbauflösung 4:2:2 Digitale Videosignalübertragung Seite 60

61 SDI (Serial Digital Interface) beschrieben im ITU Standard BT656-4, ANSI/SMPTE 259M Übertragung mit 10 Bit und 8 Bit Code seriell über Koaxialkabel oder Glasfaser möglich CodeMarken: - SAV (Start of active Video) bzw. EAV (End of active Video), Zeilenbeginn, Zeilenende - 4 Datenwörter à 10 Bit, wobei die ersten 3 Datenwörter fest sind (FF 00 00) und das letzte Datenwort die Art (SAV, EAV usw.) angibt. - Untergebracht werden diese Daten in der digitalen Austastlücke, d.h. in dem Bereich außerhalb des aktiven Bildes (siehe Digitalisierung). Zusammenhang im folgenden Diagramm ( PAL, 13.5 MHz 4:2:2): Digitale Videosignalübertragung SDI Seite 61

62 Digitale Videosignalübertragung SDI Seite 62

63 Digitale Videosignalübertragung SDI Seite 63

64 Zusatzbereiche in den Austastlücken Digitale Videosignalübertragung SDI Seite 64

65 Audio und AUX in der Austastlücke Digitale Videosignalübertragung SDI Seite 65

66 Audio-Datenformat nach AES/EBU Digitale Videosignalübertragung SDI Seite 66

67 Seriell-digitales Interface (SDI) Digitale Videosignalübertragung SDI Seite 67

68 SDI Protokoll Unidirektional, kontinuierlicher Datenstrom Parallel (gewöhnliche Sub-D 25 Verbindung/Twisted Pairs) - 10 Bit werden gleichzeitig übertragen, Extraleitung für Clock Signal - max. 50 Meter Seriell (Koaxial oder Glasfaser) - bis zu 300 Meter. - Clock-Signal muß zurückgewonnen werden (selbsttaktendes SNRZI-Signal) Üblicherweise wurden in Fernsehstudios zusätzlich ein externes Synchronisationssignal an alle Geräte übertragen, damit Ungleichmäßigkeiten des internen Geräte-Taktgebers und somit Synchronisationsprobleme ausgeschlossen werden können. Seriell mit Koaxialkabeln ist in Studios dominant verbreitet. Digitale Videosignalübertragung SDI Seite 68

69 Anforderungen an SDI-Nachfolger SDI ist unflexibel in Bezug auf komprimierte Daten Kompatibilität zur SDI Infrastruktur ( Verkabelung, Switches usw.) Übertragung einer Vielzahl von Datenarten (komprimiert, DV, MPEG,...) Paketierte Übertragung mit Paketen dynamischer und fester Länge Point to Point-Übertragung (wie SDI) Point to Multipoint-Übertragung, d.h. es muss eine Adressierungs- Möglichkeit z.b. IPv6 im Standard eingebettet sein (SDTI-IP).»faster than realtime«übertragung, d.h. man will komprimierte Daten schnell über eine SDI-Leitung übertragen z.b. auf 50 Mbit reduzierte Daten in 5 facher Geschwindigkeit über eine 270Mbit SDI-Leitung. Digitale Videosignalübertragung SDTI Seite 69

70 SDTI (Serial Digital Transport Interface) Platziert Header-Daten im Raum für Ancillary-Daten des SDI Signals, Platziert die Daten des Nutzers, die User-Daten in der Payload und Fügt zur Korrektur von Übertragungsfehlern CRC Daten hinzu. Digitale Videosignalübertragung SDTI Seite 70

71 Layer von SDTI im ISO-Schichtenmodell Digitale Videosignalübertragung SDTI Seite 71

72 HD-SDI: Standardisierung SMPTE 292M: High Definition Serial Digital Interface - Übertragung des nativen Datenstroms 1,5 Gbps, 10 bit x 1080 Bildpunkte - 4:2:2 in zwei Bitströmen ( Y, Cr/Cb) - Direktübertragung zwischen Zuspielgeräten - Komprimierte Übertragung über SDTI-Protokoll möglich (270 Mbps) SMPTE 372M: DualLink Version von HD-SDI (z.b. 1080p/50) SMPTE 348: paketierte Daten wie SDTI SMPTE 392M: HD-SDI als Container für SDTV SMPTE 424M: Zusammenfassung obiger Standards, z.b. DualLink auf einem Kabel Digitale Videosignalübertragung HD-SDI Seite 72

73 Interface Beispiel (motu v3hd) Seite 73

74 Digitale Videosignalübertragung SDTI Seite 74

75 Seite 75

76 Übersicht SDI Standard Name Bitrates Example Video Formats SMPTE 259M SD-SDI 270 Mbit/s, 360 Mbit/s, 480i, 576i 143 Mbit/s, and 177 Mbit/s SMPTE 344M 540 Mbit/s 480p, 576p SMPTE 292M HD-SDI Gbit/s, and 1.485/1.001 Gbit/s SMPTE 372M Dual Link HD-SDI Gbit/s, and 2.970/1.001 Gbit/s SMPTE 424M 3G-SDI Gbit/s, and 2.970/1.001 Gbit/s Society of Motion Picture and Television Engineers: 720p, 1080i 1080p 1080p Digitale Videosignalübertragung SDI Übersicht Seite 76

77 HDMI HD-Consumer-Interface Offen für alle SD/HDTV-Varianten und mehr Basiert ursprünglich auf DVI (Computer-Interface) Verschlüsselung HDCP Distanzen m (mit Extender...100m) Digitale Videosignalübertragung HDMI Seite 77

78 Digitale Videosignalübertragung HDMI Seite 78

79 DVB Standardisierte Verfahren zur Übertragung von digitalen TV-Inhalten zum Verbraucher Verschlüsselung des Signals möglich Bezahlfernsehen (Abo), Pay per View, Video on Demand Datenkompression (MPEG-2, MPEG-4.AVC,...) Übertragung von - Fernsehprogrammen - Radioprogrammen - Zusatzinformationen - Untertitel, EPG, Mehrkanalton - Interaktiven Datendiensten - MHP Digitale Videosignalübertragung DVB Seite 79

80 DVB Varianten DVB-S (Satellite) für die Übertragung durch direktstrahlende Satelliten (1994) DVB-C (Cable) für die Übertragung über Kabelnetze (1994) DVB-T (Terrestic) für die Übertragung durch terrestrische Senderketten im VHF- bzw. UHF- Bereich (1997) DVB-H (Handhelds) für die asynchrone Übertragung auf mobile Endgeräte, ebenfalls terrestrisch (2004) DVB-IPI (Internet Protocol Infrastructure) für die Übertragung über IP-basierte Netzwerke (Internet) DVB-RC(S/C/T) Rückkanal (Return Channel) für die Übertragung von Datendiensten, zum Beispiel Breitbandinternet DVB-SI für die Übertragung der Service Informationen DVB-SH für die Übertragung über Satellit auf mobile Endgeräte... Digitale Videosignalübertragung DVB Seite 80

81 DVB 2. Generation (HDTV ) DVB-S2 - Verabschiedet 2005 (ETSI EN ) - Abwärtskompatible Signalübertragung zu DVB-S möglich - Klassisches MPEG-2 und MPEG-4.AVC (30% Effizienzsteigerung) DVB-C2, DVB-T2 - Analoge Entwicklung für HD-Kabel-TV und Terrestrische Übertragung - Noch in Entwicklung (beide 2009 erwartet) Digitale Videosignalübertragung DVB Seite 81

82 MHP Open Middleware Standards for Interactive TV DVB-Entwicklung für alle digitalen Verbreitungswege Java Virtual Machine ( JVM) Digitale Videosignalübertragung DVB Seite 82

83 GEM: Globally Executable MHP Ausweitung von MHP für andere TV Distributionssysteme neben DVB - insb. Blu-ray, Kabel (OCAP), Terrestrik, IPTV GEM beschreibt Subset der MHP Spezifikationen ( JVM) ITU-T Recommendation Digitale Videosignalübertragung DVB Seite 83

84 ManagedServices IPTV Internet TV-Streaming Astra2 connect KabelBW T-Home Alice Arcor DVB-H Satellit TV-Kabel DSL Terrestrik Quelle: Klaus Merkel, IPTV Symposium 2007, IRT, München Digitale Videosignalübertragung IPTV Seite 84

85 IPTV Funktionen Live TV - FreeTV und PayTV VoD ( Video on Demand) - Premium content mit DRM (Digital Rights Management) - On demand collections ( VoD-Abruf verpasster Sendungen) Media Receiver - Timeshift (zeitversetztes Fernsehen) - PVR (Personal Video Recorder) Interaktive Dienste - EPG (Elektronische Programmzeitschrift) - Shopping, Voting, Gaming... Paradigmenwechsel - von der linearen Programmausstrahlung zum nutzerzentrierten Programm Digitale Videosignalübertragung IPTV Seite 85

86 IPTV: Übertragungsverfahren Multicast Peer-to-peer Unicast Broadcast Digitale Videosignalübertragung IPTV Seite 86

87 IPTV-Distribution Quelle: wikipedia 2006 Digitale Videosignalübertragung IPTV Seite 87

88 Beispiel Joost Digitale Videosignalübertragung IPTV Seite 88

89 Interactive IPTV: DVB/GEM Digitale Videosignalübertragung IPTV Seite 89

90 Bücher zum Thema: Links, Bücher, Quellen Seite 90

91 Links/Quellen Digitalvideo: FilmMakers Ressource Site: HD-Formate: SDI/SDTI: DVB: SMTP: Links, Bücher, Quellen Seite 91