8. Digitale Filmverarbeitung
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- Jürgen Adler
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1 8. Digitale Filmverarbeitung 8.1 Klassische Filmtechnik 8.2 Analoge TV- und Videotechnik TV-Technik Videoaufnahme- und Speichertechnik 8.3 Digitale Videotechnik 8.4 Digitale Videoproduktion 8.5 Software zur Videoverarbeitung (Bsp. Java Media Framework) Literatur: Ulrich Schmidt: Digitale Film- und Videotechnik, Fachbuchverlag Leipzig 2002 Johannes Webers: Handbuch der Film- und Videotechnik, 7.Auflage, Franzis-Verlag 2002 Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-37 Filmtechnik vs. TV/Videotechnik Film (= Kino) Schwerpunkt auf ausgezeichneter Wiedergabequalität Alle Daten eines Bildes gleichzeitig verfügbar (bei Analog-Bildern = Stand der Technik 2003) Bandbreitenproblem wird durch mechanischen Transport gelöst Bildinhalte sind aktuell nur im Wochen- oder Monats-Maßstab Digitalisierung findet derzeit nur beim Ton statt Fernsehen Schwerpunkt auf Aktualität und breitem Publikum Technik muss auch sehr einfache Wiedergabegeräte unterstützen (Schwarz/weiss mit wenigen cm Bildschirmdiagonale...) Eng begrenzte Bandbreite wegen Funkübertragung Geringere Auflösung, dadurch (derzeit) wesentlich geeigneter für Digitalisierung Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-38
2 Geschichte der TV-/Videotechnik Abbe Giovanna Caselli, 1862: Pantelegraph Paul Nipkow, 1884: Elektrisches Teleskop Charles Jenkins, John Baird, 1924: Bewegtbildübertragung Ab 1928 reguläre Ausstrahlung von TV-Programmen Peter Goldmark, 1940: Farbfernsehen Ampex, 1956: Video-Magnetbandaufzeichnung Mondlandung 1969: 600 Millionen Zuschauer (über die Hälfte noch in schwarz/weiss) Sony, 1976: Heim-Videokassettenrecorder ( betamax ) 1938 Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-39 Physiologische Aspekte zur TV-Technologie Räumliches Auflösungsvermögen des menschlichen Auges: Bestimmt durch Abstand der Zapfen auf der Netzhaut: ca. 1,5 = 0,025 Günstiger Betrachtungswinkel für scharfes Sehen: Ca Notwendige Zeilenzahl: Ca. 15 / 0,025 = 600 Nach CCIR-Norm: 625, davon 575 effektiv sichtbar (US: 525 Zeilen) Betrachtungsabstand für diese Bedingungen: Ca. 5-6-fache Bildhöhe Grundkonzeption als Bild innerhalb realer Umgebung Ähnlich wahrgenommen wie Bilder, Kalender etc. an der Wand Keine vollständige Inanspruchnahme des Sehfeldes Stark begrenzte Immersion Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-40
3 Standard-TV und High-Definition-TV Standard-TV (SDTV): Zeilenzahl 625 Seitenverhältnis 4:3 High-Definition-TV (HDTV): Verdopplung der Zeilenzahl (Europa 1250) Verdopplung des Blickwinkels Verkürzung des typischen Betrachtungsabstandes auf 3-fache Bildhöhe Zusammen mit Formatwechsel auf 16:9 deutliche Annäherung an Kinobedingungen Historie von HDTV: Europäische Initiative zu Beginn der 90er Jahre mit minimaler Akzeptanz USA: Digitales (Kabel-)Fernsehen als Impulsgeber für höhere Auflösungen Europa 2000+: Steigendes Interesse an hochauflösendem TV» Grosse Bildschirme bzw. Projektionsanlagen preisgünstiger geworden» Verfügbarkeit von DVD-Technik und DVB (Digitalfernsehen) Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-41 Zeilensprungverfahren Wie beim Kino: nur 25 Bilder/s realistischerweise übertragbar, aber 50 Bilder/s Bildwechselfrequenz zur Verneidung von Flimmern nötig Lösung: Übertragung von zwei verzahnten Halbbildern ( Interlacing Scan ) siehe Kapitel 3.2 Bei modernen Geräten eigentlich technisch nicht mehr nötig Bildspeicher Ermöglicht Progressive Scan Dennoch Basis aller TV-Übertragungen Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-42
4 TV-Signal elektrotechnisch Vier wesentliche Anteile des TV-Signals: Bild-Signal (B) Austast-Signal (A) Synchron-Signal (S) Farbsynchron-Signal (F) (entfällt bei Schwarz-Weiss) Zusammenfassung der Signale: BAS-Signal (Schwarz-/Weiss) FBAS-Signal (Farbe) Austastsignal : Dient nur zum Abschalten des Elektronenstrahls während der Rückführung Sägezahnartiger Spannungsverlauf Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-43 Ablenkströme Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-44
5 Zeit- und Zeilenbilanz Bildfrequenz (Europa): 25 Bilder/s Bilddauer = 1000 ms / 25 = 40 ms Zeilenfrequenz: Zeilendauer: 40 ms / 625 = 64 ms (d.h. Zeilenfrequenz 15,625 khz) Strahlrücksprung (Strahl abgeschaltet, Austastung ): Horizontal: 12 ms * 312 = 3,75 ms Vertikal: 1,6 ms = 25 Zeilendauern (weil 1,6 ms / 64 ms = 25) Pro Vollbild: 2 * 25 = 50 Zeilendauern durch Rücksprung verbraucht Deshalb häufige Sprechweise: effektiv 575 Zeilen TV-Bild als Pixelbild gesehen: 625 Zeilen Seitenverhältnis 4:3, d.h. ca. 843 Spalten Insgesamt ca Bildelemente (Pixel)» Deshalb bei digitalen Videokameras relativ geringe Pixelzahlen (typisch Pixel) Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-45 Synchronsignale Stellen identische Darstellung bei Wiedergabe und Aufnahme sicher Horizontal: In der Austastlücke (12 ms) negatives Rechtecksignal (4,7 ms) Vertikal: Sehr langes Rechtecksignal (über 2,5 Zeilen) Mit einfachen elektrotechnischen Hilfsmitteln (RC-Glieder) erkennbar Austastdauer -0,3 V Horizontales Synchronsignal Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-46
6 Farbvideosignale Hochwertiges Farb-Video mit RGB: 3 Farb-Bildsignale, separat geführt Separates Synchronsignal Komponentensignal: Luminanzsignal Y für Bildpunkthelligkeit (Schwarz-/Weiss-kompatibel)» Enthält auch Abtast- und Synchronsignale Chrominanzsignale (C)» Farbwertdifferenzen (C R = Rot Y, C B = Blau Y) Hochwertiges Komponentensignal durch 3 Leitungen (Analog-Studiotechnik) Separate Führung von Y und C: Überlagerung der beiden Chrominanzsignale (90 phasenverschoben) S-Video, Y/C-Video mit 4-poligem Hosiden-Stecker Relativ hochwertige Bildqualität Gemeinsame Führung von Y und C auf einer Leitung: Composite Video, FBAS-Signal, meist auf (gelbem) Cinch-Stecker Einfachste Bildqualität S-Video 1 Y ground 2 C ground 3 Y (lim+sync) 4 C (chrom) Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-47 Farbkreis der TV-Phasenmodulation Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-48
7 Farbfernsehsysteme NTSC = National Television System Committee (USA) Erstes Farbfernsehsystem Farbton bestimmt sich aus der Phasenlage des Chrominanzsignals relativ zu einem Farbsynchronsignal (burst) Fehler im Empfänger und in der Übertragung (Phasenverschiebungen) führen zu Farbtonveränderungen» Never the same color PAL = Phase Alternating Line (Deutsche Entwicklung) W. Bruch 1962 Richtung der Phasenmodulation für den Farbton bei jeder zweiten Zeile invertiert Verzögerung des Farbwerts der vorhergehenden Zeile und Durchschnittsbildung mit aktuellem Farbwert» dadurch kompensieren sich Phasenfehler der Übertragung SECAM = Secuentelle à mémoire (Französische Entwicklung) Sequentielle Übertragung der beiden Chrominanzwerte einer Zeile Kombination mit dem anderen Chrominanzwert der vorhergehenden Zeile Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-49 Beispiel zur Phasenkorrektur in PAL Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-50
8 Verbreitung der Farbfernsehsysteme NTSC: Japan USA Kanada Korea PAL: Brasilien China Deutschland Indien SECAM: Ägypten Frankreich Polen Russland Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-51 Video-Aufnahme Typen von Video-Kameras Reine Video-Kamera, z.b. Fernseh-Studiokamera Camcorder = Camera & Recorder, d.h. optische Kamera und Magnetbandaufzeichnung Video-Kameratechnik Sehr ähnlich zur Filmkamera, aber Bildwandler statt Film Analoger Bildwandler:» Bildwandlung durch zeilenweise Abtastung mit Elektronenstrahl» z.b. Vidikon : lichtempfindliche Halbleiterschicht und Speicherplatte wirken als Kondensatoren, die durch Licht entladen werden; Aufladung durch Elektronenstrahl ergibt messbaren Ladestrom Digitaler Bildwandler (heute auch in Analog-Kameras!):» CCD- oder CMOS-Bildwandler» Bei Frame-Transfer CCD mechanische Abdeckung (Flügelblende) während Ladungstransport» Bei Interline-Transfer CCD elektronischer Verschluss durch Speicherbereich im Bildwandler» Frame-Interline-Transfer (FIT) -CCD: Kombination der Vorteile Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-52
9 Full-Frame CCD-Architektur Einsatz in Kombination mit mechanischem Verschluss Volle Sensorfläche wird für lichtempfindliche Zellen genutzt Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-53 Interline Transfer CCD-Architektur Jede Zelle: lichtempfindlicher Anteil und speichernder Anteil Nur die Hälfte der Sensorfläche für Lichtaufnahme genutzt Elektronische "Verschluss"-Steuerung Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-54
10 Typische Bildwandlergrössen bei Videokameras 2/3-Zoll : 8,8 x 6,6 mm (4:3) 9,6 x 5,4 mm (16:9) Erreicht fast die Grösse des 16mm-Filmformats Profikameras 1/2-Zoll : 6,4 x 4,8 mm (4:3) Profikameras, Überwachungskameras 1/4-Zoll : 4,4 x 3,7 mm (4:3) Consumer-Kameras Zur Erhöhung der Auflösung haben hochwertige Kameras ein 3-Sensor-System je ein CCD je Grundfarbe Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-55 Magnetische Bildaufzeichnung (MAZ) In Fernsehstudios seit langem betrieben, um kurzfristige Bereitstellung von Einspielungen zu realisieren Grundproblem: Bandbreite 10 Hz bis 5 MHz (vgl. Audio 20 Hz bis 20 khz) Lösungsansatz 1: Frequenzmodulation des Signals auf Zwischenfrequenz-Träger Weiteres Problem: Bandgeschwindigkeit Linearer Bandtransport müsste ca. 40 m/s leisten! (d.h. 216 km Band für einen Spielfilm) Lösungsansatz 2: Rotierende Schreib-/Leseköpfe Schrägspuraufzeichnung Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-56
11 Bandführung bei der Schrägaufzeichnung Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-57 Schrägaufzeichnung auf Magnetband (Beispiel) Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-58
12 Ein frühes Schrägspur-Aufzeichnungsgerät 1967 Ampex CR-2000 (ca. 1 Tonne Gewicht) Unkomprimiertes Video, vier rotierende Köpfe Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-59 Videobandformate Nach wie vor weitverbreiteter analoger Videoband-Standard: Sony Betacam SP separate Spuren für Luminanz- & Chrominanz-Signale Farbkomponentensignale getrennt (komprimiert) aufgezeichnet Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-60
13 Video Home System (VHS) Entwickelt von JVC (mit von Sony gekauften Patenten) Sieger im Marktkampf mit den Systemen Betamax (Sony) und Video 2000 (Philips/Grundig) Bandmaterial wie bei professionellen Systemen (1/2 ) langsamere Bandgeschwindigkeit (2 cm/s) Spuren: Eine Spur für Luminanz und Chrominanz (Frequenzmultiplex) ColourUnder : Farbsignal in Frequenzbereich unterhalb des Y-Signals Auflösung: 250 Linien (Variante S-VHS: 400 Linien) Zum Vergleich: Gute Monitore lösen 800 Linien auf Aktuelle Weiterentwicklung: Digitale Varianten von VHS High Definition VHS Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 8-61
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