1. Einführung 2. Audio 3. Fotografie 4. Video 5. Audio- und Videoübertragung 6. Druck

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1 Medientechnik Vorlesung im Studiengang Angewandte Informatik (FHE) Dr. Eckhardt Schön Institut für Medientechnik Fachgebiet Audiovisuelle Technik Web-Seite zur Vorlesung: 2 CP Abschlussklausur 90 min Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 1 Gliederung 1. Einführung 2. Audio 3. Fotografie 4. Video 5. Audio- und Videoübertragung 6. Druck Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 2

2 1. Einführung Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 3 Literaturempfehlungen Buchempfehlungen (kleine Auswahl): R. Malaka, A. Butz, H. Hußmann: Medieninformatik eine Einführung; Pearson Studium 2009 (39,95 ) P. A. Henning: Taschenbuch Multimedia, Hanser Fachbuch 2007, ISBN U. Freyer: Medientechnik Basiswissen Nachrichtentechnik; Hanser-Verlag 2013 (29,99 ) G. Meyer-Schwarzenberger (Hrsg.): Lexikon Video- Audio- Netztechnik; Hüthig-Verlag 2004 (49 ) Th. Görne: Tontechnik; Hanser-Verlag 2011 (29,90 ) U. Schmidt: Digitale Film- und Videotechnik, Carl Hanser Verlag München 2008, ISBN Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 4

3 Medientechnologie Medientechnologie ist ein Gebiet der Ingenieurwissenschaften, das sich mit den Geräten, Signalen, Verfahren und Abläufen im Bereich der elektronischen Medien beschäftigt. Es umfasst damit Technologien im Bereich von Audio, Fotografie, Video, Animation, Druck und Internet. Dabei wird die gesamte Verarbeitungskette von der Produktion (Aufnahme oder elektronische Generierung), über die Signalverarbeitung, die Übertragung bis zur Speicherung und Wiedergabe betrachtet. Wikipedia Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 5 Mediale Übertragungskette Mensch (Sender) Medium Mensch (Empfänger) Medieneingabe (Wandlung) Speicherung Mensch Signalverarbeitung Signalverarbeitung Medienausgabe (Wandlung) Medienerzeugung (Maschine) Transport Mensch Signale Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 6

4 Audiovisuelle Technologien Medieneingabe (Wandlung) Medienerzeugung (Maschine) Audio Mikrofon elektronische Musikinstrumente Video Kamera, Scanner Animation Signalverarbeitung Audio-Mischpult u.a. Videomischer u.a. Speicherung CD, Flash-Speicher, Festplatte Magnetband, Flash- Speicher, DVD, Festplatte Transport Hörfunk (FM, DAB), IP Fernseh-Übertragung (analog, DVB), IP Signalverarbeitung Medienausgabe (Wandlung) Rundfunk-Empfänger, MP3-Player Lautsprecher, Kopfhörer TV-Gerät, Set-Top-Box, PC Display (CRT, Plasma, LCD), Beamer Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 7 2. Audio Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 8

5 Audio-Verarbeitungskette Mensch Stimme Speicherung Transport Musikinstrument Signalverarbeitung Signalverarbeitung Mensch Raum Raum Aufnahme elektrische Signalverarbeitung Wiedergabe Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 9

6 Wellenphänomene Welle auf Hindernis Absorption Streuung Dissipation Transmission Reflexion Beugung Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 11

7 Signale im Zeit- und Frequenzbereich Sinus-Signal U(t) f 2 f 1 U(f) t f 1 f 2 f Gauß-Impuls U(t) U(f) U 0 T U 0 -T/2 T/2 t 1 2T 1 2 T f Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 13 Frequenzfilter L 0 db - Tiefpass Bandpass Hochpass RC-Tiefpass RC-Hochpass lg f U E R C U A U E C R U A Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 14

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9 Hörfläche 140 db L 120 db 100 Hz 1 khz 10 khz Schmerzgrenze L [db] I [W/m²] p [Pa] db Grenze der Gefährdung db db Sprache db Musik db db Ruhehörschwelle Hz Hz 1 khz khz 15 m 10 m 2 m 1 m 20 cm 10 cm 5 cm 2 cm λ f Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 17

10 Akustische Bewertungsfilter A-Bewertung: entspricht Isophone bei ca phon B-Bewertung: entspricht Isophone bei ca phon C-Bewertung: entspricht Isophone bei ca phon D-Bewertung: entspricht Isophone bei sehr hohen Schalldrücken Quelle: Wikipedia Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 19

11 Empfängerprinzipien 1 Druckempfänger Druckdifferenzempfänger (Gradientenempfänger) Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 21 Empfängerprinzipien 2 Empfänger mit akustischem Laufzeitglied db -6 db -6 db 0 db -6 db -6 db 0 db -6 db -12 db 0 db -6 db -6 db -6 db -6 db -6 db Niere Superniere Hyperniere Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 22

12 Frequenzabhängige Richtcharakteristik Quelle: Wikipedia Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 23

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14 Wandler Vergleich des Schwingungsverhaltens von Mikrofonen U(t) Kondensatormikrofon Dynamisches Mikrofon Anregungsimpuls t weitere Wandler: Piezomikrofon Kohlemikrofon Bändchenmikrofon magnetische Wandler Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 27 Mikrofonierung einer Band Aufnahmen aus dem Medienlabor 2 der TU Ilmenau vom Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 28

15 Kleinmikrofone KM 1xx Kleinmikrofone der Firma Georg Neumann GmbH (Berlin) Modulares System mit Mikrofonverstärker KM 100 (mit analoger oder digitaler Ausgangsstufe) und verschiedenen Kapseln (alles Kondensatormikrofone) KK 120 Acht, KK 184 Niere (Preis pro Paar ~ 1200 ), KK 131 Kugel (freifeldentzerrter Druckempfänger), KK 133 Kugel (diffusfeldentzerrter Druckempfänger) Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 29 Studiomikrofone Hintergund: Neumann U 87 Vordergund: Neumann TLM 102 Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 30

16 NEUMANN U87 AI (Klassisches Studiomikrofon) umschaltbares Großmembranmikrofon Druckgradientenempfänger mit Doppelmembrankapsel schaltbares Trittschallfilter drei schaltbare Richtcharakteristiken: Kugel, Niere, Acht schaltbare 10 db Vordämpfung Übertragungsbereich 20 Hz...20 khz Feldübertragungsfaktor bei 1 khz an 1 kohm 20/28/22 mv/pa (K/N/A) Dynamikumfang des Verstärkers (A-bewertet) 105 db Speisespannung (P48, IEC 61938) 48 V ± 4 V Erforderlicher Steckverbinder XLR3F Preis ca Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 31 NEUMANN Großmembranmikrofon TLM 103 Richtcharakteristik: Niere Druckgradientenempfänger mit Einmembrankapsel transformatorlose Schaltung extrem rauscharm: 7 db-a Übertragungsbereich: 20 Hz...20 khz Feldübertragungsfaktor bei 1 khz an 1 kohm: 23 mv/pa Nennimpedanz: 50 Ohm Preis: Medientechnik Dr. E. Schön ca Wintersemester 2015/16 Seite 32

17 Mono- und Stereo-Aufnahmeanordnungen Richtrohr-Stereo- Mikrofon Neumann RSM 190i Mono-Mikrofon Shure SM58 (dynamisches Gesangsmikro, Niere) AB-Anordnung mit Neumann KM 130 (Kugel) Äquivalenz-Stereofonie mit Neumann KM 140 (Niere) Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 33 Neumann RSM 190i und Shure SM58 Seitenansicht Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 34

18 Kunstkopf KU80 (Neumann) wurde in den 1970er Jahren entwickelt enthält zwei Neumann-Transitor-Kondensator-Mikrofone KM 83-spezial Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 35 Klinken- und XLR-Stecker weiblich männlich 1. Schaft: Masse 2. Ring: Rechter Kanal bei Stereo- Steckern, negative Phase bei symmetrischen Verbindungen 3. Spitze: Linker Kanal bei Stereo- Steckern, positive Phase bei symmetrischen Verbindungen, Signal ( hot ) bei Mono-Steckern 4. Isolatoren bei symmetrischer Belegung: 1. Abschirmung 2. positive Signalader (+, heiß ) 3. negative Signalader (-, kalt ) Quelle: Wikipedia Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 36

19 Abtastung analoges Signal (voll ausgesteuertes Audiosignal) u(t) 2,2 V 6 dbu = 1,55 V 0 dbu = 0,775 V 0 V 0 dbu = -0,775 V t 6 dbu = -1,55 V -2,2 V vereinfachtes Beispiel U 1 Puls Amplituden Modulation (PAM) U 1 0,5 0, t 0 T a t Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 37

20 Systemdynamik (Audio, 16 Bit) 98 db 96 db 84 db maximale Systemdynamik 12 db 10 db 54 db effektive Systemdynamik 20 db obere Systemgrenze Headroom 0 db Vollaussteuerung Footroom Abstand zum Rauschpegel Verlust durch nichtideale Wandler untere Systemgrenze Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 40

21 Aufbau einer WAVE-Datei WAVE-Datei: RIFF-Chunk FMT-Chunk DATA-Chunk FMT-Chunk: Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 41 Mithörschwelle L 100 db 80 db Sinus-Störpegel bei 1 khz 100 db 80 db 100 db 80 db 60 db 60 db 60 db 40 db 40 db 40 db 20 db 20 db 20 db 0 db 0 db 20 Hz Hz 1 khz khz f Quelle: Wikipedia Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 42

22 MUSICAM-Coder und -Decoder MUSICAM = Masking-pattern adepted Universal Subband Integrated Coding and Multiplexing Bitzuweisung Coder PCM- Audio Filterbank 32 M U X MUSICAM- Signal FFT Datenreduktion Skalenfaktor Redundanzreduktion Mithörschwelle Psychoakustisches Modell Decoder MUSICAM- Signal DeMUX Inverse Datenreduktion Inverse Filterbank 32 PCM- Audio Skalenfaktoren Decodierung Bit-Zuweisung Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 43

23 HP HT HP HT TP TT TP TT Arten der Stereofonie Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 46

24 Trennkörper für kopfbezogene Stereofonie Jecklin-Scheibe absorbierende Scheibe Durchmesser d = 30 cm Stereobasis b = 16,5 cm Kugelmikrofone neuer: OSS-Technik d = 35 cm, b = 36 cm L R L R Kunstkopf Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 47

25 Audiosignalverarbeitung Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 50

26 Audio-Kompressor Eingangssignal Hüllkurvendetektor Inverter Lauststärkeregelung Ausgangssignal Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 51 Analoges Audiomischpult (analoge) Eingänge Mikrofonverstärker Pegelanpassung Filter Ausgänge } } Kreuzschiene Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 52

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28 Audiostudio TU Ilmenau, Medienlabor 2 Mischpult in der Audioregie TU Ilmenau, Hörlabor Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 55 Raumimpulsantwort p(t) Direktschall frühe Reflexionen Nachhall t nach Wikipedia Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 56

29 Absorptionsgrad von Wandmaterialien α 1 0,5 0,2 0,1 0,05 Akustikplatte auf Lattenrost (2 cm) Akustikplatte aufgeklebt (2 cm) mittelschwere Vorhänge Teppich mittlerer Dicke Holzverkleidung auf Lattenrost Resonanzabsorber (500 Hz) Parkett glatter Verputz 0,02 Fenster, geschlossen 0,01 125Hz kHz 2 4 f nach Zollner/Zwicker Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 57 Luftabsorption 0,4 α L in db/m 0,3 12,5 khz 10 khz 0,2 8 khz 0,1 5 khz 3,2 khz 2 khz relative Luftfeuchtigkeit (bei 20 C) in % nach Zollner/Zwicker Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 58

30 Nachhallzeit und Hallradius L 80 db Messung der Nachhallzeit Hallradius p 60 db 40 db 20 db s t p d = p F (r H ) diffuser Schall Freifeld ~1/r r H r Medientechnik Dr. E. Schön Wintersemester 2015/16 Seite 59