Ulrich Schmidt. Professionelle Videotechnik

Transkript

1 Ulrich Schmidt Professionelle Videotechnik

2 Ulrich Schmidt Professionelle Videotechnik Analoge und digitale Grundlagen, Filmtechnik, Fernsehtechnik, HDTV, Kameras, Displays, Videorecorder, Produktion und Studiotechnik 4., aktualisierte und erweiterte Auflage Mit 758 Abbildungen 13

3 Professor Dr. rer. nat. Ulrich Schmidt Hochschule für angewandte Wissenschaften Hamburg Fachbereich Medientechnik Stiftstr Hamburg Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. isbn 10 isbn Springer Berlin Heidelberg New York Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. din, vdi, vde) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Einbandgestaltung: medionet AG, Berlin Satz: Digitale Druckvorlage des Autors Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3020/m

4 Vorwort Die Videotechnik ist gegenwärtig von einem tiefgreifenden Übergang von analoger zu digitaler Technik betroffen. Der Wandel ist ähnlich revolutionär wie die Veränderung, die vor einigen Jahren bei den Printmedien stattfand. Heute werden fast alle Bearbeitungsschritte der Druckvorstufe mit Standardcomputern durchgeführt, in ähnlicher Weise halten auch im Videobereich Digitalsignale und Computer Einzug. Die Signale verlieren als Digitaldaten ihre videotechnischen Spezifika, sie werden auf Standardfestplatten gespeichert und können auch in digitaler Form bis zum Konsumenten gebracht werden. Dabei ist es möglich, die Distributionswege der analogen Fernsehausstrahlung, Kabel, Satellit und terrestrische Sendewege für die Digitalübertragung ebenso zu nutzen, wie schnelle Computer-Datennetze. Die moderne Videotechnik ist durch eine enge Verknüpfung mit den Bereichen Computertechnik und Telekommunikation gekennzeichnet. Das vorliegende Buch dient der Darstellung der Videotechnik in dieser Zeit des Umbruchs. Die Aspekte der aktuellen Videotechnik werden hier umfassend behandelt: auf analoger ebenso wie auf digitaler Ebene. Das Buch ist sowohl für Studierende der Video- und Medientechnik als auch als Nachschlagewerk gedacht. Es basiert auf dem Buch, das im Jahre 1996 unter dem Titel»Digitale Videotechnik«im Franzis-Verlag erschienen ist. Es wurde völlig neu konzipiert, erheblich erweitert und trägt heute den passenderen Titel»Professionelle Videotechnik«. Nach wie vor ist das Ziel, den gesamten Bereich der professionellen Videotechnik zu erfassen. Dazu werden zunächst die analogen und digitalen Videosignalformen, bis hin zu einer erweiterten Darstellung der MPEG-Codierung, ausführlich erörtert. Daran schließt sich nun ein eigenes Kapitel über Signalübertragungsformen an. Hier ist ein größerer Abschnitt über das digitale Fernsehen (DVB) hinzugekommen sowie eine Betrachtung zu neuen Distributionswegen, deren Entwicklung stark vom Internet geprägt ist. Die beiden folgenden Kapitel behandeln die Bildaufnahme- und Wiedergabesysteme. Bei ersterem ist eine breitere Darstellung der Filmabtaster und der Bildwandler aufgenommen worden. In letzterem nimmt das Thema Plasmadisplays nun breiteren Raum ein. Im darauf folgenden Kapitel über die Aufzeichnungsverfahren sind die neuen MAZ-Formate, wie Betacam SX, D8, D9 etc. hinzugekommen sowie ein Abschnitt über die DVD. Im Kapitel Videosignalbearbeitung ist der Themenbereich der nichtlinearen Editingsysteme ausgeweitet worden, der Bereich Studiosysteme ist dagegen nicht mehr enthalten. Dieses Thema nimmt nun erheblich mehr Umfang ein und befindet sich in einem ei-

5 VI Inhaltsverzeichnis Vorwort genen Kapitel. Hier werden zunächst Betrachtungen zum Einsatz datenreduzierter Signale im Produktionsbereich vorgestellt. Daran schließt sich das Thema Netzwerke für Videostudios an. Es folgt die Darstellung der Postproduktions- und Produktionsbereiche, von Studios über Newsroom-Systeme bis zu SNG- und Ü-Wagen und zum Schluss eine ausführliche Darstellung des virtuellen Studios. Aufgrund der thematischen Breite können nicht alle Bereiche erschöpfend behandelt werden, es sollte aber möglich sein, alle Aspekte im Gesamtkontext der Videotechnik einordnen zu können. Mein Dank für die Unterstützung bei der Erstellung der Buches gilt Jens Bohlmann und Roland Greule für die Klärung nachrichten- und lichttechnischer Fragen, Torsten Höner und Anette Naumann für ihre Hilfe bei der Bildbearbeitung und Korrektur sowie Karin Holzapfel, Walter Folle und Tilmann Kloos für die Erstellung von Fotografien. Für die gute Zusammenarbeit mit dem Springer-Verlag bedanke ich mich bei Herrn Lehnert und Frau Cuneus. Bremen, im März 2000 Prof. Dr. U. Schmidt Vorwort zur 4. Auflage Während zur dritten Auflage die inhaltliche Erweiterung vor allem die Themenbereiche HDTV, digitale Filmtechnik, Filmpostproduktion, digitale Cinematography und Digital Cinema betrafen, gibt mir nun die vierte Auflage des Buches erneut Gelegenheit, den Stoff zu aktualisieren und zu erweitern. Neben kleineren Ergänzungen an vielen Stellen ist vor allem der Bereich der Datenreduktionsverfahren ergänzt und aktualisiert worden. Mit Stichworten wie: MPEG-4, H.264 und Windows Media. Im Bereich der vernetzten Studiosysteme wurde der große Bereich aktueller Datenformate im Broadcastsektor, z. B. MXF und AAF aufgenommen. Bremen, im Oktober 2004 Prof. Dr. U. Schmidt

6 Inhaltsverzeichnis VII Inhaltsverzeichnis 1 Entwicklungsgeschichte Das analoge Videosignal Licht und Wahrnehmung Fotometrische Größen Die Lichtempfindung Das S/W-Videosignal Der Bildaufbau Das Bildsignal Austastlücken Synchronsignale Das BAS-Signal Signalanalyse Videosignalübertragung im Basisband Das Farbsignal Farbe und Wahrnehmung Farbmischung Farbmetrische Größen Das RGB-Signal Das Komponentensignal Das Farbsignal mit Farbhilfsträger Farbfernsehnormen Farbsignalhierarchie Signalkontrolle Betriebsmesstechnik Das digitale Videosignal Digitale Signalformen Grundlagen der Digitaltechnik Digitalisierung D/A-Umsetzung Digitale Signalübertragung im Basisband Digitale Videosignale Digital Composite Signal Digital Component Signal Schnittstellen Auxiliary Data

7 VIII Inhaltsverzeichnis 3.4 HDTV-Signale HDTV analog HD digital Videodatenreduktion Grundlagen DPCM DCT Wavelet-Transformation JPEG Der DV-Algorithmus DV-DIF MPEG MPEG-Videocodierung MPEG-Audio MPEG-Systems H.26x Windows Media Fernsehsignalübertragung Analoge Modulationsverfahren Multiplexverfahren Amplitudenmodulation (AM Frequenzmodulation (FM Fernsehbegleitsignale Fernsehbegleitton Signale in der Vertikalaustastlücke Analoge Übertragungsverfahren Terrestrische Ausstrahlung Satellitenübertragung Kabelfernsehen Verbesserte analoge Fernsehsysteme PALplus MAC HDTV analog Digitale Modulationsverfahren Phase Shift Keying PSK Quadraturamplitudenmodulation QAM Orthogonal Frequency Division Multiplex OFDM DVB Fehlerschutz Digitales Satellitenfernsehen DVB-S Digitales Kabelfernsehen DVB-C Digitales terrestrisches Fernsehen DVB-T DVB-H Data Broadcasting DVB Endgeräte Neue digitale Videodienste

8 Inhaltsverzeichnis IX 4.7 Internet Internet-Grundlagen Netzwerke Internet-Protokolle Filmtechnik Film als Speichermedium Die Filmschwärzung Farbfilm Filmformate Bildfeldgrößen Filmkennzeichnung und Konfektionierung Filmeigenschaften Belichtung und Schwärzung Kennlinie und Kontrastumfang Farbfilmeigenschaften Die Lichtempfindlichkeit Das Filmkorn Das Auflösungsvermögen Filmentwicklung und -kopie Filmentwicklung Der Kopierprozess Die Lichtbestimmung Blenden, Titel- und Trickarbeiten Filmton Das Lichttonverfahren Mehrkanaltonverfahren Der digitale Film Die Bildauflösung Die Grauwertauflösung Die Farbqualität Filmabtaster Filmabtastung bildpunktweise Filmabtastung zeilenweise Filmabtastung bildweise Gradations- und Farbkorrektur Filmdatenspeicherung Filmbelichtung CRT-Belichter Laserbelichter Digital Cinema Bildaufnahmesysteme Halbleiterbildwandler Röhrenbildwandler CCD-Bildwandler CMOS-Bildwandler

9 X Inhaltsverzeichnis Farbbildwandler Bildformatwechsel Die Videokamera Grundlagen der Optik Das optische System der Kamera Das elektronische System der Kamera Die Digitalkamera Der Weißabgleich Automatikfunktionen Bildstabilisierungssysteme Der Kamerasucher Die Studiokamera Die EB/ EFP-Kamera Amateurkameras Digitale Cinematographie Die Filmkamera Die ideale elektronische Filmkamera Reale HD-Kameras Bildwiedergabesysteme Bildwiedergabe mit Kathodenstrahlröhren Das Funktionsprinzip Farbbildröhren Videomonitore Computermonitore Fernsehempfänger Flache Bildschirme Flüssigkristallanzeigen Selbstleuchtende Flachbildschirme Großbildwiedergabe Aktive Großbilderzeugung Passive Großbilderzeugung Kinoprojektion Filmprojektion Projektion der Digitalbilder im Kino Bildaufzeichnungsgeräte Entwicklungsgeschichte Grundlagen der Magnetaufzeichnung Das magnetische Feld Das Magnetband MAZ-Grundprinzip Magnetband- und Kopfführung Spurabtastung und Servosysteme Servosysteme Zeitlupe und Zeitraffer Analoge Magnetbandaufzeichnung

10 Inhaltsverzeichnis XI Aufzeichnung mit Frequenzmodulation Signalverarbeitung bei der FM-Aufzeichnung Zeitbasiskorrektur (TBC) Audio-Aufzeichnung in Analog-Recordern FBAS-Direktaufzeichnung Das 2"-Quadruplex-System Das 1" -A- und C-Format Das 1" -B-Format Colour Under-Aufzeichnung Signalverarbeitung U-Matic Betamax Video Home System, VHS Video Video 2000 und VCR Komponentenaufzeichnung Signalverarbeitung Betacam SP MII Digitale Magnetbandaufzeichnung Signalverarbeitung Digitale Komponentenformate ohne Datenreduktion Digitale Compositesignal-Aufzeichnung Digitale Komponentenformate mit geringer Datenreduktion Digitale Komponentenaufzeichnung mit DV-Datenreduktion Digitale Komponentenaufzeichnung mit MPEG-Datenreduktion Digitale High-Definition-Aufzeichnung Bandlose digitale Signalaufzeichnung Magnetplattensysteme Magneto-optische Platten Optische Speichermedien RAM- und Festwertspeicher-Recorder Videosignalbearbeitung Bildmischer Mischerkonzepte Bildübergänge Stanzverfahren Funktionen in Digitalmischern Mischeraufbau Mischer-Typen Videografik- und Effektgeräte Schriftgeneratoren Digitale Effektgeräte Grafik und Animation Elektronische Schnittsteuersysteme Grundfunktionen

11 XII Inhaltsverzeichnis Timecode Timecode in der Praxis Linear Editing Fernsteuersignale Schnittsteuersysteme Ausführung von Steuersystemen Nonlineare Editingsysteme Computer Grundlagen NLE-Betrieb Filmschnitt Ausführung von nonlinearen Editingsystemen Compositingsysteme Grundfunktionen Ausführung von Compositingsystemen Computeranimation Videostudiosysteme Signale im Produktionsbereich Analoge Signalformen Digitale Signalformen DV-Signale im Studio MPEG-2-Signale im Studio Signalformen bei der Zuspielung Signalverteilung Synchronisation Analoge Signalverteilung Digitale Signalverteilung Videodaten in Netzwerken Interfaces aus dem Videobereich Netzwerke aus dem Telekom-Bereich Netzwerk aus dem Computerbereich Systembetrachtung Signale und Netze Datenformate Postproduktionseinheiten Linear Postproduction Nichtlineare Schnittplätze Grafikabteilung Produktionseinheiten Produktionsbereiche Analoge Komponentenstudios Digitale Studios Sendekomplexe und -abwicklung HDTV-Studiotechnik Newsroom-Systeme SNG-Fahrzeuge Ü-Wagen

12 Inhaltsverzeichnis XIII 10.6 Das virtuelle Studio Technische Ausstattung des virtuellen Studios Kameratracking Produktion im virtuellen Studio Literaturverzeichnis Sachverzeichnis