Professionelle Videotechnik

Transkript

1 Professionelle Videotechnik

2 Ulrich Schmidt Professionelle Videotechnik Grundlagen, Filmtechnik, Fernsehtechnik, Geräte- und Studiotechnik in SD, HD, DI, 3D 6. Auflage

3 Prof. Dr. Ulrich Schmidt Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Department Medientechnik Hamburg, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000, 2003, 2004, 2005, 2009, 2013 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media.

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 durchgefuhrt, 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, ausfuhrlich 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. lni darauf folgenden Kapitel über die Aufzeichnungsverfahren sind die neuen MAZ-Formate, wie Betacam Sx, D8, D9 etc. hinzugekommen sowie ein Abschnitt über die DVD. lni Kapitel Videosignalbearbeitung ist der Themenbereich der nichtlinearen Editingsysteme ausgeweitet worden, der Bereich Studiosysteme ist dagegen nicht mehr enthalten. Dieses Thema ninunt nun erheblich mehr Umfang ein und befindet

5 VI Vorwort sich in einem eigenen 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-Systerne 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 Dauk für die Unterstützung bei der Erstellung der Buches gilt Jens Bohlmann und Roland Greule für die Klärung nachrichten- und lichttechnischer Fragen, Thrsten Höner und Anette Naumann für ihre Hilfe bei der Bildbearbeitung und Korrektur sowie Karin Holzapfel, Walter Folie und Tilmann Kloos für die Erstellung von Fotografien. Für die gute Zusammenarbeit mit dem Springer-Verlag bedanke ich mich bei Herrn Lehnert und Frau Guneus. Bremen, im März 2000 Prof. Dr. U. Schmidt Vorwort zur 6. Auflage Der stetige Wandel der Medien- und Videotechnik ist im Jahre 2013 davon geprägt, dass SDTV-Systeme nun auf breiter Front von HD-Systemen abgelöst sind und diese wiederum eine enge Verbindung zur digitalen Filmtechnik eingelten. Im Zuge dessen steigt das Interesse an noch höher aufgelösten Bildern, die unter dem Stichwort 4k propagiert werden. Hinzu kommt die Bestrebung, auch mit inuner höherer zeitlicher Auflösung zu arbeiten. Im Laufe der Zeit wurden diese Sektoren vor allem bei den Kameras erschlossen. Eine weiterhin dominante Entwicklung ist zudem der immer stärkere Einsatz von IT -Technologie, vor allem der filebasierte Austausch von Videodaten in Netzwerken. Die sechste Auflage des vorliegenden Buches wurde entsprechend in allen Kapiteln aktualisiert. Gegenüber der fünften Auflage gab es insbesondere starke Entwicklungen bei den Kameras und den Displays. Bei Letzteren kamen OLED-Displays als neue Flachbildschirme hinzu. Die Stereoskopie, d. h. die Nutzung der Videosysteme zur Aufnaltme und Abbildung von 3D-Szenen, ninunt nun noch breiteren Raum ein. Neu aufgenommen wurde das Thema HD-Produktionsrichtlinien für den Fernsehbereich. Bremen, im April 2013 Prof. Dr. U. Schmidt

6 Inhaltsverzeichnis 1 Entwicklung.ge.chiehte Das analoge Video.ignal lieht und Wahrnehmung Fotometrisehe Größen Das men.chliehe Sehvermögen Der Bildaufbau Das diskretisierte Bild Zeilenzahl und Betrachtungsab.tand Das Zeilensprungverfahren Das monochrome Videosignal Das BAS-Signal Signalanalyse Videosignalübertragung im Basisband Das Farbsignal Farbe und Wahrnehmung Farbmisehung Farbmetrische Größen Das RGB-Signal Das Komponentensignal Das Farbsignal mit Farbhilfsträger Farbfernsehnormen Farbsignalhierarchie Signalkontrolle Betriebsmesstechnik Das digitale Videosignal Digitale Signalformen Grundlagen der Digitaltechnik Digitalisierung DIA-Umsetzung Digitale Signalübertragung im Basisband Digitale SD-Videosignale Digital Composite Signal Digital Component Signal Schnittstellen Digitale HD-Signale Bildaufbau digitaler HD-Signale Digitale HD-Schnittstellen

7 VIII Inhaltsverzeichnis 3.5 Videodatenreduktion Grundlagen... ' Redunda1l2reduktion DCT Wavelet-Transformation... ' DPCM JPEG Der DV-Algorithmus DV-DIF MPEG MPEG-Videocodierung MPEG-Audio MPEG-Systems ITU-H.26x und SMPTE-VC-Standards H.2641AVC H.265/HEVC SMPTE VC-l SMPTE VC SMPTE VC-3, Avid DNxHD und Apple ProRes Fern.ehsignaIübertragung Aoaloge Moduiationsverfairren Multiplexverfahren Amplitudenmodulation (AM) Frequen2modulation (FM)... 23' 4.2 Fernsehbegleitsignale Fernsehbegleitton Signale in der VertikaIaustastlücke Aoaloge übertragungsverfahren Terrestrische Ausstrahlung Satellitenübertragung Kabelfernsehen Verbesserte analoge Fernsehsysteme Digitale Modulationsverfahren Phase Shift Keying PSK Quadraturamplitudenmodulation QAM Amplitude Phase Shift Keying APSK Orthogonal Frequency Division Multiplex OFDM DVB Fehlerschutz Digitales Satellitenfernsehen DVB-S Digitales Kabelfernsehen DVB-C Digitales terrestrisches Fernsehen DVB-T Data Broadcasting DVB-Endgeräte Neue digitale Videodienste Internet und IPTV

8 Inhaltsverzeichnis IX Internet -Grundlagen Netzwerke Internet-Protokolle Filmtechnik Film als Speichermediunt 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 Meltrkanaltonverfahren Der digitale Film Die Bildauflösung Die Grauwertauflösung Die Farbqualität Filmabtaster Filmabtastung bildpunktweise Filmabtastung zeilenweise Filmabtastung bildweise Gradations- und Farbkorrektur Filmbelichtung CRT-Belichter Laserbelichter Filmdatenspeicherung Bildanfnahmesysteme Bildwandler Röhrenbildwandler CCD-Bildwandler CMOS-Bildwandler Plenoptischer Bildwandler Sensorempfindlichkeit

9 X Inhaltsverzeichnis Rauschen und Dynamik Global Shutter Defokussierung Farbbildwandler Bildformatwechsel Kameraoptik Grundlagen der Optik Das optische System der Kamera Die Videokamera Das elektronische System der Kamera Die Digitalkamera Der Weißabgleich Automatikfunktionen Bildstabilisierungssysteme Der Kamerasucher Die Studiokamera Die EBI EFP-Kamera Semiprofessionelle Kameras Amateurkameras Digitale Cinematographie Die Filmkamera Anforderungen an digitale Filmkameras Digitale Filmkameras Kamerasupport Stereoskopische Aufnal1men Bildwiedergabesysteme Bildwiedergabe mit Kathodenstrahlröhren Das Funktionsprinzip Farbbildröhren Signalverarbeitung Flüssigkristall-Displays LCD-Funktionsprinzip Pixelansteuerung und -beleuchtung Selbstleuchtende Flachbildschirme Plasmadisplays OLED-Displays FED und SED Videomonitore Prodnktionsmonitore Heimmonitore und Fernsehempfänger D-Displays Großbildprojektion Aktive Großbilderzeugung Passive Großbilderzeugung Kinoprojektion Filmprojektion

10 Inhaltsverzeichnis XI Digitalprojektion im Kino Digital Cinema D-Kino Bildaufzeichnungsgeräte Entwicklungsgeschichte Grundlagen der Magnetaufzeichnung Das magnetische Feld MAZ-Grundprinzip Magnetband- und Kopfführung Analoge Magnetbandaufzeichnung 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 Colour-Under-Formate Komponentenaufzeichnung Signalverarbeitung Komponentenaufzeichnungsformate 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 HD-MAZ Bandlose digitale Signalaufzeichnung Magnetplattensysteme Optische Speichermedien Festwertspeicher Videosignalbearbeitung Bildmischer Mischerkonzepte Bildübergänge Stanzverfahren Funktionen in Digitalmischern Mischeraufbau Bildmischer-Typen Videografik- und Effektgeräte Schriftgeneratoren

11 XII Inhaltsverzeichnis Digitale Effektgeräte Grafik und Animation Elektronische Schnittsteuersysteme Grundfunktionen Timecode Linear Editing Fernsteuersignale Schnittsteuersysteme Nonlineare Editingsysteme Grundlagen NLE-Betrieb Filmschnitt Compositingsysteme Grundfunktionen Ausführung von Compositingsystemen Computeranimation Videostudiosysteme Signale im Produktionsbereich Analoge Signalformen Digitale Signalformen Fileformate Signalverteilung Verteilung von Analogsignalen Digitale Signalverteilung Videosignalschnittstellen Videodaten in Netzwerken Systembetrachtung Signale und Ne!2e Netzwerke aus dem Telekom-Bereich Ne!2werke aus dem Computerbereich Produktionsanforderungen Produktionsempfehlungen der EBU Technische Richtlinien-HDTV für ARD, ZDF und ORF Produktionseinileiten Produktionsbereiche Postproduktion Sendekomplexe und -abwicklung Verne!2e Produktion SNG-Fallrzeuge Ü-Wagen Das virtuelle Studio Technische Ausstattung des virtuellen Studios Kameratracking Produktion im virtuellen Studio Literaturverzeichnis Sachverzeichnis