Bildwandler-Technologie für zukünftige Fernsehformate Klaus Weber Senior Product Marketing Manager, Camera
Agenda Anforderungen an ein zukünftiges Fernsehformat Spezifische Anforderungen an die Bildwandler Vergleich verschiedener Technologien Lösungsmöglichkeiten Zusammenfassung 1
Anforderungen an ein zukünftiges Fernsehformat
Anforderungen an ein zukünftiges Fernsehformat Es ist davon auszugehen, dass ein zukünftiges Fernsehformat mehr Verbesserungen als nur mehr Pixel haben muss Progressive Abtastung Größerer Dynamikumfang Höhere Bildwiedeholrate Erweiterter Farbraum 3
Spezifische Anforderungen an die Bildwandler
Spezifische Anforderungen an die Bildwandler Progressive Abtastung Gleich hohe Bildqualität bei progressiver Abtastung wie bei einer Abtastung mit Zeilensprung Größerer Dynamikumfang Verbesserung der Bildelemente und/oder Möglichkeiten einen erweiterten Dynamikbereich zu errechnen Höhere Bildwiedeholrate Möglichkeit die Bildinformationen schneller auszulesen ohne deutliche Vergrößerung der Verlustleistung und einer Verschlechterung der Transfereffizienz 5
Vergleich verschiedener Technologien
Vergleich verschiedener Technologien 300% 250% Licht- Empfindlichkeit Bei 2000 Lux + 60dB 200% 150% 100% F11 F12 CCD Cameras FT CMOS Camera 50% 0% 1080i50 1080p50 1080PsF25 7
Vergleich verschiedener Technologien 300% 250% 200% F18 Licht- Empfindlichkeit Bei 2000 Lux + 60dB 150% 100% F11 F12 F12 F11 CCD Cameras FT CMOS Camera 50% 0% F8 1080i50 1080p50 1080PsF25 8
Vergleich verschiedener Technologien 900% 800% 700% 600% 500% 400% 300% 200% 100% 0% 800% 800% 800% 600% 300% 300% 1080i50 1080p50 1080PsF25 Dynamikumfang CCD Cameras FT CMOS Camera 9
1st sample 2nd sample 3rd sample 1st sample 2nd sample 3rd sample Vergleich verschiedener Technologien Erweiterter Dynamikumfang CMOS Bildwandler können während einer Belichtungsphase mehrfach ausgelesen werden Ein erweiterter Dynamikumfang lässt sich dadurch errechnen 10
Vergleich verschiedener Technologien Höhere Bildwiederholrate Bei CCD Bildwandlern werden alle Ladungen innerhalb des Bildwandlers verschoben und sequenziell in einer Ausgansstufe in eine Signalspannung gewandelt Höhere Bildwiederholrate (oder höhere Anzahl von Bildelementen) bedeutet höhere Abtastraten und damit verbunden höhere Verlustleistung und schlechtere Transfereffizienz Bei CMOS Bildwandlern befindet sich innerhalb jeden Bildelements ein eigener Ausgangsverstärker Bandbreite des Verstärkers = Bildwiederholrate und unabhängig von der Anzahl von Bildelementen Das limitierende Element beim CMOS Bildwandler ist die A/D-Wandlung Kann durch eine Aufteilung der Signale auf mehrere parallele A/D-Wandler bewältigt werden 11
Vergleich verschiedener Technologien Höher auflösende Bildformate sind nur mit CMOS Bildwandlern möglich Höhere Bildwiederholraten sind nur mit CMOS Bildwandlern möglich Der Bandbreitenbedarf der Ausgangsstufe beim CCD Bildwandler wird zu groß Progressive Bildaufnahme benötigt CMOS Bildwandler CCD Bildwandler haben bei der progressiven Bildaufnahme eine um 6dB verringerte Empfindlichkeit und nur den halben Dynamikbereich Für anspruchsvolle Live-Anwendungen wird ein globaler Shutter benötigt 12
Lösungsmöglichkeiten
Lösungsmöglichkeiten Es gibt zwei Möglichkeiten echtes 4K zu generieren 1. Verwendung von kleineren Bildelementen auf der gleichen Größe der Bildwandler 2. Verwendung von gleich großen Bildelementen auf größeren Bildwandlern Beides ist aber zum heutigen Zeitpunkt praktisch nicht möglich 14
Lösungsmöglichkeiten Was haben alle aktuellen High-End Kameras gemeinsam? Die Pixelgröße! Spiegelreflexkameras mit Vollformat Ca. (5-6µm)² Spiegelreflexkameras mit APS-C Format Ca. (4-5µm)² 4K digitale Kinematographie Kameras (mit Super 35mm Bildwandler) Ca. (5-7µm)² 1080p Broadcast Kameras mit 2/3 Bildwandler (5µm)² 15
Lösungsmöglichkeiten Da die beiden Varianten echtes 4K zu generieren nicht möglich sind welche Alternativen sind möglich? 1. Verwendung von einem Super 35 (4K) Bildwandler mit Farbfiltern 2. Verwendung von drei 2/3 (2K) Bildwandlern mit Prismen-Farbteiler Beide Lösungsmöglichkeiten haben je nach Anwendung mehr oder weniger starke Einschränkungen 16
Lösungsmöglichkeiten 1. Verwendung von einem Super 35 (4K) Bildwandler mit Farbfiltern Meist verwendet wird dafür ein Bayer Pattern Filter Zu beachten: Eine solche Lösung erzeugt keine volle 4K Auflösung Von den ca. 4.000 Bildelementen je Zeile sehen : 50% die grünen, 25% die blauen und 25% die roten Bildanteile Der Rest der Bildinformation muss geschätzt bzw. errechnet werden Durch das große Bildformat ergeben sich bezüglich der Objektive einige Besonderheiten 17
Lösungsmöglichkeiten Die Objektive sind deutlich größer und schwerer Nur sehr eingeschränkter Zoombereich möglich Sehr geringe Schärfentiefe Bei szenischen Anwendungen gefordert Bei Live-Produktionen nicht akzeptabel 18
Lösungsmöglichkeiten Durch die Farbfilter ergeben sich bestimmte Bildartefakte: Interferenzen an feinen Bilddetails 19
Lösungsmöglichkeiten Konzept optimiert für Szenische Produktionen Hochwertigste Festbrennweiten bzw. Zoomobjektive mit geringem Brennweiten- Bereich Geringe Schärfentiefe ermöglicht das bewusste Lenken des Zuschauers auf gewünschte Objekte Geringe Schärfentiefe reduziert Störungen durch geringe Bildwiederholrate Optimale Ergebnisse bei kontrollierten Bedingungen 20
Lösungsmöglichkeiten 2. Verwendung von drei 2/3 (2K) Bildwandlern auf einem RGB-Strahlteiler-Prisma Progressive Abtastung statt Abtastung mit Zeilensprung Signalverarbeitung durchgängig in 4:4:4 statt 4:2:2 Räumlicher Versatz der Rot/Blau- zu den Grün-Bildelementen Berechnung der fehlenden Bildanteile in der RAW-Ebene Zu beachten: Eine solche Lösung erzeugt keine volle 4K Auflösung Ein Teil der Bildinformation muss geschätzt bzw. errechnet werden Die hohe Lichtempfindlichkeit einer 2/3 HD Kamera bleibt erhalten 2/3 HD Objektive können verwendet werden 21
Lösungsmöglichkeiten Konzept optimiert für Liveproduktionen Gleicher Bildwinkelbereich Keine Änderung der Schärfentiefe Keine Änderung der Lichtempfindlichkeit Gleicher Blendenbereich verfügbar Bessere Farbauflösung Geringere Interferenzbildung an feinen Bildstrukturen Nahaufnahme Totale 22
Zusammenfassung
Zusammenfassung Die Bildwandler-Technologie für die zukünftigen Fernsehformate Zukünftige Fernsehformate werden eine progressive Abtastung haben Höher auflösende Bildformate, höhere Bildwiederholraten und ein erweiterter Dynamikbereich sind nur mit CMOS Bildwandlern möglich Es werden große Bildelemente auf kleinen Bildwandlern benötigt Akzeptable Bildqualität nur in einer Konfiguration mit drei Bildwandlern 24