Professionelle Videotechnik

Professionelle Videotechnik

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

Prof. Dr. Ulrich Schmidt Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Department Medientechnik Hamburg, Deutschland ISBN 978-3-642-38991-7 DOI 10.1007/978-3-642-38992-4 ISBN 978-3-642-38992-4 (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de 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. www.springer-vieweg.de

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

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

Inhaltsverzeichnis 1 Entwicklung.ge.chiehte........................................... 1 2. Das analoge Video.ignal........................................ 16 2.1 lieht und Wahrnehmung.... 16 2.1.1 Fotometrisehe Größen.... 19 2.1.2 Das men.chliehe Sehvermögen... 21 2.2 Der Bildaufbau... 30 2.2.1 Das diskretisierte Bild... 31 2.2.2 Zeilenzahl und Betrachtungsab.tand... 33 2.2.3 Das Zeilensprungverfahren... 37 2.3 Das monochrome Videosignal... 41 2.3-1 Das BAS-Signal... 41 2.3.2 Signalanalyse... 53 2.3.3 Videosignalübertragung im Basisband.... 59 2.4 Das Farbsignal... 66 2.4.1 Farbe und Wahrnehmung... 67 2.4.2 Farbmisehung... 70 2.4.3 Farbmetrische Größen... 72 2.4.4 Das RGB-Signal... 81 2.4.5 Das Komponentensignal... 82 2.4.6 Das Farbsignal mit Farbhilfsträger... 87 2 4 7 Farbfernsehnormen... 93 2.4.8 Farbsignalhierarchie... 104 2.5 Signalkontrolle... 107 2.5-1 Betriebsmesstechnik... 108 3 Das digitale Videosignal... 118 3-1 Digitale Signalformen... 118 3.2 Grundlagen der Digitaltechnik... 119 3.2.1 Digitalisierung... 120 3.2.2 DIA-Umsetzung... 126 3.2.3 Digitale Signalübertragung im Basisband... 127 3.3 Digitale SD-Videosignale... 133 3.3.1 Digital Composite Signal... 133 3.3.2 Digital Component Signal... 135 3.3.3 Schnittstellen... 142 3.4 Digitale HD-Signale... 148 3.4.1 Bildaufbau digitaler HD-Signale... 149 3.4.2 Digitale HD-Schnittstellen... 154

VIII Inhaltsverzeichnis 3.5 Videodatenreduktion... 158 3.5-1 Grundlagen... '59 3.5.2 Redunda1l2reduktion... 161 3.5.3 DCT... 163 3.5.4 Wavelet-Transformation... '70 3.5.5 DPCM... 172 3.6 JPEG... 176 3.7 Der DV-Algorithmus... 178 3.7.1 DV-DIF... 180 3.8 MPEG... 182 3.8.1 MPEG-Videocodierung... 183 3.8.2 MPEG-Audio... 200 3.8.3 MPEG-Systems... 210 3.9 ITU-H.26x und SMPTE-VC-Standards... 216 3.9.1 H.2641AVC... 216 3.9.2 H.265/HEVC... 221 3.9.3 SMPTE VC-l... 222 3.9.4 SMPTE VC-2... 223 3.9.5 SMPTE VC-3, Avid DNxHD und Apple ProRes... 224 4 Fern.ehsignaIübertragung... 226 4.1 Aoaloge Moduiationsverfairren... 226 4.1.1 Multiplexverfahren... 226 4.1.2 Amplitudenmodulation (AM)... 228 4.1.3 Frequen2modulation (FM)... 23' 4.2 Fernsehbegleitsignale... 233 4.2.1 Fernsehbegleitton... 233 4.2.2 Signale in der VertikaIaustastlücke... 235 4.3 Aoaloge übertragungsverfahren... 239 4.3-1 Terrestrische Ausstrahlung... 240 4.3.2 Satellitenübertragung... 243 4.3.3 Kabelfernsehen... 249 4.3.4 Verbesserte analoge Fernsehsysteme... 252 4.4 Digitale Modulationsverfahren... 259 4.4.1 Phase Shift Keying PSK... 260 4.4.2 Quadraturamplitudenmodulation QAM... 261 4.4.3 Amplitude Phase Shift Keying APSK... 262 4.4.4 Orthogonal Frequency Division Multiplex OFDM... 263 4.5 DVB... 267 4.5.1 Fehlerschutz... 270 4.5.2 Digitales Satellitenfernsehen DVB-S... 274 4.5.3 Digitales Kabelfernsehen DVB-C... 277 4.5.4 Digitales terrestrisches Fernsehen DVB-T... 279 4.5.5 Data Broadcasting... 285 4.5.6 DVB-Endgeräte... 286 4.5.7 Neue digitale Videodienste... 291 4.6 Internet und IPTV... 292

Inhaltsverzeichnis IX 4.6.1 Internet -Grundlagen... 293 4.6.2 Netzwerke... 293 4.6.3 Internet-Protokolle... 294 5 Filmtechnik... 296 5.1 Film als Speichermediunt... 296 5.1.1 Die Filmschwärzung... 297 5.1.2 Farbfilm... 299 5.2 Filmformate... 300 5.2.1 Bildfeldgrößen... 302 5.2.2 Filmkennzeichnung und Konfektionierung... 305 5.3 Filmeigenschaften... 307 5.3.1 Belichtung und Schwärzung... 307 5.3.2 Kennlinie und Kontrastumfang... 308 5.3.3 Farbfilmeigenschaften... 312 5.3.4 Die Lichtempfindlichkeit... 313 5.3.5 Das Filmkorn... 314 5.3.6 Das Auflösungsvermögen... 315 5.4 Filmentwicklung und -kopie... 317 5.4.1 Filmentwicklung... 317 5.4.2 Der Kopierprozess... 318 5.4.3 Die Lichtbestimmung... 319 5.4.4 Blenden, Titel- und Trickarbeiten... 321 5.5 Filmton... 322 5.5-1 Das Lichttonverfahren... 323 5.5.2 Meltrkanaltonverfahren... 325 5.6 Der digitale Film... 330 5.6.1 Die Bildauflösung... 331 5.6.2 Die Grauwertauflösung... 333 5.6.3 Die Farbqualität... 336 5.7 Filmabtaster... 337 5.7.1 Filmabtastung bildpunktweise... 339 5.7.2 Filmabtastung zeilenweise... 342 5.7.3 Filmabtastung bildweise... 344 5.7.4 Gradations- und Farbkorrektur... 345 5.8 Filmbelichtung... 348 5.8.1 CRT-Belichter... 348 5.8.2 Laserbelichter... 349 5.9 Filmdatenspeicherung... 351 6 Bildanfnahmesysteme... 353 6.1 Bildwandler... 354 6.1.1 Röhrenbildwandler... 356 6.1.2 CCD-Bildwandler... 359 6.1.3 CMOS-Bildwandler... 368 6.1.4 Plenoptischer Bildwandler... 371 6.1.5 Sensorempfindlichkeit... 372

X Inhaltsverzeichnis 6.1.6 Rauschen und Dynamik... 373 6.1.7 Global Shutter... 376 6.1.8 Defokussierung... 377 6.1.9 Farbbildwandler... 378 6.1.10 Bildformatwechsel... 381 6.2 Kameraoptik... 383 6.2.1 Grundlagen der Optik... 383 6.2.2 Das optische System der Kamera... 396 6.3 Die Videokamera... 404 6.3-1 Das elektronische System der Kamera... 405 6.3.2 Die Digitalkamera... 413 6.3.3 Der Weißabgleich... 414 6.3.4 Automatikfunktionen... 415 6.3.5 Bildstabilisierungssysteme... 416 6.3.6 Der Kamerasucher... 418 6.3.7 Die Studiokamera... 419 6.3.8 Die EBI EFP-Kamera... 425 6.3.9 Semiprofessionelle Kameras... 428 6.3.10 Amateurkameras... 429 6.4 Digitale Cinematographie... 430 6.4.1 Die Filmkamera... 430 6.4.2 Anforderungen an digitale Filmkameras... 435 6.4.3 Digitale Filmkameras... 437 6.5 Kamerasupport... 453 6.5-1 Stereoskopische Aufnal1men... 457 7 Bildwiedergabesysteme... 460 7.1 Bildwiedergabe mit Kathodenstrahlröhren... 461 7.1.1 Das Funktionsprinzip... 461 7-1.2 Farbbildröhren... 464 7.1.3 Signalverarbeitung... 467 7.2 Flüssigkristall-Displays... 470 7.2.1 LCD-Funktionsprinzip... 470 7.2.2 Pixelansteuerung und -beleuchtung... 474 7.3 Selbstleuchtende Flachbildschirme... 477 7.3.1 Plasmadisplays... 477 7.3.2 OLED-Displays... 479 7.3.3 FED und SED... 482 7.4 Videomonitore... 483 7.41 Prodnktionsmonitore... 485 7.42 Heimmonitore und Fernsehempfänger... 489 7.43 3D-Displays... 492 7.5 Großbildprojektion... 494 7.5.1 Aktive Großbilderzeugung... 495 7.5.2 Passive Großbilderzeugung... 497 7.6 Kinoprojektion... 506 7.6.1 Filmprojektion... 506

Inhaltsverzeichnis XI 7.6.2 Digitalprojektion im Kino... 509 7.6.3 Digital Cinema... 512 7.6.4 3D-Kino... 516 8 Bildaufzeichnungsgeräte... 520 8.1 Entwicklungsgeschichte... 520 8.2 Grundlagen der Magnetaufzeichnung... 521 8.2.1 Das magnetische Feld... 521 8.2.2 MAZ-Grundprinzip... 524 8.2.3 Magnetband- und Kopfführung... 530 8.3 Analoge Magnetbandaufzeichnung... 538 8.3.1 Signalverarbeitung bei der FM-Aufzeichnung... 541 8.3.2 Zeitbasiskorrektur (TBC)... 543 8.4 Audio-Aufzeichnung in Analog-Recordern... 545 8.5 FBAS-Direktaufzeichnung... 550 8.5.1 Das 2" -Quadruplex-System... 550 8.5.2 Das 1"-A- und C-Format... 552 8.5.3 Das 1"-B-Format... 554 8.6 Colour-Under-Aufzeichnung... 556 8.6.1 Signalverarbeitung... 557 8.6.2 Colour-Under-Formate... 559 8.7 Komponentenaufzeichnung... 568 8.7.1 Signalverarbeitung... 569 8.7.2 Komponentenaufzeichnungsformate... 571 8.8 Digitale Magnetbandaufzeichnung... 576 8.8.1 Signalverarbeitung... 578 8.8.2 Digitale Komponentenformate ohne Datenreduktion... 583 8.8.3 Digitale Compositesignal-Aufzeichnung... 585 8.8.4 Digitale Komponentenformate mit geringer Datenreduktion... 587 8.8.5 Digitale Komponentenaufzeichnung mit DV-Datenreduktion... 591 8.8.6 Digitale Komponentenaufzeichnung mit MPEG-Datenreduktion... 596 8.8.7 Digitale HD-MAZ... 599 8.9 Bandlose digitale Signalaufzeichnung... 604 8.9.1 Magnetplattensysteme... 605 8.9.2 Optische Speichermedien... 612 8.9.3 Festwertspeicher... 623 9 Videosignalbearbeitung 624 9.1 Bildmischer... 624 9.1.1 Mischerkonzepte... 625 9.1.2 Bildübergänge... 628 9.1.3 Stanzverfahren... 630 9.1.4 Funktionen in Digitalmischern... 637 9.1.5 Mischeraufbau... 638 9.1.6 Bildmischer-Typen... 643 9.2 Videografik- und Effektgeräte... 646 9.2.1 Schriftgeneratoren... 646

XII Inhaltsverzeichnis 9 2.2 9.2.3 9 3 9 3-1 9.3.2 9 3 3 9 3-4 9 3 5 9 4 9.4.1 9 4 2 9 4 3 9 5 9 501 9 5-2 9.6 10 10.1 10.1.1 10.1.2 10.1 3 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2 3 10 3 10.3-1 10 3 2 10 3 3 10 4 10 4 1 10.4.2 10 5 10 501 10 5 2 10 5 3 10 5 4 10 5 5 10.5.6 10.6 10.6.1 10.6.2 10.6.3 11 12 Digitale Effektgeräte... 648 Grafik und Animation... 650 Elektronische Schnittsteuersysteme... 652 Grundfunktionen... 652 Timecode... 655 Linear Editing... 662 Fernsteuersignale... 665 Schnittsteuersysteme... 667 Nonlineare Editingsysteme... 670 Grundlagen... 670 NLE-Betrieb... 673 Filmschnitt... 681 Compositingsysteme... 687 Grundfunktionen... 687 Ausführung von Compositingsystemen... 693 Computeranimation... 695 Videostudiosysteme... 698 Signale im Produktionsbereich... 699 Analoge Signalformen... 699 Digitale Signalformen... 700 Fileformate... 713 Signalverteilung... 724 Verteilung von Analogsignalen... 724 Digitale Signalverteilung... 728 Videosignalschnittstellen... 730 Videodaten in Netzwerken... 736 Systembetrachtung Signale und Ne!2e... 737 Netzwerke aus dem Telekom-Bereich... 742 Ne!2werke aus dem Computerbereich... 744 Produktionsanforderungen... 753 Produktionsempfehlungen der EBU... 753 Technische Richtlinien-HDTV für ARD, ZDF und ORF... 755 Produktionseinileiten... 762 Produktionsbereiche... 762 Postproduktion... 773 Sendekomplexe und -abwicklung... 776 Verne!2e Produktion... 778 SNG-Fallrzeuge... 782 Ü-Wagen... 787 Das virtuelle Studio... 794 Technische Ausstattung des virtuellen Studios... 796 Kameratracking... 800 Produktion im virtuellen Studio... 806 Literaturverzeichnis... 811 Sachverzeichnis... 819