Zwischenprüfung Signal- und Videotechnik

IHR
LAPPEN
!!!

29.06.2012
Dies ist eine Zusammenfassung des Unterrichts bei Herrn Premus fur Signal- und Videotechnik. Dieser Lernzettel soll eine Hilfe
fur die Vorbereitung auf die theoretische Zwischneprufung, fur den Teil bei Herrn Premus im Bereich Medientechnik, sein.
Wie immer kann ich nicht fur Vollstandigkiet oder Richtigkeit garantieren. Sollten inhaltliche Fehler gefunden werden, einfach
eine Nachricht bei Facebook oder eine Mail an mich und ich werde es sofort korrigieren.
Beim Thema Datenrate habe ich aus Zeitgrunden die Beispielaufgaben weggelassen.
Der durchgestrichene Teil ist nicht relevant, konnte aufgrund einiger Verknupfungen leider nicht geloscht werden.
Laut meinen Informationen werden folgende Themen NICHT abgefragt:
- LCD- und Plasma
- Kathodenstrahlrohre
Die Rechtschreibung hat auch etwas gelitten und aus Zeitmangel erspar ich mir eine Rechtschreibkorrektur weswegen euch
einige Fehler begegnen werden.
Ich versuche die Tage auch Lernzettel fur die anderen Bereich hochzuladen, kann jedoch nichts
versprechen. Ich wunsche viel Erfolg beim lernen.
Euer
Markus Jacke

---

Grenzen der menschlichen Sehwahrnehmung
1. Spektrum des sichtbaren Lichts
* sichtbares Licht = elektromagnetische Wellen mit Wellenlangen von ca. 370 nm bis 780 nm (nm=Nanometer)
* Stabchen sind zustandig fur Nachtsehen" (Hell/Dunkel)
* Zapfen sind zustandig fur das farbige sehen (= 3 Zapfenarten fur jeweils rotes, grunes und blaues Licht)

Zur kurve der spektralen Helligkeit

* reine maximale Helligkeit empfinden wir als Wei

* Weies Licht= Zusammensetzung von roten, grunen und blauen Licht zu gleichen Anteilen

* da unsere Farbrezeptoren unterschiedlich auf jeweilige Lichtanteile reagieren, verteilt sich deren Helligkeit wie folgt:


- Grun scheint am hellsten-> 59 % Helligkeit gegenuber dem Wei


- Rot erscheint etwas dunkler -> 30 % Helligkeit gegenuber dem Wei


- Blau erscheint am dunkelsten -> 11 % Helligkeit gegenuber dem Wei

* durch Mischung der 3 Grundfarben sind verschiedene Farbkombinationen moglich:


* Primarfarben: Rot, Grun, Blau


* Sekundarfarben (Mischung von 2 Primarfarben zu gleichen Anteilen):



- Rot+ Grun= Gelb



- Blau+ Grun= Cyan



- Blau+ Rot= Magenta


* Tertiarfarben (Mischung von Primarfarben zu ungleichmaigen Anteilen): unendlich viel Farben
2. Die Scharfenwahrnehmung
* Scharfenwahrnehmung des menschlichen Auges ist begrenzt
* Objekte die zu klein sind oder zu eng beieinander liegen konnen eventuell nicht deutlich erkannt werden
* Der Winkel des Scharfsten Sehens betragt nur 1 (Eine Winkelminute)

- Eine Winkelminute entspricht den sechzigsten Teil eines Winkelgrades (1= 1/60)

- In einer Entfernung von 1 m kann das Auge 2 Punkte mit einem Abstand von 0,2 mm nicht mehr voneinander

- trennen. Das entspricht einer Winkelminute
* damit ein Monitor moglichst viele Details anzeigen kann, ohne das einzelne Bildpunkte zu sehen sind, kommt es auf idealen
Betrachtungsabstand an: - HDTV= 3- fache Bildschirmhohe, SDTV= 6-fache Bildschirmhohe



- Unterschied entsteht aus unterschiedlichen Auflosung und die damit verbundene Bildpunktgroe



* SDTV: - Format: 4:3




- 720 Pixel x 576 Zeilen (= 720 Pixel/Zeile)



* HDTV: - Format: 16:9




- 1920 Pixel x 1080 Zeilen (= 1920 Pixel/Zeile)



- beim idealen Betrachtungsabstand verschmelzen die einzelnen Bildpunkte ohne das angezeigte
- Details verloren gehen
3. Phi- Phanomen
* beschreibt Eigenschaft unserer Sehwahrnehmung
* durch Tragheit des Gehirns ist es nicht in der Lage, mehr als 16 Einzelbilder/Sekunde zu verarbeiten
* bei 16 oder mehr Bildern ahnlichen Inhalts pro Sekunde bewirkt Phi- Phanomen da flussiger bewegt- Bild- Eindruck entsteht
4. Flacker- Grenze
* gibt an wie viel Hell-Dunkel- Wechsel pro Sekunde wahrgenommen werden
* bei heller Umgebung werden Hell- Dunkel- Wechsel mit 20 Hz (Flacker- Grenze= 20 Hz) oder weniger wahr genommen
* in dunkler Umgebung sind wir Lichtempfindlicher: Flacker- Grenze hoher (bis 80 Hz)

---

Die Vollbild- Frequenz beim Kino
* aus fi nanziellen und wirtschaftlichen Grunden sind Kinofi lme mit 24 Bildern/Sekunde belichtet (=24 fps (Frames per second))
* 24 Bilder/Sekunde sind fur Phi-Phanomen ausreichend
* durch Filmtransport kommt es zwischen den Bildwechseln zu Schwarzphasen= 24 Hell-Dunke- Wechsel/ Sekunde
* Bsp.: 1. Bild wird gezeigt > Shutter der Kamera wird geschlossen (Dunkelphase) und Film wird um 1 Bild weiter transportiert
> *Shutter der Kamera geht wieder auf und das 2. Bild wird gezeigt
* das ist fur Flacker- Grenze zu wenig-> Hell-Dunkel- Wechsel wird verdoppelt (wahrend Darstellung eines Bildes wird
* zusatzliche Dunkelphase eingefugt)
* Bsp. 1. Bild wird gezeigt > Shutter der Kamera wird geschlossen (Dunkelphase) > Shutter geht wieder auf und 1. Bild wird * * *
* nochmal gezeigt > Shutter der Kamera wird wieder geschlossen > Film wird um 1 Bild weiter transportiert (das alles
innerhalb von 1/24 Sekunde)
Die Katodenstrahlrohre (schwarz/wei Bildrohre)
Ab 1
Ab 2
zu Ab 1
1. Kathode: sehr starker Minuspol an dem Elektroden freigesetzt werden
2. Wehnelt- Zylinder: Metall- Dose mit kleiner Off nung
3. kleine" Anode: Pluspol der Elektronen anzieht
4. Bundel- und Beschleunigungsspule: Bundelt die Elektronen zu einem dunnen Elektronenstrahl (Schreibstrahl) und be-
schleunigt diese auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Dadurch schieen sie an erste Anode vorbei, Richtung Mattscheibe
5. Elektronenstrahl: unsichtbar und farblos
6. Mattscheibe: elektrische Energie wird in elektromagnetische Wellen (u.a. Licht) umgewandelt
7. Vakuum
8. Graphitschicht: leitet uberschussige elektrische Energie zur groen" Anode ab
9. Glaszylinder
10. groe" Anode": durch sie fl iet uberschussige elektrische Energie wieder in die Schaltung des Apparats. Zwischen Katho-
de und groer" Anode herrscht eine Spannungsdiff errenz von 16.000 Volt
Zu Ab 2
* jeweils 2 Spulenpaare die sich gegenuber liegen konnen mithilfe ihrer Magnetfelder die Ablenkrichtung des Elektronen-
strahls beeinfl ussen
* somit kann jeder Punkt der Mattscheibe angesteuert werden
Die Mattscheibe

---

Schreibvorgang an der Mattscheibe- Vollbild Darstellung (engl. progressiv)
1. Schreibstrahl schreibt erste Zeile von links oben leicht schrag nach rechts unten
2. Am Ende der ersten Zeile wir der Schreibstrahl abgeschaltet" und unsichtbar horizontal zum Beginn der zweiten Zeile
gefuhrt
3. Das Bild wird Zeile fur Zeile (1.,2.,3.,...) geschrieben
4. Am Ende des Bildes wird der abgeschaltete Schreibstrahl, diagonal zuruck nach oben links gefuhrt. Das nachste Bild kann
geschrieben werden.
Wird Zeile fur Zeile eines Vollbildes geschrieben spricht man von progressiver Schreibweise (Bilddauer bei progressiver Bild-
darstellung: 40 ms)
Zeilensprungverfahren (interlaced)
* bei Zeilensprungverfahren setzt sich das Fernsehbild aus zwei Halbbildern zusammen
* diese werden nacheinander geschrieben
* erstes Halbbild: alle ungeraden Zahlen (1.,3.,5.,7.,...)
* zweites Halbbild: gerade Zahlen die zwischen die Zeilen mit den ungeraden Zahlen geschrieben werden (2.,4.,6.,8.,...)
* dadurch werden sichtbare Abdunkelungen vermieden
* das Bild- Flackern ist nicht sichtbar
* Halbbilddauer (Zeit die es braucht um ein Halbbild zu schreiben): 20 ms
Zeilen des 1. Halbbildes
Zeilen des 2. Halbbildes
horizontaler Zeilensprung
Halbbildwechsel
Bewegungskantenunscharfe (Beispiel: Laternenmast+ Schwenk von links nach rechts)
bewegte Kante wird unscharf
* druch das Zeilensprungverfahren erscheinen Kanten unscharfer als bei Vollbildern

---

Der optisch- elektrische Wandler/ Bildwandler
* wandelt optische Informationen (Licht) in elektrische Informationen (Spannung) um
* besteht aus feinen Raste lichtempfi ndlicher Halbleitersubstanzen
* triff t Licht auf lichtempfi ndliche Flachen entsteht dort elektrische Spannung von max. 700 mV
* Spannung ist abhangig von auftreff enden Licht
* viel Licht= hohe Spannung (max. 700 mV)
* wenig Licht= niedrigere Spannung (min. 0 mV)
* Aufl osung des Bildraster ist abhangig von geforderter Bildaufl osung

- SD-TV (576 Rasterzeilen 720 Rasterspalten= 414.720 Bildpunkte pro Bildwandler)
* Hauptsachlich unterscheidet man zwei Typen von Bildwandlern

* CCD- Chip:
- Charge Coupled Device



- ladungsgekoppeltes analoges Bauteil



- Vorteil: lichtempfi ndlich, geringes Bildrauschen



- Nachteil: teuer, hoher Stromverbrauch

* CMOS- Chip: - Complementary- Metal- Oxid- Semiconductor



- Vorteil: geringer Stromverbrauch, gunstig in der Produktion



- Nachteil: geringere Lichtempfi ndlichkeit, hoheres Bildrauschen
U [mV]
Signalspannungsverlauf
Weipegel bei 700 mV
700
Spannungsverlauf
400
0
t
0 mikro Sekunden
Schwarzpegel
400 mikro
Sekunden
U [mV]
Signalspannungsverlauf eines BAS- Signals
Spannungsverlauf
700
vordere Schwarzschulter
400
Diff errenz= 1V
Anfang sichtbare Bildzeile
64 mikro Sekunden
0
hintere Schwarzschulter
Schwarzpegel
-300
horizontaler H- Impuls
H- Impuls
12 mikro Sekunden

---

Das BAS- Signal
* Bild- Austast- Synchron- Signal
* analoges schwarz-wei- Video- Signal
Raster des Bildwandlers
Die maximale Grenzfrequenz des BAS- Signals
* bei SD-TV 6,923 Millionen Hz
* ergibt sich wie folgt (Beispiel bezieht sich auf das Auslesen einer Zeile)

- 1 Hz = eine Schwinung/Intervall pro Sekunde= 1/Sekunde

- SD-TV= 720 Bildpunkte pro Zeile

- wir gehen davon aus das etwas gefi lmt wird, das dafur sorgt das das eine Pixel des Bildwandlers hell und das

- nachste dunkel ist und das immer im Wechsel= beim auslesen der Spannung ergibt sich eine rasche

- Wechselspannung

- auslesen einer Zeile dauert 52 mikro Sekunden

* Rechnung:
- 720 Bildpunkte/2 = 360 Intervalle/52 mikro Sekunden
700 mV



- 360 Intervalle / 52 mikro Sekunden= 6,923 Intervalle/ mikro Sek.



- 6,923 x 1 Mio= 6,923 Millionen Intervalle/ Sekunde



- = 6,923 Millionen Hz= 6,923 MHz
* da solche hohe Frequenzen nur bei Bilddetails entstehen, die vom Zuschauer im
idealen Betrachtungsabstand sowieso nicht wahrgenommen werden,
lasst man sie weg
* Frequenzspektrum wird auf 5 MHz begrenzt
0 mV
Intervall
Intervall
Spannungsverlauf der ersten Zeile des Bildwandlers
Die horizontale Austastlucke
* wird von Kamera genutzt um Synchronsignal fur den Empfanger mit zu senden
* dieses signalisiert, das eine neue Bildzeile folgt
* dieser Synchronimpuls wird als negative Spannung (-300mV) ubetragen um ihn eindeutig zu machen
* somit ergibt sich ein Signalspannugumfang von 1000mV = 1V
700 mV
vordere Schwarzschulter
0 mV
hintere Schwarzschulter
-300 mV
H-Impuls (horizontaler Synchron Impuls)
52 s (mikro Sekunden)
12 s
64 s (mikro Sekunden)
1. Gesamtzeile
2. Gesamtzeile
3. Gesamtzeile

---

Die vertikale Austastlucke (V- Impuls)
* um Schaltzeit zwischen zwei Halbbildern zu nutzen, werden dort verschiedene Zusatzsignale eingebaut
* das VPS- Signal (Video- Programm-System): ermoglicht Ansteuerung eines Videorecorders
* beim Wechsel von einem zum nachste Halbbild vergeht in etwa die Zeit, die es benotigen wurde 24 bzw. 25 Zeilen zu
schreiben
* zwischen Halbbild 1 und Halbbild 2 liegen 24 Zeilen".
* zwischen Halbbild 2 und Halbbild 1 liegen 25 Zeilen"
* 24+25= 49 nicht sichtbare Zeilen pro Vollbild
* 576 sichtbare Zeilen+ 49 nicht sichtbare Zeilen = 625 Gesamtzeilen pro Vollbild beim europaischen SD-TV
Vom RGB- Signal zum FBAS Signal
R
y
y
y
M
F
FBAS
A
V
T
G
R-y
V
C
R
FBB
Q
I
&
A
X
PR
B-y
U M
B1
2
3
4
5
A
B
C
D
Signalflussdiagramm vom RGB- zum FABS- Signal
*
1 = RGB-Signal/ Komponentensignal der Farbhelligkeit
*
2 = y, R-y, B-y- Signal/ Komponentensignal
*
3 = y, U, V- Signal/ Komponentensignal
*
4 = y/C- Signal/ Seperat- Video- Signal
*
5 = FBAS- Signal/ Composite- Signal (Farb- Bild- Austast- Synchron- Signal)
*
A = Matrizierung in der Matrix
*
B = Frequenzbandbreitenbegrenzung und Pegelreduktion
*
C = Quadraturamplitudenmodulation
*
D = Frequenzverkrummung
RGB- Signal
*
Komponenten- Signal bestehend aus dem Farbhelligkeits- Signal Rot, Grun und Blau
*
3 Signalwege (Leitungen) werden benotigt
*
je Signalweg wird maximal eine Frequenzbandbreite von 5 MHz benotigt
*
RGB- Signal hat also 15 MHz (3x 5 MHz) Signalbandbreite

---

y, R-y, B-y Signal
*
Komponeten Signal bestehend aus y= Luminaz- Signal (Helligkeit) 5 MHz (schwarz-weiss- Signal)
*
R-y und B-y = Farb- Differenz- Signal mit je 5 MHz
*
y= 30% R+ 59% G+ 11% B
*
mit dieser Formel kann errechnet werden, welcher Helligkeit, Farben entsprechen
*
die Signalteile y, R-y, B-y werden mittels Umformung aus dem RGB- Signal gewonnen
*
Vorteil: Farbigkeit (R-y, B-y) und Helligkiet liegen nun getrennt vor und konnen seperat verarbeitet werden
*
Umformung heit Matrizierung und geschieht in der Matrix (elektronisches Bauteil auf der Hauptplatine der Kamera)

*
in der Matrix werden mit Hilfe einer elektrischen Schaltung die Farbhelligkeit in Helligkeit umgewandelt

*
auerdem werden in der Matrix die Farbhelligkeitsanteile von Rot und Blau jeweils nochmal um die


Helligkeit reduziert und als Signalteil R-y" und B-y" ausgegeben

*
da das y- Signal immerhin zu 59% (siehe Formel) aus den grunen Farbhelligkeitsanteil besteht und da die


Rechnung der Matrix auch wieder ruckgangig machbar ist, braucht man Grun nicht noch zusatzlich
zu
ubertragen
y, U, V- Signal
*
Komponenten Signal bestehend aus:


*
y= Luminaz-Signal mit 5 MHz


*
U und V= Farbart- Signal mit rund 2 MHz
*
obwohl rund 6 MHz Signalbandbreite entfernt wurde ist kein sichtbarer Qualitatsverlust fest zu stellen


*
Frequenzbandbreitenbegrenzung (FBB) und Pegelreduktion (PR):



* Ziel dieser Bearbeitung: Informationsmenge der Farben ohne sichtbaren Verlust zu reduzieren



* FBB: * obere Frequenzbereiche werden mit Hilfe eines Tiefpassfilters abgeschnitten




* folglich benotigt die Farbubertragung weniger Bandbreite



* PR:
* Signalspannungen werden um einen festen Faktor reduziert
*
R-y und B-y werden in ihrer Bandbreite auf jeweils 2 MHz begrenz und im Signalpegel gedampft
*
dadurch wird aus R-y > V und aus B-y > U
Y/C- Signal
*
S- Video - Signal (seperate Video) besteht aus:


* y= Luminanz 5 MHz


* c= Chrominanz (Colour) 2 MHz


* die seperat ubertragen werden
*
das C- Signal wird durch QAM (Quadratur- Amplituden- Modulation) der Signal- Teile U und V, mit Hilfe eines

Farbhilfetragers gebildet
*
der Farbhilfetrager hat die Grundschwingung 4,43 MHz
*
die QAM hat zum Ziel, U und V so uber einen Signalweg zu sichern, dass es beim Empfanger wieder in zwei seperate

Signale zerlegt werden kann
*
de- modulieren" (analog) ist vegrleichbar mit de- codieren" (digital)
FBAS- Signal (Farb- Bild- Austast- Synchron- Signal)
*
Composite Signal besteht aus Teilen des Y- Signals und Teilen des C- Signals. Diese Teile wurden mittels


Frequenzverkrummung" so verbunden, dasss noch rund 3- 3,5 MHz fur Luminanz und 1,5 - 2 MHz



Frequenzbandbreite genutzt werden
*
somit hat das FBAS- Signal 5 MHz Frequenzbandbreite und kann auch auf bestehenden Signalwegen des SW- TV

verbreitet werden

---

Farbgewinnung in einer 3- CCD- Chip-Kamera
*
uberiwegend in der professionellen Videotechnik
Dichroitischer Strahlenteiler/ Prismateiler
*
besteht aus 3 Prismateilen
*
teielt Licht in die Grundfarben ( R, G, B)
Chip fur rotes Licht
Absorbtionsfi lter
weies
Chip fur grunes Licht
Licht
dichroitischer Filter
Chip fur blaues Licht
*
Mit Hilfe des Strahelnteilers und den 3 Bildwandlern erhalten wir 3 parallele Signalteile
*
jedes Signal in Form von Spannung steht dabei fur eine der 3 Farbhelligkeiten
Das RGB- Signal
*
wird auch Komponentensignal gennant weil nur alle 3 Signalteile zusammen ein vollwertiges Farbbild ergeben
Farbgewinnung der 1- Chip- Kamera
*
bei 1- Chip- Technik befi ndet sich vor dem Raster des Bild-

wandlers ein deckungsgleiches Raster aus Filterfolien
*
dabei sind 50% aller Filter Grun da diese Grudnfarbe den


groten Anteil an der spektralen Helligkeitsempfi ndung hat
*
Rot und Blau haben jeweils 25 %
Farbbildgewinnung
*
da die Kamera weis" welche Farbfi lterfolie vor welchem


Bildwandler- Punkt ist, kann sie die gemessene Helligkeit


exakt einer Farbe zuordnen
*
um vollwertige Bild-, Farb- und Helligkeitsinformationen abzu

speichern muss jedoch interpoliert werden
Filterfolienraster
Interpolation
(Bayer- Matrix)
*
fehlende Bildinformationen werden mit Hilfe von


vorhandenen Bildinformationen berechnet
Bildwandler

---

Farbcodierverfahren
NTSC:
*
1953 in den USA entwickelt und bis heute in Anwendung beim analogen Composite- Signal
*
National Television System Committee
*
Problem: aufgrund naturlicher Storungen wahrend der Ubertragung kommt es schnell zu Farbstorungen
SECAM:
*
1957 (von Henri de France entwickelt)
*
Sequentiel Coleur a Memorie
*
im zeilenweisen Wechsel werden U und V ubertragen
PAL:
*
1963 (von Walter Bruch) bei Telefunken in Hannover entwickelt
*
Phase Alternating Line
*
im zeilenweisen Wechsel wird die V- Komponente gespiegelt ubertragen
Digitalisierung
1023
> 1111111111 (= 10 Bit- Stellen)
....
...
2
> 0000000010
1
> 0000000001
0
> 0000000000
*
1 Bit (kann 2 Werte haben)> 0 oder 1 (2 ist die Basis)
*
2Bit> 2> 4 Werte moglich (Exponent= Anzahl der Bitstellen)
*
10 Bit> 210 = 1024
*
CD> 16 Bit > 216 = 65.536
*
analoge Informationen werden in mehreren Schritten in digitale Informationen umgewandelt
*
Schritt 1:

* Die Spannung eines Signals wird gemessen (z.b. in mV)
*
Schritt 2:

* mit Hilfe einer Tabelle wird dem gemessenen Spannungswert eine Dezimalzahl zugewiesen
*
Schritt 3:

* die Dezimalzahl wird in eine Binarzahl umgewandelt

* ubrig bleiben nur noch 0 oder 1 bzw, AN oder AUS, bzw. HELL oder DUNKEL
*
Nutzung der Digitalisierung: Informationen koannen verlustfrei ubertragen oder kopiert werden
*
Abtastrate:


* gibt an (Hz) wie haufig, pro Sekunde, ein analoges Signal untersucht wird


* auch: Sample-Rate, Sample- Frequenz, Abtastfrequenz
*
Quantisieurng:
* dabei wird der analoge Messwert in ein binares Datenwort umgeschrieben


* auch: Quantisierungsstufen, Quantisierungstiefe, Bittiefe


* Quantisierungsstufen= 2 (Basis)Bitstellen (Exponent)

---