FernsehenPräsentation über

Aufnahme, Übertragung & Wiedergabe von Bild und Ton

LV Didaktik der Physik – Innsbruck 8.6.2006Bernhard Piazzi

Übersicht• Geschichte des Fernsehens

• Fernsehtechnik- Bildaufnahme, Tonaufnahme- Signalübertragung- Bildwiedergabe, Tonwiedergabe

•

• Videoformate, Videokompression

Geschichte des Fernsehens1849 Bau des ersten Mikrofons

1883 Paul Nipkow erfindet das „elektr. Teleskop“

1897 Ferdinand Braun entwickelt Kathodenstrahlröhre(vgl. 1897 Thomson entdeckt das Elektron)

1923 erster brauchbare Bildabtaster, die Ikonoskop-Röhre

1928 Vorstellung des Fernsehens mit Nipkow-Scheibe(4x4 cm großes Bild: 30 Zeilen; 12,5 B/s)

1930 Braun‘sche Röhre fürs Fernsehen brauchbar(ab 1935 180 Zeilen; 25 B/s, ab 1938 schon 441 Zeilen)

1936 Olympia in Berlin: Ikonoskop ist serienreif

1953 Einführung des Farbfernsehens in USA (NTSC)

1954 erste internationale Fernseh-Direktübertragung

1966 Einführung der Farbfernseh-Normen: PAL und SECAM

1975 CCDs erstmals in Fernsehkameras nutzbar

1980 Videotext-Großversuch, 1990 Regelbetrieb

1991 erste seriengefertigte 16:19-Farbfernsehgeräte(in Japan schon HDTV- System mit 1125 Zeilen)

1994 erstmaliges Ausstrahlen von digitalem Fernsehen per Satellit in den USA

1996 Einführung von DVB-T in GB (2003 erst in Deutschland!!)

…

2010 Abschalten aller analogen Rundfunkfrequenzen (EU 2012)

Bildaufnahme

Nipkow-Scheibe (Elektrisches Teleskop):Funktionsweise:- Scheibe mit Löchern, entlang konzentrischer Kreise

angebracht- einzelnen Löcher tasten von außen nach innen jeweils

eine Lochbreite ab- immer nur ein Loch innerhalb des beleuchteten

Abschnitts → in jedem Kreissegment nur ein Loch→ Scheibe ist in so viele Kreissegmente eingeteilt, wie Zeilen abgetastet werden

Technische Grenzen:- höheren Auflösungen → Segmente werden mit zunehmender Zeilenzahl schmaler → Scheibe muss vergrößert werden- Drehzahl konstant (Bildfrequenz) → größeres Trägheitsmoment

Bildaufnahmeröhren

→ Umwandlung von Bild in elektrische Signale

Äußerer Fotoelektrischer Effekt• Freisetzen elektrisch geladener Teilchen durch elektromagnetischer Strahlung• Kinetische Energie der Elektronen abhängig vonFrequenz und nicht von Intensität (Lichtquantenhypotese – Einstein 1905)

Fotozelle:• Strahlungsdetektor (Elektronenröhre)• evakuiertes Glasgefäß mit einer Anode und einer Kathode (Fotokathode)• Die Fotokathode besteht aus einem Metall aus dem durch Licht Elektronen freigesetzt werden können.

Aufbau:• Fotokathode erzeugt auf Speicherplatte ein Ladungsbild

(Lichtstrahlen)• Abtastung durch Kathodenstrahl von Rückseite

Wirkungsweise:• Fotoelektronen schlagen Sekundärelektronen aus Speicherplatte (von

Netzelektrode aufgenommen) → positives Ladungsbild auf Platte• Abtaststrahl wird zuerst beschleunigt und dann durch Bremsring fast

vollständig abgebremst → Speicherplatte positiv geladen, Elektronen werden aufgenommen. Reflektierte Elektronen werden durch Wandelektrode beschleunigt, von Sekundärelektronenvervielfacher aufgenommen (1000x verstärkt).

verschiedene Röhrenarten

• Ikonoskop:Abtaststrahl tastet von vorne ab

• Orthikon (Emitron):von uns besprochen (Speicherplatte kann von anderer Seite abgetastet werden)

• Aufnahmeröhren mit innerem lichtelektrischen Effekt (Vidikon)Wirkungsweise beruht auf inneren lichtelektrischen Effekt (Halbleiterspeicher)

• „Farbröhren“:Kameras bestehen aus mindestens drei RöhrenLicht wird über halbdurchlässige Spiegel oder durch einen Prismenblock in die Farbwertanteile Rot, Grün und Blau aufgeteilt

• Röhren mit äußerem lichtelektrischen Effekt spielen keine Rolle mehr• Vidikon-Röhren mit Halbleiterspeichertarget werden noch in speziellen Anwendungen verwendet

• CCD-Kameras funktionieren nach gleichem Prinzip wie Röhrenkameras. Bild wird in durch Halbleiterzellen in elektrische Informationen umgewandelt. Diese können jedoch direkt ausgelesen werden.

Halbleiter Bildsensoren

Tonaufnahme• Kohlemikrofon:

- besteht aus einer Metallmembran und einer Elektrode, zwischen den beiden sind Kohlekörner- wird zwischen den Elektroden eine Spannung angelegt und schwingt die Membran, dann ändert sich der Widerstand zwischen diesen und es ergibt sich eine Wechselspannung

• Dynamisches Mikrofon (Tauchspulen-, Bändchenmikrofon)- eine Leiterschleife/Spule in einem starken Magnetfeld wird durch Schallwellen in Schwingung versetzt. Dadurch wird in der Spule ein Strom induziert.- dieser Strom ist proportional zur Schallintensität

• Kristallmikrofon- Nutzung des piezoelektrischen Effekts- bei Druckänderung auf den Kristall, ändert sich seine Ladung; befindet er sich zwischen zwei Elektroden(„Kondensator) so ändert sich die Spannung zwischen diesen

• Kondensatormikrofon- Aufbau gleicht einem Kondensator. Besteht aus einer metallbedampften Membran und einer gelochten Elektrode- wird eine Spannung angelegt, so bilden die Elektroden einen Kondensator mit Kapazität. Membran schwingt → Abstand schwankt → Kapazitätsschwankungen → Spannungsschwankungen

Signalübertragung• Information wird von Umsetzer (Kamera, Mikrofon) in elektrische Signale

umgesetzt• Um Signale drahtlos über Antenne übertragen zu können, müssen sie in einen

höheren Frequenzbereich verschoben werden → Modulation eines Senders

Antenne:• Strahlt elektromagnetische Energie ab oder nimmt sie auf• Funktionsweise:

- Parallelschwingkreis (geschlossener Schwingkreis): Energie pendelt zwischen Spule und Kondensator.Durch auseinanderziehen der Platten und entarten der Spule erhält man:- offener Schwingkreis: verhält sich gleich wie geschlossener (Energie abwechselnd in elektrischem und magnetischem Feld)Induktivitäten und Kapazitäten auf Draht verteilt → beide Felder im selben Raum

Antennen• Sendeantenne: durch ein

Übertrager wird Energie zugeführt. 2 Zustände:- es fließt Strom in Antenne → magnetisches Feld wird erzeugt

- Spannung zwischen Enden → elektrisches Feld wird erzeugt

• Magnetisches und elektrisches Feld druchdringen einander senkrecht und bilden elektromagnetische Strahlung der Antenne

Ausbreitung von EM-Wellen• Bodenwellen:

Ausbreitung entlang der Erdoberfläche Verluste werden mit zunehmender Frequenz größer

• Raumwellen:breiten sich geradlinig aus, werden von Ionosphäre frequenzabhängig reflektiert

BereichBodenwelle Raumwelle

Benutzte WellenartDämpfung Reichweite Dämpfung Reflexion

LW gering ≈ 1000 km sehr stark fast vollständig Bodenwelle

MW stark ≈ 300 km stark sehr stark Boden- und Raumwelle

KW sehr stark ≈ 100 km gering stark Raumwelle

UKWUHF/VHF

vollständig ≈ 0 km sehr gering zeitweise Sichtwelle

Sende- und EmpfangsvorgangSenkrechte Sendeantenne:- senkrechte elektrische Feldrichtung- waagrechte magnetische Feldrichtung

Senkrechte Empfangsantenne:- Elektrisches Feld ruft eine Spannung hervor → nacheilender StromSpule:- Wanderndes Feld induziert eine Spannung

Amplitudenmodulation• Die Sendefrequenz ist fix, die Informationen werden

in der Änderung der Amplitude gespeichert.• Modulation:

niederfrequentes Signal:hochfrequentes Trägersignal:NF-Signal wird mit Trägerfr. multipliziert und zum Trägersignal addiert:

• Demodulation:Mittels Spitzenwertgleichrichter kann die Einhüllende als Schwingung herausgefiltert werden.

tUu NFNF cosˆtUu TT cosˆ

ttUUu NFTAM cos)cosˆˆ(

Frequenzmodulation• Information wird durch leichte Änderung der Trägerfrequenz gespeichert.• Modulation:

ein abgestimmter Schwingkreis hat eine bestimmte Resonanzfrequenz Ersetzt man den Kondensator durch eine Kapazitätsdiode, so kann man durch Änderung der Kapazität die Resonanzfrequenz abändern

• Demodulation:FM wird durch Spitzenwertgleichrichter in AM umgewandelt.

Bildübertragung• Parallele Übertragung der Daten nicht möglich, denn dann wären 414000 Kanäle

pro Sender nötig (PAL) → serielle Übertragung (Erinnerung: Nipkow-Scheibe)• BAS-Signal (Bild-Austast-Synchron-Signal) … Schwarz-Weiß-Bild

FBAS-Signal (Farbbild-Austast-Synchron-Signal) … Farbbild• Information wird zeilenweise übertragen, zum verhindern von flimmern 2

Halbbilder getrennt• Empfänger muss wissen:

- wann neue Zeile beginnt (Horizontale Synchronisation)- wann neues (Halb-)Bild beginnt (Vertikale Synchronisation)

ÜbertragungsstandardsAlle Verfahren müssen aufwärts- und abwärtskompatibel sein• NTSC (AM): Farb- und Helligkeitsinformationen werden getrennt

übertragen. Helligkeit wie bei SW in der Amplitude, Farbinfo in der Phasenverschiebung

• PAL (Phase Alternating Line) (AM): wurde entwickelt um die Farbtonfehler des NTSC Formats auszumerzen: die Farbinformation jeder 2. Zeile wird um 180° phasenverschoben gesendet → der Empfänger kann den Farbtonfehler in einen Farbintensitätsfehler umwandeln (merkt menschliches Auge nicht so stark)

• SECAM (séquentiel couleur avec mémoire) (FM): parallel entwickelt zu PAL, verwendet jedoch Frequenzmodulation zur Farbübertragung. → Phasenverschiebungen während Übertragung beeinflussen Bild nicht, es können jedoch nicht beide Farbinformationen gleichzeitig übertragen werden (2 Zeilen teilen sich die Farbinfo)

Bildwiedergabe

Kathodenstrahlröhre:• 1897 von Braun entwickelt; nennt Strahlung Kathodenstrahlung, da Elektronen

noch nicht gefunden• Elektronen werden durch Anode aus einer geheizten Kathode beschleunigt (~

17000 V)• Durch Fokussiersystem zu Strahl gebündelt und durch elektrische oder

magnetische Felder abgelenkt → treffen auf fluoriszierenden Bildschirm

• Bei Oszilloskopen werden elektrische Felder zur ablenkung verwendet, bei Bildschirmen magnetische.

• Farbfernseher: Strahlsystem besteht aus 3 gleichartigen Elektronenstrahlquellen, die entweder im 3-Eck oder in einer Linie angeordnet sind.

• Der Bildschirm besteht aus einer Lochmaske, welche bei Farbfernsehern in 3 Farben unterteilt ist.

• LCD-Bildschirm:Lichtdurchlässige Schicht besteht aus 2 Polarisationsfiltern und einem dazwischen- liegenden Flüssigkeitskristall. Wird an den Flüssigkeitskristall eine Spannung angelegt, so ändert sich die Polarisationsrichtung des Kristalls und es wird entweder Licht durchgelassen oder nicht.

• Rückprojektionschirme und Beamer verwenden großteils LCDs zur Bilderzeugung.Teilweise kommen auch DLPs vor. Dies sind Chips, die aus winzigen Spiegeln bestehen und so das Bild erzeugen.

• Plasmabildschirme– Aufbau: zwischen zwei Glasplatten befinden sich sehr viele kleine

Kammern. Immer 3 Kammern ergeben einen Bildpunkt, sie leuchten in den Farben rot, grün und blau. In den Kammern befindet sich ein Edelgas-Gemisch, das durch Kathoden gezündet werden kann

– verschiedene Helligkeiten erreicht man durch unterschiedliche Zündhäufigkeiten

– Vorteile: sehr lichtstark, auch bei großen Schirmen recht billig– Nachteile: geringe Lebensdauer, hoher Stromverbrauch (300 - 500 W),

Einzelpunkte sind recht groß (keine kleinen Bildschirme möglich)

Tonwiedergabe

• Dynamischer Lautsprecherund KopfhörerMembran mit Spule befindet sich frei beweglich im Luftspalt eines magnetischen Kreises. Magnetfeld wird von Dauermagneten erzeugt.- Fließt Strom durch die Spule, so wird die Membran je nach Stromrichtung bewegt.

• Magnetischer LautsprecherMembran ist durch Feld des Dauermagneten vorgespanntWechselspannung an Spule → Magnetfeld verstärkt oder geschwächt → Membranschwingung hat gleiche Frequenz wie Wechselstrom

Videoformate• AVI (Audio Video Interleave):

- am weitesten verbreitete Videoformat für PC-Plattformen- beinhaltet eine Video- und eine Audiospur, können unabhängig voneinander komprimiert sein- Bildqualität und anfallende Datenmenge hängen von der Komprimierung ab

• MPEG- umfasst mehrere Standards zur Kompression von Audio- und Videodaten- da sich zwei aufeinanderfolgende Bilder derselben Filmszene in der Regel kaum unterscheiden, werden lediglich die veränderten Bilddetails erfasst und weiterverarbeitet

• QuickTime- von Apple als Standardformat für Mac-Rechner entwickelt- jetzt ein Multimediaformat, das in unabhängigen Spuren Audio-, Video- und Bilddaten mit unterschiedlichen Codecs arbeiten kann

AVI und Quicktime nennt man auch Container.

Videokompression• Datenrate eines digitalisierten Videosignals lässt sich durch Kompression

um ein vielfaches verringern• MPEG (Moving Pictures Expert Group) standardisiert Verfahren dafür

(MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4,…)• Beispiel: Datenrate von Fernsehsignal: 166MBit/s (20,75 MB/s)

DVD-Video (MPEG-2): 6MBit/s ( 0,75 MB/s) Video (MPEG-4): 1MBit/s ( 0,125 MB/s)

• Dies erreicht man durch Techniken, die irrelevante und redundante Informationen entfernen.

• Redundanzreduktion– Statistische Eigenschaften des Bildsignals, zum

Beispiel Korrelation zwischen zeitlich und räumlich benachbarten Bildpunkten, werden erkannt und zusammengefasst

– Es kommt eine Kodierung mit variabler Codewortlänge zum Einsatz (häufige Codewörter werden durch kürzere ersetzt)

• Irrelevanzreduktion– Es wird Information ausgelassen, sodass das

Ergebnis vom menschlichen Betrachter „ohne“ Störung wahrgenommen wird

– Verlustbehaftete Kodierung

• Häufige Kompressionsarten:– Gebiete mit ähnlicher bzw. gleicher Farbe werden

zu Blöcken zusammengefasst gespeichert– Die Bewegung dieser Blöcke wird analysiert und

nur die Unterschiede zum vorherigen Bild werden gespeichert.

Dies führt zu sogenannten Blockartefakten, die häufig in Rauchschwaden und Meereswellen auftreten