8-Piazzi_Fernsehen

Fernsehen
Präsentation über
Aufnahme, Übertragung & Wiedergabe
von Bild und Ton
LV Didaktik der Physik – Innsbruck 8.6.2006
Bernhard Piazzi
Übersicht
• Geschichte des Fernsehens
• Fernsehtechnik
- Bildaufnahme, Tonaufnahme
- Signalübertragung
- Bildwiedergabe, Tonwiedergabe
•
• Videoformate, Videokompression
Geschichte des Fernsehens
1849 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 von
Frequenz 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 Röhren
Licht wird über halbdurchlässige Spiegel oder durch einen Prismenblock in
die Farbwertanteile Rot, Grün und Blau aufgeteilt
Halbleiter Bildsensoren
• 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.
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
Bereich
Bodenwelle
Raumwelle
Benutzte
Wellenart
Dämpfung
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
UKW
UHF/VHF
vollständig
≈ 0 km
sehr gering
zeitweise
Sichtwelle
Sende- und Empfangsvorgang
Senkrechte Sendeantenne:
- senkrechte elektrische Feldrichtung
- waagrechte magnetische Feldrichtung
Senkrechte Empfangsantenne:
- Elektrisches Feld ruft eine Spannung hervor →
nacheilender Strom
Spule:
- Wanderndes Feld induziert eine Spannung
Amplitudenmodulation
•
•
Die Sendefrequenz ist fix, die Informationen werden
in der Änderung der Amplitude gespeichert.
Modulation:
niederfrequentes Signal: uNF  Uˆ NF cost
hochfrequentes Trägersignal: uT  Uˆ T cos  t
NF-Signal wird mit Trägerfr. multipliziert und zum
Trägersignal addiert:
u AM  (Uˆ T  Uˆ NF cost ) cos t
•
Demodulation:
Mittels Spitzenwertgleichrichter kann die Einhüllende als
Schwingung herausgefiltert werden.
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)
Übertragungsstandards
Alle 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:
•
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•
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 dazwischenliegenden 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 Lautsprecher
und Kopfhörer
Membran 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 Lautsprecher
Membran ist durch Feld des Dauermagneten
vorgespannt
Wechselspannung 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-, Videound 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