Fernsehen

1. Fernsehen Präsentation über Aufnahme, Übertragung & Wiedergabe von Bild und Ton LV Didaktik der Physik – Innsbruck 8.6.2006 Bernhard Piazzi

2. Übersicht • Geschichte des Fernsehens • Fernsehtechnik- Bildaufnahme, Tonaufnahme- Signalübertragung- Bildwiedergabe, Tonwiedergabe • Videoformate, Videokompression

3. Geschichte des Fernsehens 1849 Bau des ersten Mikrofons • 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)

4. 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)

5. 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)

6. 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

7. 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.

8. 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).

9. 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

10. 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.

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. Amplitudenmodulation • Die Sendefrequenz ist fix, die Informationen werdenin 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.

18. 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.

19. 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-BildFBAS-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)

20. 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)

21. 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

22. 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.

23. 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.

24. 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)

25. 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

26. 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.

27. 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.

28. 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)

29. Irrelevanzreduktion • Es wird Information ausgelassen, sodass das Ergebnis vom menschlichen Betrachter „ohne“ Störung wahrgenommen wird • Verlustbehaftete Kodierung

30. 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