4. Das analoge Videosignal

4.1 Das S/W Bildsignal

Zur Wandlung eines Bildes in ein elektrisches Signal wird zunächst eine zweidimensionale Abbildung erzeugt. Das Bild entspricht einer flächigen Anordnung sehr vieler Leuchtdichtewerte, die sich zeitlich dauernd ändern. Die hohe Informationsdichte muss reduziert werden, der dabei entstehende Fehler soll dem menschlichen Auge als irrelevant erscheinen. Eine erste Reduktion im Bezug auf das Original ist bereits die Abbildung auf zwei Dimensionen, weiterhin wird die Bildinformation durch zeitliche und räumliche Quantisierung reduziert. Bei der zeitlichen Quantisierung ist eine Bildrate von ca. 20 Bildern pro Sekunde nötig, damit dem Auge Bewegungsvorgänge als fließend erscheinen.

4.2 Der Bildaufbau

Die Information über alle Bildpunkte steht gleichzeitig bereit, die parallele Übertragung aller Punktinformationen wäre aber sehr unwirtschaftlich. Ein wesentlicher Gedanke ist daher, die Bildpunktinformation seriell statt parallel zu übertragen. Wenn die Abtastung des Bildes, die Wandlung und der Bildaufbau bei der Wiedergabe schnell genug vor sich gehen, erscheint den menschlichen Auge ein ganzes Bild, obwohl zu jedem Zeitpunkt nur ein Bildpunkt übertragen wird (siehe Bild.5)

Bild 5 :

4.3 Das Bildwandlungsprinzip

 Gleich wie das Nipkow-Prinzip wird das Bild zeilenweise abgetastet. Jede Zeile wird in Bildpunkte zerlegt. Die Bildpunkthelligkeit ruft im Bildwandler ein elektrisches Signal hervor. Die von allen Bildpunkten parallel vorliegende Information wird in eine serielle gewandelt, allerdings nicht mit mechanischen, sondern mit elektronischen Mitteln. Aus den räumlichen Nebeneinender der Bildpunkte wird so ein zeitliches Nebeneinander. In der analogen Kameratechnik dient bis heute der Elektronenstrahl in einer sogenannten Braunschen Röhre als Parallel-Seriell-Wandler (siehe Bild.6).

Bild 6 :

Beim Röhrenbildwandler werden Elektronen in einer Vakuumröhre mittels einer geheizten Kathode erzeugt und durch elektrische Felder zu einem Strahl gebündelt. Der Elektronenstrahl wird durch magnetische Felder abgelenkt und zeilenweise über eine lichtempfindliche Schicht geführt. Dabei ändert sich der Stromfluss in Abhängigkeit von der Bildpunkhelligkeit, da der Widerstand der Schicht von der Lichtintensität abhängt.

Auf die gleiche Weise wird auch auf der Wiedergabeseite gearbeitet. Die Intensität des Elektronenstrahls in der Wiedergaberöhre wird vom Videosignal gesteuert. Der Strahl wird in gleichem Rhythmus wie bei der Aufnahme über eine Schicht geführt, die in Abhängigkeit von der Stromstärke der auftreffenden Elektronen zum Leuchten angeregt wird (siehe Bild.7).

Bild 7 :

4.4 Normen

Natürlich muss die ganze Übertragung sendeseitig und empfangsseitig nach dem gleichen Verarbeitungsprinzip ablaufen. Deshalb wurden Normen eingeführt. Wir betrachten dabei unsere mitteleuropäische PAL-Norm. Ein Bild hat 625 Zeilen, welche in 2 Halbbildern zu 312.5 Zeilen dargestellt werden. Weitere Normen sind NTSC und SECAM.

4.5 Das Bildsignal

Die abgetasteten Bildpunke haben verschiedene Helligkeiten. Helle Bildpunkte werden durch ein hohes, dunkle Bildpunkte durch ein geringes Videosignal repräsentiert. Der Unterschied zwischen dem dunkelsten und dem hellsten Punkt entspricht einer Signalsdifferenz zwischen 0 Volt und 0.7 Volt (0mV und 700 mV, siehe Bild.8 !Achtung, Darstellung ohne Synchronisationssignale !).

Bild.8

4.6 Austastlücken

In Europa wird mit 25 Bildern pro Sekunde gearbeitet, damit beträgt die Bilddauer 40ms und die Dauer eines Halbbildes 20ms. Während 40ms werden 625 Zeilen geschrieben, woraus eine Zeilendauer von 64m s folgt. Diese Zeiten stehen aber nicht vollständig zum Schreiben der Zeilen zur Verfügung, denn nachdem der Strahl den rechten Bildrand erreicht hat, muss er zum linken zurückspringen damit eine neue Zeile beginnen kann und nachdem er das Bildende erreicht hat wird eine gewisse Zeit benötigt, damit er wieder zum Bildanfang zurückgeführt werden kann.

Wegen des geringen Standes der Technik zu Zeiten der Systemkonzeption in den 50er Jahren wurden für den horizontalen Strahlrücksprung (das Zurückspringen um eine neue Zeile zu schreiben) 12m s reserviert, damit die Fernsehempfänger nicht zu aufwendig gebaut werden mussten. Diese Zeit wird horizontale Austastlücke genannt, da der Strahl beim Rücksprung nicht sichtbar sein darf und daher abgeschaltet, also ausgetastet wird (siehe vereinfachte Darstellungen, Bild.9 & 10).

Bild 9 :

Bild 10 :

Für den Strahlrücksprung nach Beendigung eines Halbbildes wird jeweils eine Vertikalaustastlücke von 1,6ms reserviert, d.h. für die Dauer von 25 Zeilen pro Halbbild ist der Elektronenstrahl ausgeschaltet (siehe Bild.11). Im europäischen Fernsehsystem sind von den 625 Zeilen pro Bild also nur 575 Zeilen nutzbar. Die für das Bild nutzbare Zeilendauer beträgt 52m s, bei einer Gesamtzeilendauer von 64m s.

Bild 11 :

4.7 Synchronsignale

Im Empfänger müssen die Zeilen in gleicher Weise geschrieben werden, wie sie in der Kamera erzeugt werden, der nötige Gleichlauf wird mit Synchronsignalen erreicht. Zu Horizontalsynchronisation wird nach jeder Zeile ein Rechtecksignal von 4,7m s Dauer in der Horizontalaustastlücke positioniert. Dieser H-Synchronimpuls liegt eingebettet in die sogenannte vordere beziehungsweise hintere Schwarzschulter, die 1,5m s und 5.7m s dauern

(Bild.12).

Bild 12 :

Um eine sichere Synchronisation zu gewährleisten, hat der Impuls einen relativ großen Wert von 3/7 der Bildamplitude, das heißt : 300mV oder 0.3 Volt.

Neben der Information zum Zeilenwechsel braucht der Empfänger auch die Bildwechselinformation zur Vertikalsynchronisation (siehe Bild.13). Hierzu wird das H-Synchronsignal während der Vertikalaustastlücke auf eine Zeit verlängert, die der Dauer von 2.5 Zeilen entspricht. Damit die Zeilensynchronisation während der Bildsynchronisation nicht gestört wird, wird der V-Synchronimpuls zweimal pro Zeile für je 4,7m s unterbrochen, das Signal erscheint also als Folge von fünf Pulsen mit je 43% Zeilendauer. Weiterhin werden dem V-Synchronsignal noch je fünf Vor- und Nachtrabanten mit einer Dauer von jeweils 2,35m s im Halbzeilenabstand hineingefügt.

Die Vor- und Nachtrabanten dienen dazu, gleiche Anfangsbedingungen für die Integration zu schaffen, denn am Ende des ersten Halbbildes wird vor der Bildumschaltung nur eine halbe Zeile geschrieben, im Gegensatz zum Ende des zweiten Halbbildes, das mit einer ganzen Zeile endet.

Bild 13 :

4.8 Das BAS-Signal

Bild-, Austast-, Synchronsignal

Bild- und Synchronsignale werden zusammengefasst, um sie gemeinsam auf einer Leitung übertragen zu können. Die Kombination aus Bild- Austast- und Synchronsignal wird als BAS-Signal bezeichnet, das in Bild.14 dargestellt ist. Die Bildhelligkeitswerte werden durch Signalspannungen repräsentiert. Die Spannung des Gesamtsignals beträgt 1V^ss, der Synchronboden liegt bei 0V, der Austastpegel bei 0.3V und der Weißwert bei 1V.

Bild 14 :

4.9 Die Zeilenzählung

Zeile 1 des Videobildes beginnt am Beginn der Vorderflanke des Bildsynchronsignals für das erste Halbbild (siehe auch Bild.13). Die zugehörigen Vortrabanten werden also am Ende des vorhergehenden Halbbildes übertragen. Die ersten 22.5 Zeilen des Bildes fallen in die V-Austastlücke, das nutzbare Bild beginnt mit Zeile 23 und endet mit Zeile 310. Die nächsten 2.5 Zeilen enthalten wieder Vortrabanten und das zweite Halbbild beginnt mit Zeile 313, wobei dieses mit der Austastlücke (Zeilen 313-335) beginnt. Die Zählweise ist also zeilen-, nicht raumorientiert, die räumlich als zweite in Bild erscheinende Zahl liegt in zweiten Halbbild.