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Guido H. BruckBildsignaltechnik - Folie 1
30.08.2012
KommunikationsTechnik
Mehrdimensionale Signale (Multidimensional Signals)
Bildsignaltechnik
Guido H. [email protected]
Guido H. BruckBildsignaltechnik - Folie 2
30.08.2012
KommunikationsTechnik
Organisatorische Verabredungen
Heute (15. Oktober 2012) findet keine Übung statt, die Übungen beginnen in der kommenden Woche
Raum BC 003
Vorlesungszeit: montags, 12:00 Uhr bis 13:30 Uhr ?
Übungszeit: montags, 13:45 Uhr bis 14:30 Uhr ?
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KommunikationsTechnik
Projektseminar (Praktikum) Bildverarbeitung – Image Processing
Wahlfach
Projektseminar „Anwendung von Bilddatenkompressionsverfahren“
MPEG-1, -2, -4, Realmedia, Windows Media etc.
Jede Gruppe ein Verfahren, Treffen jeweils Freitags, 11:00 Uhr bis 13:00
Besprechung und Vorträge der Gruppen
Anmeldung bis zum 19. Oktober 2012 via Internet
Beginn 25.10.12, 13:00-16:00, BB130 – Verschiebung möglich
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KommunikationsTechnik
Skripte, Aufgaben und Software für Studierende I
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Skripte, Aufgaben und Software für Studierende II
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Forumhttp://forum.uni-duisburg.de/
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KommunikationsTechnik
LiteraturBernath, K.W.: Grundlagen der Fernseh-System und Schaltungstechnik
Verlag: Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg ... 1982
Bernath, K.W.:Technik des FernsehensVerlag: Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg ... 1986
Dillenburger, W.: Einführung in die Fernsehtechnik, Band 1 und 2Verlag: Schiele & Schön, Berlin 1975
Lang, Heinwig : Farbmetrik und FarbfernsehenVerlag: Oldenbourg, München 1978
Mäusl, Rudolf : FernsehtechnikVerlag: Hüthig, Heidelberg 1991
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KommunikationsTechnik
LiteraturMorgenstern, B.: Farbfernsehtechnik
Verlag: Teubner, Stuttgart 1989
Richter, Manfred : Einführung in die FarbmetrikVerlag: deGruyter, 1981
Schönfelder, H.: Fernsehtechnik Teil 1 und 2Verlag: Justus von Liebig Verlag, Darmstadt 1973
Schröder, H.: Mehrdimensionale SignalverarbeitungVerlag: B.G. Teubner, Stuttgart 1998
Schröter, F.; Theile, R.; Wendt, G.: Fernsehtechnik, 1.Teil, 2.TeilVerlag: Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg ... 1956
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KommunikationsTechnik
LiteraturTelefunken, verschiedene Autoren: Farbfernsehtechnik, Band I und II
Verlag: Elitera, Berlin 1973
Theile, R.: Fernsehtechnik Band 1Verlag: Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg ... 1973
Welland, K.: FarbfernsehenVerlag: Franzis-Verlag, München 1966
Wendland, Broder : Fernsehtechnik Band 1: GrundlagenVerlag: Hüthig, Heidelberg 1988
Wendland, Broder; Schröder, Hartmut : Fernsehtechnik Band 2Verlag: Hüthig, Heidelberg 1991
Guido H. BruckBildsignaltechnik - Folie 10
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KommunikationsTechnik
LiteraturCattermole, Kenneth W.: Determinate theory of signals and waves
1985
Papoulis, Athanasios: Systems and transforms with applications in opticsVerlag: McGraw-Hill, New York 1968
Dudgeon, Dan E.: Multidimensional digital signal processingVerlag: Prentice-Hall, Englewood Cliffs 1984
Crochiere, Ronald E., Lawrence, Rabiner: Multirate digital signal processingVerlag: Prentice Hall, Englewood Cliffs 1983
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KommunikationsTechnik
Begriffe
Formelzeichen/Symbol Deutsch/German Englisch/EnglishStandardbeobachter standard photometric observerSpektraler Hellempfindlichkeitsgrad spectral luminous efficiency funktionSpektrale Leistungsdichte concentration of radiant fluxLichtstrom luminous fluxLichtstärke luminous intensityLeuchtdichte luminanceBeleuchtungsstärke illuminanceStrahlungsleistung radiant flux or radiant powerStrahlstärke radiant intensityStrahldichte radianceBestrahlungsstärke irradianceStrahler emitterLambertstrahler lambertian emitterHelligkeit lightness, brightnessLinienspektrum line spectrum
V e
,vII ,v
LL ,v
eEE ,v
eIeLeE
Lichttechnik 1 / Photometry 1
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KommunikationsTechnik
Begriffe
Formelzeichen/Symbol Deutsch/German Englisch/EnglishReflektionsfaktor reflectance factorBetrachtungsbedingungen viewing conditionsErkennen, aufnehmen to perceiveStrahlungsgrößen radiometric quantitiesLichttechnische Größen Photometric quantitiesStrahlungsdiagramm spatial radiation pattern; radiation
characteristic
Lichttechnik 2 / Photometry 2
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KommunikationsTechnik
Begriffe
Formelzeichen/Symbol Deutsch/German Englisch/EnglishNetzhaut retinaAuflösung resolutionAuflösungsvermögen resolving powerHelladaptiertes (dunkeladaptiertes) Auge
photopic (scotopic) vision
Anregung, Reiz stimulus, stimuli
Der menschliche Gesichtssinn – Das Auge / human visual system – the eye
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KommunikationsTechnik
Begriffe
Formelzeichen/Symbol Deutsch/German Englisch/EnglishRäumlich spatialZeitlich temporalOrtsbereich spatial domainFrequenzbereich frequency domainOrtsfrequenz spatial frequencyGleichanteil DC-ComponentWechselanteil AC-ComponentFaltung, falten convolution, convolveSchiefwinklige Koordinaten oblique coordinatesPolarkoordinaten polar coordinatesHarmonische Schwingung harmonic waveformPeriode periodPeriodische Wiederholung periodicityGrundfrequenz basic frequencyAbtastschema sampling pattern, scanning patternÜbertragungsfunktion transfer function, frequency response
Orts- und Frequenzbereich / spatial and frequency domain
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KommunikationsTechnik
Begriffe
Formelzeichen/Symbol Deutsch/German Englisch/EnglishNormfarbwert tristimulus valueNormspektralwertkurve color matching functionNormfarbwertanteile chromaticity koordinatesGleichenergieweiß equal-energy stimulusBuntton, Farbton hueFarbmetrischer Normalbeobachter CIE 1931 standard colorimetric observerPrimärfarben primary stimuliNormfarbtafel chromaticity diagramBunte Farbe chromatic colorUnbunte Farbe achromatic colorSehempfindung visual sensation„Zäpfchen“ cone(s)„Stäbchen“ rod(s)
Farbmetrik / Colorimetry
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KommunikationsTechnik
Begriffe
Formelzeichen/Symbol Deutsch/German Englisch/EnglishWinkel angleGrad (Winkel) degree (angle)Raumwinkel [steradiant] solid angle [steradiant(s)]Flächenelement element of (plane area)Punktförmig punctiform, point shapedDehnung stretchingMaßstab scaleDrehung rotationDrehwinkel rotation angleDrehung um einen Punkt rotation about a pointDrehung um einen Winkel rotation through an angleScherung shearingRaute rhombKoordinatentransformation Transformation of coordinates
Geometrie / geometry
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KommunikationsTechnik
Begriffe
Formelzeichen/Symbol Deutsch/German Englisch/EnglishDeterminante determinantTransponierte Matrix transposed matrixMannigfach, Mannigfaligkeit (Vielfachhiet)
manifold
Vielfältig varietyMehrfachintegral multiple integralAbleitung, Ableitung nach x deriation, derivation with respect to xErste (zweite) Ableitung einer Funktion first (second) derivative of a functionPartielle Ableitung partial derivativeJacobe-Determinante jacobian determinantLinear unabhängig linearly independentLinearkombination linear combinationGerade (ungerade) Funktion even (odd) functionPunktsingularität point singularityLiniensingularität line singularitystetig coninous, steady
Allgemeine Mathematik 1 / basic mathematics 1
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KommunikationsTechnik
Begriffe
Formelzeichen/Symbol Deutsch/German Englisch/EnglishUnstetig discontinous, unsteadySprung, Unstetigkeitsstelle jump, discontinuityGewichtsfaktor Weighting coefficient
Allgemeine Mathematik 2 / basic mathematics 2
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KommunikationsTechnik
Begriffe
Formelzeichen/Symbol Deutsch/German Englisch/Englishx mal y x times yx (geteilt) durch y, x dividiert durch y x divided by y, x over y
Ein Halb, ein Drittel, ein Viertel one halve, one third, one fourth
x hoch y x (raised) to the power of yx Quadrat x squared(Quadrat-)Wurzel von x square root of xn-te Wurzel von x n-th root of xx (mit dem unteren Index) a x sub ax Strich, x Zwei Strich double primef Strich (von) x (=erste Ableitung von f‘(x)
f prime of x
x Dach, x Tilde x hat, x tilde
Mathematische Formeln / mathematical formulae
yx
yx
,41,
31,
21
yx2xx
n xax
xx , xf
xx ~,ˆ
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KommunikationsTechnik
Begriffe
Formelzeichen/Symbol Deutsch/German Englisch/EnglishZeilensprungverfahren interlace methodTeilbild (Halbbild) fieldVollbild frameLeuchtfleck illuminated areaBraunsche Röhre cathode ray tubeBlendenöffnung aperture
Bildkommunikationstechnik / image communication
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KommunikationsTechnik
Begriffe
Formelzeichen/Symbol Deutsch/German Englisch/EnglishMerkmal feature, characteristicGröße (physikalische Größe) quantitySpitze-Spitze-Wert Peak to peak valueWellblech corrugated ironKamm comb
Verschiedenes / miscellaneous
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KommunikationsTechnik
Übersicht
• Grundlagen– Größen und Einheiten der Lichttechnik– Prinzip der elektronischen Bildaufnahme, –übertragung und –wiedergabe– Grenzen des menschlichen Gesichtssinns– Nutzung der Grenzen des Gesichtssinns zur Irrelevanzreduktion
• Lineare Bildverzerrungen durch Abtast- und Wiedergabeorgane• Die Fourier-Transformation zwei- und mehrdimensionaler Signale• Die zwei- und mehrdimensionale Abtastung• Das Videosignal• Farbmetrik
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KommunikationsTechnik
1.1.1 Größen und Einheiten der LichttechnikIn der Bildtechnik allgemein und in der Fernseh- und Bildkommunikationstechnik im besonderen spielen lichttechnische Methoden eine bedeutende Rolle. Dementsprechend ist in dieser Technik die Kenntnis einiger lichttechnischer Größen unumgänglich.
Die Grundgrößen der Lichttechnik unterscheiden sich von den entsprechenden Größen der Strahlungsphysik durch die Berücksichtigung des spektralen Hellempfindlichkeitsgrads des sogenannten Normal- oder Standardbeobachters.Der spektrale Hellempfindlichkeitsgrad V() beschreibt die unterschiedliche Empfindlichkeit des “menschlichen Auges”, besser: des menschlichen Gesichtssinns für elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen. V() gilt für das helladaptierte Auge (photopische Anpassung).
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1.1.2 Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
380 480 580 680 780
V()
/nm
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1.1.3 Größen der Strahlungsphysik und der LichttechnikGegenüberstellung sich entsprechender Größen:Strahlungsleisung [W]
0
ee d
Lichtstrom [lm]
d0
ev VK
: Spektrale Leistungsdichte: Photometrisches Strahlungsäquivalent (K = 683 lm/W)
lm: „Lumen”
eK
Strahlstärke [W/sr]
dd e
e I
Lichtstärke [lm/sr = cd]
dd v
v I: Raumwinkel
cd: „Candela”
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1.1.4 Größen der Strahlungsphysik und der LichttechnikGegenüberstellung sich entsprechender Größen:
A1: Strahlende FlächeA1,n: Projektion der Fläche A1 in eine Ebene senkrecht zu einer betrachteten
Strahlungsrichtung
A2: Bestrahlte Flächelx: „Lux”
Strahldichte W/(sr·m2)]
nAL
,1
e2
e ddd
Leuchtdichte [cd/m2]
nAL
,1
v2
v ddd
Bestrahlungsstärke [W/m2]
2
e e d
dA
E
Beleuchtungsstärke [lm/m2 = lx]
2
vv d
dA
E
e steht für energetisch und v für visuell. Bei den Größen der Lichttechnik wird im folgenden der Index v weggelassen.
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1.1.5 Strahler für sichtbares Licht
Die Lichtstärke realer Strahler ist im allgemeinen richtungsabhängig. Dies gilt auch für die Leuchtdichte. Nur in Ausnahmefällen sind die Lichtstärke oder die Leuchtdichte richtungsunabhängig:
Wichtiger Sonderfall: Lambertstrahler
Beim Lambertstrahler ist die Leuchtdichte des strahlenden Flächenelements richtungsunabhängig. Dann gilt entsprechend 1.1.4 mit L=L0 :
: Winkel zwischen der Normalen zu dA1 und der betrachteten Richtung
cos10,10 dALdALdI n
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0
90 -90
L
dI
dA1,n
dA1
1.1.6 Lambertstrahler
Eine der Darstellung von dI in der Abbildung entsprechende grafische Darstellung der (im allgemeinen winkelabhängigen) Lichtstärke wird vielfach als Strahlungsdiagramm bezeichnet. Viele reale Strahler können näherungsweise durch einen Lambertstrahler beschrieben werden.
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KommunikationsTechnik
1.2.1 Prinzip der elektronischen Bildaufnahme, -übertragung und -wiedergabe
Annahme: Unbuntbildwiedergabe
Bildaufnahme mit bewegtem Photoempfänger
Bildwiedergabe mit bewegter Lichtquelle
s(t)
Lochblende Lochblende„Synchronisierung”
LichtquellePhotoempfänger
x
y
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KommunikationsTechnik
1.2.2 Prinzip der elektronischen Bildaufnahme, -übertragung und -wiedergabe
Abtastung und elektrooptische Wandlung bei der Bildaufnahme1. Ermittlung des Lichtstroms durch Integration von e·V über die Wellenlänge:
),,(d),,,()( 00
e tyxtyxV
2. Überführung des dreidimensionalen Bildsignals (unabhängige Variable: x,y,t) in ein eindimensionales Signal (unabhängige Variable: t) durch Abtastung: (Scanning, Sampling)
ttyx t ),,(0
3. Umwandlung des Lichtstroms in ein elektrisches Signal tstt
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KommunikationsTechnik
1.3.1 Grenzen des menschlichen Gesichtssinns
Die Unvollkommenheiten des menschlichen Gesichtssinns lassen sich zur Irrelevanzreduktion nutzen.
1. Bandbegrenzung der OrtsfrequenzenSystemtheoretische Beschreibung: Tiefpaß für Ortsfrequenzen
H
fr
60 Perioden/Grad
log
L(x,y) Gesetz v. Weber-
Fechner
fr: Ortsfrequenz (Dimension: Periode pro Längeneinheit, z. B. 1/m)
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1.3.2 Grenzen des menschlichen Gesichtssinns„Zoneplate“-Testbild mit radial ansteigender Ortsfrequenz fr
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KommunikationsTechnik
1.3.3 Grenzen des menschlichen Gesichtssinns
0
logr
r
ffx
mm0log
~ sinY rE m f x Kontrastempfindlichkeit des menschlichen Gesichtssinns
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KommunikationsTechnik
1.3.4 Grenzen des menschlichen GesichtssinnsMach‘sche Streifen:Die Überhöhung von bei einer Frequenz äußert sich z.B. im Mach‘schen-Phänomen, einer vom menschlichen Gesichtssinn vorgenommenen Kantenüberhöhung:
0fH
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KommunikationsTechnik
1.3.5 Grenzen des menschlichen GesichtssinnsDie Auflösungsgrenze des menschlichen “Auges” entspricht etwa 1'. Dies entspricht:
- 30 mm in 100 m Entfernung- 3/4 mm in 2,5 m Entfernung (Empfohlener Betrachtungsabstand bei einer
Bildschirmdiagonale von 70 cm)Ein Sehwinkel von 0=1' entspricht auf der Netzhaut N einer Länge von ca. 6 m
A00
d
N
d 20 mma0 d·0
a0
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1.3.6 Grenzen des menschlichen Gesichtssinns
2. Bandbegrenzung für zeitliche LeuchtdichtevariationenSystemtheoretische Beschreibung: Tiefpaß
H
f
50 Hz
logL(t)
Nach dem Gesetz von Talbot wird bei Variationsfrequenzen im Sperrbereich der Mittelwert der Leuchtdichte gebildet:
T
ttLT
L0
m d)(1
Gesetz v. Weber-Fechner
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1.3.7 Grenzen des menschlichen GesichtssinnsSowohl dem Tiefpaß nach 1. wie auch dem nach 2. ist systemtheoretisch ein nichtlineares Glied nachgeschaltet, das im Bereich positiver Leuchtdichtewerte eine etwa logarithmische Bewertung der Tiefpaßausgangsgrößen vornimmt. Die entsprechende Bewertungsbeziehung wird als Gesetz von Weber-Fechner bezeichnet. Es lautet:
0,;1dd
LHL
CLH )1(
(1) hat mit den der Abb. zu entnehmenden Größen die Lösung
00 ln:
LLCHLL bzw.
11 ln
LLCHH
Außerdem gilt: H: Helligkeit (bei vorgegebener Leuchtdichte vom Auge empfundene Größe)
C: Konstante
0:0 HLL
H1
H
L1L0
L
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1.3.8 Grenzen des menschlichen GesichtssinnsGemeinsame Bandbegrenzung für Ortsfrequenzen und zeitliche Leuchtdichtevariationen
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KommunikationsTechnik
1.3.9 Grenzen des menschlichen Gesichtssinns3. Begrenzte Amplitudenauflösung
0
1
0 1
Empfundene Helligkeit L* nach CIE, DIN 5033:
*L
N/ LL
008856,0für 16,0138,0787,716,1
008856,0für 16,016,1*
NN
N
3
N
LL
LL
LL
LL
L
Guido H. BruckBildsignaltechnik - Folie 40
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KommunikationsTechnik
1.3.10 Grenzen des menschlichen GesichtssinnsBei heutigen Bildübertragungssystemen, die mit Bildröhren arbeiten, ist eine Übertragung eines näherungsweise zu L* äquivalenten Signals üblich. Bei der digitalen Übertragung dieses Signals ist eine Amplitudenauflösung mit 256 Stufen entsprechend 8 Bit von einem kontinuierlichen Signal nicht unterscheidbar.
1 Bit2 Bit
3 Bit4 Bit
5 Bit6 Bit
7 Bit8 Bit
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KommunikationsTechnik
1.4.1 Nutzung der Unvollkommenheiten des menschlichen Gesichtssinns zur Irrelevanzreduktion
In der elektronischen Bildübertragungstechnik nutzt man das begrenzte örtliche Auflösungsvermögen des menschlichen Auges dadurch aus, dass man das einzelne Bild in streifenförmige Elemente (“Zeilen” gelegentlich auch „Spalten“) mit Breiten zerlegt, die vom menschlichen Auge aus dem Normalbetrachtungsabstand unter einem Winkel gesehen werden, der kleiner als 1' ist und die über die Streifenbreite variierende Leuchtdichte z. B. durch deren “Mittelwert” ersetzt.Bei der elektronischen Bewegtbildübertragungstechnik wird zusätzlich das begrenzte zeitliche Auflösungsvermögen des menschlichen Gesichtssinns dadurch ausgenutzt, dass man eine begrenzte Anzahl von Bildern pro Zeiteinheit überträgt.Bei digitalen Bildübertragungsverfahren wird die Anzahl der Bits zur Amplitudendarstellung so gewählt, dass zu einem kontinuierlichen Signal kein Unterschied sichtbar wird.
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KommunikationsTechnik
1.4.2 Historische Bewegtbildübertragungssysteme 1
Bei der Einführung der Bewegtbildübertragungstechnik Mitte des 20. Jahrhunderts standen keine kommerziell verwertbaren elektrischen Speicher für Bewegtbildsignale zur Verfügung. Die Aufnahme-, Übertragungs- und Wiedergabeeinrichtungen waren für einen kontinuierlichen Betrieb ausgelegt:• Kameras auf Basis von Bildaufnahmeröhren, die ein zweidimensionales
zeitabhängiges Bild auf einer lichtempfindlichen Schicht in ein elektrisches Signal umsetzen,
• Übertragungseinrichtungen, die dieses elektrische Signal zum Empfänger übertragen und
• Bildwiedergabeeinrichtungen auf der Basis von Bildröhren, die mittels eines Elektronenstrahls das elektrische Signal in ein zweidimensionales zeitabhängiges Bild zur Betrachtung umsetzen.
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KommunikationsTechnik
1.4.3 Historische Bewegtbildübertragungssysteme 2
Die historischen Systemen waren im wesentlichen der Restriktion ausgesetzt, dass die zur Verfügung stehende Übertragungsbandbreite klein war. Dies führt zu einer kleinen örtlichen oder zeitlichen Auflösung. Das heißt, dass das Bild unscharf ist oder ruckelt oder flickert.Um mit der zur Verfügung stehenden Bandbreite auszukommen und dennoch ein weitgehend flickerfreies Bild mit einer als ausreichend hoch angesehenen Auflösung übertragen zu können, wurde das Teilbild-, Zeilensprung- oder Interlace-Verfahren entwickelt. Dieses Verfahren wird aus Gründen der Kompatibilität auch heute noch verwendet, wird allerdings bei neuen und ganz neuen Verfahren zunehmend nicht mehr eingesetzt.
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KommunikationsTechnik
1.4.4 Nutzung der Unvollkommenheiten des menschlichen Gesichtssinns zur Irrelevanzreduktion
Horizontalrücklauf
Vertikalrücklauf
1
5
3
7
9
11
6
4
8
10
2
Blendenöffnung bei der Aufnahmebzw. Leuchtfleck bei der Wiedergabe
2. Teilbild1. Teilbild Zerlegung in 11 “Zeilen” nach
dem Zeilensprungverfahren
Bei den eingeführten Fernsehsystemen verwendet man das Teilbildverfahren. Bei ihm wird ein Vollbild in zwei Teilbilder (Halbbilder) zerlegt, die zeilenweise ineinander verschachtelt sind (Zeilensprungverfahren, Interlace-Verfahren).
Prinzip der Standard-Bildzerlegung in zwei Teilbilder:
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KommunikationsTechnik
1.4.5 Weg von Abtastblende bzw. LeuchtfleckEntsprechend dem in 1.4.4 dargestellten Zeilensprungverfahren (Interlace-Verfahren) führt mit der Koordinatenfestlegung nach Abb. 1 die Mitte der Abtastblendenöffnung bzw. des Leuchtflecks die Bewegung in Abb. 2 aus. Charakteristisch für das Zeilensprungverfahren ist ein ungeradzahliges Z, hier Z=11. Dadurch gilt für die Teilbild-Periodendauer TV:
ganzzahlig :21
2 HB
v nTnTT
y
xB
H
0
Abb.1Annahme: B/H = 4/3
x(t)y(t)
Abb. 2Tv0 2Tv=TB
x(t),y(t)
B
H
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KommunikationsTechnik
1.4.6 Eigenschaften des Zeilensprung-Verfahrens
Bei den historischen Bewegtbildübertragungsverfahren werden im Zeilensprung (Teil-)Bilder mit der Netzfrequenz des Stromnetzes dargestellt. Das übrig bleibende Flimmern ist sichtbar aber akzeptabel. Bei der die gleiche Übertragungsbandbreite nutzenden Alternative, Vollbilder mit halber Netzfreqeunz darzustellen, ist das Flimmern nicht akzeptabel.Der Sinn der Abtastung bzw. Wiedergabe im Zeilensprungverfahren besteht darin, dass für großflächige Bildstrukturen eine Bildwiederholfrequenz mit der Teilbildfrequenz fv=1/Tv vorgetäuscht wird. Dadurch wird das Bildflimmernreduziert. Das Verfahren versagt bei kleinflächigen Bildstrukturen.Extremer Sonderfall: Im Falle eines Bildinhalts, der aus weißen und schwarzen Linien besteht, so dass bei der Abtastung des einen Teilbilds nur die weißen und bei der Abtastung des zweiten nur die schwarzen Linien erfasst werden.
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KommunikationsTechnik
1.4.7 BildflimmernHeutige Bildwiedergabegeräte sind meist auf Basis von LCDs oder Plasma-Displays aufgebaut. Dieses Systeme erlauben eine flimmerfreie Wiedergabe durch ausreichend lange Leuchtzeiten einzelner Bildelemente.Bei Rechner-Ausgabebildschirmen sind heute LCDs mit Bildwiederholfrequenzen von 60 Hz üblich. Dabei wird im Gegensatz zum Zeilensprungverfahren im allgemeinen eine progressive Zeilenwiedergabe verwendet. Bei dieser Wiedergabeform werden alle Zeilen entsprechend ihrer räumlichen Anordnung nacheinander durchlaufen.
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KommunikationsTechnik
1.4.8 Fernsehtechnik – 1. Satz von Grundparametern
Aufgrund der Gegebenheiten durch den menschlichen Gesichtssinn lässt sich ein erster Satz von Grundparametern für Fernsehsysteme formulieren, wenn man zusätzlich eine Vorgabe für den Bildbetrachtungswinkel macht. Bei den herkömmlichen Systemen wurde ein "vertikaler Bildbetrachtungswinkel” von ca. 10°unterstellt:
Vert. Bildbetr.-Winkel: 10°
Ortsauf-lösung 1'
Flickerfrequenz-Grenze: 50 Hz
Zeilensprung-Verfahren
Zeilenzahl: Z 600 Bildwiederholfrequenz: fB 25 Hz
Zeilenfrequenz: fH = ZfB
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KommunikationsTechnik
1.4.9 Fernsehtechnik – 1. Satz von Grundparametern
Beispiel: Fernsehstandards B und G
Bildfrequenz: fB = 25 HzTeilbildfrequenz: fV = 50 HzZeilenzahl: Z = 625Zeilenperiodendauer: TH = 1/fH = 64 s (fH = 15,625 kHz)
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KommunikationsTechnik
1.4.10 Fernsehtechnik – HDTVStandards für höher aufgelöste Fernsehbildübertragung• 720p: 720 Zeilen, meist 1280 x 720 Bildelemente, Bildseitenverhältnis 16:9• 1080p, 1080i: 1080 Zeilen, meist 1920 x 1080 Bildelemente, Bildseitenverhältnis
16:9Bei HDTV wird der Betrachtungsabstand klein oder der Bildschirm sehr groß, um das größere Gesichtsfeld auszufüllen.
DH
B
da
2 tan1'1
D H dH d aZB
H
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30.08.2012
KommunikationsTechnik
1.4.11 Fernsehtechnik – HDTV, UHDVStandard Diagonale
DB/H Bildhöhe
HZeilenzahl Z
Betrachtungsabstand a
SDTV 72 cm 4/3 432 mm 576 2,57 m
720p 102 cm 16/9 500 mm 720 2,40 m
1080i, 1080p
102 cm 16/9 500 mm 1080 1,60 m
1080i, 1080p
165 cm 16/9 808 mm 1080 2,57 m
UHDV• 7680 x 4320 Bildelemente
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30.08.2012
KommunikationsTechnik
1.4.12 Digitale Kinostandards
Standards für digitale Kino“film“produktion:• 2k: 2048 Bildelemente horizontal, verschiedene Seitenverhältnisse,
z.B. 2048 x 1536 Bildelemente mit Bildseitenverhältnis 4:3• 4k: 4096 Bildelemente horizontal, verschiedene Seitenverhältnisse,
z.B. 4096 x 2300 Bildelemente mit Bildseitenverhältnis 16:9
Ein gegenüber HDTV größerer Bereich des Gesichtsfeldes soll ausgefüllt werden.
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30.08.2012
KommunikationsTechnik
1.5.1 Drucker – 1. Satz von GrundparameternEntsprechend der Angabe für Fernsehsysteme lassen sich auch für andere Bildwiedergabesysteme Parametersätze finden. Bei der Betrachtung von Papier oder Fotos geht man von einem Betrachtungsabstand von 25cm – 30cm aus. Der Auflösungsgrenze des menschlichen Gesichtssinns von 1‘ entsprechen dann etwa 12 „Zeilen“ pro mm, oder 300 Zeilen pro Inch (300 dpi).Die höhere Auflösung heute erhältlicher Computerdrucker ist bei Schwarz-Weiß-Grafiken oder schwarzer Schrift aus dem normalen Betrachtungsabstand nicht wahrnehmbar. Sie dient aber einerseits dazu, bei der Darstellung von Grautönen durch Raster die Struktur dieser Rasterung so hochfrequent zu machen, das sie aus dem Normalbetrachtungsabstand nicht mehr wahrnehmbar ist und andererseits kann durch ein feines Raster eine höhere Auflösung für Grautonbilder erzielt werden. Die größte mit einem 300dpi-Drucker darstellbare Ortsfrequenz beträgt 6 Perioden pro mm oder 150 Perioden pro Inch.
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1.5.2 Digitale Standbildkameras – 1. Satz von GrundparameternAuch in der Fotografie geht man bei der Bildwiedergabe von Fotos auf Papier bis etwa zur Größe DIN A4 von einem Betrachtungsabstand von 25cm – 30cm aus. Entsprechend dem in 1.4.15 gesagten kann man auch hier von einer Wahrnehmbarkeitsgrenze von 12 „Zeilen“ pro mm ausgehen.Eine digitale Standbildkamera zur Aufnahme eines hochauflösenden Bildes, das in DIN-A4-Größe wiedergegeben werden soll, benötigt daher einen Sensor mit etwa 2500 x 3500 Bildelementen (8,8 Mio. Sensorelemente), damit bei der Wiedergabe im DIN-A4-Format die Zeilenstruktur nicht sichtbar wird.Wenn das Bild kleiner wiedergegeben wird, kann auch die Anzahl der Sensorelemente entsprechend kleiner gewählt werden, da der Betrachtungsabstand konstant bleibt:
13 x 18 cm 1500 x 2200 3,3 Mio. Sensorelemente10 x 15 cm 1200 x 1800 2,2 Mio. Sensorelemente9 X 13 cm 1100 x 1600 1,8 Mio. Sensorelemente
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1.6.1 BildwiedergabeFür die Bildwiedergabe wurden historisch zunächst sog. Bildwiedergaberöhren verwendet. Die Bildwiedergabe erfolgt dabei durch einen wandernden Leuchtfleck, dessen Intensität durch das Ansteuersignal eingestellt wird. Die Bewegung des Leuchtflecks in horizontaler Richtung erfolgt kontinuierlich, in vertikaler Richtung in diskreten Schritten (Zeilen).Moderne Systeme verwenden Flachbildschirme, meist als LCD ausgeführt, die in horizontaler und vertikaler Richtung diskrete Leuchtelemente für die Bildwiedergabe einsetzen. Durch die Diskretisierung vermischen sich Effekte der Signalübertragung mit denen der Abtastung. Die Effekte der Signalübertragung lassen sich besser mit dem Modell des wandernden Leuchtflecks erklären, deshalb wird zunächst diese Bildwiedergabe beschrieben.
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1.6.2 Bildwiedergabe mit wanderndem Leuchtfleck
Bildwiedergabe durch “wandernden” Leuchtfleck, z.B. Bildröhre1. Abschätzung der Leuchtdauer eines Bildschirmelementes (x0,y0) ohne
Berücksichtigung einer Bildschirm-Nachleuchtdauer:Annahme: Quadratisches Leuchtelement mit den Kantenlängen b
(b: mittlerer Zeilenabstand),: “Laufende” Koordinaten der Leuchtfleckmitte
b
bv
x0
y
x
,y0
15
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1.6.3 Bildwiedergabe mit wanderndem Leuchtfleck
Zusatzannahmen zur Leuchtzeitabschätzung:• Die Leuchtfleckrücklaufzeiten seien vernachlässigbar• Die Vollbildzeilenzahl sei Z = 625• Die Vollbildperiodendauer sei TB = 40 ms• Das Verhältnis Bildhöhe/Bildbreite sei H/B=3/4
Mit der Zeilendurchlaufzeit TH=TB/625 wird die Aufleuchtzeit TP des Leuchtelementes an der Stelle (x0,y0):
ns806254
3 HP
TT
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2. Anregung und Leuchtdauer eines Bildelementes (x0,y0) unter Berücksichtigung des Bildschirm-Nachleuchtens:
1.6.4 Bildwiedergabe mit wanderndem Leuchtfleck
Bei der Bildwiedergabe über eine Braunsche Röhre wird der Bildschirm durch auftreffende Elektronen zum Leuchten angeregt. Bei den in der Praxis vorkommenden Anregungszeiten ist das von einem Oberflächenbereich des Bildschirms ausgehende Zeitintegral des Lichtstroms, die Lichtmenge, proportional der Energie der Elektronen, die den Bereich getroffen haben. Der im allgemeinen zeitabhängige Lichtstrom ist mit der Leuchtdichte eines Bereichspunktes nach 1.1.4 verknüpft über die Beziehung:
nAL
,1
v2
v ddd
)1(
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Nach 1.6.4 (1) haben bei unbewegtem Leuchtfleck L und die gleiche Zeitabhängigkeit. Dementsprechend gilt auch:
1.6.5 Bildwiedergabe mit wanderndem Leuchtfleck
2
1
2
1
d)(d)( 01
t
t
t
t
ttSUttLK e )1(
Bei den heute verwendeten Leuchtschirmmaterialien leuchtet der Bildschirm über die Anregungszeit hinaus nach. Unter Berücksichtigung von (1) erhält man etwa die Verhältnisse entsprechend Abb.1 (Modell: Verzögerungssystem 1. Ordnung).
K1: Proportionalitätskonstantet1,t2: Anfangs- und Endzeitpunkt der LichtabgabeU0: Beschleunigungsspannung der
Strahlelektronen:U0 :=konst.Se(t): Dichte des Elektronenstrahlstroms
Se(t) L(t) Se(t) L(t)
t t
Tp,effTp,eff
Abb. 1
)(~)( tStL e
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3. Durch das menschliche “Auge” empfundener Zeitverlauf der LeuchtdichteEntsprechend 1.3.6 besitzt das menschliche „Auge” bezüglich der Empfindung des Zeitverlaufs der Leuchtdichte bestimmte Trägheitseigenschaften, die sich systemtheoretisch durch einen Tiefpaß beschreiben lassen. Die Leuchtdichte-Nachwirkung im Auge geht über wesentlich längere Zeiten als das Bildschirm-Nachleuchten Tp,eff entsprechend 1.6.5, Abb.1. Tp,eff beträgt bei den für die Fernsehbildwiedergabe ausgelegten Bildschirmen ca. 10 s (S/W-Bildschirm). Bei einem kurzzeitigen Bildschirmaufleuchten L(t) empfindet das „Auge” etwa den Leuchtdichteverlauf L*(t) in Abb. 1.
1.6.6 Bildwiedergabe mit wanderndem Leuchtfleck
L(t)
t
Tp,eff L*(t)
Abb. 1
16
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Bei einer mit der Bildperiodendauer TB periodischen Bildschirmanregung erhält man die Verhältnisse nach Abb. 1.
1.6.7 Bildwiedergabe mit wanderndem Leuchtfleck
t
L*(t)L(t)
TB
Abb. 1
Der Mittelwert der empfundenen Leuchtdichte ist gleich dem Mittelwert der wirklichen Leuchtdichte. Entsprechend Abb.1 erhält man:
B
0Bm d)(1 T
ttLT
L
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1.6.8 Bildwiedergabe mit wanderndem Leuchtfleck
Die in 1.6.7 Abb. 1 erkennbare leichte Schwankung der empfundenen Leuchtdichte L* bewirkt ein Bildflimmern. Die störende Wirkung hängt von der Leuchtdichte, der Flimmergrundfrequenz und der Bildaufleuchtdauer ab. Den Zusammenhang zwischen diesen Größen zeigt Abb. 1.
0 50 100 cd/m2 Lm
= 10 ms
= 1 ms
= 10 sKein Flimmern
Flimmern(Direkte Blickrichtung)
Wiederhol-frequenz
Hz
50
Abb. 1
60
Tp,eff