Multimedia Praktikum  Bildgewinnung und Bilddarstellung 

Die Videokamera

Heute beschäftigen wir uns mit dieser digitalen Videokamera:

Mini DV-Kassette

 

 

 

Sony Digital Handycam DCR-TRV20E PAL

Die Sony Handycam ist ein digitaler Camcorder, der auf einem CCD-Sensor mit 1.000.000 Punkten basiert. Sie zeichnet nach dem PAL-Verfahren auf. Für ein bewegtes Bild werden hiervon 690.000 Pixel genutzt. Der Film wird digital auf eine so genannte Mini-DV-Kassette (Kennzeichnung: ) mit einer Laufzeit von 60 Minuten abgespeichert. Die von uns verwendete Kassette besitzt außerdem einen Zusatzspeicher von 4 KByte (Kennzeichnung: ). In diesem legt die Kamera Zusatzinformationen ab, wie Aufnahmedatum, Titel usw.

Die Kamera kann auch als digitale 1-MByte-Kamera genutzt werden. Die so erzeugten Bilder werden in einem so genannten Memory Stick der Firma Sony mit einer Speicherkapazität von 64 MB abgelegt. Es können nur verlustbehaftete JPEG-Bilder erzeugt werden.

Als Objektiv wird ein Zoom mit einer Lichtstärke von 1.8 und einem realen Brennweitenbereich von 4.2 - 42 mm genutzt. Dies entspricht einer Äquivalenzbrennweite von  40 - 400 mm.

Neben einem S-Video-Ausgang ist die Kamera mit einer Fire-Wire-Schnittstelle (iLink) gemäß  IEEE 1394 ausgestattet. Über beide können aufgenommene Filme an den Rechner oder einen Video-Recorder übertragen werden.

Das aufzunehmende Bild wird auf einem LCD-Farb-Monitor betrachtet. Er hat eine Größe von 72 x 50 mm und bietet 1120 x 220 Bildpunkte.

Video-Formate und ihre digitalen Parameter

Die Video-Technik ist von Hause aus eine analoge Technik. Kameras zeichnen ein kontinuierliches Videosignal auf. Fernseher empfangen ein solches. Zwar ist die Digitaltechnik aus der modernen  Videotechnik nicht mehr wegzudenken, aber viele Definitionen und Begriffe sind noch in der Anolog-Zeit entstanden und von daher zu verstehen.

Demnach ist ein Videosignal strukturiert in Zeilen. Die Zeilen untereinander gereiht ergeben ein Bild. Diese Bilder werden mit hoher Frequenz ausgetauscht, und so entsteht ein Film. Entsprechend diesem Bild-Zeilen-Muster ist das Videosignal doppelt periodisch aufgebaut.

Auf ein Signalstück von ca. 60 μsec Länge, das die Signalpegel für die Zeile enthält, folgen ein kurzer Zeilentrennimpuls und dann die Signalpegel für die nächste Zeile. Nach 576 Zeilensignalstücken wird ein längerer Bildtrennimpuls eingefügt, der das Bildende markiert. Danach folgt das Zeilensignalstück für die erste Zeile des nächsten Bildes usw. usw.  Die Quantifizierungen entsprechen unserer Fernseh-PAL-Norm. Auf diese Art werden in einer Sekunde 25 Bilder übertragen.

Wird nun ein solches Videobild digitalisiert und auf ein digitales Bild aus Zeilen und Spalten abgebildet, so ist es nahe liegend, die Zeilen des Videosignals auf die Zeilen des digitalen Bildes abzubilden. Ein Zeilensignalstück enthält jedoch ein kontinuierliches Signal, und eine Rasterung ist nicht direkt vorbestimmt. Wie viele Spalten soll das digitale Bild also haben? Den Schlüssel hierzu liefert das Verhältnis von Breite zu Höhe (aspect ratio) eines Videobildes. Dieses ist bei einem normalen Fernsehbild 4:3. Damit liegt es nahe, das Bild, das 576 Zeilen haben soll, mit 768 Spalten anzulegen. Dieser Berechnung liegt jedoch die Annahme eines quadratischen Bildpunkts zu Grunde. Computer-Monitore haben in der Tat quadratische Pixel. Für Fernseh-Monitore, die durch ihre Lochmasken auch ein Bildpunktraster haben, gilt dies allerdings nicht. Hierin ist der Grund zu suchen, dass für Filme auf einer DVD ein Raster von 720 x 576 angegeben wird. Ein DVD-Film, der auf  einem Computer-Monitor abgespielt wird, ist also stets etwas zusammengestaucht. Visuell wird Ihnen dies aber nicht auffallen.

Neben der PAL-Norm, die auch in Deutschland verwendet wird, hat besonders in den USA die NTSC-Norm eine große Verbreitung. Für diese Norm ergibt sich ein digitales Bild der Größe 640 x 480 Pixel. Allerdings werden hier 30 Bilder je Sekunde angezeigt. Wir werden ausschließlich PAL verwenden. Die Bildgröße ist hier 768 x 576 Pixel. Die Bilder werden mit einer Bildwiederholrate von 25 Bildern je Sekunde übertragen.

 ... jede Sekunde

Die Datenmengen, die bei der Digitalisierung eines Videos entstehen, sind gewaltig. Wenn wir annehmen, dass die einzelnen Videobilder eine Farbtiefe von 8 Bit haben, so entsteht jede Sekunde eine Datenmenge von

   25 * 786 * 576 Bytes = 11.059.200 Bytes = ca. 11 MBytes / sec.

Um diese Datenmenge greifbar zu machen, sei folgender Vergleich erlaubt. Sie kennen sicher die dicken Bände des Brockhaus - die klassische Informationssammlung. Jeder dieser Bände hat ca. 900 Seiten. Auf jeder Seite stehen ca. 4.000 Buchstaben. Drei solcher Bände repräsentieren damit auch eine Datenmenge von ca. 11 MByte. Damit kann man sagen, dass über den Fernseher jede Sekunde drei dicke Brockhausbände huschen.

Um diese Datenmenge in den Griff zu bekommen, gibt es einen Königsweg: die Komprimierung. Bei Fotos haben wir sie zwar vermieden. Hier geht es jedoch nicht ohne.

Wir interessieren uns in dieser Vorlesung ausschließlich für in digitaler Form vorliegende Filme und werden solche auch erzeugen. Als Speichermedium hierfür dient entweder die CD oder die DVD. Für die CD sind zwei in ihrer Qualität abgestufte Formate definiert: die Video-CD und die S-Video-CD. Die folgende Tabelle enthält die digitalen Parameter für alle uns interessierenden Medien:

Beim S-Video-Verfahren wird das Bild bei der Anzeige durch den DVD-Player per Berechnung auf 720x576 auseinander gezogen. Die Datenrate bestimmt den erforderlichen Komprimierungsgrad. Die Komprimierungsarten MPEG 1 und MPEG 2 sind zeitlich nacheinander entstanden. MPEG 2 bietet eine bessere Qualität. Beide nehmen bei der Komprimierung den Verlust von Bildinformationen in Kauf. Dabei ist es ein Grundprinzip, nur solche Bildinformationen zu verwerfen, die das menschliche Auge sowieso nicht erkennen kann. Beide Verfahren speichern auch nicht jedes komprimierte Bild im Film ab, sondern typisch nur jedes zwanzigste. Für die Bilder dazwischen wird nur die Veränderung gegenüber dem letzten vollständigen Bild gespeichert. Mit diesem Verfahren werden beachtliche Kompressionsraten erzielt. Dadurch erst wird die Basis für digitales Video geschaffen.

Bildqualität

Hat da einer etwas von Bildqualität gesagt? Nun, wenn man bösartig ist, kann man sagen, dass dieses Wort in der Video-Technik nicht greift. Tatsächlich bewegt man sich, wenn man von den digitalen Kameras kommt, bei der Bildqualität der Videokameras am alleruntersten Ende der Qualitätsskala.

Werfen wir einen Blick auf die Auflösung. In der klassischen Fotografie wird die Bildqualität von Kleinbilddias in 100-facher Vergrößerung beurteilt, d.h. man projiziert auf eine Leinwand von 4 m Breite. Erst dann sind Bildfehler zu beurteilen. Zumindest verfährt man bei Leica so. Dies ist eine Auflösung, die auch in der digitalen Fotografie nicht erreichbar ist. Im Februar-Heft 2003 der Zeitschrift foto MAGAZIN wird als Besonderheit von Vergrößerungen digitaler Bilder auf 50 x 70 cm berichtet. Dies wird zu Recht als etwas Besonderes betrachtet.

Andererseits werden in der Kleinbildfotografie Objektive und Filme auf eine optimale Leistung bei 40 Linienpaaren je Millimeter hin entwickelt. Rechnet man dies in Pixel um, so ergibt sich ein Bild von 3000 x 2000 Punkten. Diese Auflösung ist ohne weiteres von digitalen Kameras zu realisieren. Ich denke, dass sie in naher Zukunft so etwas wie ein Standard werden wird.

Der Sperber

 

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Gegen diese Werte sind Auflösungen von 756 x 576 oder gar 378 x 288 natürlich mickrig. Dass uns das, was so über den Fernsehschirm flimmert, trotzdem gut gefällt, liegt vor allem an der schnellen Abfolge der Bilder. Das Auge hat einfach nicht richtig Zeit, die Unschärfen zu sehen. Kopiert man dagegen ein einzelnes Bild aus einem Film heraus, so wirkt es doch recht enttäuschend.

Das Objektiv

Da die angestrebte Bildqualität nicht sehr hoch angesetzt wird, sind auch an das Objektiv keine hohen Ansprüche zu stellen. Die Sony Handycam verfügt über ein Objektiv  mit einem beeindruckenden Brennweitenbereich: 40 - 400 mm Äquivalenzbrennweite. Zwar kann man von einem solchen Objektiv keine Spitzenabbildungsleistung erwarten, aber der gebotene Bedienungskomfort ist doch recht beachtlich. Natürlich kann man mit der Telebrennweite nicht mehr aus der Hand filmen. Es ist aber sowieso dringend zu empfehlen, für Videoaufnahmen ein Stativ zu verwenden. Es sei denn, man fühlt sich der Dogma-Bewegung seelenverwandt.

Die Schnittstellen

Die Kamera verfügt über zwei Schnittstellen, über die der Film auf ein externes Gerät übertragen werden kann.

Der S-Video-Ausgang dient zur Übertragung eines analogen Signals. Möchten wir ihn verwenden, so benötigen wir in unserem Rechner noch eine so genannte Video-Grabber-Karte. Sinn macht es nicht, diese Schnittstelle zu verwenden. In der Kamera liegen die Daten digital vor. Um sie über die S-Video-Schnittstelle zu übertragen, werden sie in ein analoges Signal umgewandelt. Im Rechner wird dieses Signal durch die Grabber-Karte wieder digitalisiert. Erhebliche Qualitätsverluste sind zu erwarten.

Wir werden ausschließlich den Fire-Wire-Ausgang verwenden, über den die Filme digital zum Rechner übertragen werden. Er gestattet eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit von 400 MBit je Sekunde. Filme können hierüber auch in Echtzeit übertragen werden. Ab Windows XP werden Fire-Wire-Schnittstellen auch als Netzkarten verwendet. Will man z.B. nur zwei Rechner mit Netztechnik untereinander verbinden, so ist dies eine ausgesprochen leistungsfähige Netztechnik.

Der TTL-Monitor

Die Videokamera verfügt über einen ausklappbaren, wunderbar großen Farb-Monitor. Eine Größe von 7 x 5 cm würde auch einer digitalen Spitzenkamera gut anstehen. Auf das Spiegelreflexsystem könnte man dann verzichten. Allein die Auflösung von 1120 x 220 Bildpunkten ist in vertikaler Richtung nicht optimal. Dadurch wird das Bild etwas unruhig.

       Mein Arbeitszimmer im Sucher