PAM 2

CCD = Charge Coupled Device (= ladungsgekoppeltes Halbleiterelement)

• eine durch den Fotoeffekt im Halbleiter hervorgerufene elektrische Ladung wird in einen angekoppelten Speicher übertragen

• elektrische Ladung wird wie Wasser in einer Eimerkette von einer Speicherzelle zur nächsten transportiert

CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor (komplementärer Metalloxid-Halbleiter)

• im Ggsatz zu CCDs ist beim CMOS-Wandler jedes Sensorelement einzeln adressierund damit auslesbar ! keine Schieberegister erforderlich!

• mindestens 3 Transistoren pro Pixel (3T-Pixel) eingesetzt (APS, Active Pixel Sensor), je einer für

- Adressierung der Pixel

- Verstärkung der Ladung

- Ableitung der Ladung (Reset)

• bei noch mehr Transistoren kann aufwändige Signalverarbeitung direkt im Chip integriert werden

- z.B. Rauschreduktion oder A/D-Wandlung („digitaler Sensor“)

direkte Verstärkung der Ladung direkt im Bildpunkt hat viele Vorteile

• Verstärkung dort, wo der Signal/Rauschabstand am größten ist

• direkte Umsetzung in einen Spannungswert

• (CCD zum Vergleich: Ladung muss durch den gesamten Sensor geschoben werden und wird erst am Ausgang in eine Spannung umgesetzt)

• daraus resultiert auch ein wesentlich geringerer Leistungsbedarf eines CMOS-Sensors im mW-Bereich

• wichtig, weil dadurch weniger Erwärmung des Sensors und deshalb geringerer Dunkelstrom und entsprechend größerer Dynamikbereich möglich

Grundempfindlichkeit („Nominalempfindlichkeit“) einer Kamera beruht auf Angabe der Blendenzahl die erforderlich ist, um bei gegebener Beleuchtungsstärke E den vollen Videosignalpegel zu erreichen

- Blende am Kameraobjektiv so einstellen, dass auf dem Oszilloskop das Videosignal exakt Weißpegel (=100%) aufweist

- Der dann abgelesene Blendenwert (mit k oder F in Datenblättern bezeichnet) ist die (Grund)Empfindlichkeit der Kamera

Grenzempfindlichkeit: definiert als die Beleuchtungsstärke, die ein Bildwandler benötigt, um bei voll geöffneter Blende (und voller Verstärkung) 100% Videosignalpegel zu erreichen

• Vorverstärkung des Signals

- Ausgleich unzureichender Beleuchtungsstärken

- meist in 3dB Schritten bis max. 18dB

- Achtung: SNR verringert sich!

• Beseitigung von Shading und Flare

- Black- bzw. White-Shading bezeichnet ungleichmäßige Helligkeitsverteilung trotz gleichmäßiger Beleuchtung

    - im Schwarzbereich: verursacht durch verschieden große Dunkelströme einzelner Pixel

    - im Weißbereich: verursacht durch Helligkeitsabfall am Bildrand

- Flare bezeichnet ungleichmäßige Aufhellung des Bildfeldes durch im Objektiv erzeugtes Streulicht

- Lösung: elektronische Kompensation beider Störungen durch individuelle Verstärkung einzelner Bildbereiche

• generell wird durch die Aperturkorrektur der Rauschpegel erhöht

• vor allem bei der Abbildung von Gesichtern problematisch, da die Haut bei hoch eingestellter Aperturkorrektur fleckig erscheint

- entweder geringeren Detailing-Level auswählen auf Kosten der Schärfe des restlichen Bildes

- oder Kamera verfügt über Skin-Detailing-Schaltung, in der der Hautton der Person gespeichert wird und das Detailing automatisch herabgesetzt wird, wenn der Hauttonwert auftritt

• Bei digitalen Kameras ist damit die Größe des einzelnen Pixels des CCD-Chips gemeint.
Die Öffnungsweite erzeugt in ihrem Randbereich Unschärfe. Die Aperturkorrektur versucht diese Unschärfe zu korrigieren.

• generell wird durch die Aperturkorrektur der Rauschpegel erhöht

• „Zebra Pattern“ ist ein nur im Viewfinder sichtbares Hilfssignal zur Belichtungskontrolle

- erscheint nur in Bildpartien, die innerhalb eines bestimmten Signalbereichs liegen

70%-Zebra

– wird im Pegelbereich von z.B. 65 % bis 75 % des Weißwertes angezeigt

– gut nutzbar zur Festlegung der Hauttonbelichtung

– optimale Belichtung liegt vor, wenn das Zebramuster nur an den hellsten Stellen des Gesichts zu sehen ist

100%-Zebra

- in diesen Bereichen keine Details mehr erkennbar

- dient zur Vermeidung von Überbelichtung wichtiger Bildbereiche

- die während des ersten Belichtungsteils eines (Halb-)Bildes entstandene Ladung wird über den Ladungsabfluss abgeleitet

- nur diejenige Ladung wird genutzt, die während des letzten Teils des (Halb-)Bildes entstanden ist

• normale Belichtungszeit von 1/50 s pro Halbbild wird durch den Shutter auf z.B. 1/100 s, 1/500 s, 1/1000 s bzw. stufenlos verringert

-> Beleuchtungsstärke oder Blende muss zum Ausgleich verändert werden

- Ursache liegt in zeitlich nacheinander aufgenommenen Bildzeilen

- Objekt hat sich von einer zur nächsten Zeile schon weiterbewegt

• tritt bei CMOS-Wandlern auf, die das Bild zeilen- oder spaltenweise auslesen

Infrarotsperrfilter

- Farbverfälschungen

Konversionsfilter (CC-Filter)

-Anpassung an eine andere Farbtemperatur(Bsp. von Kustlicht auf Tageslicht)

Neutraldichtefilter (ND-Filter)

- verringern die Lichtmenge, die auf den Sensor auftrifft

• aus dem vorliegenden Bild müssen drei Farbauszüge bzgl. der Farbwertanteile für Rot, Grün und Blau gewonnen werden

• unterschiedliche Möglichkeiten dafür, über verschiedene Kamerakonzepte realisiert - im wesent

- Ein-Bildsensor-Farbkameras: Filmbereich

- Zwei-Bildsensor-Farbkameras: historisch

- Drei-Bildsensor-Farbkameras: TV / Video

ein gemeinsamer Bildsensor, der alle drei Farbsignale aufnimmt

Einsatz im Kino-/High-End-Bereich, um hochwertige vorhandene Objektive weiternutzen zu können

Problem der geringeren örtlichen Bildauflösung kann über höhere Sensorauflösung gelöst werden

- vierfache HD-Auflösung des Sensors (3840 x 2160 Pixel) entspricht Bildauflösung in HD (1920 x 1080 Bildpunkte)

• Kamera mit rotierendem Farbrad

- Nachteil: prinzipbedingte "Farbsäume" bei schnellen Bewegungen

• Streifenfilter-Kamera:

- neben RGB sind auch andere Farbkombinationen möglich, z.B. Gelb, Grün, Cyan

- Nachteil ggüber Mehr-Sensor-Kameras: geringere örtliche Auflösung

• Mosaikfilter-Kamera (Bayer)

- höhere Flächenzuweisung für Grün, da Grün im menschlichen Auge den größten Anteil zur Helligkeits- und Kontrastwahrnehmung leistet (72%)

- Nachteil ggüber Mehr-Sensor-Kameras: geringere örtliche Auflösung und DeBayering notwendig, das Berechnen eines Pixels aus den Farbinformationen der umliegenden Zellen

- Vorteil: kompakter Aufbau, kompakte Optiken möglich

zwei Bildsensoren, um Helligkeits- und Farbinformation getrennt voneinander aufzunehmen

• Hauptvorteil ist Luminanzsignal, das in voller Auflösung zur Verfügung steht

• Nachteil: erhöhter Lichtbedarf wegen halbdurchlässigem Spiegel

• nur historisch relevant

Aufteilung des Lichts in Frequenzbereiche mit Hilfe von dichroitischen Schichten auf einem Strahlteilerprismensatz

• wichtig: alle drei Strahlwege müssen exakt gleich lang sein!

• Pixel der drei Bildwandler müssen exakt übereinander liegen (Rasterdeckung)

- andernfalls unscharfe Schwarz-Weiß-Übegänge

- besonders relevant bei HD-Kameras

• nutzen das verfügbare Licht nahezu optimal aus

• liefern auch bei kleinen Sensorflächen guten SNR und gute Farbqualität

• hohe Fertigungspräzision notwendig

• Einsatz in Videokameras ab dem mittleren Preissegment

Stanzt auf Basis von Helligkeitsinformationen das Bild aus

Stanzt auf Basis von Farbinformationen das Bild aus

• traditionell Bluescreen

- Gegenfarbe zu natürlichen Hauttönen

- kommt damit in Hauttönen nur zu sehr geringem Anteil vor

• TV häufig Greenscreen

- Pixel digitaler Ein-Chip-Kameras aus 1 blau, 1 rot, 2 grüne Bildpunkte

- doppelt so hohe Aufnahme-Auflösung im grünen Kanal, damit größere Genauigkeit des Keyings

- Nachteil: evtl. mehr „green spill“ (Licht reflektiert von der Grünen Wand auf das reale Objekt)

-benötigt eine gleichmäßige Ausleuchtung mit einheitlicher Farbtemperatur

• Reale Objekte unabhängig vom Hintergrund ausleuchten

• Green/Blue Spill verhinder

- Abstand vom Hintergrund

- Kante (Hinterlicht)

- blonde Haare sauber keyen „Königsklasse

• Besonderheit: Maskenbildung für Vorder- und Hintergrund

- Vordergrund und Hintergrund können separat bearbeitet werden

- erlaubt Schatten und teiltransparente Objekte

- ebenso weitere „schwierige“ Objekte wie Rauch, Wasser, feine Haare, etc.

Funktion:

1. Bild wir in RGB umgewandelt
2. Bild wird an den Stellen wo die Stanzfarbe nicht erhalten ist schwarz gefärbt
3. das gleich wird auch nochmal invertiert abgespeicher
4. am ender wird alles wieder in ymck umgewandelt und Transparente objekte sind nun Transparent und haben auch noch ihre reflexionen

1. Position der Kamera im Raum: x, y, z

2. Lage der Kamera: Pan-, Tilt-, Roll-Winkel

3. Objektiv: Zoom, Fokus, Blende

• EBU-Festlegung einer gemeinsamen Schreibweise

1. vertikale Auflösung (aktive Zeilenzahl)

2. Abtastformat (i oder p)

3. Schrägstrich „/“

4. Vollbildfrequenz (frame rate)

Interlaced

• historisch bedingtes Bildformat bestehend aus Halbbildern

• Zeilensprungverfahren: jedes Bild wird zeilenweise abgetastet

Progressive

• Bild wird vollständig in einem einzigen Durchlauf von erster bis letzter Zeile abgetastet

• Vollbilder werden nacheinander dargestellt

• auch Kinofilm stets „progressive“, 24 FPS

• Fernsehbereich auf 25 FPS umrechnen (wg. Kompatibilität zu 50Hz)

Deinterlacing bezeichnet das Umrechnen von Halbbildern in Vollbilder

Weil:

-Archive voll mit Material im Interlaced-Format sind

-heutige Wiedergabegeräte (Flachbildschirme) intern nur noch „progressive“ arbeiten

• Weaving:

- zwei Halbbilder zu einem Vollbild zusammenfügen - entstandenes Bild zweimal anzeigen ! evtl. Kamm-Artefakte, ungeeignet bei bestimmten Bildinhalten mit schneller Bewegung

• Skip Field:2 Varianten

- a) Vollbild aus nur einem Halbbild erstellen, Zeilen verdoppeln ! Verlust von vertikaler Auflösung, oder -

b) Vollbild aus nur einem Halbbild erstellen, Zeilen interpolieren ! Weichzeichnung des Bildes

dann bei a) und b): entstandenes Bild jeweils zweimal anzeigen

• Line Averaging (Bobbing):

- jedes Halbbild durch Interpolation zu Vollbild erweitern und einmalig anzeigen ! flüssige Bewegungen

- Problem: Interpolation von erster / letzter fehlender Zeile nicht möglich ! vertikales Wackeln („bobbing“)

• Blending:

- wie Line Averaging, jedoch anschließend Mittelwertberechnung aus zwei aufeinanderfolgenden Bildern ! kein vertikales Wackeln mehr

- Nachteil: Bewegungsunschärfe

• bewegungsadaptives Deinterlacing:

- resultierendes Bild wird aus Anzahl von benachbarten Eingangsbildern berechnet ! Bewegungsanalyse entscheidet, wie Vollbilder aus Halbbildern zusammengesetzt werden

- gutes Ergebnis, hoher Rechenaufwand, Verzögerung der Bildausgabe

psF = „progressive segmented Frame“

• Produktionen im Format 1080p/25 werden häufig als 1080i/25 übertragen / gespeichert welche man dann als "1080psF/25" bezeichnen muss

• jedes Vollbild in zwei Halbbilder segmentiert

• jedes Halbbild für sich wird aus ungeradzahligen / geradzahligen Zeilen zusammengesetzt

• beide Halbbilder aus derselben Bewegungsphase -> ursprüngliche Vollbilder können aus gesendeten Teilbildern verlustfrei rekonstruiert werden

Display muss für Darstellung das Deinterlacing deaktivieren!

• Quantisierungsbreite gibt Amplitudenauflösung an, z.B.

- 8 Bit: 2⁸ = 256 mögliche Amplitudenwerte

- 10 Bit: 2¹⁰ = 1024 mögl. Amplitudenwerte

- 12 Bit: 2¹² = 4096 mögl. Amplitudenwerte

• Videobereich: Quantisierung bezieht sich auf die Zahl der abbildbaren Graustufen

bei Digitalisierung wird ein Signal kontinuierlich in gleichen Zeitabständen abgetastet

-ausgedrückt als Abtastrate oder Samplingfrequenz

Datenrate [Bit/s] = Quantisierung [Bit] x Abtastrate [1/s]

Abtastrate / Abtastfrequenz kennzeichnet auch Signale, die bereits in digitaler Form vorliegen

- beschreibt die Häufigkeit der vorhandenen Abtastungen

- als Qualitätsmerkmal für die Auflösung digitaler Videosignale

- z.B. Reduzierung der (Farb-)Auflösung von 4:2:2 auf 4:1:1

1. Multiplexer                                      5. Demultiplexer
2. Scrambler                                       4. Descrampler
3. Coder                                              3. Decoder
4. Inverter                                            2. Inverte
   1.  Reclocking                                                        

            Driver                                                 EQ.AMP

- Studiokamera

• typisch ausgelagerte Elektronik, externe CCU

- EFP-/EB-Kamera / Camcorder

• typisch „leichte“ (tragbare) Einheit mit integrierter Aufnahmemöglichkeit

• z.B. Sony PMW-350

- semiprofessionelle Kamera

- (Kino-)Filmkamera -

- Spezialkameras

• Actioncams

• Hi-Speed Kameras

• typische Eigenschaften

- hochwertige Objektive, großer Zoombereich

- große Sucher

- Blendeneinstellung und andere Bildparameter werden aus der Bildtechnik gesteuert

- Fernbedienung über sog. RCP / OCP (Remote Control Panel / Operational Control Panel), das an die CCU (Camera       Control Unit) angeschlossen wird

- Kamera mit nur einem einzigen Kabel mit der CCU verbunden: sog. TriaxKabe

• jede Kamera erfordert eigenes Triaxsystem, eigene CCU und eigenes RCP / OCP

• zusammen mit Sucher, Fernbedien- und Interkom-Ausstattung als „Kamerazug“ bezeichnet

• Kamerazüge können zu Einheiten vernetzt werden

- über MSU (Master Setup Unit) kann vom Bildingenieurplatz auf alle Kameras zugegriffen werden

- erleichtert Angleichen aller Kameras vor der Produktion erheblich

• EAP/EFP-Kamera [Sony FS7 & FX9]

- z.B. Industrie- und Werbefilme, Dokumentationen

- aus Kostengründen häufig keine Studiokameras im Einsatz

• EB-Kamera / Camcorder

-Handlichkeit und geringes Gewicht, geringe Leistungsaufnahme

-hohe Lichtempfindlichkeit, Automatikfunktionen

- zwei Personen Bedienpersonal: je für Bild und Ton

- relativ kleine Sensorgrößen, häufig 1/2“ oder 1/3“

- dadurch preisgünstige Optiken, meist fest mit Kamera verbunden

- mind. HD-Auflösung - einige Kameras sind dabei schon „rundfunktauglich“ (EBU R132)

- z.B. Sony PMW 200: HD, 4:2:2, 50Mbit/s (MPEG-2 LongGOP)

• Einschränkung: einige Modelle zeichnen mit geringerer Auflösung als 1920x1080 auf, z.B. mit 1440x1080

- weil Aufzeichnungsdatenrate nicht ausreichend für volle Bildauflösung

- Lösung: durch Tiefpassfilterung wird die Horizontalauflösung von 1920 auf z.B. 1440 Bildpunkte herabgesetzt

• Kamerakennlinie beschreibt Zusammenhang zwischen Lichtstrom und Videosignalwert

• Gibt den Dynamik Umpfang der Kamera an

• Kennlinie ist durch Schwarz- und Weißwert begrenzt und verläuft wg. Gamma-Vorentzerrung nichtlinear

• durch eine Gamma-Veränderung lassen sich die Grauwertabstufungen im Bild anpassen

- Normal: Gamma = 0,45

- Gamma > 0,45: kontrastreicheres Bild, gesättigte Farben

- Gamma < 0,45: freundliche, kontrastärmere Bilder mit weniger Farbsättigung

• Weißwert ist der Luminanz-Videosignalwert bei 0,7V (100%)

- Signalspitzen dürfen nur geringfügig größer sein, weil sie durch das Clipping elektronisch beschnitten werden

- wird zu viel Luminanzamplitude abgeschnitten, gehen die Abstufungen („Zeichnung“) in den Lichtern verloren [Abb: Sch

• um abruptes Abschneiden der Lichter zu verhindern kann die Kennlinie im entspr. Signalbereich (also im 100%-Bereich) abgeflacht werden

Problem bei Kontrastreichen Motiven:

- helle Bildteile überstrahlt                       - helle Bildteile mit Details

- dunkle Bereiche detailreich                   - dunkle Bereiche „abgesoffen“

Autokniefunktion – selbsttätige Verschiebung in Abhängigkeit vom Motivkontrast

- häufig als DCC bezeichnet (Dynamic Contrast Control)

- der Kniepunkt verschiebt sich in Abhängigkeit der hellen Motivteile so, dass diese hellen Bereiche noch im geforderten Video-Kontrastumfang liegen

- vor allem Vorteil bei wechselnden (z.B. Gegen-)Lichtsituationen, wenn Details im Hintergrund noch Zeichnung haben sollen

• Videosignal ist bei Dunkelheit nicht gleich Null

- es tritt ein Dunkelstrom auf, der kompensiert werden muss

-> sog. „Schwarzwertklemmung“ vornehmen

- Sensor lichtdicht abdecken (Objektivkappe, Blende schließen) und dieses Signal als Schwarzbezugswert nehmen - zusätzlich: zwischen Austast

- und Schwarzwert sog. Schwarzabhebung („Pedestal“) von 0-3% des Maximalwertes des Luminanzsignals einstellen

Pedestal:

• bei zu hohem Schwarzwert ist die Dynamik eingeschränkt und das Bild wirkt flau

Stretch: Auseinanderziehen der Helligkeitsstaffelung dunkler Bildbereiche

Compress: Stauchung der Helligkeitsstaffelung dunkler Bildbereiche