Grundlagen der Videotechnik I

Menschliches Sehen, Videosignale, Auflösung und Fernsehtechnik

14. August 2008, 12:18 Uhr | Von David Katz und Rick Gentile

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Was ist ein Video-Signal?

analoges Video-Signal
Bild 1. Das analoge Video-Signal - auch BAS-Signal (Bild-Austast-Synchron) - einer Zeile startet nach dem Synchronimpuls mit der Helligkeitsinformation des ersten Bildpunktes am linken Bildrand - in diesem Fall Weiß.
© Analog Devices

Im Prinzip ist ein Video-Signal lediglich ein zweidimensionales Array von Intensitäts- und Farbdaten, welches mit einer regelmäßigen Bildfrequenz aktualisiert wird und so die Wahrnehmung von Bewegung vermittelt.

Bei herkömmlichen TV-Geräten und Monitoren mit Katodenstrahlröhre (Cathode Ray Tube, CRT) bringt ein Elektronenstrahl, der mit dem in Bild 1 gezeigten analogen Video-Signal moduliert und von oben nach unten und von links nach rechts über den Schirm geführt wird, Phosphor auf dem Bildschirm zum Leuchten.

Im Analogsignal eingebettete Synchronisationssignale definieren, wann der Elektronenstrahl aktiv Phosphor zum Leuchten bringt und wann er inaktiv ist, damit er am Ende einer Zeile von rechts nach links und am Ende eines Bildes von unten nach oben springen kann, um mit der nächsten Zeile bzw. mit dem nächsten Halbbild oder Bild zu beginnen.

Bild 2 zeigt diese Synchronisationssignale.

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horizontale und vertikale Synchronsignale
Bild 2. Das Video-Signal enthält horizontale und vertikale Synchronsignale, die den Zeilen- und Bildanfang bzw. Halbbildanfang kennzeichnen.
© Analog Devices

HSYNC ist das horizontale Synchronisationssignal. Nach ihm beginnt der aktive Bereich jeder Zeile (von links nach rechts) eines Video-Bildes. "Horizontale Austastung” ist das Intervall, in dem der Elektronenstrahl der Bildröhre von der rechten Seite des Bildschirms zur nächsten Zeile auf der linken Seite geführt wird.

VSYNC ist das vertikale Synchronisationssignal. Es definiert den Beginn (oben nach unten) eines neuen Video-Bildes. "Vertikale Austastung” ist das Intervall, in dem der Elektronstrahl der Bildröhre von der unteren rechten Ecke des Bildes zurück zur oberen linken Ecke geführt wird.

Halbbild (FIELD) drückt beim Zeilensprungverfahren (interlaced) aus, welches der beiden Halbbilder aktuell dargestellt wird. Dieses Signal ist nicht verwendbar für Vollbild-Video-Systeme (progressive scan).

Mit der Übertragung von Video-Informationen, die der Darstellung relativer Helligkeit von Schwarz zu Weiß entsprachen, war das Schwarz/Weiß-TV-System geboren. Der Spannungspegel an einem bestimmten Punkt korreliert mit dem Helligkeitspegel des Bildes an diesem Punkt.

Überlagerung des modulierten Farbdifferenzsignals und Referenzträger
Bild 3. Zum analogen S/W-Videosignal wird für die Farbfernsehübertragung das modulierte Farbdifferenzsignal und ein für die Demodulation erforderlicher Referenzträger (Farb-Burst) überlagert.
© Analog Devices

Als das Farbfernsehen auf den Markt kam, musste es abwärtskompatibel zu Schwarz/Weiß-Systemen sein. Deshalb wurden die Farbinformationen zum vorhandenen Helligkeitssignal hinzugefügt (Bild 3). Die Farbinformation wird auch Chrominanz genannt.

TV-Übertragung, NTSC und PAL

Analoge Video-Standards unterscheiden sich in der Bildgröße, der Bildfrequenz sowie der Art und Weise der Übertragung von Helligkeits- und Farbinformationen. Zwei Standards dominieren bei der Fernsehübertragung - 525 Zeilen / 60 Hz mit dem NTSC-Farbstandard und 625 Zeilen /50 Hz mit dem PAL-Farbstandard. NTSC (National Television System Committee) ist dominierend in Asien und Nordamerika, wogegen PAL (Phase Alternation Line) in Europa und Südamerika vorherrscht.

PAL ist eine Weiterentwicklung von NTSC und kann bei der Übertragung auftretende Phasenfehler, die sich als Farbtonfehler bemerkbar machen, korrigieren. Ein dritter Farbstandard, SECAM (Séquentiel couleur à mémoire), ist in Frankreich und in Teilen Osteuropas verbreitet, wobei in vielen dieser Gebiete auch PAL verwendet wird.

Im Weiteren wird nur der nordamerikanische Fernsehstandard (525 Zeilen, 60 Hz, NTSC) betrachtet. Die Ergebnisse gelten jedoch auch für andere Fernsehstandards nach dem PAL-Standard.

Video-Auflösung

Die horizontale Auflösung steht für die Zahl der Pixel pro Zeile eines Bildes. Die vertikale Auflösung gibt an, wieviele horizontale Zeilen auf dem Bildschirm dargestellt werden, um das gesamte Bild zu erzeugen. Nordamerikanische Video-Systeme mit Standardauflösung (SD, Standard Definition) arbeiten nach dem Zeilensprungverfahren mit 480 aktiven Zeilen, jede mit 720 aktiven Pixeln pro Zeile: 720 x 480 Pixel. Die Bilder werden mit einer Frequenz von rund 30 Hz (exakt 29,97 Hz) wiederholt. Halbbilder werden mit 60 Hz (exakt 59,95 Hz) aktualisiert.

Hochauflösende Video-Systeme (HD, High Definition) arbeiten oft mit Vollbildern - ohne Zeilensprung - (progressive scanning) und können wesentlich höhere horizontale und vertikale Auflösungen haben als SD-Systeme. In den folgenden Betrachtungen dienen SD-Systeme als Beispiele.  Sie lassen sich zum größten Teil auch auf HD-Video-Systeme mit höheren Bild- und Pixel-Frequenzen übertragen.

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Tabelle: Zur Darstellung von "fremden" Video-Signalen muss das Bild in die andere Auflösung umgerechnet werden. Dies erschweren die unterschiedlichen Seitenverhältnisse, die bei Computern und beim Fernsehen genutzt werden.

Hinsichtlich der Auflösung und der Bildfrequenz gibt es zwei Hauptzweige innerhalb der Video-Systeme. Dies sind zum einen die Computergrafik- und zum anderen die Fernsehübertragungs-Formate.

Die Tabelle zeigt einige übliche Bildschirm-Auflösungen und Bildfrequenzen jeder Kategorie.

Obwohl diese zwei Zweige aus separaten Bereichen mit unterschiedlichen Anforderungen entstanden sind - z.B. nutzt Computergrafik RGB-Vollbildverfahren, wogegen die Fernsehübertragung YCbCr mit Zeilensprung nutzt -, werden sie heute fast austauschbar in der Embedded-Welt verwendet.

Das bedeutet: VGA lässt sich mit dem"D-1"-Übertragungsformat (NTSC) vergleichen und QVGA ähnelt CIF.

Man sollte beachten, dass, obwohl D-1 aus 720 Pixel x 486 Zeilen besteht, es normalerweise als Format mit 720 x 480 Pixel bezeichnet wird. Dies ist das NTSC-"DV"-Format für DVDs und andere digitale Video-Geräte.


  1. Menschliches Sehen, Videosignale, Auflösung und Fernsehtechnik
  2. Was ist ein Video-Signal?
  3. Zeilensprung und Vollbild im Vergleich

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