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Digitalisieren von Videosignalen
(Grundlagen)


Abtastfrequenz
Abtastverhältnis
Quantisierung
Datenstrom
   
Abtastfrequenz

Digitalisieren einer SinusschwingungGrundsätzlich beruht jede Form der Digitalisierung, also die Wandlung analoger Informationen in ein binäres Datenformat, auf dem gleichen Prinzip. Der Signalverlauf wird mit hoher zeitlicher Auflösung immer wieder ausgemessen und die ermittelten Messwerte in Form von (binären) Zahlen gespeichert.

Die Häufigkeit, mit der das Signal vermessen wird, bezeichnet man als Abtastfrequenz. Um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erhalten, muss die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch sein, wie die Maximalfrequenz des auszumessenden Analogsignals.

Im Bereich der digitalen Videotechnik liegt die Basis-Abtastfrequenz bei 3,375 MHz. In den meisten Fallen erfolgt die Abtastung jedoch mit einem Vielfachen dieses Wertes.

Abtastverhältnis

Die Bilderzeugung durch die CCD-Chips der Kamera folgt den Prinzipien der additiven Farbmischung* nach dem RGB-Standard. Die Aufzeichnung erfolgt heute jedoch meist nach dem Komponentenstandard YUV.

Y steht hierbei für das Luminanzsignal, U und V sind Farbdifferenzsignale. Sie enthalten keine Helligkeitsinformation, sondern definieren lediglich Farbton und Farbsättigung. Das Komponentensignal wird nach folgender Formel aus einem RGB-Signal gewonnen:

Y = 0,3 R + 0,59 G + 0,11 B

U = R - Y

V = B - Y

Technisch wird dieser Vorgang als Matrixzierung bezeichnet.

Gegenüber der Digitalisierung eines RGB-Signals hat die Verwendung eines YUV-Signals große Vorteile. Da das menschliche Auge auf Helligkeitsdifferenzen erheblich empfindlicher reagiert als auf Farbunterschiede, können die Farbdifferenzsignale mit geringerer Abtastfrequenz digitalisiert werden. Dies reduziert die zu verwaltende Datenmenge erheblich, ohne dass sichtbare Qualitätsverluste auftreten.

Die Abtastfrequenzen für die einzelnen Signalkomponenten unterscheiden sich je nach Videosystem. In den technischen Unterlagen werden meist nicht die genauen Abtastfrequenzen, sondern nur das Verhältnis der Frequenzen untereinander angegeben (siehe Tabelle). Die erste Ziffer steht für die Luminanz (Y), die zweite und dritte Ziffer für die Farbdifferenzsignale U und V. In seltenen Fällen wird noch ein vierter Wert angegeben. Dieser steht dann für einen zusätzlich mitdigitalisierten Alpha- oder Key-Kanal.

Ausgehend von der Basisfrequenz von 3,375 MHz lassen sich die tatsächlichen Abtastfrequenzen leicht ermitteln.

Beispiele:

4:2:2

Das Luminanzsignal wird mit 13,5 MHz (4 • 3,375 MHz) abgetastet, die beiden Farbdifferenzsignale jeweils mit 6,75 MHz (2 • 3,375 MHz). Dieses Abtastverhältnis entspricht der Norm CCIR-601.

Vereinfacht sieht die Angelegenheit so aus:

Die YUV-Signale werden für jede Bildzeile erfasst. Auf horizontaler Ebene wird für je zwei nebeneinanderliegende Pixel der gleiche Farbwert verwendet.

Abtastfrequenzen
(Sampling-Verhältnisse)
Format Verhältnis
Betacam SX 4:2:2
Digital Betacam 4:2:2
D-1 4:2:2
D-5 4:2:2
DCT 4:2:2
DV (PAL) 4:2:0
DV (NTSC) 4:1:1
DVC Pro 25 4:1:1
DVC Pro 50 4:2:2
DV Cam 4:2:0
Digital-S 4:2:2

Hinweis: Die in dieser Tabelle fehlenden Formate D-2 und D-3 zeichnen keine Komponentensignale auf.

 

4:1:1

Das Luminanzsignal wird mit 13,5 MHz abgetastet, die beiden Farbdifferenzsignale jeweils mit 3,375 MHz ( 1 • 3,375 MHz).

Hier die Vereinfachung:

Die YUV-Signale werden für jede Bildzeile erfasst. Auf horizontaler Ebene wird für je vier nebeneinanderliegende Pixel der gleiche Farbwert verwendet.

 

4:2:0

Hier wird die Angelegenheit etwas komplizierter. Das Luminanzsignal wird mit 13,5 MHz abgetastet. Bei der Abtastung der Farbdifferenzsignale macht man sich zu nutze, dass das menschliche Auge in vertikaler Richtung eine erheblich geringeres Auflösungsvermögen besitzt als in der Horizontalen. Abwechselnd wird eine Bildzeile im Verhältnis 4:2:2 und die darauffolgende Zeile im Verhältnis 4:0:0 digitalisiert. Zeilen, für die keine Farbinformation aufgezeichnet wurde, übernehmen das Farbsignal der darüberliegenden Zeile.

Quantisierung
Die messtechnische Ermittlung und die Speicherung der ermittelten Zahlenwerte kann nicht mit absoluter Genauigkeit erfolgen. Vielmehr erfolgt die Umwandlung im Rahmen genau definierter Abstufungen. Je feiner diese Abstufungen gewählt sind, desto genauer kann das Analogsignal digitalisiert werden.

Die Genauigkeit der Quantisierung wird in Bit angegeben. Mit einem Quantisierungswert von 1 Bit ließe sich lediglich feststellen, ob ein Analogsignal anliegt oder nicht, da nur zwei Stufen ( 0 und 1) zur Verfügung stehen.

Die meisten digitalen Videosysteme arbeiten bei der Bildaufzeichnung mit einer Quantisierung von 8 Bit, was einer Abtastgenauigkeit von 256 Helligkeitsstufen (2 Hoch 8) entspricht. Beispiele hierfür sind D-1, D-2 und DVC Pro. Digital Betacam und D-5 arbeiten mit einer Quantisierungsrate von 10 Bit. Dies entspricht einer Auflösung von 1024 Helligkeitsstufen (2 Hoch 10).

Im Audiobereich wird meist mit wesentlich höheren Quantisierungen gearbeitet. Üblich sind hier 16 Bit (DVC-Pro, Betacam SX) oder sogar 20 Bit (Digital Betacam, DCT).

Quantisierungsraten
Format Video Audio
Betacam SX 8 Bit 16 Bit
Digital Betacam 10 Bit 20 Bit
D-1 8 Bit 16 Bit
D-2 8 Bit 16 Bit
D-3 8 Bit 16 Bit
D-5 10 Bit 16 Bit
DCT 8 Bit 16 Bit
DV 8 Bit 12/16 Bit
DVC Pro 25 8 Bit 16 Bit
DVC Pro 50 8 Bit 16 Bit
DV Cam 8 Bit 12/16 Bit

 

Datenstrom

Unter Datenstrom (gemessen in Megabit pro Sekunde) versteht man die Datenmenge, die bei der Digitalisierung eines Videobildes innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit entsteht und damit vom System verarbeitet werden muss. Der Gesamtdatenstrom einer Komponentenaufzeichnung setzt sich zusammen aus den Einzeldatenströmen für das Luminanzsignal und der beiden Farbdifferenzsignale.

Diese Einzeldatenströme wiederum sind in ihrem Volumen abhängig von der Abtastfrequenz und der Quantisierung.

Für ein nach CCIR-601 (4:2:2) digitalisiertes Video ergibt sich demnach folgende Rechnung:

Datenstrom Y: 13,5 MHz • 8 bit = 108 Mbit/s
Datenstrom U: 6,75 MHz • 8 bit = 54 Mbit/s
Datenstrom V: 6,75 MHz • 8 bit = 54 Mbit/s

Gesamtdatenstrom = 108 Mbit/s + 54 Mbit/s + 54 Mbit/s = 216 Mbit/s.

Unter Umständen findet man in der Literatur, trotz identischer Werte für Abtastfrequenz, Abtastverhältnis und Quantisierung, unterschiedlich hohe Gesamtdatenströme angegeben. Dies resultiert meist aus Ungenauigkeiten bei der Rundung oder aus Abweichungen in der Gesamtpixelzahl des zugrunde liegenden Bildes.

In den meisten Fällen erfolgt vor der Aufzeichnung auf Videoband eine Komprimierung oder Datenreduktion. Diese ist abhängig von der Art des zum Einsatz kommenden Aufzeichnungsstandards.


* additve Farbmischung: Das Mischen der additiven Grundfarben Rot, Grün und Blau ergibt einen weißen Lichteindruck (siehe Abbildung).

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siehe auch:

Digitale Bandformate
Grafikformate für die Videobearbeitung

© Stefan Neudeck, Weißenthurm 22.01.2003
www.filmtechnik-online.de