Projektseminar (Praktikum) Bildverarbeitung – Image...

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Guido H. BruckBildsignaltechnik - Folie 1

30.08.2012

KommunikationsTechnik

Mehrdimensionale Signale (Multidimensional Signals)

Bildsignaltechnik

Guido H. [email protected]


30.08.2012


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 ?


30.08.2012


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


30.08.2012


Skripte, Aufgaben und Software für Studierende I

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30.08.2012


Skripte, Aufgaben und Software für Studierende II


30.08.2012


Forumhttp://forum.uni-duisburg.de/


30.08.2012


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


30.08.2012


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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30.08.2012


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


30.08.2012


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


30.08.2012


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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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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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


30.08.2012


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


30.08.2012


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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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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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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Begriffe

Formelzeichen/Symbol Deutsch/German Englisch/EnglishUnstetig discontinous, unsteadySprung, Unstetigkeitsstelle jump, discontinuityGewichtsfaktor Weighting coefficient

Allgemeine Mathematik 2 / basic mathematics 2


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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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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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Begriffe

Formelzeichen/Symbol Deutsch/German Englisch/EnglishMerkmal feature, characteristicGröße (physikalische Größe) quantitySpitze-Spitze-Wert Peak to peak valueWellblech corrugated ironKamm comb

Verschiedenes / miscellaneous


30.08.2012


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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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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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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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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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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0

logr

r

ffx

mm0log

~ sinY rE m f x Kontrastempfindlichkeit des menschlichen Gesichtssinns


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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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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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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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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


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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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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.


30.08.2012


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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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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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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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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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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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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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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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)


30.08.2012


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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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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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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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

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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:


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:


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.


L(t)

t

Tp,eff L*(t)

Abb. 1

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Bei einer mit der Bildperiodendauer TB periodischen Bildschirmanregung erhält man die Verhältnisse nach Abb. 1.


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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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

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