Analóg és digitális televíziós technológiák 2008 október 10 , november 14, december 5

1. Daróczy Bálint ELTE IK PhD MTA SZTAKI daroczyb@informatika.ilab.sztaki.hu Analóg és digitális televíziós technológiák2008 október 10 , november 14, december 5

2. Irodalom Jakó Péter: Digitális hangtechnika, Budapest, 2005, Kossuth Hazay János(szerk.): A digitális televízió szolgáltatásai: bevezetési modellek, külföldi tapasztalatok, Budapest, 2005, Typotex Walter, Fischer: A digitális műsorszórás alapjai, Budapest, 2005, Typotex Kovács Imre : Digitális stúdiótechnika, BME jegyzet, 2005

3. Média/médium - közvetítő közegek összessége - (kommunikációs) technológia és azon társadalmi gyakorlatok összessége, amelyek e technológia előállításához és elsajátitásához szükségesek

4. Média/médium A tömegkommunikáció az a folyamat, melyben  - professzionális kommunikátorok üzeneteket készítenek, melyeket - technológiai eszközök - azaz a tömegmédiumok - segítségével széles körben terjesztenek, - térben és idõben szétszórt, nagyszámú fogyasztó - a nézõk, hallgatók, olvasók heterogén csoportja, a befogadók - számára.

6. Technikai és fiziológiai alapok George Carey: - A továbbítandó képet bontsuk fel sorokra, a sorokat pedig elemi képpontokra - Az átvitel során minden egyes képpontot egyszerre továbbítsunk - sok képpont, megvalósíthatatlan - a szinkronizáció miatt ma is komoly kihívás lenne

7. Technikai és fiziológiai alapok Maurice LeBlanc - felveti a szekvenciális képátvitel elméletét - a képpontokat nem egyszerre, hanem egymás után sorban továbbítjuk, így egy jelátvitel szükséges - amennyiben elég gyors az átvitel, az emberi szem nem érzékeli a szekvenciális átvitelt, egy állandó képnek tekinti

8. Televíziós képátvitel 1. Keretezés: Az átviteli jelenet meghatározása. Történhet a felvétel készítése előtt (amit az optika továbbít) vagy utánna (a felvétel egy részletét alakítjuk át elektromos jellé) 2. Képpontokra bontás: Az előbb meghatározott kereten belüli információk felbontása pixelekké. A végfelhasználói magatartástól függően skálázva a felbontást (képpontok számát). 3. Vevő oldalon visszaalakítása: A szekvenciális elektromos jelből fényhullámok gerjesztése. Megjegyzés: - Elengedhetetlen az 2. és a 3. lépés szinkronizálása!

9. Egy kis történelem A XIX. század - az információközlés forradalma - a korábbi, lassú technológiák az új és gyors módszerekkel felváltva vesznek részt az exponenciálisan megnövekedett igények kielégítése során - klasszikus posta és telegráf - nagy távolságokba gyors átvitel

10. XIX.század Elektromos átvitel meghódítja Amerikát és Európát. - telefon - távíró Lehetőség képek készítésére - felismerhető alakok - fekete-fehér - pillanatok megörökítése • a fényképet készítő tudta nélkül is tartalmaz információkat szemben a festményekkel

11. XIX. század A század második felére mind az állókép mind a közvetlen hangátvitel széles körben ismert és használt technológia. Felmerül a kérdés: - hogyan lehet mozgásokat, „történéseket” megörökíteni? - mindezt gyorsan, közvetlenül továbbítani? - a távoli jövőben együttesen alkalmazni a hang továbbítási lehetőségekkel?

12. XIX. század Mindezen kérdések több, egymástól független elképzelést is pedesztrinált. Maga a mozgóképek átvitele, mint a telefon egy kiegészítő funkciója vagy esetleg egy kevésbé interaktív felhasználás? Majd 150 év kell, hogy a két irány a gyakorlatban is összekapcsolódjon.

13. Mozi születése - 1861 Henri DuMont elmélete mozgások reprodukálásáról - 1872 Eadweard Muybridge Zoopraxiscope képes mozgások felvételére - 1880 Muybridge az elkészült képeket gyors váltásokkal vetíti - 1878 George Eastman papír filmje

14. Az első kamera A legkorábbi megmaradt film: - Louis Le Prince - 1888 október 14 - Roundhay Garden Scene - 12 kép/másodperc - 2 1/8 inches Kodak Eastman szalag

15. Cinématographe Az igazi áttörés több mint hét évvel később: - Lumière testvérek (Auguste és Louis) - 1895 december 28-án Párizsban mutatják be a nyílvánosság számára rendszerüket - Sortie des Usines Lumière à Lyon ( Workers Leaving the Lumière Factory)

16. Sokan egyidőben - Thomas Edison, 1893 Kinetograph, William Kennedy Laurie Dickson segítségével kifejleszti a Kinetoscope-t - Léon Bouly, 1893 Cinématographe, Chronophotography ötletéből kiindulva később Lumière testvérek használják első filmjükhöz - Max és Emil Skladanowsky, 1895 Berlin bemutatják mozgókép felvevő és vetít rendszerüket

17. Mozi fejlődése - 1900 Párizs hangos film bemutató, rossz szinkronizáció - 1907 Eugene Lauste közvetlenül a celluloid szalagra rögzít a kép mellett hangot - bukása mégsem ennek köszönhető: - Halk és rossz minőségű hangfelvételek - Még nincs színes film! - 1923 „talking picture” New York az első pontosan szinkronizált előadás - 1927 az első egész estés hangos film The Jazz Singer • 1900 Hangos film bemutató

18. Színes film - 1902,A Trip to the Moon képkockánként színezett film - 1910 Pathé 400 nőt foglalkoztat filmek színezéséhez - színelmélet fejlődése - 1935 Kodachrome többrétegű filmszalag

19. Analóg film - Analóg film: 8, 16, 35 mm IMAX 2x70 mm - az NTSC szabványhoz képest nagyobb színtér - többrétegű film - 5+ csatornás hang - 3D film sztereóképekkel - akár 120+ képkocka per másodperc

20. Rádió hajnala I. - 1820 Hans Chrisitan Örsted már gyanítja a mágnesesség és az elektromosság azonosságát, kapcsolatukat bizonyítja - 1831 Michael Faraday matematikailag is igazolja Örsted elméletet (elektromágneses indukció) - 1865 James Clerk Maxwell elektromágneses hullámok - 1884 Temistocle Calzecchi-Onesti képes rádió jeleket fogadni

21. Rádió hajnala II. - 1887 Heinrich Hertz kísérletekkel bizonyítja Maxwell állításait (David E. Hughes már 1879-ben felhasználja, képes elektromágneses jeleket küldeni és fogadni (többnyire zajt) ) - 1894 Oliver Lodge, Alexander Popov, Jagdish Chandra Bose - 1895 Guglielmo Marconi vezeték nélkül továbbít információt (rádiós távíró), 1901 első transz-atlanti átvitel 1893 Nikola Tesla képes vezeték nélkül hangot továbbítani

22. Rádió hajnala III. - 1906 az első rádióadás, Reginald Fessenden AM (amplitudó modulált), lehetőség több párhuzamos adás egyidejű sugárzására - 1909 az első rádióállomás, Charles David Harrold „San Jose Calling” , ma KCBS - 1904 John Ambrose Fleming Oszcillátor- cső (elektroncső) mint a vevőkészülékek alapja

23. Rádió hajnala IV. - 1906 Lee De Forest trióda - 1910 Rádióadó az Eiffel-torony tetején - 1913 USA frekvencia-törvény - Mindezek ellenére csak az 1920-as években terjed el (viszont 1920-ban már 100 ezer vevőkészülék, autórádió) - 1928 Lakihegy Telefunken rádióadó - 1952 az első tranzisztoros vevőkészülék a Sony-tól mára szinte leváltotta az elektrocsöves készülékeket

24. Képátvitel Mechanikus vagy elektromos? Képek átalakítása? Filmszalag: - analóg információ - „végtelen” képpont - viszont diszkrét képkockaszám - már maga a másolás is nehézségekkel küszködik

25. Fogalmak - interlace: váltott-soros letapogatás a kép csak minden második sorát tapogatja le az elektronágyú - progressive: folyamatos letapogatás a kép minden sorát letapogatjuk - field: egy félkép - frame: egy teljes kép - flicker: speciális esetben a villódzás nem szűnik meg, mivel az átvitt jel gyakorlatilag 25 Hz-es marad (pl. sűrű vonalas képek )

26. Fogalmak - sorfelbontás: egy teljes kép sorainak száma - félképfrekvencia: egy másodperc alatt átvitt félképek (field) száma - képfrekvencia: egy másodperc alatt átvitt teljes képek (frame) vagy félkép-párok (fields) száma - sorfrekvencia: egy másodperc alatt átvitt sorok száma

27. Nipkow tárcsa - Alexander Bain 1843 első fax - Szekvenciális képletapogatás! - Paul Gottlieb Nipkow 1883 - elektromos átvitel (fotódióda, szeléncella)

28. Braun-cső - majd katódsugárcső (Cathode Ray Tube) meleg katód, Johnsson 1922 - Karl Ferdinand Braun 1879 - eredetileg hideg katód (pl. neon) - az 1854-es Geissler-cső majd Crookes-cső módosítása - a katód melegítése során elektronok emittálódnak a foszfor felület felé (a katód és anód közti potenciálkülönbség gyorsít), mely a becsapódó elektronok hatására fontonokat bocsát ki - a pozicionálásért egy elektromágneses mező felel

29. Alan Archibald Campbell-Swinton - 1908-ban már a Braun-cső felhasználását javasolja az akkoriban elterjedt nézettel ellentétben - szerinte a jövő a tisztán elektromos televízióé - Braun-cső mint képfelvevő(bontó) egység - Braun-cső mint képvisszadó - 1911-ben a Nature című lapban már egy teljesen elektromos rendszert is felvázol

30. 1920-as évek - Nincs egyértelmű győztes - Vita a tisztán elektromos és a mechanikus televízióról - az átvitel mindkét esetben rádiójelek útján történik - 1926 John Logie Baird mechanikus televízió rendszert mutat be - már az 1800-as években kísérleteznek, de a képátalakítás és képelőállítás lassúsága miatt nem elegendő sem a felbontást sem a másodpercenkénti képkockaszám (Shelford Bidwell 1881)

31. 1920-as évek eleje - 1925-ben Charles Francis Jenkinsnek sikerül rádióhullámok segítségével sziluettképeket továbbítania - Jenkins már 1920-ban megvalósítja Nipkow 1883-as képátviteli ötletét a képminőség miatt széles körű felhasználásra alkalmatlan - 1928 Philo Taylor Farnsworth dissector tube (képbontó cső) - Kenjiro Takayanagi

32. John Logie BairdNoctovisionrendszere - 1926 január 26-án Londonban egy 30 soros Nipkow-tárcsás rendszer segítségével elektromosan képet továbbít 12.5 képkocka/sec - 30 sor épphogy elegendő egy emberi alak felismeréséhez - Rendszerét továbbfejlesztve már 1928-ban színes televíziót készít!

33. John Logie Baird - 1928 már London-ból Hartsdale-be - 1931 élő adást közvetít az Epsom Derbyről - 1935-re a 30 soros átvitelt felváltja Baird új 240 soros rendszere - A BBC 1929-től 1935-ig 30-soros Baird - 1930-ban bemutat egy módszert mellyel a moziszínházakban képes televíziós jeleket vetíteni - Közben kifejleszt egy 30-soros videófelvevőt

34. John Logie Baird • Miután a BBC mellőzi rendszerét, elektromos televízió fejlesztésébe kezd • 1939-ben elkészíti egy speciális (nem tisztán elektromos) színes televízió rendszert, melyet a CBS és a RCA is használ évekig • 1944-ben már egy teljesen elektromos színes televíziót szabadalmaztat • 600 sor • Váltott-soros, viszont három menetben • A második világháború után 1000 (!) soros színes (kiváló képminőségű) átvitel

35. Mihály Dénes - 1929-ben már felismerhető (30x30 képpont) képeket továbbít - szeléncella helyett fotocella (gyorsabb reagálás) - izzólámpás megvilágítás helyett ködfénylámpa - Nipkow-tárcsa helyett tükrök forgatásával „pásztáz” (Telehor)

36. Tihanyi Kálmán - 1926 Tihanyi Kálmán szabadalmaztatja a töltéstárolás elvét (storage prinicple) - 1927-ben módosítja, majd 1928-ra kidolgoz egy televíziós rendszert is (Radioskóp) - 1928-tól megpróbálja eladni találmányáit elsősorban németországi gyáraknak (Siemens, Löwe stb.) - Katonai felhasználásra is gondol

37. Tihanyi-Zworykin - 1930-tól kapcsolatban áll az amerikai RCA-val - 1930-ban az RCA elindít egy kísérletsorozatot Zworykin vezetésével - 1925 Zworykin sikertelen elektromos képbontója (a fotocellák fényérzékenysége) - 1930-ig csak mechanikus megoldásokon dolgozik - 1931-ben Tihanyi szabadalmaira építve egy Iconoscope prototípust mutat be - 1936, Berlini olimpiai közvetítés Tihanyi rendszerére alapozva

38. Ikonoszkóp - A töltéstárolás elvére épít. Egy fotócella mozaikon a fénnyel arányos elektron emittálódik, majd az elektronágyú segítségével kisül, majd a kilépő elektronok feltöltik a kondenzátort - sajnos mai szemmel nézve ennek is kicsi a fényérzékenysége - hajlamos foltosodásra - továbbfejlesztett változata a szuperikonoszkóp (a fotókatód és a töltésjellemez szétválasztása, megnövekedett fényérzékenység, a foltosodás a szekunder elektronok miatt megmaradt)

39. Low Definition rendszerek bukása - Low Definition: mechanikus elemeket is tartalmazó korai televíziórendszerek - 1935-re nyílvánvalóvá vált, hogy az elektromechanikus képátvitelt alkalmazó televíziós rendszerek képtelenek tömeges érdeklődés kiváltására - pedig a fejlődés töretlen: 30 sorból előbb 180 majd 1935-ben pedig 240(!) lesz - 1935-re az előállítási költségek sem jelentenek akadályt (pl. Mihály Dénes rendszerét túl drágának találták)

40. Low Definition - 1928-ban már 22 kísérleti televízió rendszer kapott sugárzási engedélyt - BBC 1929 után Baird 30 soros 12,5 képkocka/sec-es rendszerével sugároz - drága készülékek, rossz képminőség -„csoda a kirakatban” - 1935-re nemcsak a sorfelbontás hanem a képfrissités is megemelkedett 12,5-ről 25-re

41. High Definition - Zworykin megkülönböztetésül használja a High Definition-t - 1936 az EMI Isaac Schoenberg vezetésével kidolgoz egy általuk High Definition Television-nek nevezett rendzsert - sorfelbontása az eddig elérhető 240-hez képest óriási : 405 - 25 teljes kép/sec helyett 50 félkép/sec - az 1936-os berlini olimpián több rendszerrel is közvetítenek, Tihanyi High Definition képfelvevő és képvisszaadó rendszerét találják a legjobbnak

42. Emberi korlátaink - Azt a legkisebb látószöget, amelynél a szem még éppen meg tud különböztetni két egymás mellett lévő pontot, a szem felbontóképességének nevezzük - ennek reciproka a látásélesség - televíziós rendszer tervezésénél nem érdemes nagyobb sorfelbontást alkalmazni, mint amennyit az emberi szem a szokásos (vagy a rendszer tervezésekor meghatározott) látószögből láthat - a korai rendszereknél a néző távolságát a vevőkészüléktől a képernyő magasságának hatszorosában határozták meg

43. Emberi korlátaink D=6*V

44. Emberi korlátaink - ezen nézési körülmények között még éppen megkülönböztethető függőleges képpontok (sorok) számát a következő képlettel határozhatjuk meg: - ha D=6*V, és egy ívperccel számolunk: 573-at kapunk (a mai napig használt PAL rendszer látható sorfelbontása 576)

45. Képpont (pixel) - Álló vagy mozgóképek továbbítása elektromos jelek segítségével csak képpontok útján történhet - A emberi szem tulajdonságai alapvetően behatárolják a felismeréshez minimálisan szükséges képpontok számát - Kísérletek bizonyítják, hogy érzékenyebbek vagyunk a sorok számára mint az egy soron belül látható képpontok sürüségére

46. Képfelbontás - 30 sor és ennek arányaiban megfelelő képpontszám (900 min.) - pl. SDTV: 720x576 , HDTV 1920x1080 (!)

47. Képfelbontás - függ a nézőtávolságtól - fekete-fehér illetve színes TV! - álló vagy mozgókép? - megjelenítési technika? - általában négyzet alakú pixelek

48. Képarány - az első rendszerek a sorfelbontást mint tekintették mérvadónak - a korai mozifilmek képaránya zsebkendő méretben - eredetileg 1:1 majd 4:3 (3:4) majd 16:9

49. Frissítési frekvencia - az emberi szem 60 Hz felett nem érzékeli finomabban a mozgásokat - már 10 Hz is elegendő, hogy mozgásnak higgyünk egy felvételt - a folyamatos mozgáshoz, mely már nem hat idegennek 24 képkocka szükséges (pl. mozifilm) - a gyakorlatban viszont más a képvisszaadó technikától függő aspektusok is közrejátszanak

50. Fúziós Frekvencia - a High Definition rendszerek egyik sarokköve az átvitelhez szükséges információ - a korábban említett mozgások rekonstruálásához elegendő 10 Hz vagy a filmszínházakban alkalmazott 24 képkocka/sec CRT képernyőn nézhetetlen - a villódzás megszünése csak a fúziós frekvencia átlépése után lehetséges - az emberi szem fúziós frekvenciája 45-50 Hz Fényerősségre érzékeny. Pl. Sötétben egy világos képernyőn már nem elegendő 50 Hz, 65-70Hz szükséges - filmszínházakban épp ezért egy képkockát háromszor (72 Hz) villantanak fel - televíziós átvitelnél (megfelelő memória hiányában) ugyanezen értékhez 72 Hz-el kell továbbítani (!)