Vom Kupferstich zu PALplus

PALplus PAL Vektorscope CIE Diagramm Geschichte und Grundprinzipien des Farbfernsehens

Diese Seite versucht Grundlagen des menschlichen Sehens zu beschreiben und darauf aufbauend die technische Wiedergabe von Bildern zu erklären.

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Bildformate und Fotografie

Malerei und Photographie arbeiten vorwiegend mit den rechteckigen Hoch- und Querformaten. Die angelsächsischen Bezeichnungen leiten sich vom künstlerischen Einsatz ab: "Portrait" und "Landschaft".

Technisch am einfachsten zu machen ist ein kreisrundes Bild.

Aus der optisch gegebenen kreisförmigen Bildfläche wird dabei nur ein rechteckförmiger Ausschnitt benutzt, der Rest durch eine Schablone abgedeckt. Die größtmögliche Rechteckfläche hat unter diesen Bedingungen ein Quadrat, wo ca. 64 % von der Fläche des Umkreises genutzt werden.

        Format		genutzte Fläche
        ---------------------------------------------------------------
        1:1		63.7 %
        4:3	1.33:1	58.8 %	"Akademieformat", Normalfilm, Fernsehen
        36:24	1.5 :1	58   %	 Kleinbildfilm, Diapositiv
        14:9	1.56:1	57   %
        	1.66:1           Breitwand (abgemattet) Europa
        16:9	1.78:1	54   %	 PALplus
        	1.85:1           Breitwand (abgemattet) USA
        	2.2 :1		 (70 mm) Todd AO (Mike Todd, American Optics)
        	2.35:1           (anamorph) Cinemascope mit 6 Tonspuren
        8:3	2.66:1           (anamorph) Cinemascope bis 1957
Der 35 mm breite Kinofilm ("Normalfilm") wurde 1909 in Paris standardisiert. Von den 35 mm Breite geht noch der Platz für die Perforation ab, so dass maximal 24 mm Breite nutzbar sind.
Durch Filmkamera und Kinoprojektor wird der Film senkrecht transportiert (vier Rasterlöcher pro Bild: 4 * 4.75mm = 19mm). Die Einzelbilder sind dabei 24x18 mm2 groß. Dabei ist Seitenverhältnis 4:3 = 1.33 : 1. Dieses Format liegt auch den Fernsehnormen zu Grunde.
Seit Einführung der ersten Leica 1913 durch Oskar Barnack (1879-1936) wird der gleiche 35 mm Film als Kleinbildfilm in Photoapparaten benutzt. Im Photoapparat wird dieser Film waagerecht transportiert (acht Rasterlöcher pro Bild: 8 * 4.75mm = 38mm) und ein Bild von 24x36 mm2 belichtet. Das ist auch das Format (1:1.5) von Dia-Positiven.
Als natürliches Sehfeld wird u.a. das Format 21:34 (=1:1.62) angesehen.

 

Bewegung und Kinofilm

 

Zerlegung in Einzelbilder

Schon bei 12 Bildern pro Sekunde ergibt sich der Eindruck einer zusammenhängenden Bewegung, wenn auch etwas ruckelig. Die 8mm-Schmalfilme arbeiten mit 16 oder 18 Bildern pro Sekunde und bringen gute Ergebnisse. Zeichen- und Puppentrick wird in den meisten Fällen nur mit 12 Bildern pro Sekunde animiert.

../images/schornstein.gif Diese Sequenz von der Sprengung eines 160 m hohen Schornsteins am 1. Juli 1998 besteht aus nur 7 Einzelbildern [made on Amiga by choklas 1999].

Auch die digitalen Video-Packformate MPEG, Divx usw. übertragen die Bilder ("frames") mit unterschiedlicher Qualität. Einem genauer kodierten Bild folgen zwei interpolierte, d.h. nur jedes dritte Bild wird genau kodiert. Von 50 Bildern pro Sekunde werden also nur etwa 16 Bilder pro Sekunde genau kodiert, der Rest dazwischen wird berechnet.
Der Kinofilm verwendet weltweit 24 Bilder je Sekunde.

Die Bildfrequenz (Bilder pro Sekunde) beim Fernsehen wurde an die Frequenz des Stromnetzes (Europa 25 Hz, USA 30 Hz) angepasst.

Damit konnte die Sichtbarkeit von Brumm-Einstreuungen gemindert werden, die sonst zu einer auffälligen durchlaufenden Bildverzerrung ("Bauchtanz") führen könnten.
Um einen Kinofilm mit original 24 Bildern pro Sekunde in der USA-Fernsehnorm (NTSC) mit 30 Bildern per Sekunde zu senden, wird ein Trick angewandt, der weiter unten als "4:5-Downsampling" beschrieben wird.

 

Zeilenweise Abtastung

Zur Übertragung muss jedes Bild noch zerlegt werden. Zeile für Zeile, Punkt für Punkt werden nacheinander abgetastet und beim Empfänger wieder zusammengesetzt.

(Paul Nipkow: "Elektrisches Teleskop", Kaiserliches Patentamt, Patentschrift Nr. 30105, Anm. 06.01.1884, eine rotierende "Nipkowscheibe" mit spiralenförmig angeordneten Löchern; "Einrichtung zur Erzielung des Synchronismus bei Apparaten zur elektrischen Bildübertragung" DRP Patent Nr, 498415, Anm. 09.12.1924, Lösung des Gleichlaufproblems, indem alle Sender und Empfänger an ein und dasselbe Wechselstrom-Verteilnetz angeschlossen werden)
Manfred von Ardenne (1907-1997) ist der Erfinder des Leuchtfleck-Abtasters, der bis ca. 1980 im Fernsehen bei der Übertragung von Filmen und Diapositiven Verwendung fand.
Das Elektronische Fernsehen wurde erstmals auf der 8. Großen Deutschen Funkausstellung in Berlin 1931 vorgestellt.
 

Flimmern

Schnelle Helligkeitsschwankungen nimmt unser Auge noch wahr, wenn die Bewegung schon ruckfrei erscheint.

Wenn sich ein Rad z.B. ein Ventilatorflügel, ein Speichenrad, ein Flugzeugpropeller, gerade so schnell dreht, dass Details zu einer Scheibe verschwimmen, erkennen wir am Flimmern immer noch die Bewegung.
Damit ein Kinofilm mit 24 Bildern je Sekunde nicht flimmert, bedient man sich eines einfachen Tricks: Der Projektor zeigt jedes Filmbild zweimal! Wir sehen 48 Mal pro Sekunde ein Bild, 48 Mal wird abgedunkelt, aber nur jedes zweite Mal wird der Film weitergerückt.

Der Kinofilm bewegt sich nicht kontinuierlich zwischen Projektionslampe und Objektiv hindurch, sondern ruckweise Bild für Bild. Damit der Bildwechsel nicht sichtbar ist, wird zuerst der Lichtweg mit einer Blende unterbrochen, dann im Dunklen schnell das nächste Filmbild positioniert. Danach gibt die Blende den Lichtweg wieder frei. Und dann - obwohl das darauffolgende Bild noch gar nicht dran ist - gauckelt uns die Blende einen weiteren Bildwechsel vor, dunkelt ab, genausolange wie für einen echten Bildwechsel, um danach den Lichtweg für das selbe Bild nochmal freizugeben.
Diese Zweiflügelblende bringt 48 Hertz. Bei Filmen, die mit nur 16 Bildern pro Sekunde gedreht wurden, z.B. alten Stummfilmen, kommt man mit einer Zweiflügelblende nur auf 32 Hertz. Bei manchen Projektoren lassen sich Drei- oder Vierflügelblenden einsetzen, um jedes Bild nicht zwei, sondern drei oder viermal zu zeigen.
 

Zeilensprung

Beim Fernsehen ist diese Vorgehensweise durch das "Zeilensprungverfahren" (auch "Zwischenzeilenverfahren", engl. "interlace") noch perfektioniert.

(Fritz Schröter: "Verfahren zur Abtastung von Fernsehbildern", DRP-Patent Nr. 574085, Anm. 27.09.1930)
In Europa werden 50 Bilder je Sekunde (in Amerika und Japan 60) gezeigt, aber zunächst mit der halben Auflösung, sogenannte "Halbbilder". Zwei aufeinanderfolgende Halbbilder ergänzen sich zu einem Vollbild mit der vollen Auflösung.

        erstes
        Halbbild                       zweites
        1 --------- - - - -  -  -  -  Halbbild
               -  -  - - - - - ----------- 314
        2 --------- - - - -  -  -  -
               -  -  - - - - - ----------- 315
        3 --------- - - - -  -  -  -
               -  -  - - - - - ----------- 316
        4 --------- - - - -  -  -  -
               -  -  - - - - - ----------- 317
        5 --------- - - - -  -  -  -
               -  -  - - - - - ----------- 318
Man erreicht dadurch eine wesentliche Verminderung des Flimmerns und eine scheinbare Verdopplung der Bildwechselzahl.

Aus dem Internet sind *.gif, *.jpeg und *.png - Bilder bekannt, die sich beim Laden der Seite langsam aufbauen, erst grobe Kästchen zeigen, und sich dann verfeinern. Bei diesen "interlaced"-kodierten Bildern wird auch nicht von links oben bis rechts unten Punkt für Punkt übertragen, sondern erst ein grobes Raster, was dann verfeinert wird.
Das Zeilensprungverfahren wird weltweit beim Fernsehen eingesetzt.

An den Stellen im Fernsehbild mit unveränderlichem Inhalt oder langsamen Bewegungen verkämmen sich beide Halbbilder ineinander zu einem Vollbild mit der vollen Auflösung.

An den Stellen im Bild mit schnellen Bewegungen enthalten die Halbbilder unterschiedliche Bewegungsphasen. Dadurch bleibt die Bewegung flüssig ohne zu ruckeln. Die dabei auftretende Bewegungsunschärfe an den Kanten entspricht dem natürlichen Sehen und verstärkt die Wahrnehmung der Bewegung als solche.

Eine Sportübertragung im Fernsehen wo naturgemäß viel Bewegung im Bild ist, ist einer Filmaufzeichnung deutlich überlegen. Beim Kinofilm, wo nur halb so viele Bewegungsphasen aufzeichnet werden, führen schnelle Bewegungen zum Ruckeln. Geschickte Kameraführung und Regie können das lindern; z.B. mit künstlicher Unschärfe, Abdunklung bewegter Bildteile, Zeitlupen-Szenen usw.
 

Filmwiedergabe

Im europäischen Fernsehen nach CCIR (PAL oder SECAM) werden Kinofilme nicht mit korrekten 24 Bildern pro Sekunde abgespielt, sondern mit 25 Bildern, jedes Filmbild in zwei Halbbildern. So einfach kommen die laut Fernsehnorm vorgesehenen 50 Halbbilder pro Sekunde zu Stande.

Amerikaner und Japaner beobachten mit Unverständnis, dass es in Europa niemanden stört, ja nicht mal bemerkt wird, dass alle Filme etwas zu schnell abgespielt werden.
Für die NTSC-Fernsehnorm erfolgt eine Konvertierung der Bildfolgerate von 24 auf 30 Bilder pro Sekunde. Dabei werden je 4 Filmbilder auf 5 Fernsehbilder verteilt. Das wiederholt sich 6 Mal pro Sekunde (24/6=4 Filmbilder, 30/6=5 Fernseh-Vollbilder).

(Das Todd-AO Verfahren hat bei der Filmaufzeichnung mit 30 Bildern pro Sekunde gearbeitet.)
NTSC-Pulldown
A B C D
A1 B1 C1 D1
A2 B2 C2 D2
A1 A2 A1 B2 B1 C2 C1 C2 D1 D2
A1 ...A1 /B1 /C1 D1
A2 B2/ C2/ ...C2 D2
1 (A) 2 (A+B) 3 (B+C) 4 (C) 5 (D)

Weil die 5 Fernsehbilder als 10 Halbilder gesendet werden, ist das Verfahren etwas kompliziert. Die Teilbilder "...A1" und "...C2" werden ein zweites Mal gesendet, die Teilbilder "B2/B1" sowie "C2/C1" in zeitlich vertauschter Reichenfolge.

Digitale Vollbildspeicher ermöglichen heute auch leicht abgewandelte Umsetzungen, insbesondere die Vermeidung von Vertauschungen.

 

Bandbreite

Ohne Kabel und Satelliten ist der verfügbare Frequenzbereich für die Fernsehübertragung per Fernsehsender nicht allzu groß. Man musste sich auf einen bestimmten Bereich pro ausgestrahltem Programm beschränken. Außerdem muss der technische Aufwand im Empfänger in einem vernünftigen Verhältnis zur Bildqualität stehen.

Als Zeilenfrequenz (Anzahl Zeilen pro Sekunde) wurden ca. 15 kHz gewählt. Das gibt ein brauchbares Bild und diese Frequenz liegt schon im unhörbaren Ultraschallbereich (Kinder hören allerdings oft noch über 16 kHz und nehmen ein Pfeifen wahr).

        NTSC     (USA)		15750 Zeilen/s = 30 Bilder/s * 525 Zeilen
        CCIR/PAL (Europa)	15625 Zeilen/s = 25 Bilder/s * 625 Zeilen
Die Bildfrequenz wird im sendeseitigen Taktgenerator aus der Zeilenfrequenz durch einfache ganzzahlige Teilerstufen gebildet. In den USA sind Teiler durch 3, 5 und 7 und in Europa fünf Teiler durch fünf erforderlich.
        3 x 5 x 5 x 7     = 525 USA (NTSC)    ab ca. 1941
        5 x 5 x 5 x 5     = 625 Europa (CCIR) ab ca. 1952
Früher waren auch andere Zeilenzahlen im Gebrauch:
        3 x 3 x 3 x 3 x 5 = 405 (Großbritannien, Irland 1950 bis 1985)
        3 x 3 x 7 x 7     = 441 (Versuchsbetrieb in Deutschland 1937, UdSSR, USA vor 1945)
        5 x 7 x 13        = 455 (Frankreich)
        3 x 3 x 3 x 3 x 7 = 567 (Niederlande, Versuchssender 1948)
        3 x 3 x 7 x 13    = 819 (Frankreich, Belgien) in den 1980ern eingestellt
Im Zeilensprungverfahren hat ein Vollbild immer eine ungerade Zeilenzahl. Geradzahlige Teilerstufen werden deshalb nicht verwendet.
Wenn landläufig vom PAL- (also CCIR) oder NTSC-Format gesprochen wird, sind in erster Linie Bildfrequenz und Zeilenzahl des Schwarzweißbildes gemeint. Die Unterschiede in der Art der Farbübertragung sind nicht so gravierend.

(Um die Sichtbarkeit von Interferenzen zwischen Farbträger und Tonträger zu verringern, ist mit der Einführung des Farbfernsehens die Bildfrequenz in den USA von 30 auf 29.97 Bilder/s verringert worden, entsprechend die Zeilenfrequenz auf 15734 Zeilen/s. Aus heutiger Sicht wäre es besser gewesen, die Frequenz des Tonträgers geringfügig zu ändern.)
Allein die Tatsache, dass ein Fernsehbild senderseitig mit z.B. 625 Zeilen abgetastet wird, bedeutet noch nicht, dass auch jedes Detail mit der Höhe von nur einer Zeile wirklich aufgelöst werden kann - auch nicht bei idealer Abtastung.

Erste Untersuchungen zur tatsächlich erreichbaren vertikalen Auflösung wurden 1934 von Ray Kell, Alda Bedford und Merrill Trainer durchgeführt. Bei realen Bildvorlagen wurden nur ca. 64% der theoretischen Auflösung erreicht. Dieser Faktor von rund 0.7 ist seitdem als "Kell-Faktor" bekannt. (R. D. Kell, A. V. Bedford and M. A. Trainer, An Experimental Television System, Proc. IRE Vol. 22 (1934), pp. 1246-1265)
Ein Punkt wird nur dann deutlich innerhalb einer Zeile abgetastet. wenn er genau auf der Position der Abtastzeile liegt. Ein gleich großer Punkt zwischen zwei Abtastzeilen wird (bestenfalls) in beiden Zeilen zur Hälfte abgetastet und erscheint bei der Wiedergabe schwächer und doppelt (zwei Zeilen) so hoch. Dieser "weiche" Übergang zwischen zwei Zeilen wird durch eine ganz leichte Unschärfe absichtlich herbeigeführt und verhindert Treppchen-Bildung und Flimmern an nahezu waagerechten Kanten. Diese Vorgehensweise ist heutzutage als "anti-aliasing" bekannt.

Das Bild ist zerlegt in Zeilen und die wiederum in Bildpunkte. Die Bildpunkte ("picture element"=pixel) sollten rund (oder quadratisch) sein, jedenfalls nicht flachgedrückt wie Ziegelsteine, damit die Auflösung des Fernsehbildes in vertikaler und in horizontaler Richtung gleich ist. Bei einem rechteckigen Bild mit dem Seitenverhältnis von 4:3 ergeben sich rechnerisch ("brutto", einschl. Austastlücken):

        				NTSC	CCIR
        ------------------------------------------------
        Zeilen pro Bild		Z/B	525	625
        Bilder pro Sekunde	B/s	30	25
        Zeilen pro Sekunde	Z/s	15750	15625
        ------------------------------------------------
        Bildpunkte pro Zeile	P/Z	700	833.3
        	P/Z = 4/3 * Z/B
        Bildpunkte pro Sekunde	P/s 	11025000 13000000
        	P/s = P/Z * Z/s
        Bildpunkte pro Bild	P/B	367500	520812.5
        	P/B = P/Z * Z/B
        ------------------------------------------------
Im Vergleich zum CCIR-Bild (PAL oder SECAM) ist ein NTSC-Bild wegen der geringeren Zeilenzahl etwas verwaschen, weniger scharf, weswegen in den NTSC-Ländern USA und Japan seit Jahren besonders intensiv am hoch auflösenden Fernsehen (high definition television, HDTV) geforscht wird. Umgekehrt stört das Flimmern beim CCIR-Fernsehen wegen der geringeren Bildfolge mehr, was in Europa zu einer großen Verbreitung von 100 Hz-Fernsehgeräten geführt hat.
 

Bildsignal

Das Bildsignal überträgt die Helligkeitsinformation (beim Farbfernsehen Luminanz Y). Bei der terrestrischen Aussendung oder im Kabel wird das Bildsignal (in allen Fernsehnormen) amplitudenmoduliert übertragen. Dabei hat sich die "negative" Modulation durchgesetzt, d.h. ein starkes Sendesignal bedeutet einen dunklen Bildpunkt, ein schwaches Signal bezeichnet einen hellen Bildpunkt.

Zwei Gründe sprechen für diese "negative" Modulation:

Helle Flächen und Punkte auf dunklem Untergrund werden immer etwas größer wahrgenommen und sind auffälliger als dunkle Punkte auf hellem Grund. Das starke Sendesignal, was einen dunklen Untergrund beschreibt, ist stabiler gegen eingestrahlte Störungen (Prasseln o.ä.) also gegen helle Punkte.
Unabhängig vom Bildinhalt ist immer ein starker Impuls vom Sender vorhanden. Dadurch wird der Sender immer erkannt, eine Verstärkungsregelung hat ein definiertes Referenzsignal.
 

Austastsignal

Während der Übertragung einer Fernseh-Zeile bewegt sich der Abtastpunkt von links nach rechts. Danach wird er schnell nach links an den Anfang der nächsten Zeile zurückgeholt. Dafür stehen 18% der gesamten Zeilenzeit zur Verfügung. Damit dieser Zeilenrücklauf des Elektronenstrahls auf der Bildröhre nicht im Bild sichtbar wird, wird der Strahl beim Rücklauf dunkelgetastet.

Nachdem ein Halbbild übertragen wurde, wird der Strahl nach oben bewegt. Dafür stehen (pro Halbbild) 25 (ursprünglich 20) ganze Zeilenzeiten zur Verfügung. Auch dabei wird der Strahl dunkelgetastet.

In dieser scheinbar sinnlos vertanen Zeit wird seit Jahren u.a. der Videotext übertragen. Videotext nutzte anfangs lediglich zwei Zeilen pro Halbbild, neuerdings sind es sogar bis zu 14 Zeilen. Damit mehr digitale Signale in der Vertikal-Austastlücke unterzubringen sind, wurde die Lücke von 20 Zeilenzeiten seit ca. 1980 von 20 auf 25 Zeilen pro Halbbild verbreitert.
Um den Aufwand in den Empfängern gering zu halten, erfolgt die Austastung schon beim Sender im Sendesignal.

 

Synchronsignal

Um den exakten Gleichlauf zwischen sendeseitiger Abtastung und empfängerseitiger Zusammensetzung des Bildes zu gewährleisten, werden Synchronimpulse im Takte der Zeilen- und der Bildfrequenz mitgesendet. Synchronimpulse liegen in den Austastzeiten und sind "schwärzer als schwarz".

Die Pseudographik zeigt Zeilenaustast- und Synchronimpuls:

        Synchronimpuls
                   _         100% = "ultraschwarz"
                  | |
                  | |
                 _| |____     75% = schwarz
                | Aus-   |
                | tast-  |
         /\     | impuls |         /\
        /  \  /\|        |      /\/ Bild
            \/  :        |     /      \/
         Bild   :        :\   /
                :        : \ /
                :        :  - 10% = weiß
        ........:........:...............

Der Bildsynchronimpuls reicht über mehrere Zeilen und wird nicht direkt übertragen sondern dadurch, dass an Stelle von schmalen Zeilensynchronimpulsen mehrere breite Impulse gesendet werden.

Die Anwendung des Zeilensprung­verfahrens erfordert, dass das erste Halbbild mit einer ganzen Zeile beginnt und einer halben Zeile endet, das zweite Halbbild jedoch mit einer halben Zeile beginnt und einer ganzen Zeile endet. Deshalb basieren die Impulsfolgen zur Bildsynchonisation auf dem Halbzeilenrhythmus.
Um den Aufwand in den Empfängern gering zu halten, werden in der Umgebung des Bildsynchronimpulses noch Vor- und Nachausgleichsimpulse (Vor- und Nachtrabanten) gesendet, die eine präzise Synchronisation erleichtern. Bei Ungenauigkeiten würden die Halbbilder nicht genau ineinander "kämmen" und sich die "Zeilen paaren".
../images/gerber-norm.gif
Diese 625-Zeilen Norm für das europäische Schwarzweiß-Fernsehen wurde am 24. Juli 1950 in Genf, 1951 in Lausanne und 1952 in Stockholm verhandelt und beschlossen und nach dem Vorsitzenden der Subkommission des C.C.I.R. (CCIR = Comité consultatif international des radiocommunications), dem Schweizer Dr. Walter Gerber benannt.

 

BAS-Signal

Bild-, Austast- und Synchronsignal ("BAS-Signal") bilden zusammen das Fernsehsignal beim Schwarzweiß-Fernsehen und die Grundlage für alle Farbfernsehsignale.

001 ...
017.5
Austastung Bildrücklauf 312.5
... 331
018 - 022 Videotext u.ä. 332 - 334
Aus-
tas-
tung
Zei-
len-
Rück-
lauf
 
18 %
von
64 µs
023
:
sichtbares CCIR-Bild
2 x 288 = 576 Zeilen
335
:
:
310
:
622
311 ...
312.5
Austastung Bildrücklauf 622.5
... 625

 

Farbe

Schwarz und weiß sind unbunt, also "nur" extrem dunkel oder hell aber keine Farben.

 

Wahrnehmung

In der menschlichen Wahrnehmung unterscheiden wir vier Grundfarben: rot, gelb, grün und blau.

                               
blau grün gelb rot

Die vier Grundfarben sind feststehende Begriffe mit eigenständigen Namen, die in allen Sprachen eine Entsprechung haben. Mischfarben werden nach Gegenständen benannt, z.B.:

Die Grundgeschmacksrichtungen werden ebenso bezeichnet. Nur für süß, sauer, bitter, salzig gibt es feste Begriffe, alles andere muss umschrieben werden ("scharf" ist kein Geschmack, sondern wieder ein Extrem).
Zwischen den Grundfarben gibt es Farbübergänge und Mischfarben.

Zwischen rot und gelb liegt orange, zwischen grün und blau liegen cyan und türkis zwischen rot und blau liegen lila, violett, magenta, purpur.

Einige Farben erscheinen uns allerdings nicht mischbar. So können wir uns zwar ein gelbliches Rot oder ein bläuliches Grün vorstellen, aber kein grünliches Rot oder gelbliches Blau. Die Farbpaare Grün/Rot sowie Gelb/Blau sind zueinander entgegengesetzt; sogenannte Komplementärfarben.

grün                     gelb
   
   
   
   
blau         rot

 

Physik der Farben

Licht ist physikalisch eine elektromagnetische Strahlung. Das menschliche Auge nimmt nur einen kleinen Ausschnitt daraus wahr, den wir "sichtbares Licht" nennen.

Andere elektromagnetsche Strahlungen sind die Strahlung von Rundfunksendern, Handies, Mikrowellenöfen, Infrarotheizern, Kerzen, Lampen, Solarien, Röntgengeräten, und die Gammastrahlung aus Kernreaktionen.
Wir Menschen sehen weder die Infrarotstrahlen unserer Fernbedienungen noch die UV-Strahlung der dekorativen "Schwarzlicht"-Lampen.
Einige Schlangen erkennen ihre Beute im Dunklen an der Infrarotstrahlung, ebenso funktionieren die Infrarot-Bewegungsmelder. Viele Insekten sehen noch Ultraviolett als extra Farbe(n), wodurch sie Blüten besser unterscheiden können.
 

Das RGB-Farbmodell

Innerhalb des sichtbaren Lichts kann unser Auge noch drei Bereiche der Wellenlängen "kurz", "mittel" und "lang" unterscheiden, entsprechend höheren, mittleren und tieferen Frequenzen.

Das ist eine sehr grobe und unscharfe Unterscheidung, so wie in der Fuzzy-Logik nach Fuzzy-Klassen unterschieden wird ("kalt"-"warm"-"heiß", "klein"-"mittel"-"groß"). Im Unterschied dazu analysiert unser Gehör das hörbare Frequenzsspektrum sehr viel feiner und genauer.
Daraus entsteht der Farbeindruck mit drei Grundfarben rot, grün und blau; unser Farbensehen ist "trichromatisch". Interessanterweise ist gelb eine Mischfarbe aus rot und grün, obwohl es in der Wahrnehmung wie eine Grundfarbe erscheint!

../images/yellow-raster.gif Wenn man rote und grüne Flächen so dicht nebeneinander anordnet, dass das Auge sie nicht mehr unterscheiden kann, verschmelzen sie zu einem (dunklen Ocker-) Gelb ../images/yellow-square.gif ../images/ocker-square.gif

"Dreifarbige" Leuchtdioden für rot, gelb und grün haben nur zwei einzelne Chips, einen für rot, einen für grün. Wenn beide leuchten, erscheint uns das als gelb.
Als Primärfarben hat das CIE 1931 (CIE="Commission internationale de l'éclairage") monochromatische Strahlungen so festgelegt, dass keine der Farben aus den beiden anderen durch Mischung nachgebildet werden kann:

        rot = 700 nm     grün = 546.1 nm     blau = 435.8 nm
(Die beiden "krummen" Wellenlängen für grün und Blau sind Spektrallinien, die mittels Quecksilberdampf-Lampen relativ leicht erzeugt werden können.)
../images/CIE-diagram.jpeg

Für das Farbfernsehen wurden 1954 in den USA und 1974 in Europa andere Primärfarben gewählt, die mit den Leuchtstoffen der Bildschirmphosphore gut darstellbar sind.

(Koordinaten im CIE-Diagramm, NTSC: Rot(0.67;0.33), Grün(0.21;0.71), Blau(0.14;0.08)) (Koordinaten im CIE-Diagramm, PAL: Rot(0.64;0.33), Grün(0.29;0.60), Blau(0.15;0.06))
Das RGB-Farbmodell ist das technisch naheliegendste. Fast alle technischen Bildaufnahmeeinrichtungen zerlegen das Licht in seine spektralen Anteile und nehmen rot, grün und blau entweder Punkt für Punkt oder Bild für Bild getrennt auf. Auch die Wiedergabe auf Bildschirmen, über Beamer oder Großbildwänden basiert auf der Addition von Rot- Grün- und Blau-Anteilen.

Beim Farbdruck und Foto-Negativen wird die Farbe subtraktiv gebildet also mit den inversen Werten. Statt RGB werden die Komplementärfarben CMY benutzt.
        (R+G+B) - R =   G+B = cyan	(blaugrün)
        (R+G+B) - G = R  +B = magenta	(lila)
        (R+G+B) - B = R+G   = yellow	(gelb)
 

Farbauflösung

Der Inhalt eines Bildes steckt überwiegend in den Helligkeitsinformationen: Kanten, Schattierungen, feine Details usw. Wenn Farbe dazukommt, werden Flächen deutlicher. Die Farbe kommt dabei ohne feine Details aus.

Wenn Kinder ein Malbuch ausmalen, geht der Stift auch mal über den Rand. Trotzdem bleibt das Bild klar sichtbar.
Vor Erfindung der Photographie war der Kupferstich die geeignetste Lösung, ein detailreiches Bild anzufertigen, was einfach vervielfältigt werden kann. Zur Verdeutlichung wurden die gedruckten schwarz-weiß Bilder von Hand mit Aquarellfarben nachkoloriert. Das ist mit wenigen groben Pinselstrichen sehr schnell möglich, ohne den authentischen Bildinhalt des Druckes zu verfälschen. So wurden nicht nur künstlerische Darstellungen angefertigt, sondern auch Stadtansichten, botanische (Merian) und technische Darstellungen mit dokumentarischem Charakter.

../images/windrotor-color.jpeg

        "Eine ſchöne Machina / an welcher Flügel mit
        außgeſpanneter ſtarcken Leinwad vberʒogen / vnter einem Gewelb
        eines Thurms vom Wind vmbgetrieben werden / von welcher
        ſeiten er auch kömmet / und das Waſſer dadurch
        vnglaublich höhe kan erhaben werden / wie im Kupffer
        Num. 9 ʒuſehen"
        [Theatri machinarium / Henricius Zeisig, Leipzig 1612]
../images/windrotor-kupferstich.jpeg ../images/windrotor-aquarell.jpeg

Der ursprüngliche schwarz-weiße Kupferstich und die nachkolorierten Flächen nebeneinander zeigen eindrucksvoll, dass bei den Farben längst nicht solche Detailtreue erforderlich ist, wie beim schwarz-weiß Anteil.

Das optische Auflösungsvermögen des Auges ist begrenzt. In der Mitte das Gesichtsfeldes kann man zwei schwarze Linien auf weißem Grund nur dann noch unterscheiden, wenn ihr Abstand einem Winkel von mindestens 0.025 Grad entspricht. Das entsprcht etwa 1 mm Linienabstand bei 2 m Betrachtungsabstand.
Auf der Netzhaut unseres Auges befinden sich auch erheblich mehr Stäbchen (ca. 120 Mio), die nur Helligkeit sehen, als Zäpfchen (ca. 5..10 Mio), mit denen wir Farben unterscheiden.

Üblicherweise geht man davon aus, dass sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung für die Farbe nur je halb so viel Bildelemente (Mosaiksteinchen, Pixel) erforderlich sind, wie für die Helligkeit, insgesamt also nur ein Viertel an Bildelementen.

 

Luminanz

Das unbunte Weiß entsteht als Summe aller Farben.

In der Augenempfindlichkeitskurve, die unser Hellempfinden in Abhängigkeit von der Wellenlänge (Farbe) beschreibt, liegt das Grün nahe beim Maximum, das Rot auf der einen Flanke und Blau am unteren Ende der anderen Flanke. Blau liegt am Rande des sichtbaren Bereiches. Ein reines Tiefblau trägt nur wenig zu unserem Helligkeitsempfinden bei. Blau ist eine dunkle Farbe (0.17 vom Maximum) (das Himmelblau enthält sehr viel Weiß und erscheint uns deshalb hell). Grün liegt ziemlich in der Mitte des sichtbaren Bereiches, wo unser Auge die maximale Empfindlichkeit hat. Ein reines leuchtendes Grün ist eine helle Farbe (0.92 vom Maximum). Rot liegt etwas seitlich. Ein reines kräftiges Rot erscheint uns recht hell (0.47 vom Maximum), aber nicht so hell wie z.B. Orange oder Grün.

Der relative Helligkeiteindruck von Weiß und die Anteile der Farben berechnen sich zu:

        rot  + grün + blau = weiß
        0.47 + 0.92 + 0.17 = 1.56	| dividiert :1.56
        --------------------------
        0.30 + 0.59 + 0.11 = 1
Die untere Gleichung ist allgemeingültig. Überall wo schwarz-weiß-Auszüge von farbigen Vorlagen erstellt werden, beim analogen Farbfernsehen ebenso wie bei der digitalen Bildbearbeitung (DVD) oder beim Farbdruck, wird auf diesen Zusammenhang zurückgegriffen.

        0.30*R + 0.59*G + 0.11*B = Y
Es ist ein glücklicher Umstand, dass sich die Helligkeitseindrücke der Grundfarben annähernd verhalten wie 1:2:4 Wenn man diese drei Farben wie eine 3-Bit-Binärzahl betrachtet (Grün=MSB, Blau=LSB) und im Testbild in Zählreihenfolge darstellt, entsteht ein ziemlich gleichmäßig gestufter Graukeil:

Farbtestbild
weiß gelb cyan grün lila rot blau schwarz
               
100% 89% 70% 59% 41% 30% 11% 0%
59%  
30%   30%  
11%   11%   11%   11%  

Aus zwei Gründen wird beim Farbfernsehen u.a. ein reines Helligkeitssignal übertragen: Erstens kann man dadurch mit einem reinen Schwarz-Weiß-Fernseher auch die Farbfernsehsendungen sehen (natürlich unbunt). Zweitens steckt die meiste Bildinformation im Helligkeitssignal (Luminanz Y). Die Luminanz stellt gewissermaßen das Grundgerüst des Bildes dar.

 

Chrominanz

Durch zusätzliche Farbartsignale (Chrominanz) wird das Helligkeitsbild nur noch eingefärbt.

Um einen Bildpunkt zu beschreiben, sind immer drei unabhängige Signale (Koordinaten) erforderlich. Das können Rot, Grün und Blau sein (RGB), wie beim Computerbildschirm, oder Cyan, Magenta und Gelb (CMY), wie beim Farbdruck, oder ein Helligkeitssignal Y und zwei Farbartsignale, wie beim Fernsehen. Die verschiedenen Farbmodelle lassen sich rechnerisch verlustlos ineinander umrechnen, sind also gleichwertig.
Nimmt man aber eine unmerkliche Ungenauigkeit in Kauf, haben die Farbmodelle mit Helligkeit und zwei Farbartsignalen praktische Vorteile.
senderseitige Kodierung (bei PAL und SECAM), prinzipiell:

          Y   =  + 0.30*R + 0.59*G + 0.11*B
        (R-Y) =  + 0.70*R - 0.59*G - 0.11*B
        (B-Y) =  - 0.30*R - 0.59*G + 0.89*B
exakt:
        [   Y   ]   [ +0.299 +0.587 +0.114 ]   [ R ]
        [ (R-Y) ] = [ +0.701 -0.587 -0.114 ] * [ G ]
        [ (B-Y) ]   [ -0.299 -0.587 +0.886 ]   [ B ]
praktisch:
        U = 0.493 * (B-Y) = -0.15*R - 0.29*G + 0.44*B
        V = 0.877 * (R-Y) = +0.62*R - 0.52*G - 0.10*B
empfängerseitige Dekodierung (bei PAL und SECAM):

        R   =    1.00*Y + 1.00*(R-Y) + 0.00*(B-Y)
        G   =    1.00*Y - 0.51*(R-Y) - 0.19*(B-Y)
        B   =    1.00*Y + 0.00*(R-Y) + 1.00*(B-Y)
Das runde Vektordiagramm macht den Zusammenhang deutlich zwischen den rechtwinklingen Koordinaten der Farbdifferenzsignale (R-Y) und (B-Y) und den Begriffen Sättigung und Farbart als Polarkoordinaten. In der Mitte befindet sich das reine Weiß (oder grau, jedenfalls unbunt). Nach außen zu nimmt die Farbsättigung zu. Auf dem Umfang sind die reinen Farben angeordnet; der Lagewinkel bestimmt die Farbart.

Weiß und grau liegen in der Mitte. Schwarz eigentlich auch, aber Schwarz ist immer Schwarz. Wenn die Helligkeit Null ist, dann ist die Farbe egal, man sieht sie nicht.
Auf diese Weise werden in den schwarzen Balken am oberen und unteren Bildrand einer 16:9 Übertragung bei PALplus zusätzliche Informationen (helper) übertragen.
../images/vector-scope.gif

        R=(-0.3; 0.7)   G=(-0.59; -0.59)   B=(0.89; -0.11)
        C=(0.3; -0.7)   M=(0.59; 0.59)     Y=(-0.89; 0.11)

Beim 1954 in den USA eingeführten NTSC-Farbfernsehsystem (NTSC = National Television System Committee) ist man konsequent noch einen Schritt weiter gegangen und hat ungleiche Farb-Koordinaten-Achsen I und Q gewählt: Nach unserer Wahrnehmung bezeichnen wir rot und gelb als "warme Farben", grün und blau als "kalte Farben". Den Unterschied zwischen "warmen" einerseits und "kalten" Farben andererseits nehmen wir stärker und detailreicher wahr als Farbabstufungen innerhalb der "warmen" oder innerhalb der "kalten" Farben. Die I-Achse (in phase) überstreicht von Orange ("warme Farbe") nach Türkis ("kalte Farbe") und wird mit höherer Auflösung übertragen. Die Q-Achse (quadratur phase) steht rechtwinklig (orthogonal) auf der I-Achse, überstreicht von Violett nach hellgrün und wird ohne sichbaren Qualitätsverlust (!) mit geringerer Auflösung übertragen.

Der Erfinder des Polaroid-Sofortbild-Verfahrens Dr. Edwin Herbert Land (1909-1991) hat 1959 mit Zweifarb-Technik experimentiert. Die ersten Technicolor-Filme (1917, 1922 - 1927) waren nicht drei- sondern zweifarbig und zwar in den Farben rot und blaugrün.
senderseitige Kodierung (bei NTSC):

        Y   =  0.30*R + 0.59*G + 0.11*B
        I   =  0.60*R - 0.28*G - 0.32*B
        Q   =  0.21*R - 0.52*G + 0.31*B
exakt:
        [ Y ]   [ +0.299 +0.587 +0.114 ]   [ R ]
        [ I ] = [ +0.596 -0.274 -0.322 ] * [ G ]
        [ Q ]   [ -0.211 -0.522 +0.311 ]   [ B ]

empfängerseitige Dekodierung (bei NTSC):

        R   =  1.00*Y + 0.96*I + 0.62*Q
        G   =  1.00*Y - 0.27*I - 0.65*Q
        B   =  1.00*Y - 1.11*I + 1.71*Q

Das NTSC-System ist ein Denkmal der Erfindungsgabe, und als Solches ist es durch die Techniker der gesamten Welt begrüßt worden.

 

Kompatibilität

Ein terrestrisch ausgesendetes Farbfernsehsignal (FBAS = Farb-, Bild-, Austast- und Synchronsignal) muss einem Schwarzweiß-Fernsehsignal (BAS = Bild-, Austast- und Synchronsignal) so ähnlich sein, dass ein Schwarzweißfernseher problemlos Farbfernsehsendungen zeigen kann (natürlich unbunt). Außerdem darf die zusätzliche Übertragung der Farbe keine zusätzlichen Sendefrequenzen beanspruchen. Deshalb wird die Farbinformation (Chrominanz) einem Farbträger aufmoduliert, der geschickt im sichbaren Schwarz-Weiß-Bild verborgen wird. Das ist nur möglich, weil die Farbe wesentlich weniger Information trägt als das zu Grunde liegende Schwarzweißbild.

Als Farbträger dient eine Sinusschwingung, die einfach zum Schwarzweiß-Signal (Y) addiert wird.

Wellenbäuche ergeben einen (sichtbar) etwas dunkleren Fleck, Wellentäler einen (ebenfalls sichtbar) etwas helleren. Die Frequenz des Farbträgers ist möglichst hoch gewählt, damit die Periodendauer und damit die Flecken klein sind und dicht nebeneinander liegen. Weil helle und dunkle Flecken abwechseln, bleibt die mittlere Helligkeit im Fernsehbild unbeeinflusst.
Farbträgerfrequenz und Zeilenfrequenz stehen in einem festen Verhältnis zueinander.

Sonst würde sich das feine Raster bewegen und stark auffallen. Wenn die Farbträgerfrequenz z.B. das 227-fache der Zeilenfrequenz wäre, würde ein stillstehendes Streifenmuster aus 227 feinen senkrechten Linien entstehen. (Bei einem ganzzahligen Verhältnis von Farbträger und Zeilenfrequenz entstehen immer genau so viele senkrechte dunkle und helle Linien, wie das Verhältnis besagt.) Noch unauffälliger als ein Streifenmuster ist die schachbrettartige Anordnung von hellen und dunklen Flecken. die entsteht, wenn eine halbe Periodendauer pro Zeile hinzugenommen wird.
NTSC-Farbträgerfrequenz = 227.5 * Zeilenfrequenz.

Verglichen mit NTSC (4.3 MHz), steht bei der europäischen CCIR-Fernsehnorm (schon für das Schwarzweiß-Fernsehen) für das Bildsignal (F)BAS eine höhere Bandbreite (5.0 MHz) zur Verfügung. Dadurch konnte für PAL ein etwas feinerer (hochfrequenterer) Farbträger von ungefähr dem 283-fachen der Zeilenfrequenz gewählt werden.
Bei PAL (PAL = phase alternating line) mit seiner charakteristischen Phasenumschaltung der V-Komponente, ist das einfache Schachbrettmuster in zeitlich aufeinanderfolgenden Zeilen eines Halbbildes nicht zu erreichen. Die bestmögliche Verteilung der dunklen und hellen Flecken bei PAL wird erreicht, wenn drei Viertel einer Periodendauer pro Zeile hinzugenommen werden. Eine Pseudographik weiter unten soll das veranschaulichen.
Bei PAL wird zusätzlich noch pro Halbbild eine halbe Periode des Farbträgers hinzugenommen (pro Sekunde 50 halbe Perioden). Dadurch wechseln bei geometrisch benachbarten Zeilen (aus aufeinanderfolgenden Halbbildern) helle und dunkle Flecken doch schachbrettartig ab.
Diese Eigenschaft des PAL-Farbfernsehsystems wird bei PALplus als "Color Plus" genutzt, um Helligkeits- und Farbsignal eindeutig zu trennen und die volle Bandbreite des Helligkeitssignals (Y) zu nutzen.
PAL-Farbträgerfrequenz = (283.75 * Zeilenfrequenz) + 25 Hz

Die Pseudographik zeigt jeweils eine ganze Periode der Farbträgerschwingung:

        NTSC:                          PAL:
        	_                             _
               / \_/                         / \_/
            ->:    :<-                    ->:    :<-

Sowohl bei NTSC als auch bei PAL werden die beiden Farbkomponenten (I und Q bzw. U und V) gleichzeitig einem Farbträger aufmoduliert.

Bei den Farbfernsehsystemen NTSC und PAL mit quadraturmoduliertem Farbträger ist die Amplitude (Stärke) des Farbsignals zur Sättigung proportional, d.h. auf unbunten Flächen liegt kein Farbsignal.
Dargestellt sind zeitlich aufeinanderfolgende Zeilen (innerhalb eines Halbbildes):

        NTSC:                          PAL:
                _   _   _   _   _              _   _   _   _   _
               /i\_/i\_/i\_/i\_/i\_           /u\_/u\_/u\_/u\_/u\_
        	 _   _   _   _   _              _   _   _   _   _
        	/q\_/q\_/q\_/q\_/q\_           /v\_/v\_/v\_/v\_/v\_
              : :                            : :
        1/4 ->: :<-                    1/4 ->: :<-
        (nächste Zeile ebenso)         nächste Zeile "v" alternierend:
        				       _   _   _   _   _
        				      /u\_/u\_/u\_/u\_/u\_
        				     :_   _   _   _   _
        				     /v\_/v\_/v\_/v\_/v\_
        				   : :
        			     -1/4->: :<-

        NTSC:                          PAL:
        	iq--iq--iq--iq--iq--          -uv--uv--uv--uv--uv-
        	iq--iq--iq--iq--iq--          vu--vu--vu--vu--vu--

        	iq--iq--iq--iq--iq--          uv--uv--uv--uv--uv--
        	--iq--iq--iq--iq--iq          vu--vu--vu--vu--vu--
        	iq--iq--iq--iq--iq--          --uv--uv--uv--uv--uv
        	--iq--iq--iq--iq--iq          --vu--vu--vu--vu--vu
        	iq--iq--iq--iq--iq--          uv--uv--uv--uv--uv--
        	--iq--iq--iq--iq--iq          vu--vu--vu--vu--vu--
        	iq--iq--iq--iq--iq--          --uv--uv--uv--uv--uv
        	--iq--iq--iq--iq--iq          --vu--vu--vu--vu--vu
Auf diese Weise legt sich das Farbsignal als unauffälliges Raster über das Schwarzweiß-Bild. Die feinen Streifen sind nicht völlig unsichtbar. Man erkennt ein Moiré. Bei PAL beispielsweise ergeben Farben der U-Achse (blau-gelb) \\\\-Diagonalstreifen, wohingegen Farben der V-Achse (rot-grün) zu ////-Diagonalstreifen führen ("cross luminance").

        	NTSC:			      PAL:
        	iq  iq  iq  iq  iq            uv  uv  uv  uv  uv  
        	  iq  iq  iq  iq  iq          vu  vu  vu  vu  vu  
        	iq  iq  iq  iq  iq              uv  uv  uv  uv  uv
        	  iq  iq  iq  iq  iq            vu  vu  vu  vu  vu
        	iq  iq  iq  iq  iq            uv  uv  uv  uv  uv  
        	  iq  iq  iq  iq  iq          vu  vu  vu  vu  vu  
        	iq  iq  iq  iq  iq              uv  uv  uv  uv  uv
        	  iq  iq  iq  iq  iq            vu  vu  vu  vu  vu
        	iq  iq  iq  iq  iq            uv  uv  uv  uv  uv  
        	  iq  iq  iq  iq  iq          vu  vu  vu  vu  vu  
        	iq  iq  iq  iq  iq              uv  uv  uv  uv  uv
        	  iq  iq  iq  iq  iq            vu  vu  vu  vu  vu
        	iq  iq  iq  iq  iq            uv  uv  uv  uv  uv  
        	  iq  iq  iq  iq  iq          vu  vu  vu  vu  vu  
        	iq  iq  iq  iq  iq              uv  uv  uv  uv  uv
        	  iq  iq  iq  iq  iq            vu  vu  vu  vu  vu
Um das zu vermindern, werden im Empfänger die entsprechenden Frequenzbereiche aus dem Helligkeitssignal (Luminanz Y) mit einer sogenannten Farbträgerfalle unterdrückt (auch in fast allen Schwarzweißfernsehern). Dabei geht zwangsläufig horizontale Bildauflösung verloren.

Der PAL-Farbträger liegt bei ca. 4.43 MHz. In heutigen Empfängern wird das Helligkeitssignal als Kompromiss durch die Farbträgerfalle oberhalb 3.5 bis 3.8 MHz bandbegrenzt. d.h. höhere Frequenzen werden abgeschnitten.
Umgekehrt können feine Streifen im Bild (z.B. der Nadelstreifen-Anzug bei der Talk-Runde) vom Farbfernsehempfänger fälschlich als Farbinformation missdeutet werden, was zu plötzlichen grellen Farbschattierungen führt (engl: "cross colour", amerikanisch: "cross color")

 

PALplus

Die Weiterentwicklung von PAL zu PALplus beweist, dass auch die abwärts-kompatible analoge Fernsehübertragung noch Möglichkeiten bietet.

Farb- und Helligkeitssignal können dank "Color Plus" im Empfänger vollständig getrennt werden, gegenseitiges Übersprechen (cross colour und cross luminance) tritt nicht mehr auf und die Farbträgerfalle zur Unterdrückung des Farbmoiré entfällt. Dadurch wird das Bild sichtlich schärfer. In kritischen Bildteilen wird mit ColorPlus die Qualität des Helligkeitssignals des Schwarzweiß-Fernsehens wieder erreicht, obwohl zusätzlich das Farbsignal übertragen wird.

Beim 16:9 Letterbox-Format werden unsichtbar innerhalb der schwarzen Streifen oben und unten zusätzliche Helper-Signale übertragen, die im Empfänger zur Rekonstruktion aller Zeilen des vollständigen Bildes verwendet werden, obwohl das gesendete Letterbox-Bild scheinbar nur 432 aktive Zeilen enthalten kann. Das PALplus-Bild hat dadurch die volle Auflösung eines normales Fernsehbildes und wirkt nicht aufgebläht und unscharf wie herkömmliche Letterbox-Übertragungen auf 16:9 Bildschirmen.

 

ColorPlus

Damit sich die vom PAL-Farbträger herrührenden hellen und dunklen Flecken beim Betrachten weitgehend kompensieren, sind diese Flecken bei zwei im Vollbild geometrisch benachbarten Zeilen schachbrettartig angeordnet, einfach durch geschickte Wahl der Farbträgerfrequenz.

Zur Veranschaulichung ein Graukeil, links dunkel, nach rechts heller werdend:

        1 XXXXXXXX********++++++++--------
          XXXXXXXX********++++++++-------- 314
        2 XXXXXXXX********++++++++--------
          XXXXXXXX********++++++++-------- 315
        3 XXXXXXXX********++++++++--------
          XXXXXXXX********++++++++-------- 316
Der selbe Keil, aber mit aufmoduliertem PAL-Farbsignal:

        1 ##++##++##--**--**  ++  ++  --  
          ++##++##++**--**--++  ++  --  -- 314
        2 ##++##++##--**--**--++  ++  --  
          ++##++##++**--**--++  ++  --  -- 315
        3 ##++##++##--**--**--++  ++  --  
          ++##++##++**--**--++  ++  --  -- 316
(die jeweils zwei nebeneinander liegenden dunkleren Flecken entsprechen den Farbsignale uv aus der Pseudographik darüber.)
Bei einem PAL-Fernsehempfänger werden diese winzigen feinen Flecken auf dem Bildschirm noch dargestellt und erst vom menschlichen Auge ausgemittelt. Der PALplus-Empfänger übernimmt diese Funktion durch interne Berechnungen.

Zur Minderung des prinzipiell sichtbaren Streifenmusters (Moiré) ist in allen herkömmlichen Farbfernsehempfängern eine Farbträgerfalle (color killer) eingebaut, die den Farbträger und seine Seitenbänder weitgehend herausfiltert und dabei zwangsläufig auch die feinen Details des Helligkeitssignals mindert.
Wenn man zwei geometrisch benachbarte Zeilen addiert, wird das Farbsignal kompensiert und man erhält das reine Helligkeitssignal; subtrahiert man hingegen zwei geometrisch benachbarte Zeilen, wird statt dessen das Helligkeitssignal kompensiert und man erhält das reine Farbsignal.

Exakt gilt das genau dann, wenn die beiden betrachteten geometrisch benachbarten Zeilen gleich sind, also das gleiche Helligkeits- und das gleiche Farbsignal tragen, was senderseitig durch Speicherung und Mittelwertbildung gewährleistet wird. Das ist das Prinzip von "Color Plus" (im Filmmodus).

Weil geometrisch benachbarte Zeilen aus unterschiedlichen Halbbildern stammen, setzt ColorPlus im Empfänger einen (digitalen) Halbbildspeicher voraus, wie er auch für 100 Hz - Fernseher benötigt wird.
Die beschriebene Mittelung über geometrisch benachbarte Zeilen bei ColorPlus erfolgt senderseitig nur für Frequenzen oberhalb von 3 MHz.

Das Farbsignal (Chrominanz) ist ein hell/dunkel-Muster im Rhythmus des Farbträgers. Mit seinen Seitenbändern belegt es nur Frequenzen oberhalb von 3 MHz, die bis 5 MHz gleichzeitig auch vom Helligkeitssignal (Luminanz) beansprucht werden.
Niedrige Frequenzen bleiben unbeeinflusst, d.h. horizontale Kanten werden nicht verschliffen. Bei höheren Frequenzen werden Helligkeits- und Farbsignal sauber getrennt, d.h. senkrechte Linien und Kanten werden schärfer dargestellt als beim herkömmlichen PAL.

ColorPlus basiert auf der Ähnlichkeit bzw. Identität zweier geometrisch benachbarter Zeilen. In Folge des Zeilensprungs entstammen solche geometrisch benachbarte Zeilen immer aus zwei unterschiedlichen Halbbildern, die beim Filmmodus ("fixed colour plus") vom selben Filmbild stammen und zusammen passen.

Beim Kameramodus werden die Halbbilder nacheinander aufgenommen und unterscheiden sich an den Stellen mit Bewegung im Bild. Dann wird das Verfahren bewegungsabhängig ("motion adaptive colour plus" - "MACP"). Alle Bildteile ohne wesentliche Bewegung werden wie im Filmmodus behandelt. Bewegungsdetektoren ermitteln diejenigen Bereiche des Bildes mit starker Bewegung. Nur dort wird das Helligkeitsignal (luminance) in den hohen Frequenzen bedämpft zugunsten des Farbsignals (crominance). Im Empfänger ermitteln wiederum Bewegungsdetektoren die entsprechenden Bildbereiche und steuern die korrekte Decodierung.

Die Umschaltung zwischen unbewegten und bewegten Bildbereichen erfolgt nicht abrupt, sondern in vier Stufen abhängig vom Grad der Bewegung.

 

Letterbox

Wenn der obere und/oder untere Bildteil mittels einer Schablone ("Matte") verdeckt ("abgemattet") wird, erscheint das Bild breiter, wie beim Blick durch einen Briefschlitz - daher der Name.

Für die Kompatibilität zu bisherigen 4:3 Fernsehern wird ein 16:9 Bild "abgemattet" dargestellt.

Wenn bei einem Fernsehbild im Seitenverhälnis

        Breite    4     16
        ------ = --- = ----
         Höhe     3     12
eine Sendung im Format

        Breite    16
        ------ = ----
         Höhe      9
ausgestrahlt wird, werden von der Höhe des Fernsehbildes nur 9/12 = 3/4 benutzt.

               3
        576 * --- = 423
               4
Von den 576 möglichen Bildzeilen enthalten nur 432 das sichtbare Bild. Die restlichen 144 Bildzeilen bleiben schwarz (dunkelgetastet), oben und unten je 72 Zeilen.

Vereinfacht kann man sich vorstellen, dass aus einem ursprünglichen Bild mit 576 Zeilen genau jede vierte Zeile entfernt und in die schwarzen Streifen verlagert wird.
 

Helper Verarbeitung

Bei PALplus wird aber die wesentliche Information des ganzen Bildes trotzdem übertragen. Das Bild wird dadurch nicht nur scheinbar sondern wirklich schärfer und zeigt tatsächlich mehr Details.

Der Trick liegt in den schwarzen Streifen, denn Schwarz hat keine Farbe. Trotzdem können die Farbartsignale (u und v, für Helper wird nur u benutzt) auch in den schwarzen Streifen ausgestrahlt werden. Normale Fernseher ignorieren das.

001 ...
017.5
Austastung Bildrücklauf 312.5
... 331
018 - 022 Videotext u.ä. 332 - 334
Aus-
tastung
 
Zeilen-
Rück-
lauf
 
18 %
von
64 µs
023
:
058
PALplus Helper
2 x 36 = 72 Zeilen
335
:
370
59
:
sichtbares PALplus-Bild
im 16:9 "Letterbox"-Format
2 x 216 = 432 Zeilen
371
:
:
274
:
586
275
:
310
PALplus-Helper
2 x 36 = 72 Zeilen
587
:
622
311 ...
312.5
Austastung Bildrücklauf 622.5
... 625

Senderseitig wird eine PALplus-Sendung mit der vollen Zeilenzahl von 576-Zeilen produziert und nur zum Senden mit einem mathematisch anspruchsvollen Algorithmus auf die 432 Letterboxzeilen runtergerechnet. Die dabei verlorengehenden feinen (vertikalen) Bild-Details werden in Helper-Signale kodiert und für PALplus-Fernseher innerhalb der 2*72=144 Zeilen in den schwarzen Streifen mitgesendet. Mit Hilfe ("helper") dieser Zusatzinformationen kann ein PALplus- Empfänger aus den gesendeten 432 Bildzeilen das ursprüngliche 576-Zeilen Bild mit allen Details weitestgehend rekonstruieren.

Die herkömmlichen Fernsehempfänger mit 16:9 Bildschirm, aber ohne PALplus, können ein Bild im 16:9-Format nur aufblähen. Dabei verliert es etwas an Schärfe und zeigt keine weiteren Details, was gerade bei den meist großen Bildschirmen solcher Geräte unangenehm auffällt.
Vergleicht man auf einem 16:9-Fernseher ohne PALplus das unscharfe 16:9 Fernsehbild mit einem 16:9 Bild von einer DVD, wird die mangelhafte Qualität des normalen PAL-Fernsehbildes offensichtlich.
 

Signalisierung

Ähnlich wie Videotext werden in der Bildaustastlücke Steuerbits übertragen, nach denen die 16:9- (und PALplus-) Empfänger das dargestellte Bildformat einstellen. Diese WSS-Bits (wide screen signalling) belegen die erste Hälfte von Zeile 23.

run-in-code start-code aspect-ratio enhanced-services subtitles others
   576 Z. 4:3 Vollbild Kamera/Filmmodus Untertitel Surround Sound
   504 Z. 14:9 Letterbox ColorPlus (PAL/MACP)   
   432 Z. 16:9 Letterbox Helper (PALplus)   
   576 Z. 16:9 Breitbild    

 

Programmangebot

Die öffentlich-rechtlichen deutschen Sendeanstalten (ZDF und ARD einschließlich der dritten Programme, 3sat und arte) haben seit 1994 nach und nach praktisch alle neuen „16:9“-Produktionen in PALplus ausgestrahlt, auch einige ältere Kinofilme.

Das wurde allerdings geradezu verschämt verschwiegen.

Nirgendwo gab es ein Gewinnspiel, wo als Preis ein PALplus Fernseher winkte. (Bei der Einführung des Farbfernsehens war zu Beginn der siebziger Jahre neben Reisen, Autos auch immer ein Farbfernseher zu gewinnen.)
Seit Ostern 2005 hält die ARD es nicht mehr für nötig, in PALplus zu senden bzw. analog ins Kabel einzuspeisen. Inzwischen sind die meisten Sender diesem Negativ-Trend gefolgt. Gleichzeitig geht ein Dank an 3sat und den mdr und alle anderen Sender, die einige Sendungen auch 2012 weiterhin in PALplus verbreiten.

 

Inhalt


Quellen:

Dr. Franz Fuchs, "Das Fernsehen", Deutsches Museum 1937,

W. Holm, "Wege zum Fernsehen", Philips Eindhoven 1955

Aisberg, Doury, "Farbfernsehen leicht verständlich", VT Berlin 1972

Dobler, "Von PAL zu PALplus", VT Berlin 1996


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April 2012, A. Hok.
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