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Alle Kapitel anzeigenDigitalisierung - Quantisierung und Abtastung
Eigentlich ist die Bezeichnung "Signal" für den digitalen Videobereich nicht ganz korrekt, da es sich hier im Gegensatz zum analogen Video nicht wirklich um ein Signal handelt, sondern vielmehr um Daten.
Digitale Videodaten sind wie alle digitalen Daten Zahlenanordnungen, die aus Einser und Nullen bestehen und so eine mathematische Beschreibung der einzelnen Bilder eines Videos darstellen, mit Zusatzinformationen über die zeitliche Anordnung der Bilder. Um digitale Videodaten auf einem analogen Anzeigegerät (z.B. Fernseher, Videomonitor) darstellen zu können, müssen die Daten erst von digital nach analog gewandelt werden. Diese Funktion wird z.B. von einer Videokarte mit analogen Ausgängen durchgeführt.
Umgekehrt müssen analoge Signale digitalisert werden, um auf einem Computer bearbeitet werden zu können.
Analog/Digital-Wandlung (A/D-Wandlung):
Umwandlung analoger Bild- oder Tonsignale in eine digitale Form.
Digital/Analog-Wandlung (D/A-Wandlung):
Umwandlung digitaler Daten in analoge Signale. Dieser Vorgang wird zum Beispiel durchgeführt, um digitales Video auf einem Video- bzw. Fernsehmonitor wiederzugeben.
Digitalisierung:
Grundsätzlich beruht jede Form der Digitalisierung, also die Wandlung analoger Signale in ein binäres Datenformat, auf dem gleichen Prinzip: Der Signalverlauf wird mit hoher zeitlicher Auflösung immer wieder ausgemessen und die ermittelten Messwerte in Form von (binären) Zahlenwerten gespeichert.
Die Abtastung des analogen Signals (Sampling):
Unter Abtastung versteht man die Erfassung eines analogen Signals in bestimmten Zeitabständen.
Die Anzahl der einzelnen Abtastungen innerhalb einer Sekunde werden als Abtastfrequenz bezeichnet und in Megahertz (MHz) angegeben. Im Bereich der digitalen Videotechnik liegt die Basis-Abtastfrequenz bei 3,375 MHz.
Jedem erfassten Wert muss eine Zahl zugeordnet werden, die dem gemessenen Signalpegel am besten entspricht:
Bei der Quantisierung wird also jeder abgetasteten Pegelstufe ein bestimmter Wert zugeordnet.
Je nach Qualitätsstufe stehen dafür 256 Werte (8-Bit: 2 hoch acht)) oder 1024 Werte (10-Bit: 2 hoch zehn) zur Verfügung.
Die meisten digitalen Videosysteme arbeiten mit einer 8-Bit Quantisierung, einige hochwertige Systeme, wie etwa Digibeta, verwenden 10 Bit. (siehe Tabelle unten)
Abtastung und Datenreduktion:
Um die Datenmengen zu reduzieren, werden die Helligkeitsinformationen und die Farbinformationen in unterschiedlich großen Zeitabständen erfasst.
Das menschliche Auge reagiert wesentlich empfindlicher auf Helligkeitsveränderungen als auf Farbunterschiede, deshalb werden die Farbdifferenzsignale mit einer geringeren Abtastfrequenz verarbeitet bzw. digitalisiert, ohne dass dabei sichtbare Qualitätsverluste auftreten.
So werden bei der vorgegebenen CCIR-601-Norm das Luminanzsignal mit 13,5 MHz (4 x 3,375 MHz) abgetastet und die beiden Farbdifferenzsignale jeweils mit 6,75 MHz (2 x 3,375 MHz). Das entspricht einem Verhältnis von 4:2:2
CCIR-601 Norm:
Abtastrate: 13,5MHz / 4:2:2
CCIR-601: franz."Comit Consultatif International des Radiocommunications" (heute ITU-R BT.601)
ITU: "International Telecommunication Union", legt Normen und Standards z.B. für Fernsehen und Rundfunk fest.
Verschiedene Videosysteme verwenden unterschiedliche Abtastfrequenzen für die einzelnen Signalkomponenten.
Diese werden meist nur als Verhältnis der drei Frequenzen zueinander angegeben. Dieses Verhältnis wird als Abtastverhältnis bezeichnet - z.B. 4:2:2 - wobei die erste Zahl für die Luminanz (Y) steht und die beiden anderen für U und V -die beiden Farbdifferenzsignale. Wird ein vierter Wert angegeben, so steht dieser für einen integrierten Alpha- oder Keykanal.
Digitale Komponentenformate im Vergleich:
| Format | Kompression | Quantisierung | Abtastung |
| DV | 5:1 | 8 Bit | 4:2:0 (PAL) 4:1:1 (NTSC) |
| DVCAM | 5:1 | 8 Bit | 4:2:0 (PAL) 4:1:1 (NTSC) |
| DVCPRO | 5:1 | 8 Bit | 4:1:1 |
| DVCPRO50 | 5:1 | 8 Bit | 4:2:2 |
| Digital S / D9 | 3,3:1 | 8 Bit | 4:2:2 |
| Betacam SX | 10:1 (MPEG2) | 10 Bit | 4:2:2 P@ML* |
| Betacam IMX / D10 | 10:1 (MPEG2) | 10 Bit | 4:2:2 P@ML |
| Digital Betacam | 2:1 | 10 Bit | 4:2:2 |
| D1 | 1:1 | 8 Bit | 4:2:2 / 4:4:4 |
| D5 | 1:1 (SD) 1:4 (HD-D5) | 10 Bit | 4:2:2 |
* Abk. für: "4:2:2 Profile at Main Level" siehe Grundlagen Kompression MPEG
Abtastverhältnisse:
4:2:2
Abtastverhältnis entsprechend der Norm CCIR-601
Das Luminanzsignal wird mit 13,5 MHz (4 x 3,375 MHz) abgetastet, die beiden Farbdifferenzsignale jeweils mit 6,75 MHz (2 x 3,375 MHz).
Hier werden die Signale jeder Zeile erfasst, wobei die Farbwerte horizontal nur von jedem zweiten Bildpunkt berücksichtigt werden.
Die Bezeichnung 4:2:2:4 bedeutet, dass ein Keysignal (Alphakanal) in den Daten enthalten ist.
4:1:1
Das Luminanzsignal wird mit 13,5 MHz abgetastet, die beiden Farbdifferenzsignale jeweils mit 3,375 MHz ( 1 x 3,375 MHz).
Die YUV-Signale werden für jede Bildzeile erfasst, wobei die Farbwerte horizontal nur von jedem vierten Bildpunkt berücksichtigt werden.
4:2:0
Das Luminanzsignal wird mit 13,5 MHz abgetastet. Die beiden Farbdifferenzsignale werden horizontal von jedem zweiten Bildpunkt erfasst und vertikal wird dabei jeweils eine Zeile übersprungen. Wie beim 4:1:1 Verfahren wird also für jeweils 4 Bildpunkte nur ein Farbwert abgetastet.
4:4:4
Sowohl das Luminanzsignal als auch die beiden Farbdifferenzsignale werden mit den vollen 13,5 MHz abgetastet, das heißt, es wird jeder einzelne Bildpunkt erfasst. Diese Form der Abtastung ergibt die höchstmögliche Bildqualität für Videodaten und wird als "unkomprimiert" bezeichnet.
Auch für unkomprimierte RGB-Daten wird diese Bezeichnung verwendet.
Werden beim Abtastverhältnis 4 Stellen angegeben (4:4:4:4), so bedeutet das, dass auch die Informationen für den Alphakanal in den Daten enthalten ist.
