Videons historia och utveckling

Transkript

1 Videons historia och utveckling Video kommer från latin och betyder jag ser. Idag är det en benämning på upptagning, överföring, lagring och återgivning av elektriska bildsignaler. Till skillnad från film som är ett kemiskt medium, så är video ett elektroniskt medium. Man omvandlar bild och ljud till elektriska signaler. Dessa signaler lagras på olika sätt för att sedan omvandlas till bild och ljud igen. Hur det började Det finns ett antal milstolpar som kännetecknar utvecklingen av dagens videoteknik. Om man ska ta det hela från början, så kan man säga att det första fröet såddes i och med upptäckten av grundämnet selen år Naturligtvis hade man då ingen aning om vilken betydelse selen skulle ha för framtida elektronisk bildöverföring. Den franske fysikern Edmond Becquerel upptäckte att när man sänkte ner två metallplattor i en elektrolyt, så uppstod en elektrisk laddning mellan plattorna när dessa belystes, s.k fotoemission. Trots att Becquerel i och med detta hade upptäckt den elektrokemiska effekten under inverkan av ljus, så hade han inga förslag på hur man praktiskt kunde dra nytta av denna upptäckt. Nästa viktiga steg i utvecklingen kom när Alexander Bain år 1842 skissade fram funktionen för en telefaxapparat baserad på Becquerels upptäckt. Idén gick ut på att elektriskt laddade metallbokstäver skulle skannas av en pendel. Den elektriska strömmen som uppstod i pendeln skulle via en telegraflina överföras till en liknande pendel, synkroniserad med den första. Bokstäverna skulle sedan reproduceras på ett kemiskt papper som placerades under den andra pendeln. Hans resonemang belyste flera grundläggande kriterier för elektrisk överföring av bilder. För det första att bryta ner bildinformationen i små bitar som kan skickas som en elektrisk ström till en mottagare. Dessutom vikten av synkronisering mellan sändare och mottagare patenterade F. Bakwell en kemisk telegraf byggd på Alexander Bains resonemang. Istället för pendel använde han istället synkroniserade roterande trummor upptäckte den brittiske telegrafisten Louia May grunderna till det som vi idag utnyttjar i fotoelektriska ledare, nämligen det att selen ändrade sin elektriska ledningsförmåga när det exponerades för ljus. Ledningsförmågan varierade beroende på hur stor mängd ljus som träffade metallen. Den slutliga länken mellan telegrafi och television gjordes av fransmannen M. Senlaq föreslog han att selen kunde överföra dokument. Han menade att ändringen i den elektriska spänningen som uppstod i selen när denna skannade ett dokument kunde kontrollera en penna på magnetisk väg i mottagardelen vid en elektrisk överföring. Nipkows skiva Sex år senare uppfann den tyske universitetsstudenten Paul Nipkow det som kan betecknas som den första föregångaren till dagens video. Den kallas för Nipkows skiva och den består i princip av två identiska skivor, en sändare och en mottagare med ett antal små hål som är ordnade i spiralform. Dessa skivor roterar synkront. På den ena skivan, sändarskivan, 1

2 projiceras en liten bild som de små hålen passerar över. På andra sidan av skivan sitter en fotocell som registrerar ljusvariationerna när hålen passerar över bilden. Eftersom hålen är ordnade spiralformigt på skivan, så sveper varje hål över en ny sträcka intill föregående svep på bilden. När skivan roterat ett varv, så har hela bilden skannats av. På mottagarskivan har man placerat en lampa. Mellan lampan och skivan har man två polarisationsfilter som styrs av fotocellen på sändarskivan. På så sätt regleras ljusstyrkan analogt med den som fotocellen registrerar. Mottagarskivan kan på så sätt projicera en bild motsvarande den som visas på sändarskivan. Principen att låta bilden ritas upp av en serie linjer är densamma som används i videoöverföring idag. Principen för hur en elektromekanisk TV överföring fungerar enligt Nipkow. Ett exempel på Nipkows egna anteckningar när han utvecklade sin skiva. Detta system var förstås otympligt och lämpade sig inte för någon massanvändning. Det var först på 1930-talet som elektroniken kom in på allvar i form av kameraröret. Tidiga TV system 1937 sände BBC för första gången med ett 405 linjers system. Detta skulle motsvara 405 hål på Nipkows skiva enligt ovan. Kameraröret bygger på att man skapar en elektronisk bild inne i röret som sedan scannas av en elektronstråle. De första kommersiella kamerarören utnyttjade fotoemissionstekniken och hade beteckningen Ikonoscope. Vidareutveckling skedde från att 2

3 använda fotoemissionsteknik till att utnyttja fotokonduktivitet i rören. Under årens lopp fick rören namn som Ohrtikon, Plumbikon, Satikon och Vidikon. Någon gång under andra halvan av 1980 talet övertogs rören av CCD tekniken. Den nya tekniken eliminerade många av de olägenheter som kamerarören hade. Exempelvis var rören dyra i tillverkning, hade begränsad livslängd, krävde kalibrering (position), ganska ljussvaga, krävde relativt stor plats och var känsliga för stötar. Dessutom kunde de skadas av alltför kraftigt ljus (s.k.inbränning). en bieffekt ad detta var de typiska eftersläpningarna som bildades när en kraftig ljuskälla passerade över bildytan. Det bildades en ljusorm som gjorde att ljuskällan blev utdragen i rörelseriktningen. Vad gäller mottagare, så hade bildröret, i analogi med kameraröret, en cirkulär projiceringsyta från början. TV chassiet utformades dock så att betraktningsytan var i det närmaste fyrkantig. Successivt utvecklades bildröret mot att få ni det närmaste 90 gradiga hörn och ett bredd:höjdförhållande 4:3. Interlased Scanning Ett problem med äldre tiders katodstrålerör som användes för att projicera TV bilder var den begränsade efterglödningstiden hos den fosfortäckta frontytan på bildröret. Man kom snart fram till att bildfrekvensen skulle ligga på 25 bilder per sekund (Europa) eftersom det var en jämn multipel på nätfrekvensen som var 50 Hz. Man använde alltså nätfrekvensen som synkroniseringskälla. Principen för interlaced scanning 3

4 Det visade sig att från det att elektronstrålen startat uppe i det vänstra hörnet tills det att strålen 1/25 sekund senare nått fram till det nedre högra hörnet, så hade efterglöden på skärmen avtagit så mycket att det skapade ett påtagligt ojämnt ljusflöde. Bilden pulserade med 25 Hz. Genom att höja frekvensen till det dubbla, minskade denna effekt påtagligt. Istället för att öka bildfrekvensen som skulle medföra ökad bandbredd, så kom man på att man i och för sig skulle öka frekvensen till det dubbla, men i varje svep bara rita ut varannan linje. Resultatet blev att man i första svepet ritade ut alla ojämna linjer, medan man i det andra svepet ritade ut resterande jämna linjer. På detta sätt kunde man fördubbla frekvensen (till en delbildsfrekvens på 50 HZ) utan att öka bandbredd. Detta förfarande kallas Interlaced Scanning sände man TV i Sverige för första gången. Naturligtvis svart-vitt. Dock hade man redan tre år tidigare RCA i USA utvecklat ett färg-tv system kallat NTSC (National Television System Committee). Sändningsutrustning för video 1956 Det dröjde till 1966 innan Europa beslutade om ett eget färg-tv system. Det fick namnet PAL (Phase Alternate Lines). Frankrike, som ofta ser sig som lite bättre, beslutade sig för sitt eget SECAM (Sequential Couleur Avec Mémoire). Dessa system fördelar sig på olika sätt runt om i världen idag. Den första reguljära färg-tv sändningen i Sverige gjordes Inspelningsteknik I USA där direktsända underhållningsprogram sändes från kust till kust med uppemot sex timmars tidsdifferens blev önskemålet att spela in programmen, för att sända dom vid ett senare tillfälle, alltmer angeläget. Till en början filmade man helt enkelt av en TV-skärm med en filmkamera. Denna typ av konvertering till kemisk film kallas för telefilmning och gav inte någon bra kvalitet. Man funderade på att istället spela in videosignalen på ett stålband eller 4

5 tape belagd med magnetiserbar metalloxid. Redan 1888 kunde dansken Valdemar Poulsen spela in ljudsignaler på en ståltråd. Den uppfinningen ligger till grund för all elektromagnetisk inspelning idag. Problemet med att spela in bild på samma sätt som ljud var att bildsignalens bandbredd är betydligt större än ljudets. Ljudsignalens frekvensområde ligger mellan Hz medan videosignalens ligger mellan Hz (MHz). Bandbredden för ljudet är ca 10 oktaver medan motsvarande bandbredd för video är 18 oktaver. (En oktav motsvarar en fördubbling av frekvensen.) Den magnetbandsinspelningsteknik som man då använde tillät inte större bandbredd än 10 oktaver. För att få plats med så mycket information som 18 oktaver motsvarar, så skulle man tvingas öka bandhastigheten till 12 meter per sekund. En timmes videomaterial skulle behöva 42 km magnettape, vilket var orealistiskt. Charles Ginsburg och Ray Dolby, som arbetade på företaget Ampex i USA, kom på att man kunde öka den så kallade skrivhastigheten med hjälp av att flera videohuvuden monterades på en roterande cylinder. Genom att låta cylindern rotera mot bandtransportriktningen, så ökade man videobandets hastighet relativt videohuvudets utan att behöva öka bandets hastighet. Detta gjorde att man kunde packa signalerna effektivare på bandet och därmed öka bandbredden i tillräckligt hög grad. Den första videobandspelaren visades den 14 april Den använde sig av det sk Quadruplex-systemet. Den använde sig av 2 band och var en allmänt otymplig pjäs. Man kunde inte kopiera från ett band till ett annat och normalt klippte man inte i bandet heller. Var man tvungen att göra det, så måste man använda sig av olja, järnfilsspån och lupp för att kunna lokalisera bildsynksignal och bildsläckfas. Inspelningshuvudet bestod alltså av en roterande trumma som lagrade bildrutorna som parallella spår vinkelrätt mot bandriktningen. En vidareutveckling av Quadruplex-systemet var Helical-systemet. Det innebar att man lutade videohuvudet i förhållande till videobandet. På så sätt lades de till bildrutorna hörande spåren diagonalt på banden och man var därigenom inte lika beroende av videobandets bredd för att lagra tillräcklig information iför varje bildruta. Trackingkonfiguration för Betacam som utnyttjar Helicaltekniken för inspelning på band. Y Track och C Track är luminans resp. chrominanssignaler. 5

6 I början av 70-talet fanns ett antal ½ bandformat för skol- och institutionsbruk. Alla dessa var s.k. spolband med öppna bandspolar. Videoformatet var svartvitt presenterade Philips ett bandformat för den vanlige konsumenten. Dom kallade det för VCR (Video Cassette Recorder) och var alltså ett kassettbundet system. Kassetterna hade 1/2 bredd på videobanden och en bandhastighet på 14,29 m/s och en maximal speltid på 60 minuter. Önskemålet från köparna om att kunna spela in långfilmer växte och man tvingades att tillverka ett system som klarade detta. En ny modell lanserades där bandhastigheten sänkts till 6,56 m/s med bl.a. sämre ljudåtergivning som följd. Dessutom var det inte kompatibelt med det förra systemet lanserades Sonys Betamax system och JVC m.fl. VHS system ersatte Philips sina två tidigare VCR system med Video Det system som sedermera vann striden om konsumentmarknaden är det väl ingen som missat. I slutet av 70-talet kom 1 formatet som ett nytt professionellt bandformat med öppna spolar. Systemet återfanns i två varianter 1 B och 1 C och var ett utpräglat studioformat p.g.a. sin storlek. Det förekom även portabla 1 maskiner då man önskade videoinspelning med högre kvalitet. Alternativet var film eller U-Matic. Sony som förlorade med sitt Betamax system på konsumentmarknaden kontrade i den semiprofessionella branschen med sitt U-Matic system. Detta utvecklades sedermera till U- Matic Hi Band (även benämnt BVU, Broadcast Video U-Matic) och U-Matic Hi Band SP. Entums videobandspelare från slutet av 80-talet Camcorder 1982 introducerade Sony sin nya camcorderteknik på den professionella marknaden (dvs. bandspelaren inbyggd i kameran) med Betacam och sedermera den vässade versionen 6

7 Betacam SP. Dessa system revolutionerade inspelningstekniken. En yttreligare fördel var att man utnyttjade komponentsignal vilket innebar att man separerade luminansen och de tre grundfärgerna. Parallellt med detta utvecklades på amatörsidan VHS systemet till VHS-C (ett kompaktsystem) och S-VHS. S-VHS utnyttjar en S-videosignal som skiljer sig från den gängse kompositsignalen på så sätt att färg och ljus (krominans och luminans) hålls separerade. På så sätt erhålls en renare signal och därmed bättre bild. På motsvarande sätt kontrade Sony med sitt kompakta Video 8 och sedermera Hi-8. Både på amatör och proffssidan har man försökt att lansera konkurrerande system. Panasonics M2 var ett sådant system för att försöka att bryta Sonys i det närmaste monopoliserade ställning på proffsmarknaden. I början av 90-talet började digitala system att dyka upp, främst på proffsmarknaden. Det första kompletta systemet var Sonys Digital Betacam eller Digibeta som det kallas. Under de sista åren på 90-talet har den digitala revolutionen tagit fart på allvar. Idag finns system som DV, DVCAM, DVCPRO, DVCPRO-50, Digital-S, Betacam SX, IMX, Digital Betacam och nu senast XDCAM. Den senare är ett diskbaserat inspelningssystem byggt på blå laserteknik. Vad som kommer framöver är sannolikt en vidareutveckling av HDTV (Hi 7

8 Definition TV) tekniken. Den har stått lite stilla under digitalteknikens utveckling, framför allt i Europa. Startår Format Modellexempel Bandbredd Teknik tum, LB Ampex, VR-1000 Spole, 50 mm Analog, sv/v tum, HB Ampex, VR-2000 Spole, 50 mm Analog, komposit tum Philips, EL3402 Spole, 25 mm Analog, sv/v tum, A Ampex, VR7000 Spole 25 mm Analog, komposit tum Bell & Howell, 2920 Spole 25 mm Analog, komposit 1972 ¼-tum Akai, VT-300 Kassett, 6 mm Analog, sv/v 1974 VCR Philips, N-1500C Kassett, 12 mm Analog, komposit 1976 U-matic, LB Sony, VO-2850 Kassett, 19 mm Analog, komposit 1977 ½-tum National, NV-3085 Spole, 12 mm Analog, sv/v tum, B Bosch, BCN51 Spole 25 mm Analog, komposit tum, C Ampex, VPR3 Spole, 25 mm Analog, komposit 1980 U-matic HB Sony, BVU-800 Kassett, 19 mm Analog, komposit 1981 VHS Panasonic, NV-7000 Kassett, 12 mm Analog, komposit 1982 Betamax Sony, SL-T50 ME Kassett, 12 mm Analog, komposit 1982 Video-2000 Philips, VR-2020 Kassett, 12 mm Analog, komposit tum, B/LP Bosch, BCN51LP Spole, 25 mm Analog, komposit 1984 Betacam Sony, BVW-40 Kassett, 12 mm Analog, komponent 1986 Video-8 Sony, EV-A300 EC Kassett, 8 mm Analog, komposit 1988 S-VHS Panasonic, NV-FS100 Kassett, 12 mm Analog, komposit 1989 Betacam SP Sony, BVW-75 Kassett, 12 mm Analog, komponent 1990 D2 Sony, DVR18 Kassett, 19 mm Digital, komposit 1991 D3 Panasonic, AJ-D350 Kassett, 12 mm Digital, komposit 1991 Hi-8 Sony, EVO-9850P Kassett, 8 mm Analog, komposit tum, B-HDTV Bosch, BCH-1000 Spole, 25 mm Analog, komponent 1993 Digital Betacam Sony, DVW-500 Kassett, 12 mm Digital, komponent 1996 DV Sony, DCR-VX-1000 Kassett, 6 mm Digital, komponent 1997 DVCAM Sony, DSR-80 Kassett, 6 mm Digital, komponent 1997 DVCPRO Panasonic, AJ-D750 Kassett, 6 mm Digital, komponent 1997 Betacam SX Sony, DNW-A100 Kassett, 12 mm Digital, komponent 1999 DVCPRO-50 Panasonic, AJ, D950 Kassett, 6 mm Digital, komponent 2002 IMX Kassett, 12 mm Digital, komponent Videoformat på SVT under drygt 40 år TV-system Under och 1960-talen delades världen upp i tre sinsemellan helt inkompatibla TVsystem, PAL, NTSC och SECAM. Detta skapade naturligtvis problem i det internationella programutbytet med det elektroniska formatet. Samtidigt skapades en marknad för konverteringsteknik mellan de olika systemen. Konvertering tar tid, kostar pengar och medför vissa kvalitetsförluster. NTSC (National Television System Cimmittee) infördes i USA 1954 och är baserad på 525 TV-linjers upplösning och 60 Hz delbildsfrekvens (eller rättare 59,94 Hz p.g.a. interferensproblem med färgbärvågen). Bandbredden är 4,2 MHz. Systemet tillämpas i Nordamerika, huvuddelen av Mellan- och Sydamerika, Japan och Australien. PAL (Phase Alternation Line) introducerades 1963 av tyska Telefunken. Systemet bygger på 625 TV-linjers upplösning och 50 Hz delbildsfrekvens. Bandbredden är 5,0 MHz. Systemet tillämpas i hela Västeuropa, utom Frankrike, huvuddelen av Afrika och arabstaterna, Kina och Indien. 8

9 SECAM (Séquentiel Couleur Avec Memorie) anammades av Frankrike Det bygger på 625 TV-linjers upplösning, 50 Hz delbildsfrekvens och en bandbredd på 6,0 Mhz. Systemet används, förutom av Frankrike, av de flesta stater i det forna Östeuropa, Nordafrika och en rad stater i Mellanöstern. Utöver dessa standards, så döljer varje standard ytterligare undergrupper. Tabellen nedan visar exempel inom framför allt PAL familjen. Dessa olika PAL-varianter skiljer sig åt med avseende på kanalmellanrum och ljudbärvågsfrekvens. RF, audio and subcarrier characteristics of broadcast standards Video Channel Sound Sound Used ITU-R system Informal Scanning f SC (MHz) bandwidth (MHz) spacing (MHz) carrier (MHz) modulation M/NTSC NTSC 525/59,94 3, ,2 6 4,5 FM, ±25 khz N.A, Japan M/PAL PAL-M 525/59,94 3, ,2 6 4,5 FM, ±25 khz Brazil (PAL-525) N-PAL PAL-N 625/50 3, ,2 6 4,5 FM, ±25 khz Argentina (PAL-3,58) B/PAL PAL 625/50 4, ,5 FM, ±50 khz Australia G,H/PAL PAL 625/50 4, ,5 FM, ±50 khz Europe I/PAL PAL 625/50 4, ,5 8 6 FM, ±50 khz Britain L/SECAM SECAM 625/50 4, (+ve video) 8 6,5 AM France D,K/SECAM SECAM 625/50 4, ,5 FM, ±50 khz Russia RF, audio och bärvågors karakteristik för broadcast standarder. HDTV - högupplöst-tv Redan i början av 70-talet började de stora hemelektroniktillverkarna att titta på TV-system som skulle kunna ge ännu bättre bild än vad NTSC, PAL och SECAM kunde erbjuda. Mikroelektronikens utveckling gick så snabbt, så att detta inte skulle vara några tekniska problem. Speciellt var förbättringslängtan stor i de länder som hade det förhållandevis gamla NTSC systemet. I Japan, som mer eller mindre påtvingats NTSC systemet, började företag som Sony, Matsushita och NHK att utveckla ett nytt TV-system med bättre bild- och ljudkvalitet - HDTV (High Definition TV) föreslog japanerna att deras, vid det här laget långt utvecklade system, skulle bli 9

10 världsstandard för det nya HDTV-systemet. Det skulle ha 1125 TV-linjer och 60 Hz delbildsfrekvens. Naturligtvis kunde inte europeerna med Frankrike i spetsen gå med på detta, utan föreslog ett eget system med 1250 linjer och 50 Hz. Därmed var formatkriget i full gång igen. Entusiasmen inför det analoga HDTV-systemet var mycket stort. Vidfilmsbild i 16:9 format med sex gånger tätare bildraster än en vanlig TV-bild. Den knivskarpa och detaljrika bilden tillsammans med mycket hög ljudkvalitet var förförisk och man började hårdlansera tekniken. Verkligheten kom dock ikapp. En TV-mottagare byggd på katodstråleprincipen skulle väga uppemot 70 kg och priset, även vid serieproduktion, skulle hamna på :-. Den analoga HDTV-signalen krävde enorm bandbredd, i storleksordningen 30 Mhz. Alltså sex gånger mer än de existerande TV-systemen. Parallellt utvecklades digitaltekniken samtidigt som marknadsundersökningar visade att konsumenterna hellre ville ha ett större programutbud än bättre bild- och ljudkvalitet. Dessutom kan man lättare anpassa digitaltekniken till befintliga mottagare. HDTV innebär att allt från inspelning, bearbetning, sändningssystem mottagare och bandspelare måste bytas ut. Europa och Japan hade fram till i början av 1990-talet satsat enorma summor pengar i det analoga HDTV-systemet. Till slut var man tvungen att bita i det sura äpplet och inse att det hela var en gigantisk felsatsning. USA som halkat lite efter i den analoga HDTV satsningen insåg att man nu kunde rycka åt sig initiativet. Det blev också amerikanska lösningar som drivit den digitala HDTV utvecklingen framåt under den senare delen av 90-talet. Det som man normalt menar när man pratar om HDTV är en upplösning på 1920x1080 pixlar (att jämföra med SDTV (Standard Definition TV) på 720x 576 pixlar) och 24 bilder per sekund progressive scanning. Det finns varianter på detta som alla går under benämningen HDTV. Exempelvis betraktas 1280x720 pixlar progressive (720P) som ett HDTV format. En annan variant är formatet 2K (2048x1526) som används vid arbete med digitala effekter, men har även blivit ett format för s.k. E-bio. Kännetecknande för HDTV formaten är att man strävar efter att bilderna ritas med progressive scanning. D.v.s. att hela bilden ritas upp på en gång på skärmen, till skillnad mot interlaced scanning där bilden ritas med varannan TV linje och kräver alltså två svep för att projicera en hel bild. TV-skärmens format När en gång TV skulle introduceras, så sneglade man av naturliga skäl på filmindustrin. Stumfilmens format fixerades till proportionerna 1,33:1 där 1 alltid representerar bildhöjden. Detta förhållande anammades av TV-världen, men man uttryckte samma bildförhållande med siffrorna 4:3 istället. Till en början fanns en samstämmighet mellan filmens och TV bildformat, men i och med TV:s snabba expansion så kände sig filmbranschen sig alltmer hotad. I början av 1950 talet bestämde sig filmbolagen att satsa på filmformat som var svåra och ibland omöjliga att visa i TV. Format som CinemaScope, Todd-AO och icke-anamorfisk vidfilm togs fram till priset av höga kostnader för bl.a. biografägare. Så småningom började filmbranschen ändå att inse att deras filmer förr eller senare skulle hamna i TV-rutan. Olika åtgärder vidtogs för att på bästa sätt göra rättvisa åt de filmer som hade ett annat bildformat än 4:3. Det finns fortfarande en uppsjö av åsikter och tekniker om hur man bäst tar tillvara olika filmformat i TV-rutan. Genom lanserande av vidfilms-tv formatet 16:9 har man underlättat betydligt för visning av 10

11 film på TV. 16:9 har ingenting med HDTV att göra annat än just förhållandet mellan bildens höjd och bredd. CinemaScope i jämförelse med TV formatet 4:3 Kinematografisk film Den rörliga filmen på kemisk bas, kinematografisk film, har en lång historia. Det finns ingen anledning att gå in alltför djupt på historien här. Några saker är dock värda att notera. Den kinematografiska filmen är universell. Den har inte som TV, olika system beroende var man kommer i världen. Även om det förekommer en rad olika bildformat, så drivs den fram med 24 bilder per sekund. Man kan tycka att den elektroniska bilden med sin relativa snabbhet och ökande kvalitet borde ha tagit över filmens roll. Så är inte fallet på långa vägar. Den kemiska filmens bildkvalitet är fortfarande överlägsen i både upplösning, färgdjup och kontrastomfång. I ett framtida HDTV system skulle inte dagens professionella videobilder duga. Därför filmas det som man vill ha framtidssäkrat på kinematografisk film. 11