Farbverfahren

Auch wenn Fernsehen eine europäische Erfindung ist, die verschiedenen Farbfernsehsysteme Europas (PAL und SECAM) basieren weitgehend auf dem amerikanischen NTSC-Format, welches weltweit 1953 die ersten farbigen Fernsehsendungen ermöglichte. Auch wenn wir inzwischen weitgehend digital und in diversen Codecs Fernsehen anschauen, sind die Ursprünge des Fernsehens noch immer präsent.

Eigentlich wäre es naheliegend gewesen, einfach die Informationen für ROT, GRÜN und BLAU abgekürzt RGB (die Bestandteile der additiven Farbmischung) zu übertragen. Doch die Signale sollten die Kompatibilität mit den älteren Schwarzweißgeräten sicherstellen, deshalb setzt sich das Farbbild aus folgenden Bestandteilen zusammen:

• Das Helligkeitssignal (Luminanz), also das Schwarzweißbild.
• Ein Farbdifferenzsignal (Chrominanzsignal) die Differenz von Rot minus Helligkeitssignal.
• Ein zweites Farbifferenzsignal (Chrominanzsignal) die Differenz Blau minus Helligkeitssignal.

Rechenkünste und Bandbreite

So wird das Schwarzweiß-Bild von Farbinformationen überlagert, gewissermaßen coloriert. Dieses Verfahren nennt man auch YUV, damit ist gemeint, dass die Helligkeit aus der Summe von Rot, Grün und Blau besteht. Wenn wir also zusätzlich zur Helligkeitsinformation (Y), also dem Schwarzweißbild (Luminanz) noch die Farbinformationen übermitteln wollen, brauchen wir nicht wieder zusätzlich Rot, Grün und Blau zu übertragen. Es genügt, wenn wir zusätzlich die Differenz aus Helligkeit und Rot sowie die Differenz auf Helligkeit und Blau übertragen, daraus kann man den Wert für Grün errechnen. Auf diese Weise spart man Bandbreite beim Fernsehsignal.

Was die Auflösung und Schärfe angeht, so wird diese weitgehend durch das Schwarzweißbild bestimmt, während die Farbinformation mit weit geringerer Auflösung übertragen wird. Das hängt einerseits damit zusammen, dass unser Auge für Farben weniger Empfindlich ist als für Helligkeitsunterschiede, andererseits mit dem Umstand, dass die Signalbandbreite nicht zu groß werden durfte.

Wer früher VHS Kopien von VHS Kopien gezogen hat, konnte die Konsequenzen dieser schmalen Farbinformationen im Ergebnis betrachten - oft hing das Farbbild verschoben neben dem Schwarzweißbild, ein unschöner Bildfehler.

NTSC

Die Abkürzung NTSC bedeutet "National Television Standards Committee", wegen der entscheidenden Schwachstelle des Systems wird es aber auch gerne ironisch mit "Never The Same Colour" beschrieben. Kommt es nämlich auf dem Übertragunsweg zu Phasenverschiebungen im Signal (Das kann bei Antennenempfang durch zu dicht nebeneinander stehende Antennen, durch Häuserfassaden etc. vorkommen), kommt es zu Farbstichen. Wenn das Fernsehbild zu grün, rosa oder blau ist, kann man an den amerikanischen Fernsehern mit einem eigenen Regler (Hue) diesen Farbstich korrigieren.

Im übrigen arbeitet das System mit 525 Zeilen, von denen 480 das sichtbare Bild ausmachen und 60 Halbbildern (exakt sind es 59,94 Halbbilder) in der Sekunde. Bei 3,58 MHz wird auf das Luminanzsignal die Farbinformation aufmoduliert. Es ist vor allem in USA, Canada, Taiwan und Japan verbreitet.

PAL

In Europa begann die Farbfernseh-Ära deutlich später Mitte der 60 er Jahre des letzten Jahrhunderts, dadurch konnten die Entwickler auch daran arbeiten, das Problem mit den Farbverschiebungen bei NTSC zu lösen. Walter Bruch, der Erfinder des PAL Verfahrens (Phase Alternating Line) kam auf die Idee, ähnlich wie es bei der symmetrischen Leitungsführung im Audiobereich geschieht, die Phasendrehung als Mittel der Auslöschung von Störungen zu nutzen.

Die Farbinformation wird von Zeile zu Zeile jeweils um 180 Grad gedreht. Dieser Phasensprung führt dazu, dass jeweils der Mittelwert zweier Zeilen die Farbinformation bestimmt. Pal arbeitet mit 625 Zeilen und 50 Halbbildern, sichtbar sind davon 576 Zeilen. Bei 4,43 MHz wird auf das Luminanzsignal die Chrominanzinformation aufmoduliert.

Wer nachrechnet, wird sich natürlich fragen, wie man aus 625 Zeilen jeweils halb so viele gerade wie ungerade Zeilen machen kann. Da haben die Techniker etwas getrickst,- die erste und die 625 te Zeile sind nur halb, stört aber nicht, sie sind ohnehin nicht zu sehen. Moderne PAL Fernseher können maximal 500 Zeilen darstellen, nur Studio-Fernsehmonitore haben einen Underscan-Modus, der mehr Zeilen darstellen kann.

Neben dem in Europa überwiegend verbreiteten Standard PAL gibt es auch noch zwei Varianten, PAL N mit einer geringeren Bandbreite, sowie PAL M für 60 Hz Länder mit 60 Halbbildern in der Sekunde (Brasilien) bei 525 Zeilen.

SECAM

Dieses in Frankreich entwickelte Farbverfahren löste das Problem der Farbverschiebungen bei NTSC auf andere Weise als PAL. Hier werden zwei Trägerfrequenzen verwendet und die Farbinformation wird jeweils einzeln abwechselnd übertragen. Die zu übertragende Informationsmenge ist größer als bei PAL und wenn keine Farbe im Bild vorkommt, kann es, weil trotzdem die volle Farbamplitude übertragen wird, manchmal zu störenden Bildmustern kommen. Es gibt zwei inkompatible Varianten, das normale SECAM (Frankreich) sowie das Ost-SECAM (Osteuropa) auch MESECAM genannt.

Analoge Bildübertragung

Das Video- oder Fernsehsignal transportiert die Informationen der Helligkeits- und Farbimpulse in elektronischer Form. Bei vielen Fernsehgeräten, Monitoren und den meisten Videogeräten geschieht dies in analoger Form. Dabei werden bei der analogen Bildübertragung die hellsten Bildpunkte mit der höchsten elektrischen Spannung (ca. 0,7 Volt) und die dunkelsten entsprechend mit der niedrigsten, also 0 Volt, codiert. Das bedeutet konkret, dass für die Darstellung von Schwarz über diverse Graustufen bis hin zu Weiß genau 700 mV zur Verfügung stehen.

Die Definition über Spannungswerte stammt noch aus den Zeiten der analogen Videosignale und Röhrenfernseher, grundsätzlich sind aber die Prinzipien dahinter auch heute noch gültig. Auch in der digitalen Welt sind Grau- und Farbbalken verbreitet, um Geräte einzumessen, den richtigen Gamma und Kontrastwert einzustellen etc.

Graubalken

Der für Messzwecke sehr hilfreiche Graubalken, der in verschiedenen Varianten Verwendung findet, hilft uns, dieses Prinzip zu erläutern. Eine einzelne Zeile unseres Fernsehbildes sieht auf einem Oszillograf (Messgerät für schnell variierende Spannungen) dargestellt wie eine Treppe aus. Allerdings gibt es außer den reinen Bildinformationen auch noch Signale, die der Synchronisation des Bildes dienen. So ist der unterste Impuls, der auf dem Oszillograf zweimal knapp unterhalb der mittleren 0-Volt-Linie auftaucht, der so genannte Austastimpuls (H). Danach folgt ein so genannter Burst, das Farbreferenzsignal.

Diese Austast- und Synchronimpulse haben einen negativen Spannungswert, der liegt also unterhalb der 0 Volt bei -300 mV im sogenannten Superschwarz. Dann saust der Elektronenstrahl nach oben (oberste orange Linie) und beginnt, unsere Treppe darzustellen: Die Breite der Stufen repräsentiert die Breite des jeweiligen Balkens, die Höhe, auf der sich die Stufe befindet, repräsentiert ihre Helligkeit. Die oberste Stufe steht für das Weiß des linken Balkens unseres Fernsehbildes, die unterste Stufe für das Schwarz. Ja, und dann ist schon eine Zeile vorüber. Es folgt wieder der Austastimpuls, dann der Burst, und die nächste Zeile wird geschrieben. Und wie wir wissen, besitzt unser PAL- Fernsehbild 625 Zeilen. So viele Zeilen müssen geschrieben werden, um ein Bild darzustellen. Und da wir pro Sekunde 25 Bilder (bzw. 50 Halbbilder) zu sehen bekommen, ist eine ganze Menge los in so einem Videosignal.

Farbbalken

Auf unserem Fernsehschirm bilden wir jetzt einen Farbbalken ab. Dieser sollte übrigens auf keinem Masterband (Video) fehlen.

Wie sind nun die Farbinformationen codiert? Da zuerst das Schwarzweiß-Fernsehen entwickelt und eingeführt war, musste man, als Jahrzehnte später die Entwicklung des Farbfernsehens anstand, auf die vielen Besitzer von S/W-Geräten Rücksicht nehmen. Man musste ein Verfahren finden, welches sowohl den Besitzern von S/W-Geräten als auch den Besitzern neuer Farbgeräte gleichzeitig das Fernsehen ermöglichen sollte. Deshalb überlagerte man das bestehende schwarzweiße Fernsehsignal mit einem Farbsignal (4,43 MHz). Es wird quasi auf das Schwarzweißsignal, welches aus unterschiedlichen Spannungswerten besteht, aufaddiert. Die Farbinformation wird in Form von Schwingungen hinzugefügt, über die Treppenstufen des Schwarzweißsignals lagert man also Schwingungen, welche mit ihrer Frequenz den Farbton definieren und mit ihrer Amplitude (also dem Pegelwert in mV) die Sättigung der Farbe festlegen.

In unserem PAL-Fernsehsystem darf das Farbsignal nicht höher als 133 % des Videosignals betragen, also nicht höher als 931 mV liegen (wir erinnern uns: Das Weiß hat 700 mV). Im Negativ-Bereich darf das Farbsignal maximal bei -231 mV liegen.

Auf unserem Oszillograf sind die Farben als schmale Balken erkennbar. Weiß und Schwarz sind genauso codiert, wie im Schwarzbild oben abgebildet. Die Länge der Balken gibt die Sättigung der jeweiligen Farbe wieder. Das bedeutet: Wären die Farben unseres Farbbalkens auf dem Fernsehschirm weniger intensiv, weniger gesättigt, so wären die entsprechenden Balken auf dem Oszillograf kürzer. Die angegebenen Werte markieren den erlaubten Rahmen innerhalb des PAL-FBAS-Signals, auch Composite genannt, weil hier die Farb- und Helligkeitsinformationen nicht getrennt, sondern zusammen aufgezeichnet oder übertragen werden. Man sollte also bei seinem Messgerät den höchsten Ausschlag bei 931 mV und den niedrigsten bei -231 mV festlegen.

PAL

Da die Farbsignale mit hoher Frequenz transportiert werden, sind sie sehr anfällig gegen Störungen. Damit eine sichere Farbwiedergabe möglich ist, wird jede zweite Zeile phasenverkehrt übertragen. Daher rührt auch der Name PAL (Phase-Alternate-Line). Dieses System verhindert, dass Farbstiche durch Phasenfehler entstehen können. Bei Empfang über Fernsehantenne kann so etwas schon durch die nächste Hausmauer, die Antenne des Nachbarn oder einen anderen TV-Sender verursacht werden. Hätte eine Zeile einen Farbstich (z. B. Rotstich) in Folge eines Phasenfehlers, so hätte die nächste Zeile den entgegengesetzten Farbstich (Grünstich). Gemeinsam betrachtet, neutralisieren sich dann die Farbstiche.

Das amerikanische Fernsehsystem NTSC verfügt übrigens nicht über ein derartiges Korrekturverfahren. Daher können die Farben dort ganz schön schwanken. Diese Eigenheit hat dem System auch die eigenwillige Übersetzung zu „Never The Same Color“ eingebracht.

Digitale Werte

Bei der Digitalisierung wird übrigens der Spannungsbereich bis 700 mV durch digitale Werte zwischen 16 und 235 repräsentiert. Die digitalen Werte von 0 bis 15 entsprechen den Negativwerten in der analogen Welt unterhalb der 0 Volt, dem Superschwarz-Bereich, auch Footroom genannt. Werte, die über der 235 liegen, sind Weißwerte, die außerhalb des Normpegels liegen, vielleicht noch nicht klippen, aber bereits keine Differenzierung mehr zulassen. Camcorder, aber auch Codecs kennen zur Vermeidung des digitalen Klippens eine sogenannte Knee-Funktion, eine Art sanften Begrenzer bei zu hellen Bildanteilen.