Videoschnittsysteme, bestehend aus
einer Videoschnittkarte und passender
Videoschnittsoftware, sind bereits ab
etwa 500 DM erhältlich. Die
Videoschnittkarte (engl. Video
Capture Board) wird in einen freien
PCI-Slot montiert, der busmasterfähig

sein muß, damit die Videoschnittkarte
den Speicher direkt ansprechen kann,
ohne Umweg über die CPU. Die Karten
haben VHS-Ein- und Ausgänge mit
Cinchbuchsen und meistens zusätzlich
Super-VHS-Ein- und Ausgänge mit
Hosidenbuchsen. Sie werden mit

einem Camcorder oder Videorekorder
verbunden, der zunächst als Zuspieler
dient. Die Super-VHS-Anschlüsse (S-VHS)
sind vorzuziehen, weil hier
Chrominanz- und Luminanzsignal
getrennt übertragen werden und
damit ein Übersprechen dieser Signale
verhindert wird. Der Ton wird je nach
Videoschnittkarte in einem eigenen
Tonteil verarbeitet oder direkt an die
Soundkarte angeschlossen. Die
Verbindung erfolgt über Cinchkabel.
Stellt man den Zuspieler auf
Wiedergabe, wird das eintreffende
Fernsehsignal von der
Videoschnittkarte dekodiert, digitali-
siert und in eine Folge von Bitmap-
Bildern verwandelt. Diese werden – je
nach Ausführung der Videoschnittkarte
– am Computermonitor und/oder an
einem Fernseher angezeigt, der als
Kontrollmonitor dient. Jedes dieser
Bitmap-Bilder belegt bei voller

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Videoschnittkarten sind mittlerweile so preiswert zu haben,
daß sich der PC zur ambitionierten Videobearbeitung anbie-
tet. In Verbindung mit geeigneter Videoschnittsoftware sind
nahezu alle Schnittechniken und Effekte, die wir aus dem
Fernsehen kennen, zu realisieren: Überblendungen,
Digitaleffekte, Filter, Animationen, Titelgestaltung und vieles
mehr. Allerdings ist dazu soviel Plattenplatz notwendig und
die Berechnung der Effekte benötigt soviel Zeit, daß man
sich bei preisgünstigen Schnittsystemen und üblichen
Plattengrößen auf eine Clipdauer unter 10 Minuten
beschränken sollte.

Von Dr. Mar tin Seiwer t (Ecco Multimedia, Herzogenrath)

Videobearbeitung

am PC

Teil 1: Grundlagen

Auflösung ca. 1,4 MB, also ungefähr
eine Diskette. Dabei muß der Rechner
bis zu 30 dieser Bilder pro Sekunde ver-
arbeiten und auf der Platte speichern.
Da diese Datenmenge auch von
schnellen Platten nicht bewältigt wird,
werden die Bitmap-Bilder vor dem
Speichern komprimiert. Auch die
Komprimierung muß entsprechend
schnell gehen, daher erledigen spezi-
elle Chips auf der Videoschnittkarte
diese Aufgabe. Die CPU allein würde
das nicht schnell genug schaffen. Das
Ausmaß der Kompression läßt sich ein-
stellen, damit für jeden Rechner ein
optimaler Kompromiß zwischen
Festplattengeschwindigkeit und
Videoqualität gefunden werden kann.
Ist das Kompressionsverhältnis zu nied-
rig, kommt die Platte nicht mehr mit
und es werden Bilder ausgelassen. Ist
umgekehrt das Kompressionsverhältnis
unnötig groß, wird die Bildqualität
durch Kompressionsartefakte beein-
trächtigt.
Die komprimierten Bilddaten werden
zusammen mit dem Ton als *.avi-Datei
auf der Platte abgelegt. Diese AVI-
Dateien unterscheiden sich in einem
wichtigen Punkt von den AVI-Dateien,
die Sie aus Multimedia-Anwendungen
kennen: Sie laufen nur auf Ihrem

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Videokamera

Rechner

Videorekorder

Signal-Dekoder

Videoschnittkarte

A/D-Wandler

Daten-

Komprimierer

Daten-

Dekomprimierer

D/A-Wandler

Signal-Encoder

Video In

990019 - 11

Firewire

PCI-Bus

Video Out

Bild 1. Blockschaltbild einer Video-Schnittkarte, hier mit zusätzlichem digitale “Firewire”-

Eingang für den Anschluß digitaler Camcorder.

Bild 2. Zur Demonstration des Kammeffekts. Bei dieser Sprecheraufnahme haben wir die gerade fehlende Klappe durch
Händeklatschen ersetzt. Links ohne Kammeffekt, rechts mit Kammeffekt.

System oder Systemen mit der glei-
chen Videoschnittkarte. Zum
Abspielen müssen die Bilddaten wie-
der in gebührender Geschwindigkeit
dekomprimiert werden, was wiederum
von der Videoschnittkarte erledigt

wird. Bei vielen Videoschnittkarten wer-
den diese AVI-Dateien auf dem
Fernseher wiedergegeben, nicht am
Computermonitor.
Diese AVI-Dateien sind das
Ausgangsmaterial zur

Videobearbeitung, auf die wir im zwei-
ten Teil näher eingehen. Wenn der Clip
fertig geschnitten ist, kann er auf den
Videorekorder zurückgespielt werden.
Dazu werden die Ausgänge der
Videoschnittkarte mit den Eingängen
des Videorekorders verbunden. Beim
Abspielen einer AVI-Datei geschehen
dieselben Prozesse wie beim Scannen
in umgekehrter Richtung: Die digitalen
Bild- und Toninformationen werden
von der Videoschnittkarte dekompri-
miert und in das analoge
Fernsehsignal gewandelt, das am

Videoausgang zur Verfügung steht
und vom Videorekorder aufgezeichnet
werden kann.
Als Alternative kann der fertiggestellte
Clip auch so aufbereitet werden, daß
die resultierende AVI-Datei auf jedem
üblichen PC abgespielt werden kann.
Dabei wird das vom Codec
(Coder/Decoder) der
Videoschnittkarte verwendete
Verfahren zur Kompression und
Dekompression der Videodaten ersetzt
durch einen Algorithmus, der von der
Videoschnittkarte undabhängig ist und

von der CPU allein bewältigt wird.
Solche AVI-Dateien werden dann
natürlich auch auf dem
Computerbildschirm wiedergegeben.

Digitale Camcorder
und Schnittkarten

Schon seit einiger Zeit sind digitale
Camcorder im Handel. Sie haben
wundervoll kompakte Gehäuse und
erreichen (für die Ansprüche des
Consumermarkts) eine ausgezeichne-
te Bildqualität. Bei diesem
Camcordern wird das Videosignal
schon im Camcorder digitalisiert und
komprimiert. Das Bandlaufwerk zeich-
net dieses komprimierte Digitalsignal
auf. Die drei ersten Schritte, die anson-
sten die Videoschnittkarte übernimmt,
wurden also schon im Camcorder
erledigt.
Passend zu den digitalen Camcordern
gibt es digitale Videoschnittkarten, die
neben den analogen VHS- und S-VHS-
Verbindungen den digitalen Firewire-
Bus besitzen (Bild 1). Damit ist es mög-
lich, die bereits digitalisierten Daten
des Camcorders direkt von der
Videokassette in eine Rechnerdatei zu
überspielen. Dabei verwendet man
nicht das AVI-Format, sondern eine
direkte Entsprechung des
Datenformats der Videokassette, das
als "Digital Video" bezeichnet wird und
die Erweiterung *.dv hat. Das
Kompressionsverhältnis ist hier nicht
einstellbar; es ist fest vorgegeben und
verlangt eine Datenrate von 3,5 MB/s.
Dies muß die Festplatte schaffen, sonst
muß man den Rechner nachrüsten.
Natürlich kann man bei diesen Karten
über die Analogeingänge auch das
normale Videosignal aufzeichnen.
Dies wird dann von der
Videoschnittkarte digitalisiert und kom-
primiert und im DV-Format gespei-
chert, genauso wie es der Camcorder
während der Aufnahme macht.

Besonderheiten
des Videosignals

Für Videoschnittkarten sind die gängi-
gen Fernsehnormen wie (NTSC, PAL
und SECAM) kein Problem, sie kommen
mit allen diesen Signaltypen zurecht
und erkennen sie zum Teil sogar auto-
matisch. Dennoch müssen wir die
wichtigsten Unterschiede dieser
Normen kennen, um die
Scanparameter optimal anpassen zu
können.
NTSC (USA, Japan) verwendet eine
Bildfrequenz von 60 Hz, es werden 60
Halbbilder oder 30 Bilder pro Sekunde
übertragen. In Europa ist eine

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Bild 3. Übersicht über die gebräuchlichen Aufzeichnungsverfahren

Tabelle 1. Zusammenhang zwischen
Kompressionsverhältnis, Datenrate, Dateigröße und
Qualität.

Kompressions-

Datenrate in

Länge pro Gbyte in

Bildqualität/Einsatzbereich

verhältnis

Mbyte/s

Minuten:Sekunden (PAL)

3:1

7

2:26

Digital Betacam/
Fernsehen, Werbung

5:1

3,5

5:16

DV/Reportage,
Computervideos (digital)

7:1

3

5:41

S-VHS, Hi 8/Reportage,
Computervideos (analog)

10:1

2,1

8:08

S-VHS, Hi 8/Computervi-
deos,gute Amateurqualität

15:1

1,4

12:11

VHS/Amateurqualität

Netzfrequenz von 50 Hz üblich, so daß
man für PAL und SECAM eine
Bildfrequenz von 50 Halbbildern pro
Sekunde oder 25 Bildern pro Sekunde
verwendet. Deshalb ist es sinnvoll,
NTSC-Videos mit 30 Bildern pro
Sekunde (oder fps für frames per
second) zu scannen, PAL- oder SECAM-
Videos aber mit 25 fps.
Auch die Bildgröße ist unterschiedlich:
NTSC-Videos werden bei voller
Auflösung in Bitmaps von 640 x 480
Pixeln umgewandelt, PAL- oder SECAM-
Videos in 768 x 576 Pixel. Damit die
Daten auf der Platte nicht unnötig groß
werden, läßt sich die vertikale und/oder
horizontale Auflösung schon beim
Scannen halbieren. Möchte man bei-
spielsweise Computervideos in einer
Größe von 320 x 240 Pixeln erzeugen,
kann man ohne Qualitätsverlust mit hal-
bierter Horizontal- und Vertikalauflösung
scannen und benötigt nur noch ein
Viertel an Speicherplatz im Vergleich zur
vollen Auflösung.

Halbbilder und Kammeffekt

Damit ein Fernseher nicht unerträglich
flimmert, werden die 25 bzw. 30 Bilder
pro Sekunde in Halbbildern übertra-

gen: erst alle geradzahligen Zeilen
und anschließend alle ungeradzahli-
gen (oder umgekehrt, das ist nicht
genormt). Damit wird die
Bildschirmfläche 50 bzw. 60mal pro
Sekunde ausgeleuchtet und damit
das Flimmern deutlich vermindert. Die
Videoschnittkarten machen diesen
Trick mit und scannen in Wirklichkeit
alle 50stel Sekunde ein halbes Bild,
wenn wir 25 fps einstellen. Genauso
gibt die Videoschnittkarte 50
Halbbilder pro Sekunde wieder, die
der Videorecorder exakt aufzeichnet.
Wenn wir den PC nur zur Bearbeitung
der Videos nutzen, ist die Welt in
Ordnung und wir brauchen uns um die
Halbbilder nicht besonders zu küm-
mern. Auffällig ist nur, daß Standbilder
schnellbewegter Szenen am
Kontrollmonitor merkwürdig flackern.
Das liegt daran, daß die
Videoschnittkarte auch beim
Standbild die beiden Halbbilder in
schneller Folge auf den
Kontrollmonitor gibt. Wenn die Szenen
aufgrund einer schnellen Bewegung
nicht identisch sind, sieht man ein
Flackern.
Möchte man aber Videos zur
Wiedergabe am Computer scannen,

muß man aufpassen. PCs sind nicht
leistungsfähig genug, ein Monitorbild
50 oder 60 mal in der Sekunde zu
aktualisieren. Daher werden die bei-
den Halbbilder zu einem Gesamtbild
zusammengefaßt. Hier gerät nun die
Zeitordnung durcheinander:
Halbbilder, die zu verschiedenen
Zeitpunkten aufgenommen wurden,
werden gleichzeitig wiedergegeben.
Das führt bei schnellen Bewegungen
zu Störungen, die man wegen ihrer
Form Kammeffekt nennt, siehe Bild 2.
Um den Kammeffekt zu vermeiden,
gibt es eine einfache Lösung: mit hal-
ber Vertikalauflösung scannen. Dann
wird nur jede zweite Zeile gescannt
oder mit anderen Worten nur ein
Halbbild berücksichtigt. Ein Problem
mit der Zeitordnung tritt nun nicht mehr
auf. Die reduzierte Auflösung von 288
Zeilen reicht beim heutigen Stand der
PC-Technik für Computervideos aus.
Diese Zeilenzahl entspricht auch der
MPEG-1-Norm.

Datenreduktion

Eine effektive Reduktion der
Videodatenmenge ist unvermeidlich,
damit die Festplatte den Datenstrom

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X-13 - 4/99

Abtastraster digitaler Videos

Das vollständige Videobild, bestehend aus dem
Luminanzsignal (Y) und den beiden
Chrominanzsignalen U und V, wird in drei Schwarz-
Weißbildern gespeichert. Wenn alle Bildpunkte dieser 3
Schwarz-Weiß-Bilder erfaßt werden, spricht man von
4:4:4-Aufzeichnung (oben). Wegen der großen
Datenmengen kommt dies in der Praxis so gut wie gar-
nicht vor.

Bei der 4:2:2-Aufzeichnung wird bei den Farbsignalen U
und V nur jedes zweite Pixel abgetastet. Dadurch wird
nur noch 2/3 der Datenmenge im Vergleich zur 4:4:4-
Aufzeichnung benötigt.

Bei der 4:1:1-Aufzeichnung wird nur jedes 4. Pixel der
Farbkanäle aufgenommen. Es fällt nur noch die Hälfte
der Datenmenge im Vergleich zur 4:4:4-Aufzeichnung
an.

Als Alternative zur 4:1:1-Aufzeichnung hat sich in
Europa, die 4:2:0-Aufzeichnung durchgesetzt. Hierbei
wird bei jedem zweiten Bildpunkt nur ein einziges
Farbsignal abgetastet, und zwar zeilenweise abwech-
selnd U oder V.

4:4:4

für jeden Bildpunkt

wird Y, U und V erfaßt

4:2:2

für jeden Bildpunkt

wird Y, für jeden

zweiten U und V erfaßt

4:1:1

für jeden Bildpunkt

wird Y, für jeden

vierten U und V erfaßt

4:2:0

für jeden Bildpunkt

wird Y, für jeden zweiten

U bzw. V zeilenweise

abwechselnd erfaßt

990019 - 12

Verschiedene Abtastraster im Vergleich. Schwarze
Punkte stehen für Helligkeit (Y-Signal), weiße beziehungs-
weise graue für die Farbdifferenzsignale (U und V).

bewältigen kann und die
Videodateien handhabbar bleiben.
Zuerst nutzt man eine Eigenschaft der
menschlichen Wahrnehmung aus, die
aus Fotografie und Fernsehen seit lan-
gem bekannt ist: Wir nehmen die
Schärfe im Schwarz-Weiß-Signal viel
deutlicher wahr als in den
Farbkanälen. Da ein Farbfernsehsignal
aus dem Helligkeitssignal Y mit dem
Schwarz-Weiß-Bild und den beiden
Farbkanälen U und V besteht, ist es
naheliegend, die Farbkanäle mit
reduzierter Auflösung zu speichern.
Unser im Farbbereich "unscharfes"
Auge nimmt diese verminderte
Auflösung kaum wahr. In Bild 3 sind die
üblichen Aufzeichnungsverhältnisse
zusammengestellt, eine Erläuterung zu
den für digitale Videos gebräuchli-
chen Abtastrastern ist in dem
Textkasten zu finden.
Im Consumerbereich verwendet man

durchgehend 4:2:0 (PAL, SECAM) bzw.
4:1:1 (NTSC), bei denen die
Farbkanäle nur mit einem Viertel der
Schwarz-Weiß-Auflösung gespeichert
werden. Auch im professionellen
Bereich, zum Beispiel bei
Fernsehreportagen, ist dies akzeptiert.
Bei aufwendigen Werbeproduktionen
und Produktionen, die aufgrund
umfangreicher digitaler Nacharbeiten
eine Qualitätsreserve benötigen,
kommt 4:2:2 zum Einsatz.
Anschließend werden die einzelnen
Bilder komprimiert. Dazu wird eine
Diskrete Cosinus Transformation (DCT)
mit anschließender Quantisierung
verwendet. Auch das populäre JPEG-
Bildformat beruht auf DCT. Das
Verfahren baut auf der Tatsache auf,
daß in einem realen Bild außer an
extremen Kanten die Helligkeits- und
Farbwerte eng aneinandergrenzen-
der Punkte nur gering abweichen.

Aufgrund dieses Tiefpaß-Charakters
natürlicher Bilder kann man die
hohen Frequenzanteile getrost ver-
nachlässigen.
Bei den analogen Videoschnittkarten ist
das Kompressionsverhältnis einstellbar
und wird an die Leistungsfähigkeit der
Festplatte angepaßt. Auch die Verar-
beitungsgeschwindigkeit der
Videoschnittkarte ist wichtig: das mini-
mal erreichbare Kompressionsverhält-
nis der Schnittkarte bestimmt die maxi-
mal erreichbare Videoqualität der
Karte. Tabelle 1 verdeutlicht den
Zusammenhang zwischen Qualität und
Kompressionsverhältnis.

(990019-1e)

Nach dem Einstieg mit den Grundlagen der
digitalen Videobearbeitung geht es im
zweiten Teil in der nächsten Ausgabe um
die praktischen Aspekte und die aktuellen
Möglichkeiten mit Software und Hardware
für den PC.

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Die Geschichte der Elektronik (4)

Das Jahr 1831 war ein bemerkenswer-
tes Jahr. Ein Herr mit dem Namen von
Jakobi entdeckte, daß man die Erde
als elektrischen Leiter benutzen
konnte, und dem schon erwähnten
Physiker Barlow gelang zum ersten
Mal die Umwandlung elektrischer
Energie in mechanische. Sein primiti-
ver "Elektromotor" arbeitete mit einer
außen gezahnten Scheibe aus Kupfer,
die teilweise in ein Quecksilberbad
eintauchte. Das Quecksilberbad
befand sich zwischen den Polen eines
starken Permanentmagneten. Aus heu-
tiger Sicht war dies eine recht merkwürdige und auch gefährliche
Konstruktion, doch von der Wirkung des Quecksilbers auf die
menschliche Gesundheit wußte man damals noch nichts.

Die zweifellos wichtigste Entdeckung aus dem Jahr 1831 ist dem eng-
lischen Physik- und Chemie-Gelehrten Michael Faraday zuzu-
schreiben. Er wickelte zwei Kupferdrahtspulen so auf einen hölzer-
nen Stab, daß sie sich gegenseitig nicht berührten. Eine Spule legte
er über einen Schalter an eine Batterie, die andere verband er mit
einem Galvanometer. Faraday beobachtete, daß das Galvanometer
beim Ein- und Ausschalten des Stroms kurzzeitig ausschlug. Damit
hatte er die elektromagnetische Induktion entdeckt. Technisch
anwenden, z. B. in Form eines Transformators, ließ sich die Ent-
deckung noch nicht, denn in der Welt der Elektrotechnik gab es zu
dieser Zeit nur Gleichstrom. Die physikalischen und mathemati-
schen Zusammenhänge wurden später von dem Amerikaner Joseph
Henry erforscht und formuliert; nach ihm wird die Induktion noch
heute in "Henry" gemessen.

Dem vielseitigen Wissenschaftler Faraday gelangen noch weitere
umwälzende Entdeckungen. Im gleichen, denkwürdigen Jahr 1831
beobachtete er, daß eine Spule, die im Feld eines Permanentmagne-
ten gedreht wird, eine Wechselspannung abgibt. Der Italiener Pixi
machte sich diese Entdeckung zunutze und konstruierte schon bald
den ersten brauchbaren Dynamo. Faraday beschäftigte sich auch
mit der Elektrolyse. Hier stellte das nach ihm benannte Gesetz auf,
das bestimmte quantitative Zusammenhänge angibt. Der berühmte
"Faraday’sche Käfig" ist das Ergebnis anderer Forschungsaktivitä-
ten, und auch die Beschreibung von Magnetfeldern mit Hilfe von
Kraftlinien geht auf Faraday zurück.

Eine für die Elektrotechnik wichtige Erfindung, insbesondere für die
spätere Nachrichtentechnik, war das Relais. Der Brite Charles
Wheatstone (er wurde später durch die nach ihm benannte Brücken-
schaltung bekannt) kann für sich in Anspruch nehmen, als erster
ein Schaltelement mit galvanisch getrenntem Steuer- und Lastkreis
entwickelt zu haben. Bei der 1834 vorgestellten Konstruktion wurde
ein nadelförmiger Magnet so in eine Spule hineingezogen, daß er zwei
Schaltkontakte in ein Quecksilberbad tauchte. Die erste praktisch
verwendbare Ausführung stammt von dem amerikanischen Kunst-
maler Samuel Morse und datiert aus dem Jahr 1837. Morse ver-
wendete einen Elektromagneten mit Weicheisenkern, der einen als
Kontaktarm geformten Anker anzog. Im Ruhestand wurde der Kon-
taktarm von einer Stahlfeder in seiner Ausgangslage gehalten. Diese
Konstruktion hatte schon Ähnlichkeit mit den Relais, die heute in
der Elektrotechnik gebräuchlich sind.

(995038gd)

Eine umfassende, vertiefende Darstellung der historischen Entwicklung von
der Volta’schen Batterie im Jahr 1800 bis zur Gegenwart bietet das Buch
"Die Geschichte der Elektrotechnik" von D. J. Sjobbema, das kürzlich im
Elektor-Verlag erschienen ist.

Michael Faraday

(1791...1867)

R

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-K

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