Digitale drahtlose Videoübertragung im Theater

Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Fakultät Design - Medien - Informatik
Studiendepartment Technik

Digitale drahtlose Videoübertragung im Theater

Diplomarbeit

vorgelegt von: Oliver Quick

2006

Zusammenfassung

Das Medium Video erfreut sich dank immer besser werdender technischer Möglichkeiten auch im Theater großer Beliebtheit. Neben bühnenbildtechnischen Anwendungen und Einspielungen von vorproduzierten Filmsequenzen, ist vor allem der Einsatz von Live-Kameras ein von Regisseuren gern genutztes Mittel. Meist soll dabei das Bild einer von Schauspielern bedienten Kamera sofort wieder auf eine Leinwand projiziert werden. Aus ästhetischen Gründen und Gründen der Handhabung und Bühnensicherheit ist es üblicherweise erwünscht, die Kamera nicht über ein Kabel anzubinden. Auf Grund funktechnischer Probleme im Bühnenraum ist die Verwendung kostengünster analoger drahtloser Videoübertragungslösungen im Normalfall nicht möglich, sodass die Anforderungen des Regieteams in Bezug auf eine drahtlose Videokamera auf der Bühne all zu oft nicht erfüllt werden können.

Dank steigender Rechenleistungen und leistungsfähiger Videokompressionsverfahren existieren seit einigen Jahren digitale drahtlose Videoübertragungslösungen für verschiedene Anwendungen, die Funkübertragungen auch – oder gerade – in funktechnisch problematischen Umgebungen realisieren können.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es in praktischen Tests derartige digitale Übertragungssysteme – die allesamt für andere Anwendungen konzipiert sind – auf ihre Einsetzbarkeit auf einer Theaterbühne hin zu überprüfen. Zu diesem Zweck wurde vom Autor am 19.Januar 2006 eine Informationsveranstaltung im Thalia Theater Hamburg organisiert, auf der fünf Firmen ihre digitalen Übertragungssysteme auf der Bühne des Thalia Theaters präsentieren konnten. Das aus Vertretern von vier großen Theatern bestehende Fachpublikum hatte darüber hinaus die Möglichkeit, sich in kleinen Tests von der Leistungfähigkeit dieser Systeme zu überzeugen.

Da derartige Lösungen eine eher große Investition für ein Theater darstellen, soll in dieser Arbeit zusätzlich erörtert werden, ob Möglichkeiten bestehen, preisgünstigere Streaminglösungen über drahtlose Netzwerke zu realisieren.

Von praktischem Nutzen kann diese Arbeit vor allem für Theatertechniker sein. Der Vollständigkeit halber enthält der erste Teil deshalb eine ausführlichere Darstellung der verschiedenen Videosignale (Kapitel 1 – 3) und Videokompressionen (Kapitel 4) als für die Betrachtung der Übertragungssysteme vonnöten gewesen wäre.

In Folge werden zu erst die Grundlagen drahtloser Informationsübertragung (Kapitel 5) und Fehlerschutzmechanismen (Kapitel 6) erörtert, um dann im Abschnitt über COFDM (Kapitel 7) deren praktische Anwendung im Bereich DVB-T und WLAN zu behandeln.

Das Kapitel 8 widmet sich mit dem Thema MIMO einer neuen Technologie, die im Bereich drahtlose Informationsübertragung in Zukunft sicherlich vielfältige Anwendung finden wird und im Rahmen dieser Diplomarbeit bereits im WLAN-Bereich gestestet wurde.

Die beiden folgenden Kapitel stellen die verschiedenenWLAN-Typen nach IEEE 802.11 (Kapitel 9) und die Schnittstellen DVB-ASI und Firewire vor (Kapitel 10).

Das Kapitel 11 widmet sich der Messtechnik im Bereich DVB-T am Beispiel der eigenen Messungen, die während der Veranstaltung am 19.Januar mit Hilfe der Messgeräte der Firma Rohde & Scharz durchgeführt wurden.

Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz von Video im Theater. Und zwar zum einen mit den künstlerischen Möglichkeiten von Videotechnik (Kapitel 12) und zum anderen mit den Anforderungen die ein Theaterbetrieb an eine drahtlose Videoübertragungslösung hat (Kapitel 13).

Der dritte Teil behandelt die praktischen Versuche mit professionellen digitalen, drahtlosen Videoübertragungssystemen, die im Rahmen der im Thalia Theater Hamburg organisierten Veranstaltung durchgeführt wurden (Kapitel 14).

Der vierte Teil widmet sich mehreren Versuchen Videosignale über (drahtlose) Netzwerke zu streamen (Kapitel 15). Da für das Theater mit seinen oft großflächigen Projektionen eine HD-TV Übertragung wünscheswert ist, werden nebem dem Streaming von Standard Video auch Möglichkeiten erörtert einen HDV-Datenstrom über ein Netzwerk zu streamen.

Der fünfte und letzte Teil zieht ein Fazit aus den Versuchen, vergleicht die professionellen, drahtlosen Videoübertragungssysteme mit den getesteten Videostreaming Anwendungen (Kapitel 16) und gibt einen kurzen Ausblick auf mögliche zukünftige Entwicklungen (Kapitel 17).
 

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ... 9
Tabellenverzeichnis ... 10

I. Grundlagen

1. Das analoge Videosignal ... 12
1.1. Grundlegende Überlegung ... 12
1.2. Das BAS-Signal 625/50i (SD TV) ... 13
Auflösung und Bandbreite ... 16
1.3. Die BAS-Signale 1080/50i und 1080/25p (HDTV) ... 17
Auflösung und Bandbreite ... 19
1.4. Die BAS-Signale 720/x (HDTV) ... 19

2. Farbsignale ... 20
2.1. Vorbemerkung ... 20
2.2. Das RGB-Farbsignal ... 20
Signalqualität und Bandbreite ... 21
2.3. Das Komponentensignal - (Component Analog Video, CAV) ... 21
2.4. Das FBAS-Signal - PAL ... 23
Übertragungsformen ... 25

3. Das digitale Videosignal ... 25
3.1. FBAS digital - Digitales Composite Signal ... 26
3.2. Das digitale Komponenten Signal 625/50i ... 26
Datenrate ... 28
3.3. Das digitale Komponenten Signal HD1080/x ... 29
Datenrate ... 29
3.4. Das digitale Komponenten Signal HD 720/25p und 50p ... 29
Datenrate ... 30

4. Videodatenreduktion ... 31
4.1. Variable Length Coding (VLC), Run Lenght Coding (RLC) ... 32
4.2. DPCM ... 33
4.3. Transformationsverfahren ... 33
4.3.1. DCT ... 34
4.3.2. Wavelet-Transformation ... 36
4.4. DV ... 38
4.5. MPEG ... 39
MPEG-2-Videokodierung ... 39
4.6. HDV ... 40
4.7. MPEG-4 - H.264/AVC ... 41
4.8. Motion JPEG2000 ... 42

5. Drahtlose Informationsübertragung ... 43
5.1. Modelle einer Funkübertragung ... 43
5.2. Funkwellen und deren Eigenschaften ... 44
5.3. Ausbreitungseffekte ... 45
5.4. Grundelemente ... 46
5.4.1. Der Schwingkreis ... 46
5.4.2. Oszillatoren ... 47
5.5. Antennen ... 49
5.5.1. Antennenformen ... 49
5.5.2. Antennen für den mobilen Einsatz - Stabantennen - Patchantennen ... 51
5.6. Empfängertechnik ... 53
5.6.1. Der Geradeausempfänger ... 53
5.6.2. Überlagerungsempfänger ... 53
5.7. Modulation ... 53
5.7.1. AnalogeModulationsverfahren ... 54
5.7.2. DigitaleModulationsverfahren ... 54
5.7.3. Quadratur-Amplituden-Modulation QAM ... 56
5.7.4. OFDM ... 56

6. Fehlerschutz ... 61
6.1. Blockcodes ... 61
6.2. Faltungscodes ... 63

7. COFDM in realen Systemen ... 65
7.1. COFDMfür DVB-T ... 65
7.2. COFDMfürWLAN ... 67
7.2.1. COFDM für 802.11 ... 67

8. Multiple In Multiple Out - MIMO ... 69
8.1. Diversity ... 69
8.2. Herkömmliches Antennen Diversity ... 70
8.3. Space Time Codes ... 70
8.4. Space Time Block Codes - STBC ... 70
8.5. Space Time Trellis Codes - STTC ... 73
8.6. Fazit ... 73

9. Netzwerke nach 802.11 ... 75
9.1. Schichten ... 75
9.2. IEEE 802.11 a, b ,g , g+, pre-n ... 78
9.2.1. IEEE 802.11 ... 78
9.2.2. IEEE 802.11a/h ... 78
9.2.3. IEEE 802.11 b ... 78
9.2.4. IEEE 802.11 g ... 79
9.2.5. Proprietäre 802.11 g Verfahren ... 79
9.2.6. 802.11 e ... 79
9.2.7. 802.11n, pre-n ... 80
9.3. Schichten und Protokolle ... 81
9.3.1. Protokolle auf der Transport- und Vermittlungsschicht ... 81
9.3.2. Protokolle auf der Anwendungsschicht ... 82
9.3.3. Container-Formate ... 83

10.Schnittstellen ... 83
10.1. DVB-ASI-TS ... 84
10.2. IEEE 1394 - Firewire - i.Link ... 84

11.DVB-T-Messtechnik ... 86
11.1. Störeinflüsse ... 86
11.1.1. Der Sender ... 86
11.1.2. Der Kanal - allgemein ... 86
11.2. DVB-T-Messungen ... 87
11.3. TypischeMessungen ... 89
11.3.1. Bitfehlerraten (BER) ... 89
11.3.2. Konstellationsdiagramm ... 89
11.3.3. Modulation Error RateMER ... 90
11.3.4. Guard Intervalle ... 91

II. Video im Theater

12.Video im Theater als künstlerisches Mittel ... 93
12.1. Vorproduzierte Videosequenzen ... 93
12.1.1. Video als Zitat ... 93
12.1.2. Video als zeitliche und räumliche Erweiterung ... 93
12.1.3. Video als Bühnenbild ... 94
12.2. Live-Video ... 95
12.2.1. Video zur Darstellung von Details und zur Perspektiverweiterung ... 95
12.2.2. Video zur Live-Vergrößerung des Bühnenraums ... 95
12.2.3. Video als Handlung - das Sehen sichtbar machen ... 95

13.Anforderungen an ein drahtloses Videoübertragungssystem aus Sicht des Theaters ... 96
13.1. Zuverlässigkeit und Qualität ... 96
13.2. Latenz ... 97
13.3. Kosten ... 98
13.4. Handhabbarkeit ... 98
13.5. Flexibilität ... 99
13.6. Support ... 99

III. Professionelle digitale drahtlose Videoübertragungssysteme

14.Vergleich professioneller digitaler drahtloser Videoübertragungssysteme ... 101
14.1. Testaufbau ... 102
14.2. Die Systeme ... 104
14.2.1. S1100 - barox kommunikation ... 104
14.2.2. O.R.C.A. - VTQ Videotronik GmbH ... 105
14.2.3. CT-DECOM- CT-Video GmbH ... 107
14.2.4. Covert Digital Transmission Link - Navtech Systems Ltd ... 109
14.2.5. LinkXP - Studio Hamburg MCI Broadcast Systems GmbH ... 110

IV. Videostreaming über drahtlose Netzwerke

15.Videostreaming über drahtlose Netzwerke ... 113
15.1. Grundüberlegungen ... 113
15.2. Videostreaming Anwendungen ... 114
15.2.1. Streaming überMedienplayer (VLC-Player) ... 116
15.2.2. Streaming über Media-Framework (GStreamer) ... 117
15.2.3. Streaming Hardwarenah – HDV hdtools ... 120

15.3. Auswertung: ... 121
15.3.1. Streaming per VLC ... 121
15.3.2. Streaming per GStreamer ... 122
15.3.3. Streaming per hdsend ... 123

V. Auswertung und Fazit

16.Auswertung und Vergleich der Versuche ... 125
16.1. VergleichDVB-T vs.WLAN ... 125
16.2. Fazit HDV-Streaming ... 126

17.Ausblick ... 127

Literatur ... 129

Index ... 132
 

Teil I

Grundlagen

1. Das analoge Videosignal

Bei einer Arbeit über digitale drahtlose Videoübertragung im Theater mag die Frage aufkommen, warum eine ausführliche Beschreibung von analogen Videosignalen erforderlich ist. Drei Gründe sind hier für mich entscheidend: Zum einen, für das Verständnis digitaler Videosignale ist ein fundiertes Wissen über analoge Videosignale von entscheidender Bedeutung, zum zweiten sind 95% aller Videoübertragungen im Theater – vor allem von Live-Bildern – nach wie vor analog. Der enge Budgetrahmen erfordert zumeist den Einsatz kostengünstiger Consumer-Technik. Eine digitale Signalverkabelung über DVI oder gar SDI ist in den allermeisten Theatern jenseits aller verfügbaren finanziellen Mittel. Und drittens, die meisten, im weiteren Verlauf der Arbeit vorgestellten Geräte zur drahtlosen Videoübertragung nutzen zwar digitale Übertragungsformen auf dem Funkkanal, bieten aber lediglich analoge Videoschnittstellen. Das heißt, selbst wenn eine kabelgebundene digitale Infrastruktur zur Verfügung stünde, müssten die Signale für eine drahtlose Übertragung mit diesen Geräten vorher trotzdem wieder in analoge Videosignale umgewandelt werden.

Die Beschreibung der analogen Videosignale soll hier mit Blick auf den Schwerpunkt dieser Arbeit so knapp wie möglich aber dennoch in sich nachvollziehbar erfolgen, um einem Theatertechniker im Zweifelsfall ein schnelles Nachschlagen zu ermöglichen. Für weitere Details wird an vielen Stellen auf die entsprechenden Quellen für weitere Informationen verwiesen.
 

1.1. Grundlegende Überlegung

Grundlegend für alle analogen Videosignale ist neben der Bildgewinnung eine feste Struktur, in der die Bildinformationen organisiert sind, um die Übertragung und die Rekonstruktion der Bildinformation beim Empfänger zu gewährleisten. Wie in der Kinotechnik wird der aufzunehmende Prozess in Einzelbilder unterteilt. Anders als beim Film entschied man sich aber in Europa nicht für 24 Bilder pro Sekunde, sondern für 25. Der Grund hierfür bestand in der Hauptsache darin, dass sich 25 Bilder pro Sekunde leichter mit der vorherrschenden Netzfrequenz von 50 Hz synchronisieren ließen. Ähnlich wie in der Filmtechnik entstand bei 25 Bildern zwar eine flüssige Abbildung der Bewegung im Bild, große einfarbige Flächen führten jedoch zu einem Flimmern bei der Betrachtung, sodass man sich analog zur Filmprojektion entschied, die Bildwiederholrate zu verdoppeln. Dies sollte allerdings passieren ohne die Informationsdichte zu erhöhen. Im Kino wird jedes Bild durch eine Schwarzphase getrennt doppelt projiziert, das Auge nimmt das Großflächenflimmern nicht mehr war. 50 Vollbilder statt 25 pro Sekunde zu übertragen kam auf Grund der dazu notwendigen doppelten Bandbreite in der Videotechnik nicht in Frage. Aber auch eine Doppel-Projektion desselben Bildes war nicht möglich. Im Kino liegt das komplette Bild zu Beginn der Projektion vor. Eine erneute Projektion des gleichen Bildes wird dadurch erreicht, das das Bild einfach stehen bleibt. In einem videotechnischen Projektionssystem müsste dazu das Bild gespeichert werden. Zu Beginn der Videotechnik war aber an die Speicherung eines ganzen Bild im Empfangsgerät zur erneuten Darstellung nicht zu denken. Aus diesem Grunde entschied man sich dafür die 25 Vollbilder in 50 Halbbilder zu unterteilen.

Der Name Halbbild ist hier etwas irreführend, denn es handelt sich nicht etwa um die obere und untere Hälfte eines Bildes, sondern das erste Halbbild enthält alle geraden Zeilen, das Zweite alle ungeraden. Verkämmt man diese beiden Bildteile wieder, entsteht ein Vollbild mit geraden und ungeraden Zeilen.

Das Videosignal ist ein Kind der Braunschen Röhre. Sowohl in der Bildgewinnung als auch in der Bildwiedergabe wurden zu Beginn der Videotechnik Röhrenwandler eingesetzt, um auf der Aufnahmeseite die optische Bildinformationen in elektrische Signale umzuwandeln und auf der Wiedergabeseite die elektrischen Signale wiederum in optische Bilder zurückzuwandeln. Und auch wenn die Röhrenwandler in der Aufnahmetechnik schon lange und in der Bildwiedergabetechnik nun langsam aber stetig ins Museum wandern, so haben sie dem Videosignal doch eindeutig ihren Stempel aufgedrückt. Mit Hilfe eines Röhrenbildwandlers werden aus Bild- (Helligkeits-) Informationen elektrische Signale erzeugt. Ein Elektronenstrahl tastet, durch eine Ablenkspule geführt, eine lichtempfindliche Schicht ab, auf die, mittels einer Optik, die aufzunehmende Bildinformation abgebildet wird. Abhängig von der Lichtintensität (Helligkeit) auf der lichtempfindlichen Schicht ändert sich ihr elektrischer Widerstand. Es entsteht eine elektrische Information.

In der Folge werden nun verschiedene analoge Videosignale in verschiedenen Formaten vorgestellt. Leider sind die Bezeichnungen in der Fachliteratur nicht einheitlich. So werden die SD-Formate in den meisten Fällen nach ihrer Gesamtzeilenanzahl (Aktive Videozeilen + Austastlücken) bezeichnet, HD-Formate finden sich hingegen nach Anzahl ihrer aktiven Videozeilen unterschieden in der Literatur wieder. Zur Vermeidung von Bezeichnungsverwirrung habe auch ich mich an dieser uneinheitlichen Benennung orientiert.
 

1.2. Das BAS-Signal 625/50i (SD TV) ¹

Das Bild-Austast-Synchron-Signal besteht aus den eigentlichen Bildinformationen, Austastlücken und den Synchronsignalen zur Strukturierung der Bildinformation. Die Bildinformationen liegen nach der Abtastung durch einen Bildwandler (braunsche Röhre/Vidikon, CCD-Chip, CMOS-Sensor) zeilenweise als elektrische Signale vor. Helle Bildpunkte finden sich als hohe Spannungswerte, dunkle Bildpunkte als niedrige Spannungswerte im Videosignal wieder. Dabei beträgt die Dynamik zwischen dem hellsten darstellbaren Weiß und komplettem Schwarz 0,7 V.

[...]

1 [ITU-R BT.470, ITU-R BT.1700]