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Die Bosch/Fernseh KCM 125 wurde 1985 in Montreux vorgestellt.

Und erst nach der Sichtung fast aller Unterlagen und der Gespräche mit Professor Hausdörfer kristallisieren sich die Entwicklungsgeschichten um die KCM 125 so langsam heraus. In 1983/84 war das Vertrauensverhältnis mit den Franzosen von Thomson so ziemlich im Eimer, eigentlich ein Totalverlust ud vor allem, ein irreparabler Vertrauensverlust.

Die französischen Ingenieure von Thomson, und die waren durchaus fähig, sollten die digitale Laufwerks-Steuerung der in die Jahre gekommenen BCN 51 Maschinen auf die Beine stellen. Passiert war nach 2 Jahree aber nichts, nicht mal eine Entwicklungsplatine konnte das Labor vorzeigen.

Damit war der Krach da. Auf der anderen Seite war der von der Fese geplante Verkauf der KCI 100 aus der Thomson Produktion ein totaler Flop. Keine einzige KCI Kamera wurde verkauft. Die Einkäufer oder die Entscheider hatten den Braten gerochen. Und jetzt musste schnellstens eine große Studio-Kamera her, denn die Nachfagen summierten sich. Die Fese Kamera-Entwickler hatten 2 Jahre fast nur gewartet, auf Befehl von ganz oben.

Und auf einmal mußte es ganz ganz schnell gehen. In der Zwischenzeit hatten die Entwickler in Breda bei Philips schon die erste Chip basierte Farb-Kamera fertg, aber sie hatten davon niemandem etwas verraten, auch den Kollegen in Darmstadt nicht - Philips war inzwischen 50% Teileigentümer der Bosch Fernseh.

Aus diesem Artikel geht auch hervor,daß die "KCH 1000" aus dem Eureka 95 Projekt bereits entwickelt war, als die "
KCM 125" vorgestellt wurde.

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In der FERNSEH- UND KINO-TECHNIK Nr. 6/1985 ein Artikel :

von Dr.-Ing. Rainer Kalhöfer - Laborleiter in der Kameraentwicklung und Dr.-Ing. Ulrich Reimers Leiter der Abteilung Kameraentwicklung des Geschäftsbereiches Fernsehanlagen der Robert Bosch GmbH, Darmstadt.

Die "KCM 125"
eine Kamera auch für zukünftige Komponenten-Studios

Während des kürzlich zu Ende gegangenen 14. Fernseh-Symposiums 1985 in Montreux stellte der Geschäftsbereich Fernsehanlagen der Robert Bosch GmbH eine neue Studio- und Übertragungswagen-Farbkamera unter der Bezeichnung "KCM 125" vor.

Eine der zahlreichen Besonderheiten dieser Kamera ist, daß sie neben den - schon heute üblichen - Ausgangssignalen RGB und FBAS erstmalig auch die Komponenten Y, PB, PR gemäß der SMPTE-"Empfeblung für dreikanalige, parallele, analoge Komponenten-Schnittstellen" abgibt.

Damit ist die "KCM 125" bereits voll für den Einsatz in zukünftigen Studios mit analoger oder digitaler Komponenten-Verarbeitung ausgestattet.

In Anbetracht der mit Komponenten möglichen hochwertigen Signalverarbeitung wurde die "KCM 125" darauf ausgelegt, die durch den heutigen Abtaststandard vorgegebenen Grenzen der Bildqualität vollständig auszuschöpfen. Hochwertige Automatikfunktionen unterstützen Kameramann, Bildtechnik und Service-Ingenieure dabei in vielfältiger Weise.

1. Einleitung

Betrachtet man rückblickend die Entwicklung der Fernseh-Studiogeräte in den vergangenen fünf Jahren (also sei etwa 1980), so können der Einzug von Rechnersystemen und die damit einhergehenden Erleichterungen der Bedienung wohl als hervorragendes Phänomen bezeichnet werden. Auch die Fernseh- und Kinotechnische Gesellschaft hat - zum Beispiel während ihrer 9. Jahrestagung 1981 in Ulm - immer wieder diese Entwicklung dokumentiert.

Natürlich haben Mikrocomputer an vielen Steilen auch dazu beigetragen, die erreichbare Bildqualität im Detail zu optimieren, grundlegende Verbesserungen wurden aber durch die altgemein verbreiteten Produktionsstandards wie PAL, NTSC und SECAM verhindert.

Unbeeinträchtigt von der nur mittel- bis langfristig zu erwartenden Umstellung der Fernseh-Produktionsstätten auf HDTV (High Definition Teevision), kündigt sich nun jedoch eine grundlegende Veränderung des im Studio verwendeten Signalformates für das heutige Fernsehen an.

Digitale oder analoge Komponenten erweitern den in der Realität nutzbaren Qualitätsrahmen durch den Fortfall der gelagerten Chrominanzinformation im Signal erheblich.
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Und kein Wort mehr von der KCI (von Thomson)

Vor diesem Hintergrund hat der Geschäftsbereich Fernsehanlagen der Robert Bosch GmbH eine neue Studio- und Ü-Wagen-Farbkamera mit der Bezeichnung "KCM 125" entwickelt und in Montreux vorgestellt.

Diese Kamera - als Nachfolgerin der weit verbreiteten Typen "KCU" und "KCK" - enthält ein ausgereiftes Rechnersystem für die Bedienungssteuerung und für vielfältige Automatikfunktionen und liefert darüber hinaus zum ersten Mal neben den üblichen RGB- und FBAS-Signalen die Komponenten für das zukünftige analoge oder digitale Studio.

Der Bettrag beschreibt Konzeption und Ausstattung der "KCM 125", wo-bei das Schwergewicht auf die Videoqualität und die Komponenten-Codierung gelegt wird.

2. Bausteine des Kamera-Systemes

Bereits das Titelbild dieser Zeitschrift zeigt den Kamerakopf. Bild 1 läßt Details besser erkennen. Auf den ersten Blick werden die geringen äußeren Abmessungen deutlich. Das Grundgehäuse (ohne Objektiv, Sucher, "Dom" und Tragegriffe) ist nur 230mm breit, 500mm lang und 330mm hoch.

Die Gesamtabmessungen (ohne Objektiv) sind 310mm x 605mm x 440mm. Trotz dieser geringen Abmessungen und des geringen Gewichts von etwa 30 Kg (ohne Objektiv) ist die Kamera mit 1"-Bildaufnahmeröhren bestückt. Das geht bereits aus der Namensgebung hervor:

  • K C : Kamera - Color
  • M : Multi-Mikroprozessor gesteuert
  • 1 : Hochautomatisierte Klasse-1
  • 2 und 5 : 25mm-(1")Bildaufnahmeröhren

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Hauptentwicklungsziele

Die Hauptentwicklungsziele bei der Konstruktion der Kamera-Mechanik waren Stabilität, gute Handhabbarkeit (während des Aufbaus und des Einsatzes), vollständige HF-Abschirmung, gutes thermisches Verhalten und - nicht zuletzt - ein attraktives äußeres Erscheinungsbild.

Für die Aufbauphase gerade bei einer Außenproduktion sind Größe, Gewicht und Handlichkeit der Kamera wesentlich.

Mehrere Handgriffe (s. Bild 1) gestatten ein gutes Manövrieren mit der Kamera. Natürlich kann die Einheit auch auf feuchtem oder sogar schneebedecktem Boden einmal abgesetzt werden, ohne daß anschließend Fehlfunktion befürchtet werden muß.

Für den Einsatz während einer Produktion ist die Konstruktion des Kamerasuchers besonders wichtig. Der Sucher der "KCM 125" kann um ±110° geschwenkt und um ±55° geneigt werden. Bild 1 gibt hiervon einen Eindruck.

Besonders sorgfältig wurden die Bedienhandgriffe und die gesamte Schwenk-Neige-Mechanik konstruiert, da bei den beschriebenen großen Einstellbereichen sonst leicht Beschädigungen des Sucher- oder des Kameragehäuses durch unbeabsichtigte Manipulationen möglich wären.

Die Monitoring-, Intercom- und alle anderen dem Kameramann zugänglichen Tasten sind wasserfeste, lautlose mechanische Tasten mit einem wohldefinierten Druckpunkt.

Um das Kabelgewirr an der Kamera in Grenzen zu hatten, werden die Objektive mit einer Direkt-Steckverbindung an die Kamera angeschlossen, die Bedienelemente für die Objektiv-Servos sind an der Kamera-Rückwand ansteckbar.

Ein robustes Aluminium-Gußgehäuse

Stabilität und HF-Abschirmung bei der "KCM 125" werden durch ein Aluminium-Gußgehäuse erzielt, bei dem die für die HF-Dichtigkeit kritischen seitlichen Türen nicht als aufliegende Bleche, sondern in in das Gehäuse eintretender Kastenbauweise ausgeführt sind.

Für die mit einer Kamera erzielbare Genauigkeit der Bildgeometrie und der Rasterdeckung sowie für deren Stabilität sind die optisch/mechanischen Komponenten Objektiv, Strahlenteilungsprisma, Ablenkspulen und Bildaufnahmeröhre verantwortlich.

In der "KCM 125" sind Prisma, Spulen und Röhren in einem einteiligen Guß-Baustein untergebracht. Dieser ist sehr präzise an der Frontwand der Kamera montiert, die über die Bosch-eigene Hakenaufhängung das Objektiv trägt.

Damit werden nur drei Baueinheiten im optischen Strahlengang verwendet: Objektiv, Frontwand und das Prismen- (+Spulen- +Röhren-) Gehäuse. Die gemeinsame Bezugsebene befindet sich in der extrem stabilen Guß-Frontwand.

Auch die zwei Filterräder (mit jeweils 5 Positionen) sowie die Servo-Systeme zur Filterrad-Fernsteuerung und die Schaltung zum automatischen Schließen der Linsenklappe nach dem Ausschalten der Kamera sind in der Frontwand befestigt.

Vor allem - servicefreundlich

Zum Röhrenwechsel wird der gesamte optisch/mechanische Teil nach vorne aus der "KCM 125" herausgeschwenkt. Die Bildaufnahmeröhren bleiben dabei betriebsbereit und können problemlos gewechselt oder mechanisch justiert werden. Bild 1 zeigt schließlich am rückwärtigen Ende der Kamera noch die Belüftungskanäle für die im Kopf eingebaute Stromversorgungseinheit. Die hier entstehende Verlustleistung wird - weit weg von Prisma und Röhren - direkt an die Umgebung abgestrahlt, ohne daß das Kamerainnere erwärmt wird.

Die Kamerakontrolleinheit (CCU)

Die weiteren zu einem "KCM 125"-Kamerazug gehörenden Baugruppen stellt Bild 2 dar. Grundsätzlich sind dies die Kamerakontrolleinheit (CCU), Betriebsbediengeräte, Justierbediengeräte (bestehend aus einem Betriebsbediengerät, einem Justierzusatz und einer Kameraanwahl), Mono-knopf-Bediengeräte und Matching-Bediengeräte.

Eine große Zahl von Konfigurationen ist möglich. Da der Kamerakopf der "KCM 125" einen eigenen Rechner und ein eigenes Kopf-Bedienpult enthält, das einen vollen System-Abgleich ermöglicht (Bild 3), kommt die einfachste dieser Konfigurationen mit nur einem Monoknopf an der CCU aus, um vollwertigen Betrieb zu gestatten.

In einer "Normal"-Konfiguration wird statt des Monoknopfes ein Betriebsbediengerät angeschlossen. Um das Kopf-Bedienpult zu ersetzen, kann ein Justierbediengerät verwendet werden, das dann gleichzeitig als Betriebsbediengerät dient (Bild 4).

In Mehr-Kamera-Systemen kann ein einziges Justierbediengerät über die Kameraanwahl je einer von (n x 6) Kameras zugeordnet werden.

Eine typische Mehr-Kamera-Installation

Im Bild 5 ist eine typische Mehr-Kamera-Installation dargestellt.
Sechs Kameras werden mit einem gemeinsamen Justierbediengerät abgeglichen, haben aber jeweils eine eigene CCU und ein eigenes Betriebsbediengerät mit Monoknopf-Bedienung. (also 6 CCUs)

Soll zum Beispiel Kamera 1 abgeglichen werden, ist die Taste 1 der Kameraanwahl zu drücken. Unmittelbar darauf "lädt" die angewählte Kamera ihre aktuellen Betriebsdaten in das gemeinsame Justierbediengerät, das von diesem Moment an nur Kamera 1 zugeordnet ist und dessen Bedienelemente automatisch so gesetzt werden, daß sie dem momentanen Status dieser Kamera entsprechen.

Ermöglicht wird dies durch den im ßedienpult vorhandenen Mikrocomputer und durch die "digitalen" Bedienelemente. So werden zum Beispiel keine wirklichen Potentiometer, sondern ausschließlich Inkrementalgeber benutzt, um Analogwerte zu steuern. Die Bedieneinheiten sind also "intelligent", auf Wunsch aber in der Lage, zu "vergessen".

Eine Taste "Summe-Kamera" ermöglicht den gleichzeitigen Start des Abgleiches aller installierten Kameras, zum Beispiel bei Beginn einer Außenproduktion.

Bild 2 zeigt die Übertragungsmedien zwischen den einzelnen Komponenten des Kamerazuges. Kamerakopf und CCU sind entweder über Triax-(Koax-) oder Multiader-Kabel miteinander verbunden. Der Umbau von einem System zum anderen erfolgt problemlos innerhalb weniger Minuten.

Zwischen der CCU und den Bedienpulten überträgt ein einziges Kabel sowohl den Intercom-Ton als auch die Steuerdaten und die Versorgungsspannung.

3. Videosignalverarbeitung

Das Hauptziel bei der Entwicklung einer Farbkamera ist stets die optimale Bildqualität. Es gibt zahlreiche Elemente im Videoweg, die dabei besonderer Aufmerksamkeit bedürfen, weil sie entweder die erreichbare Qualität entscheidend beeinflussen, oder weil sie bei heute eingeführten Produkten als nicht perfekt genug anzusehen
sind.

Zu diesen Elementen gehören das Strahlenteilungsprisma und die damit verknüpften optischen Elemente, die Bildaufnehmer, die Vorverstärker, die Schaltungen zur multiplikativen Signalbeeinflussung, die Übertragung auf dem Kamerakabel, die Farbkorrektur-Matrizierung, Apertur- und Kontur-Korrektur- Einheiten, die Gradations-Vorentzerrungsstufen (hier sind besonders ein stufenloser und stabiler Verlauf der nichtlinearen Kennlinie wichtig), die Schaltungen zur Beeinflussung der Bildwiedergabe bei hoher Szenenhelligkeit und schließlich der Coder.

Das Prisma

Das Prisma der "KCM 125" besteht aus hochbrechendem Glas und gestattet eine Objektiv-Blendenzahl von 1:1,5. Die Farbteilung erfolgt farbmetrisch richtig in Rot, Grün und Blau.

Die spektralen Durchlässigkeiten der einzelnen optischen Elemente wurden mit dem Ziel gewählt, den beim Farbfernsehen prinzipiell darstellbaren Farbraum optimal nutzen zu können. Speziell wurde eine zu breite "Quasi-Weiß"- Charakteristik des Grün-Kanals vermieden.

Das Prisma ist so ausgelegt, daß die optische Achse des Kameraobjektivs mit der des Grün-Bildaufnehmers übereinstimmt. Hieraus resutlieren minimierte Geometriefehler und hohe Empfindlichkeit.

Das in der "KCM 125" verwendete Prisma ist auch Bestandteil der
HDTV-Kamera des Hauses Bosch (KCH 1000 siehe 1,2) und hat hier seine hohe Qualität bewiesen. Zwei Filterräder (mit insgesamt 4 Farbkorrektur-, 3 Grau-, 2 Effekt-Filtern und Linsenklappe), ein lambda/4-Filter und ein Infrarot-Sperrfilter sind weitere Komponenten im optischen Strahlengang.
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Große Frage : Röhren oder CCDs

Der zur Zeit vermutlich umstrittenste Punkt bei der Entwicklung einer Farbfernsehkamera ist die Festlegung des Bildaufnehmers. Zahlreiche mögliche Anwender glauben - angeregt durch einige Publikationen der letzten Jahre - CCD- oder CID-Halbleitersensoren seien bereits kurz- bis mittelfristig das Bauelement der Wahl. Sie versprechen sich davon einen erheblichen Fortschritt bei den Parametern Stabilität, Geometrie und Rasterdeckung.

Langjährige, intensive Beschäftigung mit Halbleitersensoren hat jedoch gezeigt, daß für eine Fernsehkamera hoher Qualität Bildaufnahmeröhren in den kommenden vermutlich zehn Jahren nicht ersetzbar sein werden (3,4).

Die nutzbare Auflösung moderner 1"-Bildaufnahmeröhren liegt um mehr als den Faktor 2 über der von CCDs oder CIDs (> 7 MHz im Vergleich zu etwa 3,5 MHz). Darüber hinaus hat die geometrische Genauigkeit der Struktur von Halbteiter-Bildaufnehmern die Konsequenz, daß Farbquerfehler der Aufnahmeobjektive (laterale chromatische Aberration) unkorrigierbar die erzielbare Rasterdeckung bestimmen.

Wie weiter unten gezeigt werden wird, können daraus Deckungsfehler von 0,5 % resultieren.

Die "KCM 125" (und die KCH 1000) haben Röhren

Die für die "KCM 125" empfohlenen Bildaufnahmeröhren sind 1"-Plumbicons mit kleiner Ausgangskapazität (LOC) und Dioden-Strahlerzeugungssystem (Diode Gun).

Die typische Kontrast Übertragungsfunktion (CTF) dieser Röhren bei 5MHz übersteigt 60% (Grün, Bildmitte) und Werte bis zu 72% wurden gemessen. Sehr geringe Trägheit bei niedrigen, aber auch bei hohen Szenenhelligkeiten resultiert aus der Kombination von Bleioxid-Schicht, Vorlicht ("Bias-Light") und dem niedrigen Innenwiderstand des Elektronenstrahls des Dioden-Systems. Spitzlichter von bis zu 1600 % werden durch die Schaltung zur automatischen Strahlstromregelung stabilisiert.

Störabstand und Signalstrom

Der Störabstand einer Kamera wird durch eine Vielzahl technologischer Parameter, aber auch die nahezu willkürliche Entscheidung über den für Vollaussteuerung notwendigen Signalstrom bestimmt. Stets wird mit dieser Vorgabe unmittelbar auch die Nominal-Empfindlichkeit festgelegt.

Die Bauelemente des Kameravorverstärkers der "KCM 125" wurden aufbauend auf den Erfahrungen mit der HDTV-Kamera KCH 1000 [1] ausgewählt. Die erste Stufe verwendet einen Feldeffekttransistor mit einer Gate-Länge von nur 0,7um. Sowohl die kritische Eingangskapazität als auch die Vorwärts-Steilheit dieses Bauelementes sind weltweit unübertroffen.

Der Transistor ist im Ablenksystem in unmittelbarer Nähe des LOC-Kontaktes der Bildaufnahmeröhre montiert. An seinem Eingang wird eine gesamte Eingangskapazität von nur etwa 8pF wirksam, die sich aus der röhreninternen, der Transistor- und der Streukapazität zusammensetzt.

Auch die folgenden Stufen des Kameravorverstärkers sind im Ablenksystem integriert. Die Einheit aus Bildröhre, Ablenkspulen und Verstärker stellt damit ein "Bauelement" dar, das Licht aufnimmt und ein nahezu auf Betriebspegei verstärktes Videosignal niederohmig abgibt.

Der Vollaussteuerung des Videoweges entspricht ein Signalstrom im Grün-Kanal von 250 nA. Tabelle I nennt die mit der beschriebenen Technik erreichten Werte für Störabstand und Empfindlichkeit.

Für NTSC wird ein unbewerteter Störabstand von typisch 58 dB mit einer Beleuchtungsstärke in der Szene von 550 Lux (f = 2,8, ?= 89,9 %, 3200K) erreicht.
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Die Tabelle

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Die Automatiken der "KCM 125" und die Signalübertragung

Wie noch im Kapitel über die Automatiken der "KCM 125" beschrieben wird, erfolgt die Korrektur von additiven und multiplikativen Shadingfeh-lern unter Verwendung digitaler, dynamischer Meß- und Kompensationssysteme.

Hier sei nur erwähnt, daß die Schwarz- und Weißpegel über eine Schwarz-Weiß-Verkopplung verknüpft sind, die - softwaregesteuert - dafür Sorge trägt, daß die Weißwerte stabil bleiben auch wenn die Schwarzwerte manipuliert werden.

Vom Kamerakopf zur CCU werden bei der "KCM 125" R, G und B als breitbandige Signale vollständig getrennt übertragen. Das Resultat dieser - sowohl bei Multiwire - als auch bei Triax-(Koax-)Kabeln getroffenen - Systementscheidung ist die Möglichkeit, am Ausgang des Kamerazuges vier verschiedene Videosignalformen anzubieten.

Hierbei handelt es sich um einen Satz von "linearen" RGB-Signalen für Chroma-Key, 2 Sätze vollständig bearbeiteter RGB-Signale für die verschiedensten Anwendungen, die Komponenten-Signale, die noch detailliert beschrieben werden, sowie um 4 FBAS-Ausgänge.

In allen Betriebsversionen erfolgt die Anpassung der Anlage an die gewählte Kabellänge vollautomatisch innerhalb weniger Sekunden nach Anschließen der Kabelstecker.

Die Farbwiedergabe der "KCM 125"

Die Farbwiedergabe der "KCM 125" genügt allerhöchsten Ansprüchen, in jeder Kamera sind jeweils zwei Farbkorrekturmatrizen enthalten.

Zwischen ihnen kann vom Bedienpult aus umgeschaltet werden. Ein Wechseln der Matrixsysteme ist durch Austausch passiver Widerstandsnetzwerke (Steckmodul) stets möglich.

Auflösung und Bildschärfe werden in zwei Stufen angehoben. Im Kamerakopf kompensiert eine Aperturkorrektur-Schaltung die Modulationstiefeverluste, die durch Objektiv und Bildaufnahmeröhren bewirkt werden. An ihrem Ausgang hat das Videosignal einen glatten Frequenzgang innerhalb des Übertragungsbandes.

Durch die Aperturkorrektur vor dem Kamerakabel wird darüber hinaus die in der CCU notwendige Frequenzganganhebung verringert und damit die unvermeidbare Verstärkung des Rauschens der Übertragungsstrecke auf ein Minimum begrenzt.

Kontur-Korrekturstufen in der CCU ermöglichen eine - vom Betriebsbedienpult laufend einstellbare - Verbesserung der subjektiv wahrgenommenen Bildschärfe.

Die "KCM 125" enthält grundsätzlich neu überdachte Korrekturschaltungen. Sowohl aus Rot als auch aus Grün und Blau werden Korrektursignale abgeleitet, um verschwommene Bilder auch bei extrem farbiger Szenenbeleuchtung zu vermeiden. Die dem Videosignal zugesetzten Konturen werden durch aufwendige Regelstufen in Abhängigkeit vom momentanen Grauwert verstärkt.

Sie werden darüber hinaus an zwei verschiedenen Punkten in das Signal eingemischt - vor und hinter der Gradations-Vorentzerrungsschaltung. Hierdurch wird bewirkt, daß die Bilddetails unter allen Bedingungen natürlich aussehen und weder begrenzt noch aufgebläht wirken.

Selbst in hochwertigen Farbfernsehkameras findet man noch immer die Unsitte, Gradations-Vorentzerrungs- schaltungen aufzubauen, deren Übertragungsfunktion sich aus diskreten Geradenstücken zusammensetzt und damit die geforderte V-Funktion nur sehr grob annähert.

Eine neuartige Regelschaltung stabilisiert in der "KCM 125" im Gegensatz dazu eine der Soll-Funktion nahezu ideal angepaßte glatte Korrektur-Kurve, die von Temperatureinflüssen vollständig unabhängig ist.

Pegelabhängige Farbton-Fehler konnten so total vermieden werden. Natürlich erfolgt die Farbkorrektur-Matrizierung vor der Gradations-Vorentzerrung. Damit bleibt die Qualität der Farbwiedergabe unabhängig vom Signalpegel.

Der "film look"

Die Diskussion über das im englischen Sprachgebrauch "film look" genannte Phänomen ist nicht neu und hat doch mit der Einführung von EB-(ENG-)Geräten und im Zusammenhang mit High-Definition-Television (HDTV) neue Höhepunkte erlebt.

Mit "film look" werden spezifische Eigenschaften von Farbbildern beschrieben, die auf Filmmaterial produziert wurden. Oft nahezu abfällig gebraucht beschreibt "TV look" das Erscheinungsbild von elektronisch produziertem Material.

Einer der wesentlichsten, wenn nicht gar der entscheidende Unterschied zwischen elektronisch und auf Film produzierten Szenen findet sich in der Art und Weise, wie besonders helle Bild-Anteile verarbeitet werden.

Der Film hat eine weiche, nichtlineare Übertragungskennlinie, die zu einer Kontrastkompression bei hoher Vorlagenhelligkeit führt. Bei Landschaftsaufnahmen zum Beispiel bleiben Wolken in hellem Himmel darum erkennbar. Konventionelle Fernsehkameras begrenzen im Gegensatz dazu den Übertragungspegel "hart" bei zum Beispiel bei 105% und machen aus Himmel und Wolken eine homogene, weiße Fläche.

In der "KCM 125" wurde der Begrenzer durch eine "Knie-Funktion" ersetzt (Bild 6). Im Prinzip hat diese Komponente die Aufgabe, die weiche Film-Kennlinie nachzubilden. Wird die Knie-Funktion im Automatik-Betrieb verwendet, steuern Spitzlichter ab einer bestimmten Mindest-Fläche die Kamera-Übertragungsfunktion so, daß der durch sie erzeugte Videopegel gerade bei 105 % liegt.

Erst bei Beleuchtungsstärken ab 400% der konventionellen Aussteuerungsgrenze tritt eine harte Begrenzung ein. Ist die Szene so ausgeleuchtet, daß Spitzlichter völlig vermieden werden, entspricht das Verhalten der "KCM 125" dem einer herkömmlichen Kamera. Die Knie-Funktion kann abgeschaltet oder auf eine stationäre Kurve umgeschaltet werden.

Der "Coder" der "KCM 125"

Die letzte Baugruppe des Videoverstärkers der "KCM 125" ist der Coder. Bild 7 zeigt das Blockbild dieser völlig neuartigen Einheit.

Unmittelbar am Coder-Eingang werden die gradations-vorrentzerrten Signale R', G' und B' zu Y, B'-Y und R'-Y ummatriziert. Statt der Kamerasignale kann ein Farbbalken in die Matrix eingespeist werden.

Anschließend werden das Luminanz- und die Farbdifferenzsignale einer Komponenten- Verarbeitung unterworfen, bei der eine einstellbare Schwarzdehnung ("Black Stretch") und vom Betriebsbedienpult vorgebbare Variationen der Farbsättigung eingeführt werden.

Die Realisierung dieser Maßnahmen auf Komponenten-Ebene ist neu und schafft auch einige schaltungstechnische Probleme, die nur mit einer wohldurchdachten Konzeption gelöst werden konnten.

Tatsächlich kann jedoch erst auf diese Weise erreicht werden, daß "echte" analoge Komponenten am Ausgang der Kamera zur Verfügung stehen, die exakt den FBAS-Signalen entsprechen, weil sie dieselben Manipulationen "erlebt" haben, wie diese.

Der eigentliche Coder-Baustein wird jetzt zur "Black Box", die bei der "KCM 125" als Modul realisiert wurde, um schnell und preisgünstig PAL-Einheiten in NTSC (oder umgekehrt) umstellen zu können. Bei einem Wechsel zu SECAM ist der Aufwand allerdings größer.

Der Komponenten Ausgang

Die Ausgänge für die Komponentensignale wurden im Bild 6 mit Y, Pg, Pr bezeichnet. Diese neue Nomenklatur wurde von der "Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE)" in ihrem "Preliminary Draft of a Standard for Three-Channel Parallel Component Analog Video Interface" eingeführt.

"P" steht für "Parallel", und die Indizes B und R kennzeichnen skalierte Formen von B'-Y und R'-Y. Bild 7 zeigt diese Signale für einen Farbbalken 100/0/100/0.

Y enthält ein Synchronsignal und ist zeitlich koinzident zu Pq und Pr. Diese sind bipolare Signale mit einem Aussteuerbereich zwischen -350mV und +350mV für die genannten Farbbalken.

Die Tatsache, daß die "KCM 125" die beschriebenen Standard-Komponenten abgibt, zeigt, daß diese Kamera darauf vorbereitet wurde, in jeder nur denkbaren zukünftigen Studio-Umgebung eingesetzt zu werden.

4. Ton- und Intercom-Einrichtungen

Zwei hochwertige Mikrophon-Kanäle gestatten die Verwendung entweder
von dynamischen oder von Kondensator-Mikrophonen. Phantom- oder Tonader-Speisung ist möglich. Der Eingangspegel kann am Kamerakopf in Stufen zwischen -70dBm und -5dBm vorgewählt werden. Ein System zur Dynamik-Kompression verhindert Signalverzerrungen bei Übersteuerung.

Die Intercom-Verbindungen sind durchgehend in Vierdraht-Technik ausgelegt. Drei Kommunikations-Wege werden übertragen: Regie (Producer-)lntercom, Programmton (Programme-Intercom) und Technik-(Engineering-)Intercom. Am Kamerakopf sind Anschlüsse für drei Kopfsprechgarnituren vorhanden (Kameramann, Reporter, Dolly-Fahrer). Die Verständigungsqualität in allen Intercom-Wegen ist außergewöhnlich gut.

5. Rechnersysteme im Kamerazug der "KCM 125"

Moderne Studiokameras sind ohne den Einsatz von Mikrocomputern im Steuerungssystem kaum noch denkbar. Hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die Arbeitsgeschwindigkeit - merkbare Verzögerungen der Kamerabedienung werden nicht akzeptiert - erfordern einen sehr sorgfältigen Entwurf des Steuerungskonzeptes.

In der "KCM 125" wird ein Konzept mit verteilter Intelligenz, verteilter Datenspeicherung und verteilten Aktionen verwirklicht, das heißt,
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  • - jeder der einzelnen Bausteine Bedienpult, Basiseinheit und Kamerakopf hat einen eigenen Rechner.
  • - Es gibt keinen zentralen Datenspeicher. Statt dessen werden in der Basiseinheit und im Kamerakopf in nicht flüchtigen Speichern die jeweils spezifischen Stellgrößen gespeichert. Dies ermöglicht zum Beispiel den schnellen Austausch eines Kamerakopfes, ohne daß ein Grundabgleich des Ersatzkopfes notwendig wird, da dieser ja seine individuellen Referenz-und Korrekturdaten enthält.
  • - Das Prinzip der verteilten Intelligenz hat den Vorteil, daß in den einzelnen Rechnern verschiedene Aktionen gleichzeitig ausgeführt werden können. Außerdem wird die Rechenleistung jeweils da zur Verfügung gestellt, wo sie gebraucht wird. So läuft das Programm zur Realisierung des Rasterdeckungsautomaten beispielsweise im Rechner des Kamerakopfes ab, weil hier Meßdaten und Stellglieder unmittelbar zur Verfügung stehen.

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Intern serielle Datenverbindungen

Die einzelnen Rechner kommunizieren über serielle Datenverbindungen, die unter Berücksichtigung der neuen SMPTE-Empfehlung für digitale Steuerschnittstellen in Fernsehsystemen ANSI/SMPTE 207 M-1984 entworfen sind.

Eine Ausnahme bildet selbstverständlich die Datenübertragung zwischen Basiseinheit und Kamerakopf für den Fall einer Triax-Verbindung, da hier ein trägerfrequenter Datenkanal unvermeidbar ist.

Als weitere Ausnahme ermöglicht an jedem Rechner eine V.24-Schnittstelle den Anschluß eines handelsüblichen Computerterminais zu Servicezwecken.

6. Automatikfunktionen für Betrieb und Abgleich

Die in Tabelle II aufgezählten Automatikfunktionen werden vom Betriebsoder vom Justierbedienpult aufgerufen.

Der automatische Abgleich aller Kameras, die einem Justierbedienpult zugeordnet sind, kann simultan erfolgen. Damit wird die Zeit vom Einschalten einer Kameragruppe bis zu deren Betriebsfähigkeit auf ein Minimum reduziert. Von den in der Tabelle aufgezählten Funktionen seien einige wenige näher erläutert.

6.1. Automatischer Kabellängenausgleich

Wird die "KCM 125" mit Multiader-Kamerakabel (das ist der Standard)betrieben, sind zwei vollautomatische Kabellängen-Ausgleicher im Einsatz, von denen einer eine Entzerrung der vom Kamerakopf zur CCU übertragenen RGB-Signale übernimmt, während der zweite das von der CCU zum Kopf geführte Suchersignal optimiert.

Zum Einstellen der Entzerrercharakteristiken wird nach dem Einschalten der Kamera zunächst ein Burststgnal im Kamerakopf auf das Kabel geschaltet, dessen Amplitude, in der Basiseinheit gemessen, eine Aussage über die Länge der Übertragungsstrecke ergibt.

In einem Festwertspeicher sind Koeffizienten zum Abgleich eines Filters für insgesamt 64 diskrete Kabellängen gespeichert (Auflösung 12,5m}. Die Koeffizienten beschreiben die optimalen Stellgrößen für ein an fünf Punkten im Frequenzband variables Filter, das nicht nur den Amplitudengang des Signals korrigiert, sondern auch hinsichtlich eines einwandfreien Impulsverhaltens dimensioniert ist.

Für den Kabellängenausgleich des Suchersignals wird die in der Basisstation gemessene Information über die Länge der Übertragungsstrecke digital zum Kamerakopf gemeldet. Hier wird ein Entzerrungsnetzwerk wirksam, das zwar nach dem gleichen Prinzip wie das in der Basiseinheit arbeitet, das Signal jedoch nur in 4 Frequenzabschnitten beeinflußt und hierbei auch nur 16 Kabellängen berücksichtigt.

6.2. Dynamische Korrekturen von Geometrie-, Rasterdeckungs- und Shadingfehlern

Eine optimale Korrektur von Fehlern der Geometrie, der Rasterdeckung sowie des Schwarz- und des Weißshadings wäre eine bildpunktabhängige Korrektur, das heißt, für jeden Bildpunkt würden prinzipiell verschiedene Korrekturwerte verwendet.

Diese Korrekturwerte haben jedoch die Eigenschaft, daß sie sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung verbunden stetige Funktionen mit endlicher Grenzfrequenz ergeben.

Nach dem Abtasttheorem können sie also aus diskreten Stützwerten mit Hilfe einer geeigneten Interpolation für die Zwischenbereiche erhalten werden.

Die Generation solcher Korrekturwerte in der Bildfläche macht Bild 8 deutlich. Da die Bildabtastung, also auch der Erhalt von Stützwerten, in vertikaler Richtung durch die Zeilenstruktur des Fernsehbildes diskret erfolgt, bietet sich eine digitale Interpolation zwischen diesen natürlich auch digital gespeicherten Stützwerten zur Bildung der Korrekturfunktion in vertikaler Richtung an. Da die Korrekturfunktionen innerhalb der Zeilen (horizontal) zeitkontinuierlich sind, ist hier eine Interpolation mit einem analogen Tiefpaßfilter naheliegend.

Alle obengenannten Fehler können durch eine dynamische Korrektur mit 16x16 Stützwerten im Bild ausreichend genau eliminiert werden. Es ergibt sich jedoch ein sehr spezielles Problem bei der Korrektur der Rasterdeckungsfehler in vertikaler Richtung: der Elektronenstrahl innerhalb der Bildaufnahmeröhre reagiert sehr empfindlich auf Nichtlinearitäten von Korrekturfunktionen.

Diese Nichtlinearitäten verursachen eine Modulation des Abstands der Abtastzellen und damit ein muitiplikatives Shadingsignal, das vom Betrachter in extremen Fällen als störend wahrgenommen wird. Zur Vermeidung dieses Effektes ermittelt der Automat in der "KCM 125" zunächst eine Stützwertmatrix von 16 x 16 Punkten im Bild für die eigentliche Deckungskorrektur.

Danach errechnet das System weitere 16 x 16 Stützwerte, die in vertikaler Richtung so zwischen den anfangs ermittelten Stützwerten liegen, daß die resultierenden Shadingfehler auf ein Minimum reduziert werden.

Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, daß der Deckungsabgleich fast so schnell abläuft, als gäbe es nur 16 x 16 Stützwerte, wobei Shadingfehler jedoch trotzdem auf eine Größe minimiert werden, die der Betrachter unter keinen Umständen mehr wahrzunehmen in der Lage ist.

Bei der Kompensation der konventionellen Shadingsignale, die ihre Ursache im Bias-Light, in Dunkelstromungleichmäßigkeit, in der Objektiv-Vignettierung usw. haben, sorgt die große Anzahl von 16x32 (HxV) Stützwerten für eine in beiden Richtungen glatte Korrekturfunktion und für ein praktisch ideales Bild.

6.3. Korrektur der Objektiv-Farbquerfehler

Der Einsatz automatischer Systeme zur Korrektur von Rasterdeckungsfehlern gestattet derartig exakte Abgleichvorgänge, daß jetzt erstmalig Deckungsfehler ins Gewicht fallen, die durch das Kameraobjektiv verursacht werden.

Sie resultieren aus der chromatischen Aberration des Objektivs und können in den Bildecken eine Größe von bis zu 0,25% der Bildhöhe (100ns) erreichen. Wäre der Fehler konstant, so könnte man ihn mit Hilfe der Rasterdeckungskorrektur bei Verwendung einer externen Testbildvorlage korrigieren.

Da es sich jedoch um einen Fehler handelt, der abhängig von der momentanen Einstellung des Objektivs, das heißt von Brennweite, Einstellentfernung und Blende ist, muß er dynamisch je nach Wahl dieser Parameter korrigiert werden.

Hilfreich ist dabei die Tatsache, daß hier im wesentlichen nicht ein durch Fertigungstoleranzen verursachter, sondern ein systematischer, berechenbarer und reproduzierbarer Fehler vorliegt, der vor allem vom Objektivtyp und nur geringfügig vom einzelnen Exemplar abhängig ist.

Zur Korrektur dieses Fehlers werden in der "KCM 125" zunächst nach jedem Halbbild die Einsteilgrößen für Brennweite, Einstellentfernung und Blende gemessen und zur weiteren Verarbeitung durch den Rechner des Kamerakopfes analog-digital-gewandelt.

Der Rechner liest abhängig von diesen Meßwert (das heißt, abhängig von der Objektiveinstellung) Parameter für die Deckungskorrektur aus einer Tabelle, die Daten für bis zu 4 verschiedene Objektivtypen enthalten kann.

Die ausgelesenen Parameter steuern die horizontale und vertikale Größe des Blau- und des Rotrasters und zusätzlich spezielle Ecken-Korrektur-Funktionen in Blau und Rot.

Durch eine 4-bit-Kennung am Objektivstecker unterscheidet der Rechner automatisch 15 verschiedene Objektivtypen. Die zu jedem Typ gehörigen Steuerparameter wurden nach Unterlagen der Objektivhersteller in aufwendigen Optimierungsprogrammen mit Hilfe einer Großrechneranlage so konfektioniert, daß der benötigte Speicherplatz eine wirtschaftlich realisierbare Größenordnung annahm.

Bild 9 zeigt die erreichbare Reduktion der Objektivfehler in Abhängigkeit von Brennweite und Einsteilentfernung. Bemerkenswert ist die typische, stark nichtlineare Abhängigkeit des Fehlers von der Brennweite, die eine Korrektur mit linearen Verfahren unmöglich macht.

Dargestellt ist jeweils der größte Rasterdeckungsfehler im gesamten Bildbereich. Das Ziel der dynamischen Objektivfehlerkorrektur, den durch das Objektiv bedingten Rasterdeckungsfehler auf eine Größe zu reduzieren, die in der Größenordnung der in Tabelle I genannten Werte liegt, wird für alle angebotenen Objektive erreicht.
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7. Fehlerdiagnose-System im Kamerazug

Beim Entwurf der Fehlerdiagnose-Systeme für die "KCM 125" wurde zwischen zwei Zielen unterschieden. Das erste Ziel besteht darin, einen Fehler zu erkennen und soweit einzugrenzen, daß er möglichst schnell, zum Beispiel durch Wechseln einer Leiterplatte oder einer ganzen Baugruppe, behoben werden kann.

Das zweite Ziel besteht darin, dem Serviceingenieur Testhilfen zur Verfügung zu stellen, die ihm eine komfortable Fehlersuche bis zur Bauteilebene ermöglichen. Diese Zweiteilung berücksichtigt die Tatsache, daß während des Einsatzes einer Kamera Fehler nur durch schnelles Wechseln von Baugruppen beseitigt werden können und keine detaillierte Fehlersuche möglich ist.

Dabei ist wesentlich, daß die automatisch erkannten Fehler sofort zentral angezeigt werden, beispielsweise im Monitoring oder in der Klarschriftanzeige der Bedienpulte (Bild 10). Für die Erfassung der Fehlerinformationen eignet sich besonders das im Abschnitt 5. beschriebene Steuerungsnetzwerk, dessen Rechner über spezielle Bussysteme Zugang zu fast allen elektrischen Baugruppen der Kamera hat.

Wo spezielle Schaltungen zur Fehlererkennung notwendig sind, können diese damit dezentral auf den einzelnen zu überwachenden Baugruppen angeordnet werden.

In der "KCM 125" können die folgenden Maßnahmen zur Fehlererkennung unterschieden werden:
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  • - Versorgungsspannungen werden durch Detektoren überall dort überwacht, wo sie erzeugt oder stabilisiert werden, also nicht nur in den Netzgeräten, sondern auch auf vielen Baugruppen, die eigene Spannungsregler haben.
  • - Taktimpulsreihen werden ebenfalls dezentral dort überwacht, wo sie erzeugt oder modifiziert werden, also nicht nur in den Baugruppen zur Impulsversorgung, sondern auch an den Stellen, wo spezielle Taktimpulse aus den "Obertakten" erhalten werden.
  • - Strahlströme und Ablenkgrößen der Bildaufnahmesysteme werden individuell laufend überprüft, so daß hier detaillierte Fehlermeldungen, zum Beispiel "V-Ablenkstrom im Rotkanal fehlt", möglich sind.
  • - Die Temperatur im Kamerakopf wird an zwei Stellen gemessen: im Netzgerät und im optischen System.
  • - Die Überwachung von Videopegeln erfolgt an zahlreichen Stellen im Verstärkerzug. Voraussetzung für eine eventuelle Fehlerdiagnose ist allerdings, daß ein spezielles Testsignal eingeschaltet wird.
  • - Analog-Digital-Wandler und Digital-Analog-Wandler, Ein- und Ausgänge für Schaltsignale sowie serielle Datenschnittstellen werden durch einfache zum Teil schaltbare Rückkopplung eines Ausgangs auf einen Eingang getestet.

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Entwurfskriterien

Entscheidende Entwurfskriterien für die Schaltungen zur Fehlererkennung waren ihre Zuverlässigkeit und die Wirtschaftlichkeit des Systems. Eine sorgfältige Konzeption schließt eine Verschlechterung der Betriebssicherheit durch aufwendige oder störungsanfällige Diagnoseelektronik aus.

Unabdingbare Voraussetzung für das Funktionieren des Gesamtsystems ist natürlich ein fehlerfreies Arbeiten der einzelnen Rechner. Aus diesem Grund sind umfangreiche Selbsttests der Mikroprozessoren nach dem Einschalten des Gerätes implementiert.

Zur Unterstützung der Fehlersuche bis zur Bauteileebene im Servicefall hat jeder der Rechner eine eigene Diagnoseschnittstelle, an die ein handelsübliches Computerterminal angeschlossen werden kann. Mit Hilfe dieser Terminals können alle eingebauten Diagnoseprogramme einzeln aufgerufen werden. Außerdem werden alle Schnittstellen des Steuerungssystems für den Serviceingenieur transparent, und es stehen ihm zusätzlich spezielle Testprogramme zur Verfügung. Der menügesteuerte Dialog ermöglicht eine Bedienung des Systems ohne besondere Vorkenntnisse.

8. Zusammenfassung

Die in diesem Beitrag beschriebene Farbkamera "KCM 125" wurde als System sowohl für die heute bestehenden Studioanlagen mit FBAS-Verteilung wie auch bereits für zukünftige Studios mit analogen oder digitalen Komponentensignalen entwickelt.

Neben codierten (PAL, PAL-M, NTSC, SECAM) und den klassischen RGB-Signalformen liefert die Kamera Y, Pg und PR. Die Bildqualität erreicht die Grenzen des mit den heute existierenden Abtaststandards überhaupt Realisierbaren.

Ein Multi-Mikroprozessor-System ist Bestandteil des Kamerazuges und wird für die Kamerasteuerung, für Automatikfunktionen und für die Fehlerdiagnose eingesetzt.

Die Entwicklung eines komplexen Systemes wie der "KCM 125" ist nur als gemeinsame Leistung zahlreicher Ingenieure und Techniker denkbar. Ihnen allen gilt unser Dank. Stellvertretend für viele seien genannt W. Bachmann, Dr. G. Bock, K.-H. Röttger, D. Spannhake und H. Unger.

Schrifttum

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  • 1. Reimers, U.: Entstehung und Wahrnehmbarkeit von Rauschst öfun gen bei einer Kamera für High-Detinition-Television- (HDTV-) Systeme. Frequenz Bd. 37 (1983) Nr. 11-12, S, 31&323.
  • 2. Klemmer, W.: Kameratechnik für hochauflösende Fern seh Systeme. Fern seh- u. Kino-Tech. Bd. 39 (1985) Nr.5T S. 224-228
  • 3. Reimers, U.: Auflösungsgrenzen in Fernsehkameras mit Halbleiter-Bildsensoren. Fernseh- u. Kino-Tech. Bd.35 (1981) Nr. 8, S. 2S7-293.
  • 4. Franken, A.: New Technology Provldes Superior-Performance Plumbicon Tubes tor EFP and ENG Cameras J. SMPTE Bd. 94 (1985) Nr. 3, S. 292-295.

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