Feldsequenzielles Farbsystem

Ein sequentielles Farbsystem ( FSC ) ist ein Farbfernsehsystem, bei dem die Primärfarbinformationen in aufeinanderfolgenden Bildern übertragen werden und das menschliche Sehvermögen diese Bilder zu einem Farbbild verschmilzt. Ein solches System wurde 1940 von Guillermo González Camarena entwickelt (Patent US2296019A). Die Federal Communications Commission (FCC) übernahm es am 11. Oktober 1950 als Standard für Farbfernsehen in den Vereinigten Staaten . Die reguläre Ausstrahlung erfolgte am 25. Juni 1951. Allerdings stellte CBS die Farbübertragung wenige Monate später, am 20. Oktober 1951, wieder ein. Im März 1953 zog CBS sein Farbsystem als Standard zurück und ebnete damit den Weg für vollelektronische Farbsysteme anderer Hersteller.

Ende der 1960er-Jahre reaktivierte die NASA das Goldmark-CBS-System, um Farbvideos von den Apollo- Kommandomodulen zu übertragen. Hierfür wurde eine von der Westinghouse Electric Corporation entwickelte Kamera verwendet . Diese Westinghouse-Farbkamera wurde später so angepasst, dass sie auch von der Mondoberfläche selbst übertragen konnte. Ab Apollo 10 im Mai 1969 kamen sequentielle Farbfernsehkameras bei allen bemannten NASA-Raumflügen zum Einsatz , bis sie Ende der 1980er-Jahre durch CCD -Kameras ersetzt wurden. Seit der Jahrtausendwende verwenden DLP-Projektoren ( Digital Light Processing ) für Endverbraucher einen einzigen Chip und erzeugen Farben durch sequentielles Farbverfahren mit einem Farbrad für Vorder- und Rückprojektion.

Laut dem Fernsehhistoriker Albert Abramson erfand A. A. Polumordvinov das erste sequentielle Halbbild-Farbsystem. Polumordvinov meldete sein russisches Patent Nr. 10738 im Jahr 1899 an. Dieses System scannte Bilder mit zwei rotierenden Zylindern. ^{[ 1 ]} Ein späteres deutsches Patent von A. Frankenstein und Werner von Jaworski beschrieb ein weiteres sequentielles Halbbild-Farbsystem. Wie das CBS-System umfasste auch dieses Patent ein Farbrad. Frankenstein und Jaworski meldeten ihr Patent Nr. 172376 im Jahr 1904 an. ^{[ 1 ]}

John Logie Baird demonstrierte am 3. Juli 1928 eine Version des sequenziellen Farbfernsehens mit einem mechanischen Fernsehsystem, bevor er Kathodenstrahlröhren einsetzte . Er erzeugte ein vertikales Farbbild von etwa 10 cm Höhe. Die Demonstration wurde in der Fachzeitschrift Nature beschrieben .

Das Verfahren bestand darin, das zu übertragende Objekt zunächst mit einem roten, dann mit einem grünen und schließlich mit einem blauen Lichtpunkt abzutasten. An der Empfangsstation wurde ein ähnliches Verfahren angewendet, wobei dem Auge nacheinander rote, blaue und grüne Bilder präsentiert wurden. Die am Sender verwendete Vorrichtung bestand aus einer Scheibe mit drei aufeinanderfolgenden spiralförmigen Lochreihen. Die Löcher der ersten Spirale waren mit Rotfiltern, die der zweiten mit Grünfiltern und die der dritten mit Blaufiltern abgedeckt. Licht wurde durch diese Löcher projiziert, und ein Bild der sich bewegenden Löcher wurde auf das Objekt projiziert. Die Scheibe drehte sich mit 10 Umdrehungen pro Sekunde, sodass jede Sekunde dreißig vollständige Bilder übertragen wurden – zehn blaue, zehn rote und zehn grüne.

In der Empfangsstation rotiert eine ähnliche Scheibe synchron mit der Sendescheibe. Hinter dieser Scheibe, in Blickrichtung des Beobachters, befinden sich zwei Glimmentladungslampen. Eine dieser Lampen ist eine Neonröhre, die andere eine Quecksilberdampf-Helium-Röhre. Mittels eines Kommutators wird die Quecksilberdampf-Helium-Röhre für zwei Drittel einer Umdrehung und die Neonröhre für das verbleibende Drittel in den Stromkreis geschaltet. Das rote Licht der Neonröhre wird durch Rotfilter vor den Sichtlöchern für das rote Bild verstärkt. Ebenso werden die Sichtlöcher für das grüne und blaue Bild mit geeigneten Filtern abgedeckt. Das blaue und grüne Licht stammen beide aus der Quecksilberdampf-Helium-Röhre, die ein Licht mit einem hohen Anteil beider Farben emittiert. ^{[ 2 ]}

Baird demonstrierte im Februar 1938 eine modifizierte Zweifarbenversion mit einer Rot- und Blaugrünfilteranordnung im Sender; am 27. Juli 1939 führte er dieses Farbabtastsystem in Kombination mit einer Kathodenstrahlröhre mit Filterrad als Empfänger vor. ^{[ 3 ]} Im Dezember 1940 präsentierte er öffentlich eine 600-Zeilen-Version des Systems. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Das CBS-System mit sequentieller Halbbildwiedergabe war ein Beispiel für ein mechanisches Fernsehsystem, da es unter anderem auf einer mit 1440 U/min rotierenden Farbfilterscheibe in Kamera und Empfänger basierte, die rote, grüne und blaue Fernsehbilder nacheinander aufnahm und anzeigte. Um das Flimmern der einzelnen Farbbilder zu kompensieren, wurde die Halbbildrate von 60 auf 144 Halbbilder pro Sekunde erhöht. Dies führte zu 24 vollständigen Farbbildern pro Sekunde (jede der drei Farben wurde zweimal abgetastet, Doppelzeilenverfahren war Standard für alle elektronischen Fernsehgeräte: 2 Abtastungen × 3 Farben × 24 Bilder pro Sekunde = 144 Halbbilder pro Sekunde) anstelle der üblichen 30 Bilder/60 Halbbilder pro Sekunde im Schwarzweißbereich. Würde das 144-Halbbild-Farbsignal mit der gleichen Detailgenauigkeit wie ein 60-Halbbild-Schwarzweißsignal übertragen, wäre die 2,4-fache Bandbreite erforderlich. Um das Signal innerhalb der Standardbandbreite von 6 MHz eines Kanals zu halten, wurde daher die vertikale Auflösung des Bildes von 525 Zeilen auf 405 Zeilen reduziert . Die vertikale Auflösung betrug 77 % der Schwarzweißauflösung, die horizontale Auflösung 54 % der Schwarzweißauflösung. ^{[ 6 ]}

Aufgrund dieser Abweichungen in Auflösung und Bildrate von den NTSC- Standards für Fernsehübertragungen konnten sequenzielle Farbsendungen auf bestehenden Schwarzweißempfängern ohne Adapter (zur Anzeige in Schwarzweiß) oder Adapter-Konverter (zur Anzeige in Farbe) nicht empfangen werden. ^{[ 7 ]}

Das sequentielle Farbfernsehsystem von CBS wurde der Presse erstmals am 4. September 1940 vorgeführt. ^{[ 8 ]} Ein 16-mm-Farbfilm wurde auf ein Farbfernsehgerät übertragen und der versammelten Presse in Peter Goldmarks New Yorker CBS-Labor gezeigt. ^{[ 8 ]} Die Live-Farbübertragung von Fernsehkameras in einem Studio wurde der Presse erstmals 1941 demonstriert. ^{[ 9 ]} Das System wurde der Öffentlichkeit erstmals am 12. Januar 1950 vorgestellt. ^{[ 10 ]}

Die Federal Communications Commission (FCC) übernahm am 11. Oktober 1950 das CBS-Farbsystem als Standard für Farbfernsehen in den Vereinigten Staaten. ^{[ 11 ]} Öffentliche Tests begannen im November 1950. ^{[ 11 ]} CBS Television nahm am 25. Juni 1951 im Großraum New York den regulären, siebentägigen Farbfernsehbetrieb mit einer einstündigen Varietéshow unter der Moderation von Arthur Godfrey auf. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Im Juni 1951 bot Philco elf Fernsehmodelle an, die CBS-Farbsendungen in Schwarzweiß wiedergeben konnten. ^{[ 14 ]} CBS kaufte im April 1951 einen eigenen Fernsehhersteller, da kein anderes Unternehmen Farbfernseher mit diesem System produzieren wollte. ^{[ 15 ]} Die Produktion der CBS-Columbia-Farbreceiver begann im September, und die ersten Geräte kamen im Oktober in den Handel. ^{[ 16 ]} CBS stellte die Übertragung von Farbfernsehen mit sequenzieller Halbbilddarstellung am 20. Oktober 1951 nach dem College-Football-Spiel zwischen der University of North Carolina und der University of Maryland ein. ^{[ 17 ]}

Die Einstellung der Farbfernsehübertragungen und des Verkaufs von Farbfernsehgeräten erfolgte hauptsächlich auf Anweisung der Nationalen Produktionsbehörde (NPA), die während des Koreakriegs die Herstellung von Farbfernsehgeräten für die Allgemeinheit untersagte . ^{[ 18 ]} Allen B. DuMont , Inhaber des DuMont Television Network , vermutete, dass CBS so bereitwillig nachgab, weil das öffentliche Interesse an nicht farbkompatiblem Fernsehen völlig fehlte und die NPA lediglich ein willkommener Vorwand war, Kosten zu senken und das verlustbringende Geschäft zu beenden. ^{[ 19 ]} Nur 200 Farbfernsehgeräte waren für den kommerziellen Verkauf hergestellt worden, und nur 100 davon waren ausgeliefert worden, als CBS die Farbübertragungen einstellte. ^{[ 20 ]} CBS gab im März 1953 bekannt, alle weiteren Pläne für sein Farbsystem aufzugeben. ^{[ 21 ]}

Währenddessen arbeitete RCA weiter an der Entwicklung und Verbesserung seines NTSC-kompatiblen Farbfernsehsystems , das erstmals 1949 vorgestellt worden war. Im Frühjahr 1953 entwickelte RCA ein vollelektronisches Farbfernsehsystem, das vom NTSC übernommen wurde. ^{[ 22 ]} Das NTSC-kompatible Farbfernsehen löste das Halbbildverfahren als Farbfernsehstandard in den Vereinigten Staaten ab, nachdem die FCC es am 17. Dezember 1953 für die öffentliche Nutzung freigegeben hatte. ^{[ 23 ]}

Die Farbfernsehkameras der 1960er-Jahre, wie beispielsweise die RCA TK-41 , waren groß, schwer und verbrauchten viel Energie. Sie nutzten drei Bildröhren zur Erzeugung roter, grüner und blauer (RGB) Videosignale, die zu einem Farbbild kombiniert wurden . Diese Kameras benötigten komplexe Optiken, um die Röhren auszurichten. Da Temperaturschwankungen und Vibrationen ein Drei-Röhren-System leicht dejustieren konnten, war für den Einsatz auf der Mondoberfläche ein robusteres System erforderlich. ^{[ 24 ]}

In den 1940er Jahren erfand CBS Laboratories ein frühes Farbsystem, das ein Rad mit sechs Farbfiltern nutzte. Dieses Rad wurde vor einer einzelnen Videokameraröhre rotiert, um das RGB-Signal zu erzeugen. ^{[ 25 ]} Dieses sogenannte sequentielle Halbbild-Farbsystem verwendete Zeilensprungverfahren , bei dem die Farbbilder nacheinander wechselten, um ein vollständiges Videobild zu erzeugen. Das bedeutete, dass das erste Halbbild rot, das zweite blau und das dritte grün war – entsprechend den Farbfiltern auf dem Rad. ^{[ 25 ]} Dieses System war einfacher, zuverlässiger und energieeffizienter als eine herkömmliche Drei-Röhren-Farbkamera. ^{[ 24 ]}

Stanley Lebar und sein Team bei Westinghouse wollten bereits 1967 ihre Kamera mit Farbe ausstatten und wussten, dass das CBS-System dafür am besten geeignet war. ^{[ 26 ]} Die Westinghouse-Mondfarbkamera nutzte eine modifizierte Version des sequenziellen Farbsystems von CBS. ^{[ 25 ]} Hinter dem Objektivanschluss befand sich ein Farbrad mit sechs Filtersegmenten. Es drehte sich mit 9,99 Umdrehungen pro Sekunde und erzeugte so eine Abtastrate von 59,94 Halbbildern pro Sekunde, genau wie NTSC-Video. Die Synchronisation zwischen Farbrad und Abtastrate der Aufnahmeröhre erfolgte durch einen Magneten am Rad, der den Synchronimpulsgenerator steuerte, der die Taktung der Röhre regelte.

Die Farbkamera nutzte dieselbe SEC-Videobildröhre wie die monochrome Mondkamera von Apollo 9. Sie war größer und maß inklusive des neuen Zoomobjektivs 430 Millimeter (17 Zoll) in der Länge. Das Zoomobjektiv hatte eine variable Brennweite von 25 mm bis 150 mm, was einem Zoomverhältnis von 6:1 entspricht. Im Weitwinkelbereich betrug das Sichtfeld 43 Grad, im Telebereich 7 Grad. Die Blendenöffnung reichte von F4 bis F44, die Lichtdurchlässigkeit lag bei T5 . ^{[ 27 ]}

Zur Kompensation des Doppler-Effekts , der durch die Bewegung des Raumfahrzeugs von der Erde weg oder auf sie zu verursacht wird, war eine Signalverarbeitung an den Bodenstationen erforderlich. Da der Doppler-Effekt zu Farbverzerrungen führen würde, wurde ein System mit zwei Videorekordern (VTRs) und einer Bandschleifenverzögerung zur Kompensation des Effekts entwickelt. ^{[ 25 ]} Das bereinigte Signal wurde anschließend in NTSC- kompatiblem Schwarzweiß nach Houston übertragen . ^{[ Anmerkung 1 ]}

Anders als beim CBS-System, das einen speziellen mechanischen Empfänger am Fernsehgerät zur Farbdekodierung benötigte, erfolgte die Dekodierung des Signals im Kontrollzentrum in Houston. Diese Videoverarbeitung fand in Echtzeit statt. Der Decoder zeichnete jedes rote, blaue und grüne Halbbild separat auf einem analogen Magnetplattenrekorder auf. Anschließend diente er als Framebuffer und übermittelte die koordinierten Farbinformationen an einen Encoder, der ein NTSC-Farbvideosignal erzeugte und dieses dann an den Sendepool weiterleitete. ^{[ 24 ]} Nach der Farbdekodierung war keine Scan-Konvertierung mehr erforderlich, da die Farbkamera mit der gleichen Zeilensprungrate von 60 Halbbildern pro Sekunde wie der NTSC-Standard arbeitete. ^{[ 26 ]}

Sie kam erstmals bei der Apollo-10- Mission zum Einsatz. Die Kamera nutzte den zusätzlichen S-Band-Kanal und die große S-Band-Antenne des Kommandomoduls, um die größere Bandbreite der Kamera zu ermöglichen. Sie wurde nur im Mondlandemodul verwendet, wenn dieses an das Kommandomodul angedockt war. Im Gegensatz zu früheren Kameras verfügte sie über einen tragbaren Videomonitor, der entweder direkt an der Kamera befestigt oder separat angebracht werden konnte. In Kombination mit dem neuen Zoomobjektiv ermöglichte dies den Astronauten eine präzisere Bildkomposition. ^{[ 25 ]}

Apollo 12 war die erste Mission, die eine Farbkamera auf der Mondoberfläche einsetzte. Etwa 42 Minuten nach Beginn der Live-Übertragung des ersten Außenbordeinsatzes richtete Astronaut Alan Bean die Kamera versehentlich auf die Sonne, während er sie auf dem Stativ montierte. Die extreme Helligkeit der Sonne zerstörte die Videoröhre und machte die Kamera unbrauchbar. Nach ihrer Rückkehr zur Erde wurde die Kamera an Westinghouse geschickt, wo es gelang, ein Bild des unbeschädigten Teils der Röhre zu erhalten. ^{[ 29 ]} Um solche Schäden künftig zu vermeiden, wurden die Verfahren überarbeitet. Unter anderem wurde eine Objektivkappe zum Schutz der Röhre eingeführt, wenn die Kamera außerhalb der Mondlandefähre positioniert wurde.

Die Farbkamera dokumentierte erfolgreich die Mondlandungen der Apollo-14- Mission im Jahr 1971. Probleme mit der Bildqualität traten auf, da die automatische Verstärkungsregelung (AGC) der Kamera Schwierigkeiten hatte, die korrekte Belichtung bei kontrastreichen Lichtverhältnissen zu erreichen. Dies führte zu einer Überbelichtung der weißen Raumanzüge, die als „ Blooming “ bezeichnet wurde. Die Kamera verfügte über keine Gammakorrektur . Dadurch gingen Details in den Mitteltönen des Bildes verloren. ^{[ 30 ]}

Nach Apollo 14 wurde sie nur noch im Kommandomodul verwendet, da die neue, von RCA entwickelte Kamera sie für Operationen auf der Mondoberfläche ersetzte. Die Westinghouse-Farbkamera kam in den 1970er-Jahren weiterhin bei allen drei Skylab-Missionen und dem Apollo-Sojus-Testprojekt zum Einsatz .

Die Emmy Awards 1969–1970 für herausragende Leistungen in der technischen/ingenieurwissenschaftlichen Entwicklung wurden an die NASA für die konzeptionellen Aspekte der Farbfernsehkamera des Apollo-Programms und an die Westinghouse Electric Corporation für die Entwicklung der Kamera verliehen. ^{[ 31 ]}

In den ersten neun Monaten der NTSC-Farbfernsehumstellung 1953–1954 verwendete CBS weiterhin seine sequenziellen Farbfernsehkameras, deren Bildrate und Signal an die NTSC-Standards angepasst waren, bis RCA rechtzeitig zur Saison 1954–55 sein erstes Serienmodell einer NTSC-Farbkamera lieferte.

Die Sowjetunion war das einzige andere Land, das mit einem sequenziellen Farbbildsystem experimentierte. Sie stellte 1954 eine kleine Anzahl von Farbempfängern her, die eine mechanische Farbscheibe verwendeten. ^{[ 32 ]}

Moderne DLP-Projektoren ( Digital Light Processing ) verwenden üblicherweise Farbräder zur Erzeugung von Farbbildern und arbeiten typischerweise mit einem Vielfachen der Videobildrate. ^{[ 33 ]}

• NTSC- Rundfunksystem, das Farbinformationen in ein kompatibles Signal kodiert
• SECAM -Broadcast-System, das Farbinformationen sequenziell pro Scanzeile sendet.
• Mechanisches Fernsehen
• Guillermo González Camarena Chromoskopischer Adapter für Fernseher
• Geschichte des Fernsehens
• Penetron – ein Farb-CRT-System, das sequentielles Farbverfahren nutzte

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