Benutzer:Karpour/Bildtelefonie

Erste Ideen zur Bildtelephonie

Einleitung

Schon die (Audio-)Telefonie setzte im Bereich der Langstreckenkommunikation neue Maßstäbe. Im Gegensatz zu Briefen konnte man sich durch Sprache besser ausdrücken und Fernschreiber wurden durch das fast zeitgleiche Eintreffen der Sprache beim Empfänger in Sachen Geschwindigkeit auch übertroffen. Ein Nachteil der Audiotelefonie - im Gegensatz zu echten Konversationen - war allerdings immer, dass man den jeweils anderen nicht sehen kann, wodurch unter anderem viel Ausdruck verloren geht.

Mit diesem Problem befassten sich bereits um 1900 herum viele Wissenschaftler, und die logische Antwort auf dieses Problem war ein Telefon, bei dem nicht nur Sprache, sondern auch Bilder bzw. Video übertragen wird. Schon am Anfang des 19. Jahrhunderts kam die Idee auf, mittels der damals vorhandenen Möglichkeiten Bilder elektronisch zu Übertragen, sowohl in militärischem Interesse als auch in zivilem. Probleme waren allerdings, dass Bilder im Gegensatz zu Audio einen gewaltigen Datendurchsatz benötigten, und Telefonleitungen nur bedingt für die gleichzeitige Übertragung von Videodaten geeignet waren. Dieses Problem konnte nur durch speziell für Bildtelefonie dedizierte Übertragungsleitungen gelöst werden, was allerdings zu massivem Aufwand beim Aufbau eines Netzes führte und unter anderem ein Grund dafür war, dass Bildtelefonie keine Massentauglichkeit erreicht hat. Noch bis in den 90er Jahren war das Problem präsent, dass die Leitungen nur für Audioübertragung konzipiert waren und die nötige Bandbreite, um Videos zu übertragen nur mit vielen Einschränkungen erreicht werden konnte. Auch bei der Videotelefonie mit Mobiltelefonen gab es einige Ansätze, die zwar für den Endbenutzer erhältlich waren, allerdings aufgrund von Faktoren wie Preis und Bildqualität schnell wieder vom Markt verschwanden.

Eine andere Form der Videoübertragung, bzw. auch der Vorgänger der Videotelefonie ist die Videokonferenz, die hauptsächlich in größeren internationalen Firmen verwendung fand und auch verwendet wird. Videokonferenzen werden in speziell ausgestatteten Räumen abgehalten und sind Meetings, bei denen nicht alle Personen am selben Ort sind, aber trotzdem teilnehmen können.

Eine Weiterentwicklung dazu stellen die Sogenannten Media Spaces dar, bei denen der soziale Aspekt der Kommunikation verstärkt in die Entwicklung miteinbezogen wurden, die ein Effizientes Arbeiten auch über weite Distanzen ermöglichen sollen.

Erste Ideen zur Bildtelephonie

1.1 Erste Anfänge

• Alexander Bain setzte sich bereits 1843 damit auseinander, dass Bilder elektronisch erfasst und anschließend übertragen werden könnten. Er entwickelte einen Kopiertelegraphen, welcher in der Lage war, Schwarz-Weiße Bilder elektronisch zu erfassen, und zu übertragen. Frederick Collier Bakewell führte 1847 die entscheidende Verbesserung ein, dass er das zu übermittelte Dokument auf einer Walze anbrachte. Damit war es möglich, jedes einzelne Bildelement mittels eines Metallstiftes abzutasten. Diese Technologie wurde anschließend auch im ersten Weltkrieg verwendet, wobei bereits akzeptable Qualitäten erreicht wurden.
• Im Jahre 1883 wurde von Paul Nipkow umgesetzt ein weiteres System entwickelt, die Nipkow-Scheibe. Mittels einer rotierenden Scheibe wurden Bilder in elektronische Signale transformiert, welche anschließend in einer Teleskop-Röhre betrachtet werden konnten. Eine Nipkow-Scheibe ist eine Scheibe, welche Löcher in konzentrischen Kreisen auf ihrer Oberfläche hat. Diese Löcher dienen zum Abtasten der einzelnen Bildpunkte, weiter ist die Scheibe in Kreissegmente eingeteilt, wobei jedes Segment als eine abzutastende Zeile zu sehen ist. Aufgrund dieser Beschaffenheit sind Bilder einer Nipkow-Scheibe daran erkenntlich, dass die Zeilen leicht gekrümmt sind.

1.2 Wichtige Entdeckungen

• Eine wichtige Grundvoraussetzung von Bild- und Videotelephonie war die Erfindung der Kathodenstrahlröhre 1897. Sie wurde von Ferdinand Braun und Jonathan Zenneck entwickelt und wird auch als Braunsche Röhre bezeichnet. Eine Kathodenstrahlröhre ermöglicht es, mittels Elektronenstrahlen, schnell ändernde Spannungen und Ströme auf einem Flurenzschirm darzustellen. Somit können Bildpunkte bewegt dargestellt werden, diese Technik hat sich bis heute stark weiterentwickelt und bildet die Grundlage jedes Röhren-Fernsehers.
• Die Braunsche Röhre diente zur Darstellung elektronischer Bilder, nun fehlt hier, aus Gründen der Vollständigkeit, die nötige Technologie zum elektronischen erfassen von Bildern. Arthur Korn entdeckte 1901 die besondere Eigenschaft von Selen bei unterschiedlichen Lichteinwirkungen, seinen elektronischen Widerstand zu verändern. Aus der Entdeckung Korns entstand die Selenzelle, welche zur ersten Übertragung eines Bildes per Telegraphenleitung führte. In den Anfängen, im Jahre 1904, war die Qualität des übermittelten Bildes noch weit entfernt, dass die Technologie praktisch einsetzbar gewesen wäre, jedoch war bereits 1906 das Korn-Verfahren ausgreift, sodass bei annehmbarer Qualität ein Bild in 10 bis 15 Minuten übertragbar war.

1.3 Weiterführende Entwicklungen

• Der erste elektronische Bildabtaster, welcher keine rotierende Scheibe benötigt, was das 1923 von Wladimir K. Sworykin erfundene Ikonoskop, welches mittels lichtempfindlicher Kondensatoren versucht, die Funktionsweise des menschlichen Auges zu imitieren. Die Kondensatoren sind auf einer Kondensatorenplatte angebracht und nehmen je nach Helligkeit nehmen die Kondensatoren eine gewissen Ladung auf. Dieses Ladungsbild kann mittels einer Kathodenstrahlröhre wieder in ein für das menschliche Auge sichtbare Bilder zurückkonvertiert werden. Ab 1934 wurde das Ikonoskop in Serie hergestellt, heutzutage wird es jedoch nicht mehr als Aufnahmegerät verwendet.
• Leon Theremin veränderte das Prinzip der Nipkow-Scheibe zur Darstellung von Bildern insofern, dass die Löcher in der Scheibe durch Spiegelanordnungen ersetzt wurden, was 1927 bereits zu Übertragungen mit 100 Zeilen bei Tageslicht ermöglichte. Der russische Forscher konnte seine Erfindung nicht publizieren, da sie vom russischen Geheimdienst zur Personenüberwachung eingesetzt worden war.
• Die allererste Fernsehübertragung fand am 11.05.1928 in Berlin statt, wo Dénes von Mihály noch mittels mechanischer Abtastung ein 4x4cm² großes Diapositiv-Bild 5 Kilometer weit, von seinem Labor in Berlin Wilmersdorf zum telegraphentechnischen Reichsamt über Fernsprechleitungen übertrug. Es konnten 30 Zeilen mit gesamt 900 Bildpunkten dargestellt werden, wobei 10 Bildwechseln pro Sekunde möglich waren. Der „Telephor Volksfernseh-Empfänger“ genannte Apparat erfreute sich jedoch keiner großen Beliebtheit, da einerseits die Bildqualität stark zu wünschen ließ, und keine Tonübertragung möglich war, zudem es auch noch keinen Fernsehsender zur damaligen Zeit gegeben hat.
• Der Hellscheiber war ein Vorläufer des Telefax Systems. Er wurde 1929 von Rudolf Hell, einem der bedeutendsten deutschen Forscher, entwickelt und ermöglichte die Übertragung von Bildern mittels Funkübertragungen oder Landleitungen. Die Zeichen wurden mittels eines 7x7 Rasters zeilenweise zerlegt. Das Gerät überzeugte, durch seine Robustheit und da es trotz schlechter Übertragungsleitungen zu keinen großen Beeinträchtigungen kam, im Gegensatz zu den damaligen Funkfernschreibern.
• Im Jahre 1929 entstand in Berlin der Rundfunksender Witzleben, was im Laufe der Zeit zu einer einheitlichen Norm führte. Im ersten Ansatz war ein Bildwechsel von 12,5 Hz mit 30 Zeilen vorgesehen, was 1200 Bildpunkten entspricht. 1931 wurde die Frequenz auf 25 Hz erhöht, und in weiterer Folge wurde 1937 das Zeilensprungverfahren eingeführt. Dabei werden keine ganzen, sondern Halbbilder mit einer 50 Hz Frequenz dargestellt, was dazu führt, dass das menschliche Auge die Bewegungen als realistischer wahrnimmt. Es wird eine Reduktion des Flimmers erreicht und die Bewegungen wirken flüssiger, da aus tatsächlichen 25 Bildern 50 Halbbilder pro Sekunde entstehen. Der Fernsehsender Witzleben strahlte ab 1934 auch Ton aus. 1939 wurde bei der „16. Großen Deutschen Rundfunk- und Fernseh-Rundfunk-Ausstellung“ in Berlin der Deutsche Einheits-Fernseh-Empfänger E1 der Öffentlichkeit präsentiert. Jedoch führte der Beginn des zweiten Weltkrieges dazu, dass diese Erfindung nicht weiter verfolgt wurde.
• Die olympischen Sommerspiele von 1936 waren das erste Sportevent, welchen im Fernsehen übertragen werden. Es war auch das erste Mal, dass elektronische Kameras für Freilichtaufnahmen verwendet wurden. Ebenfalls 1936 begann Großbritannien als zweite Nation ein regelmäßiges Fernsehprogramm auszustrahlen, die USA folgten erst 1939.

1.4 Woran sind diese Ideen gescheitert?

• Die Zwanziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts brachten eine Vielzahl neuer Innovationen hervor. Die Grenzen der mechanischen Bilderfassung waren schnell erreicht, da die elektronische Bilderfassung (z.B. mittels Ikonoskop) eine drastische Steigerung der Bildqualität erreichte.
• Zu Beginn des Zweiten Weltkrieges wurden jedoch alle Projekte mit öffentlichem Interesse eingestellt, lediglich Projekte mit militärischem Hintergrund wurden weitergeführt, wie beispielsweise die Verwendung der Technologie zur Luftaufklärung.
• Die schlechte Qualität der Übertragungstechnologien war eine deutliche Einschränkung im Sektor elektronische Bildübermittlung. Des weiteren trägt die Größe der zu Übermittelnden Informationen zu zusätzlichen Problemen bei, da die damaligen Datennetze doch stark eingeschränkte Kapazitäten besaßen.

Videokonferenzsysteme

Videokonferenzsystem bilden die Symbiose aus elektronischer Audio- und Bildübertragung und verwenden als Eingabe Kameras und Mikrophone, sowie Bildschirme und Lautsprecher als Ausgabegeräte.

Speziell ausgestattete Übertragungsräume

Die erste Generation der Videokonferenz fand noch in speziellen Räumen statt. Ein Grund dafür war, dass meist nur Firmen diese Videokonferenzsysteme benutzten, um über längere Distanzen Meetings abzuhalten. Bei Endverbrauchern hatten diese Systeme allein schon aus Preisgründen keine Chance, da die Einrichtungskosten und auch die Grundgebühr nicht tragbar waren, und zum anderen nicht die herkömmliche Telefonleitung verwendet werden konnte, sondern eine spezielle Leitung für das Videotelefon verlegt werden musste, was auch wieder ein Grund dafür war, dezidierte ja genau wenn sie keine Fremdworte können sollten sie auch keine reinschreiben Konferenzräume zu errichten. Das Problem, dass Leitungen nicht für Videoübertragung geeignet waren, war immer eine Bremse für die Entwicklung der Videotelefonie, da der Bedarf nie hoch genug war, um ein weitläufiges Netz zu errichten.

Desktop Konferenzsysteme

Desktopkonferenzsysteme sind kompaktere Übertragungsgeräte und sowohl für Firmengebrauch als auch für Privatgebrauch geeignet, allerdings meistens für die Kommunikation zwischen 2 Personen gedacht. Diese Geräte verwendeten entweder das Telefonnetz oder eigens für Videoübertragung gebaute Leitungen. Heutzutage kann man allerdings auch über Internet Videokonferenzen abhalten, d.h. der PC dient als Desktopkonferenzsystem.

AT&T Picturephone

Eines der ersten für Privatpersonen erhältichen Videotelefone war das AT&T Picturephone. Im Gegensatz zu Videokonferenzsystemen war es nicht für die Kommunikation zwischen Gruppen, sondern als Video-Erweiterung zum normalen Telefon gedacht. Es wurde auf der Weltausstellung im Jahr 1964 vorgestellt, bei der eine Videoverbindung zwischen der Ausstellung in New York und Ausstellern in Disneyland hergestellt wurde, die Besucher ausprobieren konnten. Das ganze diente nicht nur zur Werbung, sondern auch zur Marktforschung, deren Analyse ergab, dass dieses System wenig markttauglich war. Gründe dafür waren, dass das Gerät sehr groß und schwer war und der Bildschirm sehr klein war und das Bild zudem eine geringe Auslösung hatte (200 Zeilen und etwa 10cm Diagonale). Das Picturephone wurde daher 6 Jahre lang weiterentwickelt und kam 1970 auf den Markt. Zuerst allerdings nur in Form von 3 Telefonzellen in Washington, Chicago und New York, bei denen ein 3-minütiger Anruf 16-27$ kostete, danach auch für Endverbraucher. Es wurde mit mehreren Millionen Kunden bis zum Jahr 1980 gerechnet. Das Service war allerdings wenig erfolgreich, vor allem aufgrund der eingeschränkten Reichweite und der hohen Preise (160$ Grundgebühr), und wurde 4 Jahre später eingestellt. Zu dieser Zeit waren gerade einmal 500 Personen angemeldet.

Nach diesem ersten gescheiterten Projekt, Bildtelephonie massentauglich zu machen gab es immer wieder weitere Versuche, solche Netze zu errichten beziehungsweise Bildtelefonie über bestehende Netze zu ermöglichen.

Videophone 2500

Das VideoPhone 2500 war ein erneuter Versuch von AT&T, Videotelephonie anzubieten. Im Gegensatz zum Picturephone wurde kein eigenes Netz benötigt, allerdings war aufgrund des ungeeigneten Telefonnetzes die Übertragungsbandbreite auf 19kbit/s beschränkt, für die Videoübertragung blieben davon nur mehr 11,2kbit/s, was maximal zu 10 Bildern pro Sekunde führte. Das Videophone 2500 wurde von 1992 bis 1995 verkauft, hatte allerdings aufgrund des Preises von 1500$ wenig Erfolg.

ISDN Videotelefone

Viele Hersteller produzierten in den 90ern Videotelefone, die ISDN verwendeten. Dadurch war zwar eine bessere Videoqualität möglich, allerdings waren schnelle Bewegungen und Lippensynchronität nicht problemlos möglich. Solche Geräte setzten sich aufgrund des hohen Preises bei Privatpersonen nicht durch, wurden jedoch von Firmen gerne verwendet.

Da ein handelsüblicher PC die für eine Videokonferenz nötigen Voraussetzungen erfüllt, ist es eine recht einfache Methode, eine derartige Kommunikation zu ermöglichen. Man benötigt lediglich eine Kamera, Mikrophon, Lautsprecher (ein Headset bietet darüber hinaus eine komfortablere Bedienung)und eine entsprechende Software. Solche Software verwendet die Voice over IP (VoIP) Technologie. Ich werde hier einen kleinen Überblick über bewährte Videokonferenz Software darbieten.

NetMeeting ist wohl das am meisten verbreitetste Programm, da es auf jedem Windows Betriebssystem standardmäßig installiert ist. Es basiert auf dem H.323 Protokoll und bindet verschiedene Programme wie Microsoft Word oder Paint ein, um zusätzlich zu den normalen Rahmenbedingungen einer Videokonferenz weitere Kommunikationsmöglichkeiten zu bieten. Jedoch wird NetMeeting nicht mehr von Microsoft weiterentwickelt, es wurde vom MSN Messenger abgelöst.

4.1.2 Ekiga Ekiga, welches früher unter dem Namen GnomeMeeting bekannt war, ist ebensfalls eine freie VoIP Software, welche unter Linux und UNIX seinen Einsatzbereich findet. Es basiert auf der offenen OpenH323 Bibliothek und benutzt wie Microsofts NetMeeting ebenfalls das H.323 Protokoll. Seit der Version 2.0 wurde der Name von GnomeMeeting auf Ekiga abgeändert, um zu signalisieren, dass das Programm nicht nur GNOME Benutzer vorbehalten ist.

4.1.3 Skype Skype ermöglicht neben normalen Telefonaten zwischen PC und PC, und PC und Telefonnetz ebenfalls die Möglichkeit einer Videotelephonie. Signifikant hierbei ist, dass es zu den wenigen Softwareprodukten gehört, welche Videoübertragungen zwischen Windows und Macintosh Benutzern ermöglicht. Wie bei ähnlichen Programmen ist eine schnelle Internetverbindung ratsam, da eine Stunde Videotelephonie ca. 100 MB Datentransfer verursacht.

Media Spaces

Media Spaces sind eine Weiterentwicklung der klassischen Kommunikation, die sich aus diversen Problemen ergeben haben. Ein Media Space ist eine Umgebung in der Personen unabhängig von der Entfernung miteinander arbeiten können. Im Gegensatz zu Videokonferenzen und Telefonaten, bei denen zwei oder mehr Personen eine bestimmte Zeit lang Kontakt haben um Informationen auszutauschen, besteht bei einem Media Space immer Kontakt. Dadurch findet ein besserer Austausch zwischen Personen statt und das Arbeitsklima ist ähnlich wie bei einer Gruppe, die in der selben physikalischen Umgebung arbeitet.

Der Begriff "Media Space" wurde als erstes in den 80er Jahren für ein Forschungsprojekt von Bob Stults und Steve Harrison for Xerox verwendet. Ziel dieses Projektes war es, soziale Umgebungen über weite Distanzen zu erhalten. Ein wichtiger Aspekt dabei war, dass Konversationen nicht durch trennen bzw. aufbauen einer Verbindung abgehalten wurden, sondern durch ein kommen und gehen der Personen, was einen großen Unterschied zu herkömmlicher Telekommunikation bedeutete.

Zwischen 1980 und 1990 wurden von vielen Forschungsteams Langzeitprojekte im Gebiet Media Spaces betrieben, in denen Forscherteams selbst in Media Spaces arbeiteten und sie weiterentwickelten. Im speziellen wurde im Jahr 1987 ein Versuch von Xerox EuroPARC in Cambridge, England gestartet. In einem 4-stöckigen Haus mit 27 Räumen, welches als Großraumbüro kaum geeignet war, wurden an jedem Arbeitsplatz Videokomferenzsysteme installiert, mit dem Ziel die Zusammenarbeit zwischen den Angestellten, die durch die ungünstige Raumaufteilung wenig Kontakt miteinander hatten, zu stärken. Das System war fast vollkommen analog realisiert, die Verbindungen erfolgten per Steuerelementen am Arbeitsplatz und einem zentralen 64x64 Analogschalter-Array der mit mehreren Kilometern Koaxialkabel mit den Arbeitsplätzen vernetzt war.

Mobile Videotelefonie

Die letzte Neuentwicklung im Bereich Videotelefonie sind Handys mit eingebauert Kamera, die Videoübertragung unterstützen. Der erste Versuch einer solchen Technologie fand im Jahr 2000 in Japan mit dem Visual Phone der Firma Kyocera statt. Da es damals allerdings nur GSM-Netze, was die Videoübertragung auf 4 Bilder pro Sekunde limitierte. Daher war dieses Telefon nur sehr wenig erfolgreich.