Kleurentelevisie van op de maan

Geschreven door Jan Cuypers.

Op 20 juli 2019 was het vijftig jaar geleden dat twee astronauten van Apollo 11 voet zetten op de maan. Tenzij de samenzweringstheorieën kloppen, want in dat geval speelde alles zich af in een tv-studio. Wat er ook van zij, er kwamen tv-camera’s aan te pas, zelfs in kleur. Tussen haakjes, wat die samenzweringstheorieën betreft, volgend filmpje toont, als je een uurtje tijd hebt, wat waarheid is en wat fictie :

https://www.youtube.com/watch?v=YcWXt4KEsj4

Van bij de eerste lanceringen hadden de Apollocapsules een zwartwitcamera aan boord, vanaf Apollo 11 ook kleurencamera’s. Het dient wel gezegd dat de NASA het maken van tv-beelden niet prioritair vond en dat de “shows” het gewone astronautenwerk niet in de weg mochten staan.
Apollo 11 had enkel een kleurencamera in de commandocapsule, niet op de maan zelf, die beelden waren nog in zwartwit. De maanwandelaars hanteerden een wel heel bijzondere camera. We zijn in 1969, van CCD- of MOS-opname-elementen was nog geen sprake. Zelfs de geïntegreerde schakelingen (IC’s) stonden nog in hun kinderschoenen. In de maancamera gebruikte men 43 IC’s. Negentien ervan werden speciaal voor deze camera ontworpen.
Uiteraard moest alle apparatuur bestand zijn tegen de omstandigheden van zo’n ruimtereis en een verblijf op de maan : de trillingen en de versnellingen bij de lancering, het luchtledige, de koude van de maannacht en de hitte van de volle zon die niet door een atmosfeer gedempt worden … De camera moest zeer lichtgevoelig zijn en ook met ruimtehandschoenen eenvoudig te bedienen. Hij had zelfs geen beeldzoeker, de astronauten moesten uit de losse pols mikken, dat was met de Hasselblad fotocamera ook zo.

foto1.jpgLinks : De zwartwitcamera van de maanlanding (foto Westinghouse)

Een maancamera moet astronaut-proof zijn. Dat laatste bleek niet altijd het geval en dat had bij Apollo 12 catastrofale gevolgen.
Hoezo? De camera moest ook bij weinig licht beelden kunnen schieten. Daarom was hij uitgerust met het nieuwste van het nieuwste, een SEC-vidicon, een buis die toen nog top secret was. (SEC : Secondary Emission Cathode volgens de meeste bronnen, Secondary Electron Conduction volgens de “Westinghouse Engineer” …...)

foto2.jpg
Rechts : Het principeschema van de SEC-buis. Het linkse gedeelte is een soort lichtversterker, het rechtse is te vergelijken met een gewone vidiconbuis. (tekening Westinghouse)

Omdat de buis zo gevoelig was, mocht ze niet naar heldere oppervlakken gericht worden, en dus zeker niet naar de zon. Zoals Murphy voorschrijft gebeurde dit toch bij Apollo 12... Midden in de uitzending wou astronaut Alan Bean de camera op een statief monteren, maar, wat onoplettend, richtte hij per abuis de camera naar de zon. De theorie klopte, de beelden werden onmiddellijk en definitief onbruikbaar.
Beleef het hier mee : https://youtu.be/UtBMAMO11e8

De beschikbare video-bandbreedte voor de overdracht van maan naar aarde was in het begin beperkt en daarom werkte de zwartwitcamera met maar 10 beelden per seconde. De Amerikaanse tv-norm gebruikt er 30. Om bruikbaar te zijn voor de gewone tv-kijker moest het signaal dus omgezet worden, zo'n toestel heet een “scan converter”. Nu zit zoiets ingebouwd in ongeveer elk tv-toestel, maar toen kon het nog niet elektronisch, dat moest optisch. Eenvoudig gesteld werd het Apollobeeld op aarde weergegeven op een speciaal tv-scherm en dan met een andere camera weer opgepikt in de goede norm. Dat kwam de kwaliteit natuurlijk niet ten goede, en zeker niet voor de kijkers in Europa, want daar werden die 30 beelden/sec op dezelfde manier ook nog eens omgezet naar 25 b/s. Een wonder dat er nog iets van over bleef….

En toen kwam de kleur …


In de tweede helft van de zestiger jaren kwam de kleurentelevisie stilaan op de agenda bij de Europese omroepen, maar in de VS waren de Networks (de grote omroepketens) al meer dan tien jaar in kleur aan het uitzenden. De NASA was het dus wel aan zichzelf verplicht om ook kleurenbeelden van het leven in het ruimteschip en vanop de maan tot in de huiskamers te brengen. “Aardse” camera’s waren toen uitgerust met drie opneembuizen, een voor elke kleur rood, groen en blauw. Voor ruimtetoepassingen waren die totaal ongeschikt: te groot, te zwaar, te complex, te onbetrouwbaar.
Het moest anders, eenvoudiger. De ingenieurs van Westinghouse, die de camera ontwierpen, grepen terug oplossingen uit het verleden. Een kleine uitweiding over tv-systemen is daarom nodig.
In de Verenigde Staten gebruikt(e) men voor analoge tv de NTSC-norm: 525 tv-lijnen per beeld, en 29,97 beelden (Engels : frames) per seconde. Die beelden worden niet telkens in één keer uitgezonden, men werkt met 2 * 29,97 = 59,94 zogenaamde halfbeelden of rasters (Engels : fields). In het eerste raster worden de oneven lijnen uitgezonden, in het tweede de even lijnen. Men spreekt van een geïnterlinieerd systeem.

Voor het gemak spreken we in deze tekst over 60 ipv 59,94 en 30 in plaats van 29,97, het verschil is niet relevant voor het verhaal maar het is minder tikwerk. Voor de volledigheid : in Europa gebruikt men 25 beelden per seconde, dus 50 rasters, met 625 lijnen per beeld, maar daar gaan we het verder niet over hebben.

NTSC en PAL - de Europese norm - hebben op elk ogenblik de drie kleursignalen tegelijkertijd nodig en sturen ze ook tegelijk door – het “simultane”systeem - vandaar dat “aardse” camera’s drie opnamebuizen hadden. Maar voordat NTSC de Amerikaanse norm werd, was er al op een andere manier kleurentelevisie gemaakt met één opneembuis : het “sequentiële” systeem. Dat werd in de jaren 1940 voorgesteld en een tijdje gebruikt door het network CBS. Een wiel met beurtelings rode, groene en blauwe kleurenfilters staat tussen de lens en de opnemer van een zwartwitcamera en draait tegen een derde van de beeldfrequentie. Dan komt er beurtelings een rood, groen en blauw beeld uit de camera. Plaatst men voor de zwartwitontvanger ook zo’n schijf, dan ziet men een kleurenbeeld, klaar is Kees.

foto3.jpgLinks : Principe van de sequentiële aftasting (tekening Dillenburger)

Het was niet zo moeilijk om een kleurenwiel in de zwartwitcamera van de NASA in te bouwen en veel plaats neemt het ook niet in beslag, dat was dus de oplossing. De camera werd aangepast om te werken met 60 rasters/30 beelden per seconde (voor de zwartwitcamera was dat 10 beelden/seconde, zie hoger). Hij leverde in feite beelden volgens de Amerikaanse tv-standaard, maar met toch wel een speciale inhoud : door het draaiende kleurenwiel bestond het eerste beeld uit een “rood” en een “blauw” raster, het volgende uit “groen” en “rood”, dan “blauw” en “groen”, enzovoort, zie ook verder.
Het gebruikte kleurenwiel had 6 gekleurde sectoren. Het draaide dus tegen 60/6 = 10 omwentelingen per seconde.

foto4.jpgHet kleurenwiel van de Apollocamera. Linksonder de motor (foto Westinghouse)

Hieronder : het inwendige van de camera, met het kleurenwiel (foto Westinghouse)

foto5.jpg



 

 

foto6.jpg

 

Het geheel ziet er uit zoals op deze Westinghousefoto. Om de cadrageproblemen op te lossen had men intussen een zwartwitmonitor ontwikkeld die de mevrouw op de foto toont. Het was in feite een wat opgewaardeerd commercieel Japans tv-ontvangertje, het scherm is ongeveer even groot als een bankkaart!

Tussen haakjes, het kleurenwiel is niet enkel technologie uit het verleden : ook de moderne videoprojectoren – in de volksmond “beamers” – die uitgerust zijn met microspiegeltjes gebruiken een kleurenwiel om achtereenvolgens rode, groene en blauwe deelbeelden te projecteren.

De kleurenwielcamera heeft wel een storend, of toch opvallen effect : hij pikt de drie kleurenbeelden niet gelijktijdig op maar na mekaar (sequentieel), en dat geeft kleureffecten bij bewegende beelden : er ontstaan gekleurde randen, ook bij grijze oppervlakken. In het nu volgende filmpje probeert Apollo 16-astronaut Charles Duke een staaf in de maanbodem te kloppen, met gemengd resultaat. Let vooral op zijn handen, het effect is het best merkbaar in de beeldvullende stand.
https://youtu.be/NiJ54Jj2rck

Van sequentieel naar NTSC


Er wordt nu wel kleurinformatie naar de aarde gezonden, maar dat signaal is niet geschikt voor aardse uitzendingen : voor de Amerikaanse kijkers (over de Europese gingen we het niet hebben) moet het omgezet worden naar NTSC.
Vandaag de dag, ja zelfs einde jaren 1970, was zoiets poepsimpel, maar de nodige digitale schakelingen bestonden rond 1968-1969 nog niet. Men moest een beroep doen op analoge, zelfs elektromechanische oplossingen, maar met wat uit-de-doosdenken slaagde men daar uitstekend in.
Er waren twee grote uitdagingen : het dopplereffect én het omzetten van het sequentiële signaal naar een simultaan signaal.

Probleem 1 : het dopplereffect

Uit ervaring en van op de schoolbanken kennen we allemaal voorbeelden van het dopplereffect : wanneer we in een trein zitten, klinkt de bel bij het naderen van een overweg hoger dan wanneer we voorbijgereden zijn. Wie een ander voorbeeld (ook met een trein) wil horen :
Dat fenomeen geldt niet enkel voor geluids- maar ook voor radio- en lichtgolven. Het leverde zelfs het bewijs voor het uitdeinen van het heelal : de “roodverschuiving” of het Hubble-Lemaître-effect.
De tv-signalen uit de ruimte hadden daar ook mee af te rekenen : door de draaiing van de aarde, de beweging van de maan, de vliegrichting van de capsule … verandert de afstand van Apollo tot het grondstation voortdurend. Wanneer de ruimtecapsule zich verwijdert van het grondstation is de beeldfrequentie minder dan de vereiste 30 beelden/seconde, wanneer de capsule zich naar het grondstation toe beweegt is ze groter, net zoals bij de trein van ons voorbeeld. De verschillen zijn miniem, maar toch voldoende om het signaal onbruikbaar te maken.
Om dat probleem op te lossen zou men vijf jaar later een “Digital Frame Synchronizer” gebruiken. Dat is een digitaal beeldgeheugen dat er voor zorgt dat binnenkomende beeldbronnen in de pas gaan lopen van de lokale signalen. Maar zo ver was de technologie einde zestiger jaren nog niet. Nu deed men beroep op een wel zeer eigenaardige en misschien wat antitechnologische methode. Dat vergt wat uitleg…
Sinds 1956 waren in de Verenigde Staten broadcast-beeldbandtoestellen van zeer hoge kwaliteit op de markt. Voor het eerst konden de omroepen tv-programma’s opnemen en quasi zonder kwaliteitsverlies uitzenden. Bij de VRT gingen deze toestellen in dienst in 1963. Het waren de zogenaamde quad-machines, die gebruik maakten van magneetband van twee duim (5,08 cm) breed. Voor meer uitleg zie dit artikel op onze site.

foto7.jpg

Foto : een Ampex VR1200.

Voor zo ongeveer alle beeldbandsystemen, dus ook voor de deze, geldt dat bij de opname de machine zich synchroon zet met het binnenkomend signaal, dat wil zeggen dat de band loopt op het ritme van dat signaal. Is de frequentie van het signaal een ietsiepietsie te hoog, dan zal de band ook een ietsiepietsie sneller door de machine lopen, andersom voor “trager” natuurlijk.

Bij de weergave van de band loopt een beeldbandtoestel altijd synchroon met “station sync”, de frequentie van het zendstation waar het beeld gebruikt wordt, anders zijn de beelden onbruikbaar.
Gewoonlijk geeft men banden weer die enige tijd geleden, zlefs op een andere plaats opgenomen zijn, denk aan aangekochte programma's. Maar niets verbiedt van een tv-signaal op te nemen en direct terug weer te geven ...
Het is dus eenvoudig : we plaatsen twee beeldbandmachines naast mekaar. Met de ene machine nemen we het signaal van de ruimte op. In plaats van de band op een spoel te laten lopen voeren we hem naar de tweede machine, die de opname weergeeft, perfect in de maat met de aardse tv-stations, en klaar is Kees.
Tussen de twee machines heeft men met de band een lus gevormd  die groter of kleiner wordt al naar gelang van de frequentie van het binnenkomend signaal : nadert de “ruimtecamera” de aarde dan loopt de eerste machine sneller en wordt de lus groter, verwijdert hij zich dan loopt de eerste machine trager en wordt de lus kleiner.
Om de band gespannen en uit de knoop te houden hangt onderaan de lus een rolletje met een gewichtje. We veronderstellen dat de onderlinge frequentieverschillen niet zo groot zijn dat de lus tot op de grond komt, of, nog erger, dat ze helemaal op geraakt. Door dit systeem worden de beelden ook met wat vertraging weergegeven : de weg van opname- naar weergavekoppen vergde, lus inbegrepen, ongeveer 12 seconden. Hieronder een sterk vereenvoudigde schets van de opstelling. (Sorry dat mijn tienjarige kleinzoon niet beter kan tekenen).  foto8.png

Probleem 2 : van sequentieel naar simultaan.

Na de passage op de twee beeldbandtoestellen loopt het signaal wel in de juiste pas, maar het is natuurlijk nog niet geschikt voor uitzending. Het moet nog in NTSC gecodeerd worden en daarvoor moeten uiteraard de rode, groene en blauwe signalen gelijktijdig beschikbaar zijn, m.a.w. simultaan en niet het ene na het andere of sequentieel.
We zouden bijvoorbeeld het rode raster moeten kunnen “onthouden” om het nog twee maal te gebruiken, wanneer het groene en het blauwe raster aan de beurt zijn. In het digitale domein valt zoiets nogal mee, maar daar was toen nog geen sprake van, televisie was nog volledig analoog, een analoog geheugen is niet zo evident.


Maar als de nood het hoogst is dan worden de NASA en Westinghouse gered door … innovaties bij de sportverslaggeving op de Amerikaanse tv. Op 18 maart 1967 introduceerde de omroep ABC bij de uitzending van de “World series of skiing” een revolutionair vertragingstoestel . In plaats van op te nemen op beeldband gebruikt het een grote magnetische schijf (eigenlijk twee) waarbij in concentrische cirkels telkens één videoraster (1/60 seconde dus) per omwenteling kon opgenomen worden. De totale capaciteit bedroeg 450 sporen per kant, met twee schijven en telkens twee kanten was dat dus 450 x 4 =1800 sporen. In totaal kon 1800/60 = 30 seconde beeld opgenomen worden (het voorgaande werd automatisch gewist), en – de innovatie – direct weergegeven worden, ook vertraagd, op stilstaand beeld, achteruit ... Het was de Ampex HS100, waarvan het Omroepmuseum ook een exemplaar bezit. De dame hieronder (uit een Ampexbrochure, geen lid van het Omroepmuseum) toont zo'n schijf. Achter haar staat het vertragingstoestel van bijna 1,70 m hoog! De dame moet dan wel “petite” zijn.

foto9.jpg


In een ander artikel gaan we daarop (op de HS100 dus) uitvoeriger in. Om te illustreren hoe dit toen de aandacht trok, vind je hier een fragment uit een aflevering van de Dick Cavettshow (1972) dat de toeschouwers moest verbluffen : https://youtu.be/WrH1T7FwE7U
Met dit innovatieve toestel kon men individuele tv-beelden opnemen en zo dikwijls weergeven als men wou, dus met wat aanpassingen zou het ons probleem kunnen oplossen. Wel waren er drie in plaats van twee schijven nodig, want per kleur moest men op twee sporen kunnen opnemen. Mogelijk gebruikte men een toestel met drie schijven of – wat me waarschijnlijker lijkt – twee toestellen. Ze moesten in elk geval ingrijpend aangepast worden.

Vereenvoudigd ziet de “volledige” aardse keten er zo uit :

foto10.png

We vinden bovenaan de twee beeldbandmachines met de lus ertussen, dan de drie schijven waarop (links) beurtelings één kleursignaal opgenomen wordt dat (rechts) continu wordt weergegeven; onderaan vinden we de NTSC-encoder die een bruikbaar signaal oplevert. De kenners zien natuurlijk direct dat dit een zéér rudimentaire manier van voorstellen is.

De signalen verlopen als volgt (elk blokje stelt een raster van 1/60 seconde voor): 

foto11.png

Bovenaan zien we de beelden zoals ze uit de weergavemachine komen en op de schijven opgenomen worden: achtereenvolgens een rood, een blauw en een groen raster. Onderaan zien we hoe de signalen van de schijven gebruikt worden, en raster per raster (en beeld per beeld) de samenstelling van de “aardse” signalen. Ze zijn afkomstig uit een soort schuivend venster met telkens drie kleursignalen zoals de vertragingsmachine ze weergeeft. We zien ook waarom we twee sporen nodig hebben per kleur, een spoor kan niet tegelijk opnemen en weergeven.
De rest is eenvoudig, de coder maakt er NTSC van, en de zaak is rond.

We nemen afscheid met deze beelden van het vertrek van de maanlander van Apollo 17 van de maan. De camera was intussen van concurrent RCA, maar gebouwd volgens dezelfde principes, en de technici hadden een automatische camerakop gemaakt, op de Lunar Rover gemonteerd en zodanig geprogrammeerd dat hij bij het vertrek het traject van de capsule volgde.

 

 

Bronnen :
De NASA heeft zeer veel informatie in brochures uitgegeven die ze via het internet beschikbaar stelt.
Een overzicht :
https://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/alsj/WEC-ColorTV-Manual.pdf
https://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/alsj/WEC-News-Release-690516.pdf
https://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/alsj/NASA_TN_D-7476.pdf

De meeste informatie vindt men in de beschrijving door Bill Wood :
https://www.hq.nasa.gov/alsj/ApolloTV-Acrobat5.pdf (ook bron van sommige foto’s).

Een meer uitgewerkt overzicht van de aardse keten :
http://www.hawestv.com/moon_cam/moonctel2.htm

Dillenburger Wolfgang :Einführung in die Fernsehtechnik Band 1 Fachverlag Schiele und Schön GmbH Berlin

________________