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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Übertragen
von hochauflösenden digitalen
Farbbildern bzw. von digitalen Daten solcher Farbbilder, über eine
Funk-Übertragungsstrecke von
einem Sender zu einem Empfänger
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Hochauflösende Bilder
liegen quellenseitig bereits in digitaler, elektronisch gespeicherter
Form vor. Als hochauflösend
werden hier Bilder mit größerer Auflösung als
Standard-Fernsehbilder, d.h. im Sinne des CCIR-Fernsehstandards
größer als 768×576 Pixel,
verstanden. Die Fernübertragung
solcher hochauflösender
digitaler Bilder über
einen Funkkanal mit einer gegebenen Übertragungsbandbreite erfolgt üblicherweise
in der Weise, dass die digitalen Daten als sequentiell kodierter
Datenstrom übertragen
werden, in einer Kodierung und ggf. Bilddatenkompression derart,
dass die resultierende Datenrate innerhalb der Kanalkapazität bzw. Übertragungsbandbreite
Platz findet. Physikalisch unvermeidliche Übertragungsfehler (Bitfehler)
werden entweder mittels eines Rückkanales
im Dialog korrigiert, oder die Fehler werden ohne Rückkanal
durch nachträgliche
empfängerseitige
Korrektur der fehlerhaften Bilddaten aus mitübertragener Redundanz (im Sinne einer "Vorwärts-Fehlerkorrektur") korrigiert. Beispiele für die Übertragung
mit Rückkanal
sind Funkmodems und digitale Funknetzwerke wie Wireless Local Area Network
(WLAN). Ein Beispiel für
die Übertragung ohne
Rückkanal
sind die öffentlichen
Ausstrahlungen des digitalen Fernsehens (DVBT).
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Die
Funkübertragung
mit Rückkanal
erfordert den erheblichen Aufwand eines solchen Rückkanales.
Um eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit zu
erzielen, muss auch dieser Rückkanal
eine hohe Übertragungsbandbreite
aufweisen, die dem des Hin-Übertragungskanales
möglichst
nahe kommt. Die Funkübertragung
ohne Rückkanal
erfordert entweder eine hohe Datenredundanz, um den Preis einer
Verlangsamung der Übertragung,
oder einen hohen Aufwand an empfängerseitiger
Fehlerkorrektur, die zudem die Einhaltung von Obergrenzen der zulässigen Bitfehlerraten
erfordert.
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Da
jeder Funkkanal vom physikalischen Funktionsprinzip her grundsätzlich analogen
Charakter hat und es erlaubt, zeitveränderliche analoge Spannungssignale
mit Spektralinhalten bis zu einer oberen Grenzfrequenz zu übertragen,
kann jeder Momentanwert dieser Signale gemäß den Grundlagen der Nachrichtentheorie
beliebig viele verschiedene Spannungswerte annehmen, von denen allerdings
jeweils ein Spannungsintervall einem unvermeidlichen Rauschen zuzuordnen
ist, so dass eine Unsicherheit des momentanen Signalspannungswertes
entsteht. Bei üblichen Übertragungen
im Bereich von Tonrundfunk oder Fernsehen können zumeist mindestens 256
trotz des Rauschens signifikant verschiedene Signalwerte unterschieden
werden, entsprechend mindestens 8 Bit je Abtastwert.
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Bei
der digitalen Datenübertragung
wird üblicherweise
eine Stufung in eine geringe Anzahl von zulässigen Werten des momentanen
Spannungswertes derart vorgenommen, dass der Unterschied zwischen
zwei Stufen deutlich größer ist
als die Unsicherheit infolge des Rauschens, im meist anzutreffenden
Fall nur 2 Stufen (1 Bit je Abtastwert), selten mehr. Auf diese
Weise wird eine hohe Störfestigkeit der
digitalen Datenfunkübertragung
erhalten, die weit über
der der analogen Datenfunkübertragung
liegt.
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Der
Preis dieser gesteigerten Störfestigkeit ist
allerdings eine Verminderung der Kanalkapazität im Vergleich zur analogen Übertragung.
Diese Verlangsamung wird üblicherweise
durch digitale Datenkompression, wie beispielsweise aus der
DE 199 37 142 A1 bekannt,
teilweise aufgefangen. Dabei haben sich bei der Übertragung von Bildern auch
solche Datenkompressionsverfahren als gut prakti kabel eingeführt, die
Informationsverluste zur Folge haben. Hier stehen für Einzelbilder
die JPEG- und die Wavelet-Kompression im Vordergrund, für Videosequenzen
die MPEG-Kompression. Die Informationsverluste führen zu geringfügigen Veränderungen
der Farbtonwerte sowie Verlust von Detailschärfe.
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Durch
die Datenkompression wird aber das inhaltliche Gewicht der einzelnen
Bits gesteigert, so dass Bitfehler stärkere Störauswirkungen haben, bis hin
zum Totalausfall des Bildzusammenhanges. Dies führt im konkreten Fall der Funkübertragung
von Bildern über
größere Entfernungen
zu dem Problem, dass infolge der Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses
zu größeren Distanzen
hin die Bitfehlerrate derart ansteigt, dass die digitale Übertragung
ggf. unpraktikabel wird bzw. ausfällt.
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Im
Unterschied hierzu zeigt die – beim
analogen Fernsehen gebräuchliche – bildzeilenweise
analoge Übertragung
von Bildern mit wachsender Übertragungsdistanz
eine stetige und sichtbare Zunahme der Bildstörungen, die jedoch den Bildinhalt
noch erkennen lassen, bis er ab einer kritischen Entfernung visuell
nicht mehr von dem Rauschhintergrund unterscheidbar ist. Bei Fernsehübertragungen
ist eine Frequenzmultiplexübertragung üblich, bei
der das Farbartsignal, das durch Modulation des Farbarthilfsträgers mit
Farbdifferenzsignalen erzeugt wird, im Frequenzspektrum des Leuchtdichtesignals übertragen
bzw. gesendet wird. Dieses Verfahren wird bei den genormten Fernseh-Funksendesystemen
NTSC, SECAM und PAL verwendet (CCIR-Bericht 407-1, 1966-1970). Der
Vorteil der Frequenzmultiplexübertragung
von Leuchtdichte- und Farbartsignalen ist die relative Einfachheit
des Decoderaufbaus im Fernsehempfänger, was ein entscheidender
Vorteil beim Stand der Technik in den frühen Entwicklungsstufen des
Farbfernsehens in den 50er und 60er Jahren des letzten Jahrhunderts
war. Das Farbbildsignal sollte nämlich
auch von damals noch weit verbreiteten Schwarz-Weiß-Fernsehern
dargestellt werden können
(Abwärtskompatibilität des Videosignals).
Bei Frequenzmultiplexübertragung
wird die Farbbildqualität
wesentlich durch Kreuzmodulationsstörung zwischen den Leuchtdichte-
und Farbartsignalen beeinträchtigt,
wobei diese Störung
in der Regel auf Kosten einer geringeren räumlichen und zeitlichen Auflösung unterdrückt wird.
Aus der
DE 689 11 911
T2 ist ein Fernsehsystem für Farbfernsehsignale bekannt,
bei dem statt der Frequenzmultiplexüber tragung eine Zeitmultiplexübertragung
verwendet wird, bei dem die Leuchtdichtesignale innerhalb des gesamten
Intervalls des aktiven Zeilenteils und die zeitgerafften Farbdifferenzsignale,
die die Information über
die Farbart enthalten, in den Zeilenaustastintervallen untergebracht
werden.
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Das
Dokument
DE 34 14 307
A1 erwähnt
die Eignung des dort offenbarten Verfahrens zur Erhöhung des
Signal/Rausch-Abstandes analoger Videosignale auch für solche
Bilder, deren Informationsgehalt größer ist als die Verarbeitungsleistung
des Videokanals, indem nämlich
die Videosignale derart aufgeteilt werden, dass ein Bild in mehrere
Teilbilder zerlegt wird, deren Videosignale jeweils einzeln nacheinander
dem Videokanal zugeführt
werden. Angesichts einer erhöhten
photometrischen Bildauflösung und
eines deutlich schlechteren Signal/Rausch-Verhältnisses
der Magnetbandaufzeichnung wird eine Blockzerlegung des Bildes beschrieben.
Dabei wird das Bild in mehrere geometrisch gleiche, aber photometrisch
unterschiedliche Bilder zerlegt: Ein Bild als Träger der höherwertigen Bits und ein Bild
als Träger der
niederwertigen Bits. Gegenstand dieses Dokumentes ist demnach ein
Verfahren zur Rauschminderung analoger Signale durch zeitliche Integration
in der Anwendung auf monochrome Fernsehsignale, darüber hinaus
für verschiedene
Zeilenzahl-Normen und unterschiedliche Kameraqualität, so dass
zur Anwendung dieses bekannten Verfahrens ein spezieller digitaler
Fernseh-Normwandler
erforderlich ist, wobei eine geometrische Bildanpassung einen Teil der
Normwandlerfunktion darstellt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
erwähnten
Art anzugeben, bei dem die Übertragung
von Farbbildern per Funk vorteilhaft gestaltet werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
einem Verfahren der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass senderseitig jedes einzelne digitale Bild in wenigstens ein
analoges Videosignal trans formiert wird, das wenigstens eine analoge
Videosignal über
die Übertragungsstrecke vom
dem Sender zu dem Empfänger übertragen
wird und empfängerseitig
das digitale Bild aus dem wenigstens einen, übertragenen analogen Videosignal rekonstruiert
wird.
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Dies
hat den Vorteil, dass ohne Rückkanal die Übertragung
hochauflösender
digitaler Bilder über
eine hinsichtlich ihrer hochfrequenztechnischen Parameter gegebenen
Funkstrecke auch über
größere Entfernungen
als bei den rein digitalen Übertragungsverfahren
möglich
ist, wobei der Zeitaufwand und zugleich die Informationsverluste
nicht größer sind
als bei der rein digitalen Übertragung über eine Funkstrecke
unter Nutzung von Bilddatenkompression.
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Dadurch,
dass die analogen Teilbilder jeweils aus Bildzeilen aus verschiedenen
Bereichen des digitalen Bildes zusammengesetzt sind, führen kurzfristige Übertragungsstörungen auf
der Übertragungsstrecke
lediglich zu Störungen
innerhalb von Zeilenstücken
des digitalen Bildes und stören
somit durch die Verteilung auf das gesamte digitale Bild wenig bzw.
werden von einem Betrachter nicht wahrgenommen. Zusätzlich ist
die Aufteilung auf Zeilen unterschiedlicher Orte des digitalen Bildes
eine Verschlüsselung
der Übertragung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird senderseitig jedes digitale Bild in zwei oder mehr analoge
Videosignale transformiert, die jeweils einem analogen Teilbild
des zugehörigen
digitalen Bildes entsprechen, und empfängerseitig wird aus den analogen
Videosignalen durch Rücktransformation
das digitale Bild wieder zusammen gesetzt.
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Zur
korrekten Rekonstruktion der Videobildfolge am Empfänger wird
jedem analogen Teilbild senderseitig eine elektronisch lesbare Markierung hinzugefügt, welche
eine Position des Teilbildes in dem digitalen Bild kennzeichnet
und empfängerseitig bei
der Rücktransformation
eine Zuordnung des entsprechenden analogen Teilbilds zur Position
dieses Teilbildes in dem digitalen Bild ermöglicht. Diese Markierung ist
beispielsweise ein streifenförmiges,
binär kodiertes
Schwarz-Weiß-Muster am Rand des
Teilbildes.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird senderseitig jedes digitale Bild schachbrettartig in Teilbilder
aufgeteilt, die jeweils in das analoge Videosignal eines Teilbildes
transformiert werden. Eine kurzfristige Übertragungsstörung auf
der Übertragungsstrecke
wirkt sich so nur in einem Teil des gesamten digitalen Bildes aus.
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Dadurch,
dass das wenigstens eine analoge Videosignal ein normgerechtes Videosignal,
insbesondere nach dem CCIR-, SECAM-, PAL- oder NTSC-Standard, ist,
können
bereits vorhandene Standard-Geräte
als Sender und Empfänger
für die Übertragungsstrecke
verwendet werden.
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Eine
verbesserte Störfestigkeit
gegen Störungen
auf der Übertragungsstrecke
erzielt man dadurch, dass jedes analoge Videosignal wenigstens dreimal über die Übertragungsstrecke
gesendet wird.
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Um
die mit der Farbträgermodulation
der Farbfernsehstandards PAL und NTSC verbundenen Interferenzen
zwischen Luminanz und Chrominanz (Cross-Luminance, Cross-Colour) zu vermeiden, wird
bei einem digitalen Farbbild das analoge Farbvideosignal farbsequentiell-monochrom übertragen. Beispielsweise
wird das analoge Farbvideosignal als Folge von monochromen Videosignalen
der Farbauszüge
Rot, Grün
und Blau übertragen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese
zeigt in der einzigen Fig. eine blockschaltbildartige Darstellung
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in der einzigen Fig. dargestellt. Die einzige Fig. zeigt ein
Blockschaltbild und schematisch eine Bildabfolge am Beispiel der Zerlegung
eines hochauflösenden
digitalen Bildes 10 in vier Teilbilder 12 mit
Videoauflösung,
die jeweils einem analogen Videosignal entsprechen, und das aus den
vier Teilbildern 12 rekonstruierte, hochauflösende, digitale
Bild 14. Eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens umfasst
senderseitig einen ersten Digitalrechner 16 und einen Videosender 18 mit
Sendeantenne 20 sowie empfängerseitig einen Videoempfänger 22 mit
Empfangsantenne 24 und einem zweiten Digitalrechner 26.
Zwischen dem Videosender 18 und dem Videoempfänger 22 befindet
sich eine Übertragungsstrecke
in Form einer Funkstrecke 28. Über diese Funkstrecke 28 werden
die vier Teilbilder 12 in Form von vier analogen Videosignalen
sequentiell übertragen.
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Das
zu übertragende
hochauflösende
digitale Bild 10 bzw. dessen digitale Daten wird bzw. werden
in dem ersten Digitalrechner 16 in eine Folge von vier
analogen Teilbildern 12 in Form von vier streifenkodierten
Videoframes 12 zerlegt, die als vier analoge Videosignale über den
Videosender 18 und die Sendeantenne 20 an die
entfernte Empfangsantenne 24 und den Videoempfänger 22 sequentiell übertragen
und dort an den zweiten Digitalrechner 26 weitergeleitet
werden. Der zweite Digitalrechner 26 gibt das rekonstruierte,
hochauflösende,
digitale Bild 14 aus, welches der zweite Digitalrechner 26 aus
den vier analogen Videosignalen der vier Videoteilbilder oder Videoframes 12 rekonstruiert
hat. Eine binäre Schwarz-Weiß-Kodierung 30 am
oberen Bildrand eines jeden Videoframes 12 gibt dabei dem
zweiten Digitalrechner 26 die Information darüber, an
welche Stelle der jeweilige Videoframes 12 im rekonstruierten
digitalen Bild 14 gehört.
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Die
analogen Videosignale der analogen Videoteilbilder 12 entsprechen
bevorzugt einer üblichen
Fernsehnorm, so dass das Übertragungselement
hierbei die Video-Bildzeile
ist. Signalstörungen während der Übertragung äußern sich
in additiven Veränderungen
des zeitlichen Verlaufes der Signalspannung.
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Sofern
die in der Funkübertragung über die Funkstrecke 28 aufgeprägten Signalstörungen gering
sind, etwa vergleichbar dem quellseitig, d.h. im originalen, digitalen
Bild 10 bereits vorhandenen Pixelrauschen, sind diese Störungen im
empfangenen und rekonstruierten digitalen Bild 14 nicht
wahrnehmbar bzw. nicht oder nur geringfügig störend. Hier besteht eine Ähnlichkeit
zu den Informationsverlusten durch verlustbehaftete digitale Bilddatenkompression (JPEG
oder MPEG).
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Sofern
die in der Funkübertragung
aufgeprägten
Signalstörungen
sich dem Nutzsignalpegel annähern
oder diesen sogar übersteigen,
werden im Extremfall die Bildinhalte während der Wirkung dieser großen Störungen zerstört. Sofern
diese Störungen
zeitlich begrenzt auftreten, wirken sie sich als örtlich begrenzte
Störungen
des rekonstruierten, digitalen Bildes 14 aus.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird die Rekonstruktion des hochauflösenden,
digitalen Bildes 14 aus der sequentiellen Abfolge der Videoframes 12 dadurch
erleichtert, dass die gesendeten Videoframes 12 (Fernseh-Einzelbilder bzw.
Frames) im Bildinhalt, z.B. am Bildrand, eine elektronisch auslesbare
Ordnungskennung 30 (z.B. ein streifen-förmiges, binär kodiertes Schwarz-Weiß-Muster)
mitführen,
die die Zuordnung des betreffenden Frames 12 im Rahmen
der Rekonstruktion 14 bezeichnet.
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Beispielsweise
wird das hochauflösende,
digitale Bild 14 systematisch in schachbrettartiger Weise
in rechteckige Bildfragmente zerschnitten, die in geordneter Folge
als Videoframes 12 übertragen
und empfängerseitig
wieder passgerecht aneinandergefügt
werden, wie in der einzigen Fig. schematisch dargestellt. Jeder
Videoframe 12 zeigt für
sich einen Ausschnitt des gesamten digitalen Bildes 10.
Eine kurzfristige Übertragungsstörung in
der Funkstrecke 28 wirkt sich als lokale Bildstörung innerhalb
eines Frames 12 aus, d.h. als lokal begrenzte Störung im rekonstruierten,
digitalen Bild 14.
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Erfindungsgemäß wird die Übertragung
von Videoframes 12 vorgenommen, die systematisch aus Bildzeilen
aus örtlich
verschiedenen Bereichen des digitalen Bildes 10 zusammengesetzt
sind, die als Videoframes 12 also keine ersichtlichen Bildinhalte
erkennen lassen. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass kurzfristige Übertragungsstörungen innerhalb
eines solchen Frames 12 zu Störungen innerhalb von Zeilenstücken des
rekonstruierten digitalen Bildes 14 führen, die nach der Bildrekonstruktion
an verschiedenen Stellen des rekonstruierten, hochauflösenden,
digitalen Bildes 14 auftauchen und in der somit vorgenommenen
Verteilung über
das ganze rekonstruierte, digitale Bild 14 nicht oder kaum
stören. Ferner
hat diese Vorgehensweise den Vorteil, dass im Nebenergebnis eine
Verschlüsselung
des Bildinhaltes erfolgt, in der Weise, dass beim "Abhören" bzw. "Mitschneiden" des übertragenen,
analogen Videosignalstromes visuell nicht deutlich wird, welcher Bildinhalt übertragen
wird.
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Die
Sicherheit gegen Übertragungsstörungen bzw.
die Störfestigkeit
der Übertragung über die Funkstrecke 28 wird
optional zusätzlich
dadurch erhöht,
dass die einzelnen Videoframes 12 mindestens dreifach gesendet
werden und dass durch Bildinhaltsvergleich Störungen erkannt und korrigiert
werden, so dass ein störungsfreies,
rekonstruiertes, digitales Bild 14 erhalten wird.
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Beispielsweise
werden zusätzlich
die mit der Farbträgermodulation
der Farbfernsehstandards PAL und NTSC unvermeidlich verbundenen
Interferenzen zwischen Luminanz und Chrominanz (Cross-Luminance,
Cross-Color) dadurch vermieden, dass das üblicherweise in Farbauszugsebenen
(z.B. RGB) vorliegende hochauflösende
digitale Farbbild 10 farbsequentiell-monochrom übertragen
wird, beispielsweise als Folge der monochromen Farbauszüge Rot, Grün und Blau.
Die dabei auftretende Verlängerung (z.B.
Verdreifachung) der Übertragungsdauer
wird dadurch teilweise kompensiert, dass in den Farbauszügen eine
höhere
geometrische Auflösung entlang
der Videozeilen genutzt werden kann, da ein additives Farbträgersignal
nicht vorhanden ist.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die verbreitete
analoge Video-Funkübertragungstechnik
sowie das breite Angebot marktverfügbarer Rechnerkomponenten für die Videoausgabe
und die Videoaufnahme für
die Übertragung
digitaler hochauflösender
Bilder genutzt werden kann.