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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildübertragung unter Wasser.
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Insbesondere Wasserfahrzeuge der Marine besitzen eine Sonareinrichtung. Derartige Sonareinrichtungen umfassen sendeseitig einen Senderechner, der über einen Sendeverstärker an einen Schallwandler zur Schallerzeugung unter Wasser angeschlossen ist. Ferner umfassen derartige Sonareinrichtungen empfangsseitig ein Empfangshydrophon, das über einen Empfangsverstärker an einen Auswerterechner angeschlossen ist. Mit dem Auswerterechner lässt sich ein Spektrogramm erzeugen. Das Spektrogramm kann mit einem beliebigen Anzeigemittel, wie über Monitore oder Druckerausdrucke, dargestellt werden.
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Die
DE 698 21 647 T2 zeigt ein Verfahren zum Ausführen einer Unterwasserkommunikation mit einer hohen Übertragungsgeschwindigkeit. Das Verfahren dient unter anderem für Bildübertragungen. Daten einer Datenquelle werden sendeseitig zunächst kodiert und dann nach dem Orthogonalfrequenzmultiplexverfahren moduliert. Erhaltene Audiodaten werden verstärkt und von einem Schallwandler unter Wasser abgestrahlt. Empfangsseitig werden die Daten der Datenquelle wiederhergestellt, indem die von einem Hydrophon empfangenen Audiodaten zunächst verstärkt, dann dekodiert und anschließend demoduliert werden.
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Die
US 3 688 029 A zeigt ein Verfahren zur Bildübertragung unter Wasser. Das neue Verfahren verwendet sendeseitig eine Kamera. Videodaten der Kamera werden in einem Modulator beispielsweise frequenzmoduliert und in Form von Audiodaten einem Schallwandler zugeführt. Das Verfahren verwendet empfangsseitig ein Empfangshydrophon. Die erhaltenen elektrischen Signale der empfangenen Audiodaten werden demoduliert und dann beispielsweise auf einem Monitor angezeigt.
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Die
US 7 835 228 B2 betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten zwischen zwei Modems unter Wasser. Die Datenübertragung unter Wasser erfolgt über Schallwellen. Die Daten werden in Paketform übertragen.
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Die
US 2009/0129204 A1 zeigt ein Verfahren zur Datenübertragung unter Wasser, bei dem wiederum das Orthogonalfrequenzmultiplexverfahren angewandt wird.
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Die
US 3 811 106 A zeigt ein Verfahren zur Datenübertagung unter Wasser. Daten werden als Schallwellen ausgesandt und empfangsseitig als Spektrogramm auf einem Papierstreifen aufgezeichnet.
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Die
DE 199 04 747 A1 zeigt ein Verfahren zur Datenübertragung unter Wasser. Informationssignale werden übertragen und empfangen. Jedes Informationssignal setzt sich aus einem Bezugsfrequenzsignal und mehreren Informationsfrequenzsignalen zusammen.
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Die
WO 2004/049604 A1 zeigt ein Verfahren zur wechsel- oder beidseitigen Bildübertragung unter Wasser. Das Verfahren sieht eine Phasenmodulation vor. Die Übertragungsfrequenzen liegen oberhalb 0,6 MHz.
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Die
WO 2007/148318 A1 zeigt ein Verfahren zur Bildübertragung unter Wasser. Bilder werden von einem ersten Tauchcomputer mit einer Unterwasserkamera zu einem zweiten Tauchcomputer übertragen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für Wasserfahrzeuge mit einer Sonareinrichtung zu schaffen, mit dem unter Wasser Bilder auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise übertragen werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Diese Aufgabe wird ferner durch den nebengeordneten Anspruch 5 gelöst, der auf ein computerlesbares Medium gerichtet ist.
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Die Vorteile der Erfindung liegen darin, dass die Einrichtung zur Bildübertragung unter Wasser in vielen Wasserfahrzeugen der Marine bereits vollständig vorhanden ist. Daher kann die Bildübertragung einfach und kostengünstig realisiert werden. Das Verfahren verwendet sendeseitig einen Senderechner mit einem Umwandlungsprogramm zur Umwandlung einer Bilddatei mit Bildzeilen und Bildspalten in eine Audiodatei. Sendeseitig ist auch ein Schallwandler zur Schallerzeugung unter Wasser vorgesehen. Das Verfahren verwendet empfangsseitig ein Empfangshydrophon und einen Auswerterechner zur Erstellung eines Spektrogramms. Nur das Umwandlungsprogramm zur Umwandlung einer Bilddatei in eine Audiodatei ist zusätzlich zu erstellen und auf den Senderechner aufzuspielen, um eine Bildübertragung durchführen zu können. Die Schritte des Verfahrens sind:
- • Erzeugung einer derartigen Audiodatei aus der Bilddatei im Senderechner mit dem Umwandlungsprogramm, dass ein aus der Audiodatei abgeleitetes Spektrogramm die Bilddatei darstellt. Anders ausgedrückt, muss das Spektrogramm der Audiodatei zumindest näherungsweise die Bildinformation wiedergeben.
- • Aussenden der Schallwellen der Audiodatei über den sendeseitigen Schallwandler unter Wasser.
- • Empfang von Schallwellen der ausgesandten Audiodatei mit dem empfangsseitigen Empfangshydrofon.
- • Erstellung eines Spektrogramms der empfangenen Schallwellen unter Wiederherstellung der Bildinformation der Bilddatei mit dem Auswerterechner. Das Spektrogramm, welches ein Frequenz-Zeit-Diagramm ist und über einen Monitor angezeigt wird, zeigt die Bildinformation der Bilddatei. Damit ist die Bildübertragung abgeschlossen.
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Die Erzeugung der Audiodatei umfasst folgende Vorschritte:
- – Berechnung einer Spaltenübertragungszeit für eine einzelne Bildspalte;
- – Berechnung von Zeilenfrequenzwerten für die einzelnen Bildzeilen m.
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Dies erfolgt dadurch, dass man die obere und untere Übertragungsfrequenz vorgibt. Die Differenz der oberen und unteren Übertragungsfrequenz ergibt die Bandbreite der Übertragung. Aus dem Quotienten der Bandbreite und der Anzahl der Bildzeilen ergibt sich die Spaltenübertragungszeit. Die Zeilenfrequenzwerte werden auf die zur Verfügung stehende Bandbreite verteilt.
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Die Erzeugung der Audiodatei umfasst folgende Schritte, um die einzelnen Bildpunkte einer Spalte zu erfassen:
Für jeden Bildpunkt einer Bildspalte gilt:
- – Zuordnung eines Amplitudenwertes zu einem Graustufenwert oder einem Schwarzweißwert eines Bildpunktes.
- – Zuordnung eines Zeilenfrequenzwertes zu dem Bildzeilenwert des Bildpunktes.
- – Bildung eines Bildpunktsignals aus dem zugeordneten Amplitudenwert und dem Zeilenfrequenzwerts.
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Für jede Bildspalte gilt:
- – Überlagerung aller Bildpunktsignale jeder Bildspalte unter Erhalt eines Spaltensignals.
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Für jeden Bildpunkt werden Bildpunktsignale einer entsprechenden Frequenz und einer entsprechenden Amplitude ermittelt, die dann spaltenweise überlagert werden unter Erhalt eines Spaltensignals. Der Vorteil ist, dass man empfangsseitig über eine Fourieranalyse jedes Bildpunktsignal einfach wieder zurückgewinnen kann.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Audiodatei eine Aneinanderreihung von Spaltensignalen auf. Daher gibt die Audiodatei nacheinander Spalte für Spalte die Bilddatei wieder.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung beginnen die Bildpunktsignale mit zufälligen Phasenwerten. Dadurch wird der Crest-Faktor oder Scheitelfaktor (Verhältnis von Scheitelwert (Peak Amplitude) zu Effektivwert (RMS)) der Audiodatei reduziert, was der Übertragungsqualität zu Gute kommt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird empfangsseitig das Spektrogramm über eine Fourieranalyse erstellt, bei der eine Analysezeit festzulegen ist, derart, dass die Analysezeit der Fourieranalyse mit der Übertragungszeit tS übereinstimmt. Damit ermöglicht man, dass das Spektrogramm die gesendete Bilddatei scharf abbildet.
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Ausführungsbespiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
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1 eine Einrichtung zur Bildübertragung unter Wasser, als Schemaskizze dargestellt,
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2a eine prinziphafte Bilddarstellung einer Bilddatei,
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2b eine prinziphafte Darstellung von Bildpunksignalen, die aus Werten der Bildpunkte berechnet sind,
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2c den prinziphaften Audioverlauf der auszusendenden Audiodatei, die aus spaltenweise überlagerten Bildpunksignalen berechnet ist,
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2d ein prinziphaftes empfängerseitiges Spektrogramm mit der Bildinformation der übertragenen Bilddatei,
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3 ein weiteres empfängerseitiges Spektrogramm mit einer Bildinformation einer während eines Seeversuches übertragenen Bilddatei.
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Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Bildübertragung unter Wasser. Das Verfahren verwendet sendeseitig einen Senderechner 11 und einen Schallwandler 10. Der Senderechner 11 weist ein Umwandlungsprogramm auf. Mit dem Umwandlungsprogramm ist eine eine Bildinformation wiedergebende Bilddatei 15 mit in Bildzeilen m und Bildspalten n angeordneten Bildpunkten (n; m) in eine Audiodatei umwandelbar. Das Verfahren verwendet empfangsseitig ein Empfangshydrophon 20 und einen Auswerterechner 21 zur Erstellung eines Spektrogramms 25.
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Im dargestellten Beispiel ist die Sendeseite ein Marineschiff, das den Senderechner 11, den Sendeverstärker 12 und den Schallwandler 10 aufweist. Die Empfangsseite ist ein U-Boot, das das Empfangshydrophon 20, den Empfangsverstärker 22 und den Auswerterechner 21 zur Erstellung des Spektrogramms 25 aufweist.
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Erwähnt sei, das in Abweichung zum dargestellten Ausführungsbeispiel ein beispielsweise einzelnes U-Boot gleichzeitig die Sendeseite und die Empfangsseite verkörpern könnte, um im Rahmen von Erprobungsfahrten eigene Spektrogramme beschriften zu können, wenn die eigene Sonaranlage im Betrieb ist.
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Die Schritte des Verfahrens sind:
- • Erzeugung einer derartigen Audiodatei aus einer Bilddatei 15 im Senderechner 11 mit dem Umwandlungsprogramm, dass ein aus der Audiodatei abgeleitetes Spektrogramm 25 die Bildinformation der Bilddatei 15 darstellt,
- • Aussenden von Schallwellen 13 der Audiodatei über den sendeseitigen Schallwandler 10 unter Wasser,
- • Empfang der Schallwellen 13 der ausgesandten Audiodatei mit dem empfangsseitigen Empfangshydrofon 20,
- • Erstellung eines Spektrogramms 25 der empfangenen Schallwellen 13 unter Wiederherstellung der Bildinformation der Bilddatei 15 mit dem Auswerterechner 21.
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An Hand der 2a bis 2d wird nachfolgend in stark vereinfachter Form das Prinzip der Bildübertragung erläutert.
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Die 2a zeigt eine Bilddatei 15 mit in Bildzeilen m und Bildspalten n angeordneten Bildpunkten (n; m). Über die Bildzeilen m und Bildspalten n lassen sich die einzelnen Bildpunkte (n; m) adressieren. Zum Beispiel entspricht der Punkt (1; 6) dem Punkt mit der Bildspalte 1 und der Bildzeile 6. Die Bilddatei 15 gibt eine Bildinformation in Form des Buchstabens „F” wieder.
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Um eine Audiodatei zu erzeugen, werden folgende Vorschritte durchgeführt:
- – Vorschritt: Berechnung einer Spaltenübertragungszeit tS für eine einzelne Bildspalte n. Gemäß einer in 2b vorgegebenen Bandbreite von 6 Hz und 6 zu übertragenden Zeilen ergibt sich aus dem Quotient von 6 und 6 Hz eine Spaltenübertragungszeit von 1 s.
- – Vorschritt: Berechnung von Zeilenfrequenzwerten fm für die einzelnen Bildzeilen m.
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Die Zeilenfrequenzwerte fm der einzelnen Bildzeilen m werden auf die zur Verfügung stehende Bandbreite verteilt. Wie 2b zeigt, ist der Bildzeile m = 1 der Zeilenfrequenzwert 1 Hz zugeordnet. Der Bildzeile m = 2 ist der Zeilenfrequenzwert 2 Hz zugeordnet. Die weitere Zuordnung der Zeilenfrequenzwerte Fm zu den weiteren Bildzeilen m ist entsprechend.
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Die Erzeugung der Audiodatei umfasst folgende Schritte, um die Bildpunkte (n; m) einer Bildspalte n darzustellen:
Für jeden Bildpunkt (n; m) einer Bildspalte n gilt:
- – Zuordnung eines Amplitudenwertes zu einem Schwarzweißwert eines Bildpunktes (n; m).
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Der Schwarzweißwert ist in 2a als Bitwert „1” oder „0” eingezeichnet. Bei einem Schwarzweißwert von „0” ist der Amplitudenwert ebenfalls „0”.
- – Zuordnung eines Zeilenfrequenzwertes fm zu dem Wert der Bildzeile m des Bildpunktes (n; m).
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Beispielsweise wird dem Punkt (1; 6) der Zeilenfrequenzwert 6 Hz zugeordnet.
- – Bildung eines Bildpunktsignals S(n;m) aus dem zugeordneten Amplitudenwert und dem Zeilenfrequenzwert.
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Das Bildpunktsignal ist auf einen einzelnen Bildpunkt bezogen. Die 2b illustriert, dass beispielsweise das Bildpunktsignal des Punktes (1; 2) einen von Null verschiedenen Amplitudenwert aufweist, wogegen das Bildpunktsignal des Punktes (2; 2) einen Amplitudenwert von 0 aufweist.
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Für jede Bildspalte n gilt:
- – Überlagerung aller Bildpunktsignale S(n;m) jeder Bildspalte n unter Erhalt eines Spaltensignals S.
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Dies bedeutet beispielsweise, dass die Bildpunktsignale der Punkte (1; 1), (1; 2), (1; 3), (1; 4), (1; 5) und (1; 6) das Spaltensignal Sn=1 des ersten Spalte n = 1 ergeben.
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In Abweichung zum dargestellten Ausführungsbeispiel könnte die Bilddatei 15 auch Graustufenwerte aufweisen. Dann erfolgt eine Zuordnung eines Amplitudenwertes zu dem Graustufenwert eines Bildpunktes.
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Die 2c illustriert, dass die Audiodatei eine Aneinanderreihung von Spaltensignalen Sn aufweist.
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2c zeigt, dass der Crest-Faktor insbesondere des Spaltensignals Sn der ersten Bildspalte hoch ist. Er könnte reduziert werden, würde man die Bildpunktsignale S(n;m) mit zufälligen Phasenwerten beginnen lassen.
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2d illustriert, dass empfangsseitig das Spektrogramm 25 über eine Fourieranalyse erstellt wird. Aus den Spaltensignalen Sn werden, wie dargestellt, die Bildpunktsignale S(n;m) zurückgewonnen. Die gesendete Bildinformation der Bilddatei 15, der Buchstabe „F”, wird in dem in 2 dargestellten Spektrogramm des Empfängers wiedergegeben.
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Bei der Fourieranalyse ist eine Analysezeit festzulegen. Um die Bildinformation optimal scharf wiederzugeben, muss die Analysezeit der Fourieranalyse mit der Übertragungszeit tS übereinstimmen.
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Einzelheiten der Bildübertragung
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Sendeseitig werden folgende Parameter vorgegeben:
- – Bandbreite B in Hz,
- – Anzahl M der Bildzeilen m,
- – Anzahl N der Bildspalten n.
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Aus den vorgenannten Parametern resultiert die Bildübertragungszeit tB. Mit der Bandbreite B gibt man vor, zwischen welchen beiden Frequenzen das Signal übertragen werden soll. Die Bandbreite ist die Differenz zwischen einer oberen und unteren Übertragungsfrequenz. Bei einer Bandbreite von zum Beispiel 10 kHz ist es für die Übertragungsdauer unerheblich, ob das Signal zwischen 5–15 kHz oder 10–20 kHz übertragen wird.
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Die Bildübertragungsdauer tB ergibt sich aus: tB = M·N/B = tS·N
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Die Spaltenübertragungszeit tS beträgt: tS = M/B
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M Zeilen teilen sich die Bandbreite B. Damit entfällt auf jede Zeile die Zeilenbandbreite B/M. Der Kehrwert M/B ergibt die Spaltenübertragungszeit tS. Die Spaltenübertragungszeit tS muss so lang sein, dass ein Zeilenfrequenzwert fm innerhalb der Zeilenbandbreite B/M korrekt wiedergegeben werden kann.
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Spektrogramm aus einem Seeversuch
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Die 3 zeigt ein empfangsseitiges Spektrogramm. Dieses Spektrogramm resultiert aus einer sendeseitig übertragenen Bilddatei mit 95 Bildzeilen und 436 Bildspalten. Das Bild wurde im Frequenzbereich zwischen 20 und 40 kHz übertragen. Damit beträgt die Bandbreite 20 kHz. Die Spaltenübertragungszeit beträgt 95/20000 s. Das sind 4,75 ms. Bei 436 zu übertragenden Bildspalten beträgt die Bildübertragungszeit 436·4,75 ms = 2,071 s.
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Die Spaltenübertragungszeit tS entspricht der empfangsseitigen Analysezeit der Fourieranalyse, um für das Spektrogramm die beste Auflösung zu erzielen. Stellt man sie zu kurz ein verschwimmen die Zeilen, stellt man sie zu lang ein, verschwimmen die Spalten. Selbst wenn sich Sender und Empfänger nicht auf eine Spaltenübertragungszeit tS vor einer Bildübertragung einigen, kann der Empfänger die richtige Analysezeit durch Probieren herausfinden.
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Computerprogrammprodukt
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Ein Computerprogrammprodukt, das ein computerlesbares Medium aufweist, umfasst das in Anspruch 1 genannte Umwandlungsprogramm. Das Umwandlungsprogramm ist so ausgebildet, dass gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 eine eine Bildinformation wiedergebende Bilddatei 15 mit in Bildzeilen m und Bildspalten n angeordneten Bildpunkten (n; m) in eine Audiodatei umgewandelt wird, wenn das Umwandlungsprogramm auf dem im Anspruch 1 genannten Senderechner 11 ausgeführt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schallwandler
- 11
- Senderechner
- 12
- Sendeverstärker
- 13
- Schallwellen der Audiodatei
- 15
- Bilddatei
- 20
- Empfangshydrophon
- 21
- Auswerterechner
- 22
- Empfangsverstärker
- 25
- Spektrogramm
- m
- Bildzeile
- M
- Anzahl der Bildzeilen
- n
- Bildspalte
- N
- Anzahl der Bildspalten
- (n; m)
- Bildpunkt
- tS
- Spaltenübertragungszeit
- tB
- Bildübertragungszeit
- fm
- Zeilenfrequenzwert
- S(n;m)
- Bildpunktsignal
- Sn
- Spaltensignal
