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B e s c h r e i b umm
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Es ist bekannt, Bildsignale auf Kanälen zu übertragen, welche nur
eine beschränkte Übertragungskapazität aufweisen. Hierbei handelt es sich meist
um Übertragungskanäle, die ursprünglich für die Übertragung von Sprachsignalen ausgelegt
bzw. verwendet werden. Dazu gehören beispielsweise Sprechfunkkanäle oder Telefonleitungen.
Ein derartiges Übertragungsverfahren wird aber auch dann benötigt, wenn die Speicherung
der Signale auf Signalträgern erfolgen soll, die eine relativ geringe Bandbreite
aufweisen, d.h. ebenfalls ursprünglich für Sprachsignale gedacht waren.
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Wenn dabei bewegte Bilder in Form von Videosignalen übertragen werden
sollen, ist eine Informationsreduktion erforderlich, welche die pro Zeiteinheit
zu übertragenden Informationen der Kanalkapazität anpaßt.
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Bei den bekannten Verfahren wird vielfach - wie im Falle der Übertragung
von Fernsehsignalen auf Amateurfunkbändern die notwendige Informationsreduktion
über eine Herabsetzung der Bildfolgefrequenz erreicht, wobei gegebenenfalls eine
digitale Zwischenspeicherung von Einzelbildern vorgenommen wird, wobei der Bildinhalt
der Einzelbilder verlangsam analog übertragen wird und nach Beendigung der
Übertragung
eines Einzelbildes das nächste Bild zwischengespeichert wird. Bei der Übertragung
von Fernsehbildern über Telefonleitungen wird ensprechend verfahren, wobei gegebenenfalls
die zu übertragende Bildinformation auch von vorn herein digitaler Natur sein kann,
wie im Falle des Systems "Bildschirmtext".
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Um aber die Übertragungsgeschwindigkeit stehender Bilder zu erhöhen
oder aber bei bewegten Bildern eine für den Betrachter störende allzu sprunghafte
Wiedergabe von Bewegungen zu vermeiden, wird angestrebt, auch den die zu übertragende
Bildinhaltsinformation zu komprimieren. Eine derartige Bildverarbeitung mit Datenkompression
ist auch für alle Anwendungen erwünscht, in denen Einzelbilder einer Verarbeitung
unterzogen werden, sei es, daß sie über schmalbandige Leitungen übertragen oder
in Archiven gespeichert oder Vergleichsoperationen in bezug auf den Bildinhalt unterzogen
werden sollen. Hierbei ist in erster Linie auch an die Bildspeicherung mit Massenspeichern
der Datenverarbeitung gedacht.
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Ein Ziel der Datenkompression ist die Redundanzreduzierung in der
Weise, daß das zu übertragende Bildsignal von auf dem Übertraguigskanal vorhandenen
Störungen möglichst wenig beeinträchigt wird, so daß die wesentlichen Bildinhalte
möglichst unbeeinflußt bleiben.
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Bei den bekannten Verfahren zur Verarbeitung von Bildsignalen mit
Datenreduktion wird die Informationsbeschränkung nach der Digialisierung mittels
Rechenoperationen vorgenommen, die das digitalisierte Bildsignal verändern. Für
diese
Rechenoperationen sind, da sie - insbesondere bei der Übertragung bewegter Bilder
- mit hoher Geschwindigkeit vorgenommen werden müssen, außerordentlich schnelle
Rechner mit hoher Verarbeitungskapazität erforderlich.
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Die notwendigen Verarbeitungsstrukturen stellen sich als äußerst problematisch
dar, da auch die Programmierung und die notwendigen Speicherkapazitäten mit kleinen
Zugriffszeiten technisch schwer zu beherrschen sind. Das Ergebnis ist dabei bisher
wenig zufriedenstellend, da insbesondere bei Verfahren zur Kompression der Bildinformation,
welche eine Verknüpfung des Bild inhalts mehrerer aufeinanderfolgender Bilder vornehmen,
auftretende, durch Ubertragungsstörungen bedingte Fehler sich über mehrere Bildsequenzen
hinziehen und dabei erst recht störend in Erscheinung treten.
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Der derzeitige Entwicklungsstand der Bildverarbeitungsverfahren ist
in dem Projekt-Bericht "Studie zur Datenkompression von Grauwertbildern" des Fördervorhabens
des Bundesministers für Forschung und Technologie (Kennzeichen 411-5839 IT 1011
8) wiedergegeben. Unter 2.3.3 ist dort ein spezielles DPCM-Verfahren dargestellt,
welches zusätzlich einen Deltamodulations-Coder aufweist. Dieses Verfahren hat sich
wegen der Komplexität des Decoders und der hohen Anfälligkeit des Verfahrens gegenüber
Datenübertragungsfehlern in der Praxis nicht durchsetzen können.
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Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
bei ein Verfahren der eingangs angegebenen Art den Verarbeitungs- und damit den
Geräteaufwand zu reduzieren, wobei die erzielte Bildqualität auch bei Stö-
rungen
bei Übertragung oder Speicherung den bei rein digital arbeitenden Verfahren gestellten
Anforderungen genügen soll.
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Der Erfindung liegt dabei insbesondere die Erkenntnis zugrunde, daß
durch die der adaptiven Deltamodulation vor-bzw. nachfolgende Tiefpaßfilterung des
analogen Signals eine wirksame Informationsreduktion erzielt wird, welche keinerlei
Datenverarbeitung oder komplizierter Algorithmen bedarf. Das digitale arbeitende
Verfahren der adaptiven Deltamodulation, welches eine äußert einfache Hardware-Realisierung
ermöglicht, ist in günstiger Weise angepaßt an die mit üblichen Schaltungsmitteln
ausführbare analoge Tiefpaßfilterung.
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Die Erfindung ist in besonders günstiger Weise anwendbar zur Übertragung
von Bildfolgen auf Nachrichtenkanälen, welche zur Übertragung von niedrigen Datenraten
konzipiert sind. Dazu werden einzelne von der Videokamera gelieferte Halbbilder
innerhalb von 20 ms digitalisiert und in einem Bildspeicher abgelegt. Der Inhalt
des Bildspeichers wird mit geringer Geschwindigkeit ausgelesen, in ein Analogsignal
(d.h. ein langsam veränderliches Videosignal geringer Bandbreite) umgewandelt, dem
adaptiven Deltacodierer zugeführt und anschließend gefiltert. Das codierte Signal
steht anschließend zur Ubertragung bereit. Das digitalisierte Signal eignet sich
bevorzugt auch für eine nachfolgende zusätzliche Verschlüsselung, welche einen unerwünschten
Informationszugriff durch Dritte verhindert.
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Das erfindungsgemäße Übertragungsverfahren macht insbesondere Gebrauch
von folgenden Erkenntnissen im Hinblick auf die Eigenschaften des zu übertragenden
Videosignals:
Die Energie von Videosignalen ist in einem sehr niederfrequenten
Bereich konzentriert.
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Für eine subjektiv befriedigende Bilddarstellung wird einerseits
eine sehr gute Grauauflösung in Flächen gefordert, andererseits sind an Stellen
mit starkem Kontrast (Kanten) relativ hohe Fehler tolerierbar.
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Eine Tiefpaßfilterung des Videosignals verbessert nachhaltig den
subjektiven Bildeindruck.
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Zur Anpassung der Übertragungsgeschwindigkeit ist zwischen Bildsignaleingang
(Fernsehkamera) und Deltamodulator ein Bildspeichersubsystem vorhanden sein, wie
es kommerziell gefertigt wird und als kompletter Baustein erhältlich ist. sein.
Dieses Bildspeichersubsystem kann gegebenenfalls schaltbar sein für verschiedene
Geschwindigkeiten bzw. Bildauflösungen. Im wesentlichen besteht das Bildspeichersubsystem
aus jeweils einem schnellen und einem langsamen A/D- und D/A-Wandler und dem eigentlichen
digitalen Speicherbaustein.
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Empfangsseitig dient ein entsprechendes Bildspeichersubsystem als
Bildwiederholspeicher für den Betrieb eines üblichen Fernsehmonitors. Die Speichersubsysteme
dienen somit der Anpassung an unterschiedliche Abtastgeschwindigkeiten auf der Aufnahme-
und Wiedergabeseite. Sie können dann entfallen, wenn auf der Aufnahmeseite die Vorlage
selbst stationär vorhanden ist bzw. auf der Wiedergabeseite der Wiedergabeteil selbst
eine Speicherwirkung aufweist, welche zu einer stationären Darstellung führt.
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Wesentlich für die Erfindung ist aber, daß bei einem über tragungsverfahren
für Bildsignale - im Gegensatz zu bekannten Techniken - trotz des Vorhandenseins
eines digitalen Zwischenspeichers und nachfolgender weiterer digitaler Übertragung
eine analoge Signalfilterung zwischengeschaltet ist, welche zusammen mit dem adaptiven
Deltamodulator eine bemerkenswerte Verbesserung der Obertragungsqualität bewirkt.
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Die Eigenschaften und der Aufbau des verwendeten adaptiven Deltamodulators
werden nachfolgend beschreiben. Der hier benutzte Deltamodulator unterscheidet sich
in zwei wesentlichen Punkten von üblichen, für Sprachübertragung ausgelegten Delta-Modulatoren:
1. Der Frequenzgang ist zu niedrigen Frequenzwerten bis zum Gleichstrom hin linear.
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2. Die adaptive Charakteristik des Modulators stellt sich so dar,
daß jeweils nach einer vorgegebenen Anzahl (bevorzugt zwei) sich einstellenden Amplituden-Schritten,
welche bezüglich des zu übertragenden Grauwerts in dieselbe Richtung weisen, die
Schrittweite des digitalen Ausgangssignals vergrößert (bevorzugt verdoppelt) wird
bis zum ersten nachfolgenden Grauwertschritt, der eine umgekehrte Polarität aufweist,
also eine Vorzeichenwechsel beinhaltet.
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3. Nach dem erfolgten Vorzeichenwechsel wird wiederum die Schrittweite
verkleinert, wobei in günstiger Ausgestaltung der Erfindung drei Alternativen vorgesehen
sind:
3.1 Der Modulator wird sofort auf die kleinste Schrittweite
zurückgesetzt.
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3.2 Die Schrittweite wird jeweils mit diesem und jedem weiteren unmittelbar
folgenden Vorzeichenwechsel reduziert (bevorzugt halbiert).
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3.3 Die Schrittweite wird mit diesem Vorzeichenwechsel und nach jedem
übernächsten unmittelbar folgenden Vorzeichenwechsel halbiert. Die übrigen Vorzeichenwechsel
haben keine Einfluß auf die Schrittweite.
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Insgesamt können die Eigenschaften des somit erzeugten adaptiven Deltamodulators
wie folgt zusammengefaßt werden: Es resultiert eine große Dynamik für tiefen Frequenzen,
mit der Folge einer sehr feinen Grauauflösung in flächenartigen Bildteilen. Der
Signal/Rauschabstand ist insgesamt verbessert.
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Durch adaptive Charakteristik können große Schwarz-Weiß-Sprünge sicher
übertragen werden wobei die zulässigen Fehlertoleranzen an Bildstellen mit hohem
Kontrast ausgenutzt werden.
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Der an sich bestehende Nachteil des Deltamodulators, der in einer
verhältnißmäßig geringen Dynamik bei hohen Frequenzen zu sehen ist, führt hier zu
einer zusätzlichen Tiefpaßfilterung des Bildsignals, welche vom Betrachter subjektiv
als angenehm empfunden wird.
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Unvermeidliche Überschwinger des adaptiven Modulators werden durch
analoge Filterung am Ausgang des Delta-Demodulators unterdrückt. Eine analoge Filterung
am Modulatoreingang reduziert die Neigung zur Erzeugung von Überschwingern zusätzlich.
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Der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendete adaptive Deltamodulator
besteht im wesentlichen aus den Baugruppen Komparator, Adressenzähler, Festwertspeicher
und Digital/ Analog-Wandler, welcher sich in dieser Konfiguration (mit einer Schaltungsänderung
in gleicher Weise sender- und empfängerseitig verwenden läßt. Im Senderteil vergleicht
der Komparator das analoge Eingangssignal mit dem rückgewandelten Signal als Referenzsignal.
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Der Adressenzähler zählt die Amplitudenschritte, die sich aus der
Verknüpfung von Systemtakt und Komparator-Ausgangssignal ergeben. Er adressiert
den jeweils zugehörigen adaptiven Amplituden-Schritt im Festwertspeicher. Je nach
gewähltem Codierverfahren ergeben sich geringfügige Unterschiede in der Zähleransteuerung.
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Der Festwertspeicher enthält die Information zur Erzeugung der adaptiven
Modulatorcharakteristik. Er ist mit einem Latch beschaltet, in welchem der digitale
Wert des momentanen Referenzsignals gespeichert wird. Dieser Digitalwert dient einerseits
zur partiellen Adressierung des Festwertspeichers, andererseits wird er dem Digital/Analog-Wandler
im Rückkopplungszweig zugeführt.
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Beim Betrieb als Modulator liegt der Eingang am Eingang des Komparators,
der Ausgang des Komparators ist das digitale Signal, welches zur Übertragung gelangt.
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Beim Betrieb als Demodulator wird das digitale Eingangssignal verknüpft
mit dem Systemtakt und an den Eingang des Adressenzählers geführt. Die analoge Ausgangsspannung
wird vom Digital/Analog-Wandler geliefert.
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Durch wenige Gatterfunktionen kann zwischen Betrieb als Modulator
und Demodulator umgeschaltet werden, so daß einheitliche Baugruppen - mit den relsultierenden
Vorteilen der vereinfachten Herstellbarkeit und der verringerten Lagerhaltung -
benutzt werden können. Geräte, die einen Halbduplex-Betrieb zulassen, benötigen
den betreffenden Baustein nur jeweils einmal.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens sowie deren Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet bzw. werden bei der nachstehenden Darstellung zusammen mit einer
bevorzugten Ausführung der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. la ein Blockschaltbild
des Senderteils in Prinzipdarstellung, Fig. lb eine Detaildarstellung des Blockschaltbilds
gemäß Fig. la, Fig. 2o ein entsprechendes Prinzipschaltbild des Empfängerteils,
Fig. 2b ein Detail der Schaltung gemäß Fig. 2a in Blockdarstellung und
Fig.
3 ein detailliertes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Delta(de)modulators
zur Anwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Bei dem in Figur la dargestellten Ausführungsbeispiel wird das von
einer Kamera 1 aufgenommene Bild einem Analog/Digital-Wandler zugeführt, dessen
Ausgangsignal in einem Bildspeicher periodisch festgehalten wird, so daß einerseits
eine Anpassung an die Bildwechselfrequenz der Kamera erfolgt andererseits jeweils
ein vollständiges Bild für den an dem Bildspeicher angeschlossenen Digital/Analog-Wandler
zur Verfügung steht. Die aus den Bausteinen 2, 3 und 4 bestehende Baugruppe ist
handelsüblich und mit elektronischen Speichern ausgerüstet.
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Das Ausgangsignal des Digital/Analog-Wandlers 4 wird einem Tiefpaß-Filter
5 zugeführt, mit dem die hochfrequenten Anteile des aufgenommenen Bildes beschnitten
werden. Dieses Tiefpaß-Filter kann gegebenenfalls auch direkt hinter der Kamera
1 vorgesehen sein, so daß der Bildspeicher 3 mit verringerter Speicherkapazität
betrieben werden kann. Das Tiefpaßfilter 5 weist eine Grenzfrequenz auf, die im
wesentlichen etwa einem Sechstel der zu übertragenen Bitrate entspricht.
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Dem Tiefpaßfilter nachgeschaltet ist ein adaptive Deltacodierer 6,
dessen Einzelheiten in Figur lb wiedergegeben sind.
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Der in Fig lb dargestellte adaptive Deltacodierer weist einen Komparator
61 auf, dem das Eingangssignal zugeführt
wird. Das Ausgangssignal
des Komparators 61 ist weiterhin abhängig von einem weiteren innerhalb des Deltacodierers
erzeugten Signal, das dem Eingangsignal mittels des Komparators zugesetzt wird.
Dazu steuert das Ausgangssignal des Komparators 61 einen Zähler 62, der einen Festwertspeicher
(ROM) 63 adressiert. Einen Teil der Adressierung des ROMs wird durch den Inhalt
des adressierten Speicherplatzes selbst jeweils für die nächste Adresse bewirkt,
wie es durch den unteren, den Festwertspeicher 63 umschließenden Doppelpfeil angedeutet
ist. Die Zählrichtung und die Schrittweite des Zählers wird durch das Ausgangssignal
des Komparators bestimmt, was in Figur lb nicht näher dargestellt ist.
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Bei dem in Figur 2a dargestellten prinzipiellen Blockschaltild des
Empfängers wird das Eingangssignal einem adaptiven Deltacodierer 6' zugeführt, welcher
in Figur 2b näher dargestellt ist. Das Ausgangssignal des Deltacodierers gelangt
zum Eingang eines Tiefpaßfilters 7, welches in seiner Auslegung den Tiefpaßfilter
5 in Figur la entspricht. Das gefilterte Signal wird dem Eingang eines Analog/Signal-Wandlers
8 zugeführt, wobei das digitalisierte Signal zu einem Bildspeicher 9 gelangt, dessen
Ausgangssignal mittels Digital/Analog-Wandlers 10 erneut in ein analoges Signal
überführt wird und auf einem Monitor 11 darstellbar ist.
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Der in Figur 2b dargestellte adaptive Delta-Decodierer 6' entspricht
in seinem Aufbau im wesentlichen dem in Figur lb wiedergegebenen Codierer, wobei
jedoch das Eingangssignal direkt zur Steuerung des Zählers 62 benutzt wird
und
der Komparator 61 ohne Funktion ist. Die Zählrichtung und Schrittweite bzw. das
Rücksetzen des Zählers 62 wird jetzt allein durch das Eingangssignal bestimmt, wobei
durch das Ausgangssignal des Zählers wiederum der Festwertspeicher 63 adressiert
wird, der mit einem Teil des Dateninhalts des adressierten Speicherplatzes sich
selbst adressiert, so daß die nachfolgende Adresse von Inhalt des zuvor ausgelesenen
Speicherplatzes abhängig ist.
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Der Bildspeicher 9 dient zur Anpassung der erforderlichen Übertragungsrate
des Bildeingangssignals an den verwendeten Monitor. Hat dieser Monitor selbständige
Speicherfähigkeit oder ist er digital ansteuerbar, so kann ihm auch direkt das Ausgangssignal
des Tiefpaßfilters 7 bzw. des Analog/Digital-Wandlers 8 zugeführt werden.
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Der übrige Teil des Inhalts des adressierten Speicherplatzes gelangt
über einen Digital/Analog-Wandler in analoger Form zum Ausgang.
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In Figur 3 ist ein detaillierteres Schaltbild des Delta-(De-)Codierers
gemäß Figuren lb und 2b wiedergegeben.
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Der Komparator 61, dem an seinem positiven Eingang das Eingangssignal
für den Senderbetrieb zugeleitet wird, ist an seinem Ausgang mit dem einen Eingang
eines Umschalters 65 verbunden, wobei beim Betrieb als Empfänger das Empfängereingangssignal
statt des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 61 dem D-Eingang eines Flip-Flops
66 zugeführt wird. Dieses Flip-Flop hält also das Vorzeichen des Ausgangssignals
des Operationsverstärkers 61 fest und
ändert seinen Ausgangszustand
jeweils mit der positiven Flanke des Taktsignals.
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Das Ausgangssignal des Flip-Flop 66 steuert eine Adressenleitung All
des ROMs 63 an, so daß die Speicherplatzadressierung in Abhängigkeit vom Vorzeichen
des Ausgangssignals von 61 vorgenommen wird. Weiterhin gelangt das Ausgangssignal
des Flip-Flops 66 an den D-Eingang eines weiteren Flip-Flops 67, dessen Takteingang
ebenfalls mit der gemeinsamen Taktleitung verbunden ist. Die Ausgangssignale der
beiden Flip-Flops 66 und 67 sind über ein UND-Gatter 68 mit dem Rücksetzeingang
des Zählers 62 verbunden, dessen Ausgänge an drei weitere Adressenleitungen des
ROMs 63 angeschlossen sind.
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Der Takteingang des Zählers 62 ist gleichfalls an die gemeinsame Taktleitung
angeschlossen. Liegt also während des zweiten Taktes am Ausgang des Operationsverstärkers
61 immer noch ein Signal gleichen Vorzeichens an, so wird der Zähler 62 zurückgesetzt
und damit die Adressierung der Speicherplätze des ROMs wieder den Ausgangszustand
des Zählers verändern. Das Ausgangssignal des ROMs 63 bei den jeweils adressierten
Speicherplätzen wird synchron mit den Taktsignal
'. |
in ei~nën Watch 69 überfühtt |
wobei der jeweils zum vorhergehenden Taktzyklus im Latch befindlicher Wert ebenfalls
acht Adressenleitungen des ROMs 63 adressiert.
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Mindestens ein Teil der im Latch 69 befindlichen Werte wird über den
Digital/Analog-Wandler 64 dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 61
zugeführt.
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Die im Coder und Decoderbetrieb jeweils benutzten Ein- und Ausgänge
sind aus Figur 3 ersichtlich:
Das Eingangssignal des Coders wird
dem Eingang des Komparators 61 zugeführt, während das Ausgangssignal (Null oder
Eins) am Ausgang des Flip-Flops 66 ansteht. Im Decoderbetrieb befindet sich der
Schalter 65 in der dargestellten Position, in der er den Decodereingang direkt mit
dem D-Eingang des Flip-Flops 66 verbindet. Das Ausgangssignal ist in diesem Fall
am Ausgang des Digital/Analog-Wandlers 64 entnehmbar.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend
angegebene Beispiel. Vielmehr sind eine Vielzahl von Varianten denkbar, welche von
der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch
machen. Insbesondere beschränkt sich die Ausführung nicht auf die Realisierung mit
diskreten logischen Baugruppen, sondern läßt sich vorteilhaft auch mit programmierter
Logik - insbesondere unter Verwendung eines Mikroprozessors - realisieren.