DE69111650T2 - Flexibles Übertragungsverfahren von Bildsequenzen zu mobilen Stationen und entsprechender Empfänger. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft die Übertragung digitaler Bildfolgen, insbesondere von Fernsehsignalen, zu bewegten Empfängern.
• Die Erfindung betrifft insbesondere die Übertragung digitaler Bilder einerseits zu langsam bewegten Empfängern, die eine hohe Empfangsqualität der Bilder erfordern, und andererseits zu schnell bewegten Empfängern.
• Unter beweglichen Empfängern versteht man jede Art von Empfängern, die bewegt werden können, vom tragbaren Hausfernseher zum Empfänger, der in einem Fahrzeug mitgeführt wird.
• Eine weitere Anwendung der Erfindung ist die Anpassung des empfangenen Signals an die Art des Empfängers, genauer an die Bildschirm breite dieser Empfänger.
• Es sind mehrere Übertragungssysteme für digitale Daten bekannt, die auf das digitale Fernsehen anwendbar sind.
• Da es keinen Übertragungskanal gibt, der einen Durchsatz zuläßt der mit dem für die Übertragung von in Realzeit gesendeten Bildern übereinstimmt, umfassen diese Systeme Mittel zur Durchsatzverringerung von zu übertragenden Signalen, insbesondere durch Ausnutzung der in Bilderfolgen vorhandenen Redundanzen.
• Dieses System ermöglicht den Empfang von Bildern guter Qualität in feststehenden Empfängern. In beweglichen Decodern kann es jedoch keinen zuverlässigen Empfang gewährleisten. Dies ist so, weil bewegliche Empfänger einer Vielzahl von Zwängen unterworfen sind, einerseits aufgrund des durch die Bewegung verursachten Dopplereffekts, andererseits aufgrund der Mehrfachausbreitungseffekte, welche Fadingprobleme verursachen sowie der verzerrenden Störungen, die insbesondere im städtischen Bereich vorhanden sind. Man muß deshalb stärkere Kodiertechniken anwenden, was sich selbstverständlich durch einen Durchsatzverlust bemerkbar macht. Unter den derzeitigen Bedingungen reichen die möglichen Durchsätze nicht aus, um eine zufriedenstellende Realzeitübertragung von Digitalbildern zu beweglichen Empfängern zu gewährleisten.
• Zweck der Erfindung ist es, diesem Nachteil entgegenzuwirken.
• Genauer gesagt hat die Erfindung den Zweck, ein Verfahren für die Übertragung von digitalen Bildsignalen bereitzustellen, das einen optimalen Empfang in beweglichen Empfängern gewährleistet, unabhängig von der Bewegungsgeschwindikeit.
• Es ist andererseits wahrscheinlich, daß die Anwendung von beweglichen Fernsehempfängern unter einer großen Vielzahl von visuellen Bedingungen stattfinden wird. Genauer gesagt kann man davon ausgehen, daß die beweglichen Empfänger Bildschirmgrößen aufweisen werden, die von der Armbanduhr bis zum tragbaren PC-Bildschirm gehen werden. Der Zuschauer wird, je nach Fall, sehr nahe am Bildschirm oder weit entfernt davon sein. Der Empfänger wird mehr oder weniger aufwendige Verarbeitungsmöglichkeiten aufweisen. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Empfängers wird vom Fußmarsch bis zur Geschwindigkeit interkontinentaler Transportraketen variieren.
• Deshalb besteht der Kerngedanke der Erfindung ebenfalls in der Ausarbeitung eines Verfahrens für die Übertragung von Bilddaten, wobei mehrere Bildqualitätsniveaus gesendet werden, die selektiv "wiedergewonnen" werden können und vom Empfänger in Abhängigkeit der Empfangs- und Sichtbedingungen angewandt werden.
• Gegebenenfalls ist die Fähigkeit des Empfängers zur Verwendung des einen oder anderen Teils der übertragenen Daten entweder endgültig durch die Bauart des Gerätes festgelegt oder sie ist adaptativ, in Abhängigkeit von den Empfangskonfigurationen.
• Ein Zweck der Erfindung ist ebenfalls die Bereitstellung von Aufnahmemöglichkeiten für Digitalbilder in bewegten Gegenständen mit mindestens zwei Qualitätsniveaus, abhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit.
• Die Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen dargestellt.
• In dieser Weise ermöglicht die Diskriminierung innerhalb der Daten mehrerer Datensätze eine selektive Nutzung eines oder mehrerer dieser Datensätze im Empfänger, abhängig von den Empfangs- und Sichtbedigungen.
• Man nutzt andererseits die Robustheit dieser Übertragungsart durch orthogonalen Trägerfrequenzmultiplex (beispielsweise die COFDM genannte Technik), von der man feststellt, daß sie mit dem Prinzip der Diskriminierung mehrerer Datensätze im Ursprungssignal kompatibel ist, aufgrund der Unabhängigkeit der Trägerfrequenzen, aus denen das Multiplex besteht.
• Vorteilhafterweise erfolgt die Verteilung der Bilddatenelemente über verschiedene Datensätze nach einem Kriterium psychovisueller Bedeutung.
• Andererseits verfügen, in einer bevorzugten Ausführung, die Empfänger über Mittel zur selektiven Berücksichtigung eines oder mehrerer des (der) Datenelementsatzes (-sätze), als Funktion von mindestens einem der Kriterien aus der Gruppe, welche die Größe und/oder die Auflösung des Empfangsbildschirms umfaßt sowie der Kapazität und/oder der Geschwindigkeit der Datenverarbeitung im Empfänger.
• Andererseits ist es bei gewissen Ausführungsarten vorteilhaft, daß der Empfänger über adaptative Auswahlmittel der Datenelementsätze verfügt, die zur Wiederherstellung der Bilder angewandt werden, insbesondere als Funktion der Geschwindigkeit des bewegten Objektes und/oder des Signal/Rausch-Verhältnisses des Übertragungskanals.
• Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung einer besonderen Ausführungsart, die zur Veranschaulichung und ohne einschränkende Absicht gegeben wird, sowie beim Studieren der Figuren im Anhang, bei denen:
• - Figur 1 ein Übersichtsdiagramm eines Senders nach dem Verfahren der Erfindung darstellt, für den Fall einer Verteilung der zu übertragenden Datensätze über zwei verschiedene Sätze;
• - Figur 2 ein Übersichtsdiagramm eines Empfängers für digitale Bildsignale darstellt, die vom Sender der Figur 1 gesendet werden, der nur einen Satz von Datenelementen nutzt;
• - Figur 3 ein Übersichtsdiagramm eines Empfängers für digitale Bildsignale darstellt, die vom Sender der Figur 1 gesendet werden, der die Gesamtheit der gesendeten Daten nutzt.
• Ausgehend von der doppelten Feststellung, daß einerseits die Bildschirme beweglicher Fernsehempfänger einen sehr weiten Größenbereich umfassen und daher nicht alle dieselbe Bildauflösung erfordern und andererseits die Empfangsbedingungen, unter denen die Empfänger angewandt werden, sehr verschieden sind, insbesondere bezüglich der Bewegungsgeschwindigkeit, schlägt die Erfindung ein Verfahren vor, um einen den verschiedenen möglichen Fällen angepaßten Empfang zu gewährleisten.
• Zu diesem Zweck werden die zu übertragenden Daten in mindestens zwei verschiedene Datensätze aufgeteilt. Figur 1 stellt ein allgemeines Übersichtsdiagramm eines Senders nach dem Verfahren der Erfindung dar, für den Fall der Verteilung über zwei Datensätze J1 und J2. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf diesen Fall begrenzt ist und daß es möglich ist, in derselben Art eine größere Zahl von Datensätzen zu verarbeiten.
• Die Datensätze 10 werden einem Bildkodiermodul 11 unterworfen, dessen Zweck die Verringerung des Durchsatzes der zu sendenden Daten ist. Dieses Modul 11 bewitkt insbesondere eine Kompaktierung der Information, beispielsweise durch Nutzung der im Bilde oder in der Bildfolge vorhandenen Redundanzen, ferner quantifiziert es die kompaktierten Daten und ordnet jedem quantifizierten Wert ein Codewort zu.
• Diese Vorgänge sind klassisch für das Kodieren von Bildern. Es sind viele Verfahren bekannt, um sie umzusetzen.
• Die aus dem Kodiermodul 11 kommenden Datensätze 12 werden dann in zwei Datensätze J1 und J2 durch ein Verteilungsmodul 13 aufgeteilt.
• Vorteilhafterweise erfolgt diese Aufteilung nach einem psychovisuellen Kriterium. In diesem Falle umfaßt der Datensatz J1 hauptsächlich Basisdaten, die das Wiederherstellen eines Bildes akzeptabler Qualität ermöglichen und der zweite Datensatz J2 zusätzliche Daten, die ein Verfeinern der mit dem alleinigen Datensatz J1 wiedergewonnenen Bilder ermöglichen.
• Beide Datensätze J1 und J2 werden danach durch einen Coder vom COFDM-Typ multiplexiert und gesendet. Diese zwei Datensätze können auch durch jedes beliebige andere bekannte Verfahren multiplexiert und gesendet werden, insbesondere mittels einer einzigen Trägerfrequenz.
• Die COFDM-Kodierung (Coding Ortogonal Frequency Division Multiplex - Multiplexieren kodierter othogonaler Frequenzen), wie in den französischen Patentanträgen 8609622 vom 2. Juli 1986 und 86 13271 vom 23. September 1986 beschrieben, die im Namen des französischen Staates und der Télédiffusion de France eingereicht wurden, wurde bereits für die digitale Rundfunkübertragung zu beweglichen Empfängern angewandt.
• Dieses digitale Sendesystem basiert auf der gemeinsamen Anwendung einer Kanalkodiervorrichtung und eines Modulationsverfahrens durch Mutliplexieren der orthogonalen Frequenzen.
• Das eigentliche Modulationsverfahren dieses bekannten Systems ermöglicht es, sich von den Problemen zu befreien, die mit der Frequenzselektivität des Kanals zusammenhängen. Es besteht darin, die Verteilung digitaler Elemente, die Bestandteile des Datensignals sind, im Frequenz f - Zeit t - Raum sicherzustellen und gleichzeitig Sätze digitaler Datenelemente über N parallele Sendeleitungen mittels eines Frequenzmultiplexes zu senden, das orthogonale Trägerfrequenzen anwendet. Diese Art der Modulation erlaubt es insbesondere zu vermeiden, daß zwei aufeinanderfolgende Elemente der Datenfolge mit derselben Frequenz gesendet werden.
• Das bekannte Kodierungsverfahren zielt insgesamt darauf, die Verarbeitung der aus dem Demodulator kommenden abgetasteten Daten zu ermöglichen, um den Effekt der durch den Rayleigh-Prozeß hervorgerufenen Amplitudenvariationen des empfangenen Signals zu absorbieren. Vorteilhafterweise ist die Kodierung von der faltenden Art, eventuell mit einer Kodierung vom Reed-Solomon-Typ verbunden. Vorteilhafterweise kann die Dekodierung vom rauscharmen Viterbi-Typ sein.
• Bekannterweise sind die kodierten digitalen Elemente außerdem nach Zeit und Frequenz überlappend versetzt, um die statistische Unabhängigkeit der abgetasteten Elemente gegenüber dem Rayleigh-Prozeß und dem selektiven Charakter des Kanals zu maximieren.
• Dieses System ermöglicht somit das Senden digitaler Signale über mehrfach belegte Kanäle, deren Charakteristiken mit der Zeit variieren. Es ermöglicht insbesondere den Empfang von digitalen Daten in bewegten Objekten im städtischen Bereich unter guten Bedingungen.
• In diesem Falle ist es möglich, jedem der Datensätze J1 und J2 einen besonderen Satz von Trägerfrequenzen zuzuordnen. So verfügen einfache Decoder über Mittel, um die Trägerfrequenzen des alleinigen Satzes zu dekodieren, der dem ersten Datensatz J1 entspricht. Dagegen dekodieren die vollständigen Decoder die Gesamtheit der N Trägerfrequenzen.
• Figur 2 stellt ein Übersichtsdiagramm eines einfachen Empfängers dar, d. h., der nur den Datensatz J1 anwendet. Dieser Typ betrifft hauptsächlich Empfänger mit kleinem Bildschirm und/oder von geringen Herstellungskosten und/oder solche, die bei hohen Geschwindigkeiten angewandt werden und/oder Geräte von begrenzter Verarbeitungskapazität.
• Das empfangene Signal 20 wird demultiplexiert und dekodiert, und zwar in einem klassischen COFDM Decoder 21, der nur die dem Datensatz J1 zugeordneten Trägerfrequenzen demoduliert. Dieser Datensatz J1 ermöglicht die Wiederherstellung von Bildern 23, die auf dem Bildschirm 24 gezeigt werden, in einem Dekodiermodul 22. Diese Bilder sind selbstverständlich von geringerer Qualität als die gesendeten Bilder. Wird jedoch die Aufteilung zwischen den Datensätzen J1 und J2 richtig ausgeführt, insbesondere nach einem psychovisuellen Kriterium, so ist die Qualität der Bilder 23 zufriedenstellend, insbesondere auf einem kleinen Bildschirm.
• Figur 3 stellt ein Übersichtsdiagramm eines kompletten Empfängers dar, der die beiden gesendeten Datensätze J1 und J2 nutzt.
• Ausgehend vom empfangenen Signal 30, führt dieser Empfänger eine COFDM- Kodierung 31 durch, identisch mit der vom Empfänger in Fig. 2 ausgeführten. Diese Dekodierung führt jedoch die Demodulation aller Trägerfrequenzen des Multiplexes durch, wobei die zwei Datensätze J1 und J2 einem Modul 32 zugeführt werden, das die Gesamtheit der Daten 33 zusammenfügt, die das Bild zusammensetzen. Diese Daten 33 ermöglichen es, nach der Dekodierung 34, Bilder 35 von gleichwertiger Qualität wie die, die beim Senden verfügbar waren, auf einen Anzeigebildschirm 36 zu erhalten.
• Diese Trennung in zwei Binärfolgen ermöglicht auch die Definition neuer Mittel zum Speichern von Bildern, insbesondere von der Art der Videoaufzeichnung oder der optischen Platte, mit zwei Qualitätsniveaus. Es ist in der Tat möglich, je nach erforderter Qualität, entweder nur den ersten Datensatz J1 oder beide Datensätze J1 und J2 zu speichern, wobei mehr Speicherplatz verbraucht wird. Anders ausgedrückt können Bilder, bei denen die Qualität unwichtig ist, so gespeichert werden, daß nur die unbedingt erforderliche Information des Datensatzes J1 erhalten bleibt, wodurch der auf dem Datenträger beanspruchte Platz relativ gering ist, während hochqualitative Bilder komplett gespeichert werden.
• Es ist klar, daß die Bilddaten in der gleichen Weise über mehr als zwei Datensätze verteilt werden können, wodurch eine Mehrzahl von Empfängertypen und von Qualitätsniveaus definierbar sind.
• Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der Erfindung ist die Möglichkeit, Empfänger zu definieren, bei denen es möglich ist, die eine oder andere Empfangsart zu wählen, d. h. nur den Datensatz J1 oder beide Datensätze J1 und J2. Diese Wahl kann gegebenenfalls automatisiert werden, beispielsweise als Funktion der Bewegungsgeschwindigkeit.

Claims (5)

1. Verfahren für die Übertragung digitaler Bildfolgen (10) mit zwei Qualitätsebenen zu beweglichen Empfängern, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt

- einmaliges digitales Kodieren (11) eines Quellbildsignals (10), das eine einzige Reihe (12) kodierter Elemente ergibt;

- Verteilung (13) der kodierten Datenelemente, welche die einzige Reihe (12) bilden, über mindestens zwei sich vervollständigende Sätze (J1, J2) kodierter Datenelemente;

- Zuordnung, zu jedem dieser Sätze (J1, J2) kodierter Datenelemente, einer unterschiedlichen Untermenge von Trägerfrequenzen, die aus einem Multiplex orthogonaler Trägerfrequenzen ausgewählt werden, die gleichzeitig in Form eines einzigen gesendeten Signals übertragen werden sollen;

- Modulierung (14) einer jeden dieser Trägerfrequenzen durch kodierte Datenelemente, wobei jedes Unterelement von Trägerfrequenzen kodierte Datenelemente empfängt die dem entsprechenden Satz kodierter Daten angehören;

- Übertragung (14) des Multiplex (20; 30) von Trägerfrequenzen; derart, daß in ersten Empfängern, beispielsweise Kleinbildschirmgeräten, gemäßder folgenden Schritte Bilder von Standardqualität (23) wiedergegeben werden:

- Empfang (21) des Trägerfrequenzenmultiplex (21) und alleinige Demodulierung der Trägerfrequenzen, die einem ersten Satz (J1) kodierter Datenelemente zugeordnet sind;

- alleinige Dekodierung (22) der kodierten Datenelemente, die dem ersten Satz (j1) angehören, um Bilder von Standardqualität (23) auf dem Bildschirm (24) darzustellen;

und, daß in zweiten Empfängern, beispielsweise Geräten mit größerem Bildschirm, gemäß der folgenden Schritte Bilder (35) besserer Qualität wiedergegeben werden:

- Empfang (31) des Trägerfrequenzenmultiplex (30) und Demodulierung der Trägerfrequenzen, die den zwei Sätzen (J1, J2) kodierter Datenelemente zugeordnet sind;

- Zusammenfügung (32) der Sätze (J1, J2) kodierter Datenelemente, um die komplette Reihe (33) kodierter Datenelemente abzugeben;

- alleiniges Dekodieren (34) der vollständigen Reihe (33) kodierter Datenelemente, um Bilder (33) von höherer Qualität (35) auf einem Bildschirm (36) wiederzugeben.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung (13) der Bilddatenelemente (12) in Sätzen (JI , J2) verschiedener Datenelemente nach einem Kriterium psychovisueller Bedeutung erfolgt.

3. Empfänger digitaler Bildfolgen, die nach dem Verfahren aus einem der Ansprüche 1 oder 2 gesendet wurden, dadurch gekennzeichnet, daß er über Mittel zur selektiven Berücksichtigung eines oder mehrerer des (der) Datenelementsatzes (-sätze) (JI, J2) verfügt, als Funktion von mindestens einem der Kriterien aus der Gruppe, welche die Größe und/oder die Auflösung des Empfangsbildschirms umfaßt sowie der Kapazität und/oder der Geschwindigkeit der Datenverarbeitung im Empfänger.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es über adaptative Auswahlmittel der Datenelementsätze (J1, J2) verfügt die zur Wiederherstellung der Bilder angewandt werden, als Funktion der Geschwindigkeit des bewegten Objektes und/oder der Signal/Rausch-Antwort des Übertragungskanals.

5. Empfänger gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß er über Mittel zum Aufzeichnen der digitalen Bildfolgen in mindestens zwei Formen verfügt, wobei jede dieser Aufzeichnungsformen der Aufzeichnung einer verschiedenen Auswahl der Datenelementsätze (J1, J2) entspricht.