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Dokumentenidentifikation DE102005048005A1 12.04.2007
Titel Verfahren zum Übertragen von digitalen Bildern
Anmelder EMT Ingenieurgesellschaft Dipl.-Ing. Hartmut Euer mbH, 82377 Penzberg, DE
Erfinder Euer, Hartmut, Dipl.-Ing., 82393 Iffeldorf, DE;
Wernicke, Joachim, Prof. Dr.-Ing., 14167 Berlin, DE
Vertreter Zeitler, Volpert, Kandlbinder, 80539 München
DE-Anmeldedatum 06.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005048005
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse H04N 7/00(2006.01)A, F, I, 20051006, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H04N 11/08(2006.01)A, L, I, 20051006, B, H, DE   H04N 7/26(2006.01)A, L, I, 20051006, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von digitalen Bildern bzw. von digitalen Daten jeweiliger Bilder, insbesondere hochauflösenden digitalen Bildern, über eine Übertragungsstrecke, insbesondere Funkstrecke, von einem Sender zu einem Empfänger. Hierbei wird senderseitig jedes einzelne digitale Bild in wenigstens ein analoges Videosignal transformiert, das wenigstens eine analoge Videosignal über die Übertragungsstrecke von dem Sender zu dem Empfänger übertragen wird und empfängerseitig das digitale Bild aus dem wenigstens einen übertragenen analogen Videosignal rekonstruiert wird.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von digitalen Bildern bzw. von digitalen Daten jeweiliger Bilder, insbesondere hochauflösende digitale Bilder, über eine Übertragungsstrecke, insbesondere Funkstrecke, von einem Sender zu einem Empfänger, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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).

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.

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 momentaner 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.

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.

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 praktikabel 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.

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.

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 Frequenzmultiplexübertragung 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o.g. Art bezüglich der Übertragungsqualität zu verbessern und gleichzeitig die für die Übertragung erforderlichen Übertragungsgeräte zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Bei einem Verfahren der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass senderseitig jedes einzelne digitale Bild in wenigstens ein analoges Videosignal transformiert 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.

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.

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.

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.

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.

Dadurch, dass die analogen Teilbilder jeweils aus Bildzeilen aus verschiedenen Bereichen des digitalen Bildes zusammengesetzt sind, führen kurzfristige Übertragungsstörung auf der Übertragungsstrecke lediglich zu Störungen innerhalb von Zeilenstücken des digitalen Bildes und somit durch die Verteilung auf das gesamte digitale Bild wenig stören bzw. von einem Betrachter nicht wahrgenommen werden. Zusätzlich ist die Aufteilung auf Zeilen unterschiedlicher Orte des digitalen Bildes eine Verschlüsselung der Übertragung.

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.

Eine verbesserte Störfestigkeit gegen Störungen auf der Übertragungsstrecke erzielt man dadurch, dass jedes analoge Videosignal wenigstens dreimal über die Übertragungsstrecke gesendet wird.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

Alternativ 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.

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.

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.

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.


Anspruch[de]
Verfahren zum Übertragen von digitalen Bildern bzw. von digitalen Daten jeweiliger Bilder, insbesondere hochauflösende digitale Bilder, über eine Übertragungsstrecke, insbesondere Funkstrecke, von einem Sender zu einem Empfänger, dadurch gekennzeichnet, dass senderseitig jedes einzelne digitale Bild in wenigstens ein analoges Videosignal transformiert 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. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass senderseitig jedes digitale Bild in zwei oder mehr analoge Videosignale transformiert wird, die jeweils einem analogen Teilbild des zugehörigen digitalen Bildes entsprechen, und empfängerseitig aus den analogen Videosignalen durch Rücktransformation das digitale Bild wieder zusammen gesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedem analogen Teilbild senderseitig eine elektronisch lesbare Markierung hinzugefügt wird, 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. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung ein streifenförmiges, binär kodiertes Schwarz-Weiß-Muster am Rand des Teilbildes ist. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass senderseitig jedes digitale Bild schachbrettartig in Teilbilder aufgeteilt wird, die jeweils in das analoge Videosignal eines Teilbildes transformiert werden. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die analogen Teilbilder jeweils aus Bildzeilen aus verschiedenen Bereichen des digitalen Bildes zusammengesetzt sind. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine analoge Videosignal ein normgerechtes Videosignal, insbesondere nach dem CCIR-, SECAM-, PAL- oder NTSC-Standard, ist. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes analoge Videosignal wenigstens dreimal über die Übertragungsstrecke gesendet wird. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Bild ein Farbbild ist und jedes analoge Farbvideosignal ein Farbvideosignal ist, wobei das analoge Videosignal farbsequentiell-monochrom übertragen wird. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Farbvideosignal als Folge von monochromen Videosignalen der Farbauszüge Rot, Grün und Blau übertragen wird.






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