Bildkommunikation: Grundlagen und Technik der analogen und digitalen Übertragung von Fest- und Bewegtbildern PDF
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Nachrichtentechnik Herausgegeben von H. Marko Band 11 Helmut Schonfelder Bildkommunikation Grundlagen und Technik der analogen und digitalen Ubertragung von Fest- und Bewegtbildem Mit 124 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1983 Dr.-Ing. HELMUT SCHONFELDER Professor, Institut fUr Nachrichtentechnik Technische Universitiit Braunschweig Dr.-Ing. HANS MARKO Professor, Lehrstuhl fUr Nachrichtentechnik Technische Universitiit Miinchen CIP·Kurztitelaufnahme der Deutscllen Bibliothek Schilnfelder, Helmut: Bildkommunikation: Grundlagen u. Technik d. analogen u. digitalen Obertr. von Fest· u. Beweglbildem 1 H. Schilnfelder. - Berlin; Heidelberg; New York: Springer, 1983. (Nachrichtentechnik; Bd. 11) ISBN-13:978-3-540-12214-2 e-ISBN-13:978-3-642-82005-2 DOl: 10.1007/978-3-642-82005-2 NE:GT Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nach· druckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ahnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Die Vergiitungsanspriiche des § 54, Abs. 2 UrhG werden durch die .Verwertungsgesellschaft Wort", Miinchen, wahr· genommen. © Springer·Verlag Berlin, Heidelberg 1983 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zur Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen· und Markenschutz· Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und dahervonjederrnann benutzt werden diirften. 2362/3020 • 5 4 3 2 1 0 Zur Buchreihe "Nachrichtentechnik" Die Nachrichten- oder Informationstechnik befindet sich seit vie len Jahrzehnten in einer stetigen, oft sogar stlirmisch verlaufenden Ent wicklung, deren Ende nicht abzusehen ist. Durch die Fortschritte der Technologie wurden ebenso wie durch die Verbesserung der theoretischen Methoden nicht nur die vorhandenen Anwendungsgebiete ausgeweitet und den sich andernden ErforQernissen angepaBt, sondern auch neue Anwen dunqsgebiete ersch,lossen. Zu den klassischen Aufgaben der Nachrichtenlibertragung und Nachrich benvermittlunq sind die Nachrichtenverarbeitung und die Datenverarbei tung hinzugekommen, die viele Gebiete des beruflichen sowie des priva ten Lebens in zunehmendem MaBe verandern. Die Bedlirfnisse und Moglich keiten der Raumfahrt haben gleichermaBen neue Perspektiven eroffnet wie die verschiedenen Alternativen zur Realisierung breitbandiger Kom mupikationsnetze. Neben die analoge ist die digitale Ubertragungstech nik, ,neben die klassische Text-, Sprach- und Bildlibertragung ist die Datenlibertragung ge'treten. Die Nachrichtenvermittlung im Raumvielfach wurde durch die elektronische zeitmultiplexe Vermittlungstechnik er ganzt. Satelliten- und Glasfasertechnik haben zu neuen Ubertragungsme dien geflihrt. Die Realisierung nachrichtentechnischer Schaltungen und Systeme ist durch den Einsatz des Elektronenrechners und die digitale Schaltungstechnik erheblich verbessert und erweitert worden. Die schnelle Entwicklung der Halbleitertechnologie zu immer hoheren Integrationsgra den erschlieBt neue Anwendungsgebiete besonders auf dem Gebiet der digi talen Technik. Die Buchreihe "Nachrichtentechnik" tragt dieser Entwicklung Rechnung und bietet eine zeitgemaBe Darstellung der wichtigsten Themen der Nach Lichtentechnik an. Die einzelnen Bande werden von Fachleuten geschrie ben, die auf dem jeweiligen Gebiet kompetent sind. Jedes Buch solI in ein bestimmtes Teilgebiet einflihren, die wesentlichen heute bekannten VI Ergebnisse darstellen und eine Briicke zur weiterfiihrenden Speziallite ratur bilden. Dadurch soll es sowohl dem Studierenden bei der Einarbei tung in die jeweilige Thematik als auch dem im Beruf stehenden Ingenieur oder Physiker als Grundlagen- oder Nachschlagewerk dienen. Die einzelnen Bande sind in sich abgeschlossen, erganzen einander jedoch innerhalb der Reihe. Damit ist eine gewisse liberschneidung unvermeidlich, ja sogar er forderlich. Die derzeitige Planung der Reihe umfaBt die mathematischen Grundla gen, die Baugruppen und Systeme sowie die Technik der Signalverarbei tung und Signaliibertragung. Eine Erganzung bildet die MeBtechnik. Das folgende Schema zeigt den heutigen Stand der Reihe unter EinschluB der demnachst erscheinenden Bande. Mathematische Band 1 : Methoden der Systemtheorie (H. Marko) Grundlagen Band 4 : Numerische Berechnung linearer Netzwerke und Systeme (H. Kremer) Band 7 : Einfiihrung in die Theorie linearer zeit- diskreter Systeme und Netzwerke (R. Liicker) Geplant: Anwendungsbeispiele zur Systemtheorie Geplant: Mehrdimensionale Systemtheorie Geplant: Kanalcodierung Baugruppen Band 3 : Bau hybrider Mikroschaltungen (E. Liider) und Systeme Band 8 : Nichtlineare Schaltungen (R. Elsner) Geplant: Transistorverstarker Signal- Band 5 : ProzeBrechentechnik (G. Farber) verarbeitung Geplant: Analoge Bildverarbeitung Geplant: Digitale Bildverarbeitung Signal- Band 2 : Fernwirktechnik der Raumfahrt (P. Hartl) iibertragung Band 6 : Nachrichteniibertragung iiber Satelliten (E. Herter, H. Rupp) Geplant: Millimeterwellen Band 11 : Bildkommunikation (H. Sch6nfelder) Geplant: Lichtwellenleiter Geplant: Optimierung digitaler libertragungssysteme Erganzungen Band 9 : Nachrichten-MeBtechnik (E.Schuon, H. Wolf) VII Herausgeber und Verlag danken fur alle Anregungen zur weiteren Ausge staltung dieser Reihe. Die freundliche Aufnahrne in der Fachwelt hat die Richtigkeit der Idee, das sich schnell entwickelnde Gebiet der Nachrichtentechnik oder Inforrnationstechnik in einer Buchreihe darzu stellen, bestatigt. Munchen, irn Winter 1982/83 H. Marko Vorwort Durch die Ubermittlung von Bildern laBt sich die Kommunikationswirkung einer Nachrichtenverbindung wesentlich steigern. In den letzten 10 Jah ren hat daher die Bedeutung der Bildkommunikation erheblich zugenommen. Dies wurde aber auch begtinstigt durch die eindrucksvolle Weiterentwick lung der Breitband-Ubertragungstechnik (~ikrowellen- und Glasfasertech nologie) und besonders durch das sttirmische Vordringen der Mikroelek tronik, die zu einer digitalen Nachrichtentibertragung und Nachrichten verarbeitung (mit den Methoden der Datenverarbeitung) geradezu heraus fordert, so daB diese beiden klassischen Teilgebiete der Nachrichten technik inzwischen zu einer umfassenden Kommunikationstechnik zusammen wachsen konnten. Besonders auffallig ist diese Entwicklung zu einem umfassenden Kommuni kationssystem in der Fernsprechtechnik, die sich in den letzten Jahren zu einer Telekommunikationstechnik erweitert hat. Zum konventionellen FernsprechanschluB kommen bei der modernen Btirokommunikation ein effek tiverer Btirofernschreiber, vor allem aber Kommunikationseinrichtungen ftir Festbilder hinzu. Graphik und Schrift konnen dabei papiergebunden mit Fernkopierern tibertragen und bildschirmgebunden auf einem Fernseh empfanger (Bildschirmtext) wiedergegeben werden. Angestrebt wird eine gemeinsame 'Ubertragung all dieser Dienste tiber ein diensteintegrieren des Digitalnetz (ISDN). Man erkennt, daB durch solche Entwicklungen die Festbildtibertragung ein integrierter Bestandteil der allgemeinen Kommu nikationstechnik zu werden beginnt, wie dies von der KtK (Kommission ftir den Ausbau des technischen Kommunikationssystems) in ihrem 1976 er schienenen AbschluBbericht mehrfach empfohlen und vorausgesagt worden war. In zunehmendem MaBe gilt das auch ftir die Bewegtbildsysteme, die zuktinf t~g tiber den Schmalband-Bildfernsprecher Eingang in die Telekommunikati on finden und - in der tiblichen Breitband-Fernsehnorm - tiber die Glasfa- Vorwort IX sernetze Bestandteil einer Breitband-ISDN-Technik werden. Es wurden dazu 1981 zwei wichtige Impulse gegeben, die diese Entwicklung beglinstigt ha ben: Die Deutsche Bundespost gab einen Glasfaser-GroBversuch flir den Ortsnetzbereich - das sogenannte BIGFON - in Auf trag, und die internati onalen Rundfunkgremien konnten sich auf eine digitale Fernsehnorm eini gen. Damit sind die Voraussetzungen flir eine zukunftsorientierte digita Ie verarbeitung und Breitband-Verteilung bis zum Teilnehmer mit einer erheblich verbesserten Bildqualitat geschaffen. Es ist deshalb ein geeigneter Zeitpunkt, die Grundprinzipien dieser nun wesentlich erweiterten Anwendung der Bildkommunikation in einem Lehr buch zusammenzufassen. Der digitalen Ubertragungs- und Verarbeitungs technik flir Fest- und Bewegtbilder wird - den geschilderten Zukunftsas pekten der Bildkommunikation gemaB - ein breiter Raum gewahrt. Eigene Erfahrungen aus 13 Jahren Lehrtatigkeit an der TU Braunschweig haben jedoch gezeigt, daB eine nur auf die Telekommunikation bezogene Lehre der analogen und digitalen Bildlibertragung nicht das notige Rlistzeug flir die Planung oder Beurteilung solcher Ubertragungsanlagen vermittelt. Es ist vielmehr an der Zeit, die klassische Fernsehtechnikvorlesung -also die Lehre von der Bildaufnahme, Signalkorrektur, Farbfernsehco dierung, Analoglibertragung und Farbbildwiedergabe - mit der Behandlung moderner digitaler Bild-Kommunikationsverfahren zusammenwachsen zu las sen. Dies ist umso wichtiger, als gerade in den letzten 5 Jahren Diskussionen aufgekommen sind, wie man die Qualitat des bestehenden Fernsehsystems durch den Einsatz moderner Methoden der digitalen Signalverarbeitung verbessern konnte. In diesem Zusammenhang wurden auch die klassischen Methoden der Bildfeldzerlegung im Lichte moderner Abtasttheorien be leuchtet und dabei wesentliche Erkenntnisse flir die Qualitatsverbesse rung gefunden. Eine ganz entscheidende Qualitatssteigerung bringt selb& verstandlich der Ubergang auf eine Hochzeilentechnik (HDTV). AIle diese Fragen werden im vorliegenden Buch eingehend behandelt, ohne allerdings auf die ingenieurmaBigen Losungen all zu tief einzugehen, was den Rahmen des Buches sprengen wlirde. Es erweist sich hingegen als sehr nlitzlich flir die Uberlegungen zur verbesserung des Qualitatsstandards, die klas sischen Grundlagen der Bildlibertragung noch einmal geschlossen darzu stellen, damit sie mit den modernen Erkenntnissen der allgemeinen Bild kommunikation in einem gemeinsamen Werk vereinigt werden konnten. x Vorwort Dieses Buch hatte nicht entstehen konnen ohne die groBe Unterstutzung meiner beiden Mitarbeiterinnen, Frau Schalla und Frau Rottger, die den Text und die Zeichnungen fur die Druckvorlagen auBerordentlich sorgfal tig erstellt haben. Ihnen gilt mein ganz besonderer Dank. Zu danken ha be ich weiterhin meinen Wissenschaftlichen Mitarbeitern der Abteilung Fernsehtechnik und Bildubertragung im Institut fur Nachrichtentechnik der TU Braunschweig - insbesondere den Diplom-Ingenieuren Buchwald, Jacobsen, Johansen und Wendler - sowie den Herren Dr. Reimers und Dr. Brand fur wertvolle Diskussionen im Rahmen lpngjahriger Forschungsarbei ten, deren Ergebnisse in einigen Kapiteln dieses Buches ihren Nieder schlag fanden. Es sei schlieBlich den Firmen Robert Bosch GmbH, Ge schaftsbereich Fernsehanlagen in Darmstadt, Dr.-Ing. Rudolf Hell in Kiel und Siemens AG in Munchen fur die Uberlassung von vorlagen fur die Bil der 39, 45, 103, 109, 116 gedankt, Nicht vergessen sei noch ein Dank an den Verlag und den Herausgeber fur ihre Geduld bei der langerfristigen Erstellung des Manuskriptes. Das Buch hat sich vorgenommen, die Brucke zwischen der klassischen Fern sehtechnik, wie sie seit vielen Jahren an einigen ingenieurwissenschaft lichen Hochschulen in Nebenfachern gelehrt wird, und der modernen Bild kommunikation zu schlagen. Es sind dabei eigene Vorlesungserfahrungen und Forschungsergebnisse aus beiden Gebieten eingeflossen. Damit durfte der Stoff fur die Studierenden der Nachrichten- bzw. Kommunikationstech nik in den hoheren Semestern an Hoch- und Fachhochschulen, aber auch fUr den in der Praxistatigen Fernseh- oder Telekommunikations-Ingenieur gleichermaBen interessant sein. Braunschweig, im November 1982 H. Schonfelder Inhaltsverzeichnis 1. Elektrooptische Wandlung ........................................... 1 1.1 Quantisierung der Bildinformation .............................. 2 1.2 Erflillung des Abtasttheorems ................................... 4 1 .3 Bildfeldzerlegung ............•......................•.•........ 8 1.3.1 Anpassung an die visuelle Auf16sung (Irrelevanzreduktion) .................................... 8 1.3.1.1 Zeitabh~ngige Quantisierung ..•................... 8 1.3.1.2 Ortsabh~ngige Quantisierung ..................... 10 1.3.2 Parameterreduktion durch Frequenzmultiplextechnik ....... 13 1.3.3 Parameterreduktion durch Zeitmultiplextechnik (Abtastung) ............................................. 14 1.3.4 Bandbreite .............................................. 16 1.3.4.1 Austastlticken ................................... 17 1.3.4.2 Kell-Faktor ................•..........•......... 18 1.3.5 Rastererzeugung .......•................................. 20 1.3.5.·1 Synchronisierung ....••.••.............•......... 20 1.3.5.2 Zwischenzeilen-Verfahren ........................ 22 1.3.6 Frequenzspektrum des Fersehsignals .....•................ 26 1 .3.7 Aperturfehler und ihre Korrektur ........................ 32 1.3.8 Definition der Bildsch~rfe .............................. 42 1.4 Bild~ufnahme~Sensoren ......................................... 49 1.4.1 Bildaufnahmer6hre mit Halbleiterfotoschicht ............. 50 1 .4.2 Spe icherr6hre ........................................... 54 1 .4.3 Halblei ter-Zeile ........................................ 56 1.4.4 CCD/CID-Fl~chensensor ................................... 59 2. Farbfernseh-Aufnahme und -Wiedergabe .............................. 6 7 2.1 Farbmischkurven ............................................... 6 9 2.2 Matrix-Korrekturen ...........•.............•.................. 75 2.3 Dreir6hren-Farbkamera ......................................... 77 2.4 Einr6hren- und Zweir6hrenkameras .............................. 79 2.4.1 L6sungswege flir eine Kompaktkamera ...................... 79
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