Table Of ContentNachrichtentechnik
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
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© Springer·Verlag Berlin, Heidelberg 1983
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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
