Faksimile-Empfang mit Personal-Computern

Dipl.-Ing. Erich H. Franke, DK6II
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Zweiteilige Artikelserie in BEAM 1988

EHF

29.6.2002:
Noch sind die acht Jahre nicht um, aber ich sitze jetzt an meinem 2GHz Rechner mit Megabytes Speicher und Gigabytes Plattenplatz, Netzwerk, Video-Framegrabber und so weiter, lese meinen alten Artikel und bin schon gespannt darauf, was ich in den nächsten acht Jahren an Hardware (und Software) unter meinen Fingern haben werde. Sie auch? Schreiben Sie mir doch ‘mal

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Sei es in kommerziellen Sendestationen oder in den Shacks der Funkamateure, der Computer ist als Bestandteil der Sendeanlagen heute praktisch nicht mehr wegzudenken. Ein gutes Beispiel ist der Einsatz in der Datenkommunikation, vor allem in der Funkbildübertragung, einer Domäne, die bis vor nicht allzulanger Zeit ausschließlich mechanisch bzw. photomechanisch arbeitenden Geräten vorbehalten war. Wir wollen uns in dieser Beitragsserie mit den Möglichkeiten befassen, die moderne Personal-Computer beim Faksimile- und Funkbildempfang bieten.

Die Grundlagen der Bildübertragung über Kurz- und Langwellennetze wurden bereits in vorangegangenen Ausgaben von BEAM beschrieben. Wir brauchen hierauf nicht näher einzugehen. Wohl aber müssen wir uns mit dem Rechner und seinen Peripheriegeräten beschäftigen, da der Bildempfang und die Weiterverarbeitung im Computer vergleichsweise hohe Ansprüche an die verwendeten Geräte und Programme stellt. Wir wollen uns zunächst mit den Eigenheiten des Rechnereinsatzes vertraut machen und uns dann später die notwendigen mathematischen Zusammenhänge herleiten.

Plant man die Entwicklung eines praxisgerechten Faksimileprogramms, so sind eine Reihe von Randbedingungen zu beachten. Da wäre zum einen die rechner-interne Verarbeitungs- geschwindigkeit sowie der zur Verfügung stehende Speicherplatz zu nennen, ein Kriterium, das den Hobby-Computer vom professionell einsetzbaren System unterscheidet. Schauen wir uns zunächst einmal den Speicherbedarf von Fax-Bildern näher an den ein empfangenes Fax-Bild im Speicher des Computers belegt.

Wir müssen hierzu wissen, daß Computer Bildpunkte (engl. 'Pixel', picture element) in Form digitaler Daten speichern. Im Falle eines 'rein graphischen' schwarz/weiß-Bildes genügt in der Regel ein einziges 'Bit' pro Bildpunkt um die Farben schwarz und weiß zu unterscheiden. Im Computer werden jeweils acht dieser Bit in einem sogenannten Byte zusammengefasst.

Um ein brauchbares Bild zu erhalten, muß eine einzelne Bildzeile, im Englischen auch 'scan line' genannt, in ungefähr 1000 Einzelpunkte aufgelöst werden. Wir setzen dabei ein 'Modul' von 288 voraus. Das Modul ist ein Maß, aus dem man die horizontale Punktdichte ableiten kann. Nehmen wir weiterhin an, das Bild habe eine Länge von 2000 Zeilen. Dies ist ein für durchschnittliche Wetterkarten eher kleiner Wert. Wir kommen hierbei auf zwei Millionen einzelner Bildpunkte, was zu einem Speicherbdarf von ca. 244 Kilobyte führt. Ein 'Kilobyte' besteht dabei aus 1024 Byte, einer computerüblichen Größe.

Obiges Beispiel gilt allerdings nur für Graphiken, das hei t reine schwarz- weiße Bilder. Wird die Darstellung von sogenannten 'Halbtonbildern', die Grauwerte oder gar Farben enthalten gewünscht, so erfordert dies ein Vielfaches des Speicherplatzes. In Abhängigkeit von der gewünschten Anzahl der Graustufen oder Farben werden mehrere Bit pro Bildpunkt benötigt, um die Grauwertinformation im Computerspeicher unterzubringen. Für die im Photofax-Betrieb nach CCITT [CCITT] üblichen acht Graustufen werden drei, für die im Satellitenbetrieb (METEOSAT) verfügbaren 64 Graustufen gar 6 Bit pro Bildpunkt benötigt. Mit diesem Wert muß dann die Anzahl der Bildpunkte multipliziert werden, um den effektiven Speicherbedarf zu ermitteln. Wir kommen damit leicht in Bereiche, die kleinere Hobbycomputer speichermä ig nicht oder nur sehr eingeschränkt bearbeiten können.

Hohe Anforderungen werden auch an die Bildschirmeinheit, dem Monitor des Computers gestellt. In jedem Fall sollten hochauflösende Monitore guter Qualität eingesetzt werden, um alle Einzelheiten des empfangenen Faksimile- Bildes scharf darstellen zu können. Für kommerzielle Anforderungen sind Bildschirmgeräte mit Auflösungen von 1000 auf 2000 Bildpunkten, sogenannte 'Ganzseiten-Bildschirme' verfügbar. Geräte dieser Art sind jedoch recht teuer, haben ein gro es Volumen, benötigen eine hohe Leistung. Aufgrund der hohen Pixelrate, die vom Computer beim Bildaufbau sind derartige Systeme bezüglich ihrer hochfrequenten Streustrahlung an Funkanlagen nicht ganz unproblematisch.

Preiswertere Monitore erlauben in der Regel Bildauflösungen im Bereich von 600 Punkten pro Zeile bei einer vertikalen Auflösung von 400 Zeilen. Sie liegen in der Preisklasse von Personal Computern und sind am Markt gut eingeführt. Gänzlich ungeeignet hingegen sind Fernsehmonitore oder andere Billiggeräte, da sie in puncto Bildschärfe und Stabilität häufig un- genügende Resultate bringen.

Wenn wir uns an unser obiges Beispiel von der durchschnittlichen Größe von Fax-Bildern erinnern so sehen wir leicht, daß die Auflösung normaler PC- Monitore in der Regel nicht ausreicht um Bild komplett darzustellen. Gute Fax-Programme erlauben deshalb variable Ausschnittsvergrößerungen. Dies setzt allerdings voraus, daß der Computerspeicher das gesamte Bild aufnehmen kann. Der auf dem Schirm sichtbare Bildausschitt wird dann wie eine Lupe über das gespeicherte Gesamtbild verschoben, um damit alle Einzelheiten sichtbar zu machen. Man nennt diese Funkauch (engl.) 'Panning'. Im Gegensatz zu 'Pan' bedeutet der Begriff 'Zoom' die maßstäbliche Vergrößerung bzw. Verkleinerung von Bildschirmteilen, zum Beispiel, um als übersichtsfunktion das Gesamtbild auf das Schirmformat zu verkleinern.

Wenn wir neben reiner Graphik auch Halbtonbilder, zum Beispiel Photofax- und Satellitenbilder darstellen wollen, so erfordert dies in der Regel Farbtauglichkeit vom Bildschirm. Wir wollen uns später die Möglichkeit der Ausgabe 'analoger' Grauton-Bilder auf reinen Graphikmonitoren ansehen.

Die Mehrzahl der derzeit am Markt verfügbaren Personal Computer erlauben die gleichzeitige Darstellung von sechzehn Farben bzw. Graustufen. Allerdings können diese sechzehn Farben aus einer größeren Zahl von Farbschattierungen, der sogenannten Palette ausgewählt werden. Wir können uns dies in etwa so vorstellen, als hätte der Computer einen größeren Kasten mit Buntstiften zur Verfügung , könne jedoch immer nur mit 16 Stiften gleichzeitig malen.

Die Größe der Palette, d.h. des 'Farbkastens' ist bei verschiedenen Computertypen unterschiedlich. Im 'Enhanced Graphic Adaptor' (EGA) der IBM- Rechner können 16 Farben aus einer Palette von 64 auf den Schrim gebracht werden. Der ATARI ST-Computer erlaubt die Auswahl aus 512 und der AMIGA von COMMODORE besitzt gar eine Palette von 4096 Farbtönen.

Wie kommen nun diese recht 'krummen' Zahlenwerte zu Stande? Nun, der Computermonitor benutzt, wie ein gewöhnliches Farbfernsehgerät, die Grundfarben Rot, Grün und Blau, um einen Farbton auf dem Schirm zu mischen. Die Farbsättigung kann vom Rechner jedoch nur in diskreten Stufen eingestellt werden. Stehen zum Beispiel nur vier Stufen für jede der Primärfarben zur Verfügung, so kann der Rechner damit vier mal vier mal vier, also vierundsechzig Farbtöne auswählen. Genau dies ist bei dem oben erwähnten EGA- Standard der Fall. Der ATARI-Rechner verfügt immerhin schon über acht, der AMIGA gar über 16 Stufen pro Grundfarbe.

Wie viele Graustufen oder Farbtöne brauchen wir nun eigentlich für die Darstellung eines Photofax-Bildes, wie es über Kurz- oder Längstwelle übertragen wird. Der CCITT-Standard [CCITT] schreibt vor, daß empfangsseitig acht Graustufen zu unterscheiden sind. Dies kann bei geeigneter Wahl der Farbschattierungen mit jedem der o.g. Rechner erreicht werden. Unter Umständen ergibt sich ein leichter Farbsticht, der im Betrieb jedoch nicht weiters stört.

Wir können bei Verwendung eines Farbschirms den Graustufen auch Farben zuordnen, beispielsweise in Form eines regenbogenartigen Spektrums. Die so erhaltene 'Falschfarbendarstellung' überhöht den Kontrast flauer Bilder und wird daher häufig zur Auswertung kontrastarmer Vorlagen oder Infrarotaufnahmen herangezogen. In diesem Zusammenhang soll auch die recht neue Möglichkeit, farbige Vorlagen per Faksimile zu übertragen, erwähnt werden. Wie bereits im Septemberheft beschrieben, sendet die Deutsche Presseagentur (DPA) Bilder in Form einzelner Farbauszüge, die auf der Empfangsseite photo- mechanisch zu einem Farbbild zusammengesetzt werden. Wir wollen später darauf eingehen, wie man derartige Farb-Faksimile mittels Computer empfangen und darstellen kann.

Nun wenden wir uns der Druckausgabe zu. Zumindestens in der Ausgabe reiner Graphiken sind übliche graphikfähige Matrixdrucker den klassischen, mechanischen Faksimilemaschinen zumindest ebenbürtig. Werden sie durch einen entsprechend sorgfältig programmierten Rechner angesteuert, so bieten sie in Punktdichte und Zeilenabstand vollständig brauchbare Resultate. Vorteilhaft ist, daß die per Drucker erzeugten Bilder in der Regel auf Normalpapier vorliegen, das im Gegensatz zu thermo- oder elektrosensitivem Papier im Betrieb preisgünstiger und zudem dauerhafter ist. Im Vergleich zu Metallpapierdruckern ist zudem Lesbarkeit und Kontrast der mit Nadeldruckern erzeugten Bilder besser als bei den eben erwähnten Verfahren.

üblicherweise werden an Computern Nadeldrucker mit neun oder 24 Nadeln eingesetzt. Die Drucknadeln sind im Druckkopf übereinander angeordnet und können vom Rechner einzeln angesteuert werden. Jede Nadel druckt dann einzelne Punkte auf das Papier, während der Druckkopf sich horizontal über das Papier bewegt. Das Faksimileprogramm im Rechners muß also mehrere Bildzeilen zwischenspeichern und diese dann als Paket zum Drucker schicken. Die horizontale Punktdichte wird durch die Bewegung des Druckopfs bestimmt und kann zumeist vom Programm festgelegt werden. So können bei 120 Punkten pro Zoll (120 Dots per Inch, 'DpI') und Papier von 8" Breite die üblichen 960 Punkte dargestellt werden. Dies ist ein für Faksimilebilder, die über Funk gesendet werden völlig ausreichender Wert.

Im Gegensatz zur horizontalen Auflösung, die vom Rechner programmiert werden kann, liegt der Abstand der einzelnen Bildzeilen bedingt durch den vertikalen Nadelabstand im Druckkopf fest. Als quasi-Standard hat sich hierbei ein Wert von 144 Zeilen pro Zoll eingebürgert. Das Faksimileprogramm muß seinerseits durch geeignete Ma nahmen dafür sorgen, daß die vertikale Papierbewegung in passenden Schritten erfolgt, damit die Bildzeilen nahtlos an- und übereinander passen.

Aus den beiden soeben erwähnten Zahlenwerten kann man sehen, daß der horizontale und vertikale Punktabstand auf dem Papier nicht genau übereinstimmen. In obigem Beispiel beträgt das Verhältnis der Punktdichten 5 zu 6. Ein Bild, das auf diese Weise gedruckt würde, erschiene gestaucht. Wir werden später hierauf noch ausführlich zu sprechen kommen und sehen, was moderne Faksimileprogramme unternehmen können, um die Geometrie und damit die Druckqualität zu verbessern.

Um eine noch höhere Druckqualität zu erzielen, kann man an Stelle des Nadeldruckers einen Laserdrucker einsetzen. Laserdrucker arbeiten ähnlich wie Photokopierer auf Normalpapierbasis. Das zu druckende Bild wird vom Computer mit Hilfe eines Laserstrahls als Ladungsmuster auf eine Halbleitertrommel geschrieben und auf Papier übertragen. Das so entstandene 'Ladungsbild' wird mittels Tonerpulver sichtbar gemacht und unter Wärmeeinwirkung fixiert. Die Größe eines jeden Bildpunkts wird vor allem durch die Fokusierung des verwendeten Laserstrahls bestimmt und kann im allgemeinen gut dosiert werden. Laserdrucker erzielen deshalb gewöhnlich Punktdichten von 300 DpI. Die im Vergleich zum Nadeldrucker erzielte bessere Druckqualität muß allerdings durch erheblich höhere Anschaffungs-, Betriebs- und Wartungskosten erkauft werden.

Wie wir gesehen haben, bilden Nadeldrucker eine gute Alternative wenn es darum geht, Graphiken, d.h. reine Schwarz-/Wei -Bilder zu Papier zu bringen. Sollen hingegen Bilder mit Halbtönen bzw. Graustufen wie sie im Photofax-Betrieb üblich ausgegeben werden, so sind sie anderen Verfahren unterlegen. Dieses scheinbare Manko kann, wie wir später noch sehen werden, durch geeignete Maßnahmen im Rechnerprogramm behoben werden. Schauen wir uns zuvor einmal ein paar andere Verfahren in dieser Richtung an.

Kommerzielle Photofax-Geräte arbeiten, wie der Name schon sagt, mit Filmmaterial, das von einer Art Bildröhre belichtet wird. Die Qualität der erzielten Bilder ist in Auflösung und Kontrast sehr gut. Das Verfahren ist jedoch einerseits in der Handhabung ziemlich aufwendig, andererseits sind Geräte und Verbrauchsmaterialien recht teuer.

Es gibt auch Blattschreiber, die Faksimilebilder mit Graustufen ausdrucken können. Diese Geräte arbeiten zumeist mit elektrosensitivem Papier, dessen Beschichtung über eine stromdurchflossenen Schreibnadel (eng. 'Stylus') Punkt für Punkt chemisch verändert oder einfach weggebrannt wird. Durch diese Veränderung wird die der Beschichtung unterlegte Farbe sichtbar. Man kann nun, indem man den Schreibstrom variiert, größere oder kleinere Punkte aufzeichnen und damit unterschiedliche Helligkeit oder Graustufen erzeugen. Je nach Ma- schinentyp und Papier können ungefähr zwölf Graustufen unterschieden werden.

Wenn wir zu den Computerdruckern zurückkommen, bieten die bereits erwähnten Laserdrucker eine interessante Lösung zu unserem Graustufenproblem. Einige Modelle bieten nämlich die Möglichkeit, dirch Modulation des Laserstrahls unter Softwarekontrolle die Größe gedruckter Einzelpunktes innerhalb bestimmter Grenzen zu verändern. Hierdurch entsteht eine Art 'aufgerastertes' Bild im Zeitungsstil, wodurch, wie beim elektrosensitiven Verfahren, ein Eindruck von Graustufen entsteht.

Wie sieht nun die Empfangseinrichtung aus und wie kommt ein Bild in den Computer hinein? Zunächst ein paar Grundlagen. Mehr zur Technik und Betrieb kann der einschlägigen Fachliteratur, zum Beispiel [Schalk] entnommen werden.

Im Telefax-Betrieb über Funkstrecken werden im wesentlichen zwei unterschiedliche Modulationsarten angewandt. Amplitudenmodulation (AM) wird vor allem im Amateurfunk auf UKW sowie für Bildsendungen von Satelliten (z.B. METEOSAT) benutzt. Dabei wird ein 'Hilfsträger' von 1900 Hz bzw. 2400 Hz in der Tontaste mit der Bildinformation amplitudenmoduliert. Hierbei ist eine gro e Amplitude dem Farbton 'schwarz' und niedere (bzw. keine) Modulation der Farbe 'wei ' zugeordnet. Das Verfahren ist hinreichend unabhängig vom Doppler-Effekt und wird deshalb gerne im Satellitenfunk benutzt.

Auf Kurzwelle und im Längstwellenband wird aus Gründen der Resistenz gegen Störungen (QRM, QRN) und Fading-Effekte (QSB) hauptsächlich mit Frequenzumtastung bzw. Frequenzmodulation (FM) gearbeitet.

Und das funktioniert folgenderma en: Der Sender arbeitet auf einer gedachten Mittenfrequenz, die dem Farbton 'grau' zugeordnet ist. Auf Kurzwelle ist nun der Farbe 'schwarz' eine um 400 Hz tiefere, der Farbe 'wei ' eine um 400 Hz höhere Frequenz zugeordnet. Der Gesamthub beträgt im Kurzwellenbereich also 800 Hz. Sendungen im Längstwellenbereich werden mit einer Shift von 150 Hz ausgestrahlt, wobei wiederum der niedrigere Ton der Farbe schwarz, der höhere der Farbe weiß zugeordnet ist. Der Gesamthub beträgt hier also 150 Hz.

Im Amateurfunk kann auf Kuzwelle ein einfacher SSB-Sender benutzt werden, an dessen Mikrophoneingang die 'FM-Tontaste' angeschlossen wird. Im oberen Seitenband ist, wie sicherlich bekannt, die erzeugte Hochfrequenz proportional zur Modulationsfrequenz. Wird eine Tontaste eingesetzt, die für schwarze Bildelemente 1500 Hz und für weiße 2300 Hz erzeugt, so entspricht das ausgesendete Signal der CCITT-Empfehlung.

Auf der Empfangsseite wird das Signal demoduliert und das gewonnene NF- Signal, d.h. der Hilfsträger einem nachgeschalteten Konverter zugeführt. Je nach Betriebsart extrahiert dieser aus dem amplituden- oder frequenzmodulierten Hilfsträger die Bildinformation und führt sie dem nachgeschalteten Computer zu.

Im vorangegangenen Abschnitt wurden zwei Begriffe benutzt, auf die wir nun näher eingehen wollen. Die Einrichtung im Sender, die die Bildinformation in Tonfrequenzen umwandelt, wird in übereinstimmung mit der einschlägigen Fachliteratur als 'Tontaste' bezeichnet. Es gibt rein digital arbeitende Tontasten. Diese werden dabei zur Aussendung von Graphiken, zum Beispiel von Wetterkarten benutzt. Sie sind technisch ganz ähnlich wie die vom Fernschreiben her bekannten 'Audio Frequency Shift Keyer' (AFSK) aufgebaut und können lediglich die zwei Eckfrequenzen 1500 Hz für schwarze und 2300 Hz für weiße Bildstellen erzeugen.

Enstprechend einfach ist der Anschluß an den Computer realisiert; es wird lediglich ein digitaler Ausgang benötigt. Anders sieht es bei 'analogen' Tontasten aus, die für jede Graustufe eine andere Ausgangsfrequenz erzeugen muß. Gemäß CCITT-Empfehlung ist der Zusammenhang zwischen Grauwert und Modulationsfrequenz linear; bei den acht für Photofax zu unterscheindenden Graustufen beträgt der Abstand der diskreten Frequenzlinien ungefähr 114 Hz. Den Anschluß der analog arbeitenden Tontaste an den Computer wollen wir uns später näher anschauen.

Wenden wir uns nun der Empfangseinrichtung zu. Als Empfänger für frequenzmodulierte Faksimilesendungen kann in der Regel ein gewöhnlicher Einseitenbandempfänger herangezogen werden, an dessen NF-Ausgang ein Faksimilekonverter angeschlossen wird. Dieser arbeitet, zumindest für den einfachen Fall reiner Graphikbilder, ganz ähnlich wie ein Fernschreibkonverter. Er muß nämlich lediglich zwischen zwei Tönen, die vom Empfänger kommen unterscheiden und dem Computer weiß oder schwarz signalisieren. Vergleicht man jedoch Fax-Signale direkt mit Fernschreibsignalen, so stellt man fest, daß Faksimilesignale eine weitaus höhere Bandbreite belegen. Nehmen wir zur Abschätzung der Bandbreite einmal an, es würde eine Vorlage gesendet, bei der schwarze und weiße Punkte direkt abwechselnd aufeinander folgen würden.

Dieser Grenzfall beschreibt die maximale Bildfrequenz. Bei 960 Punkten sind dies 480 Wechsel pro Bildzeile, die, 120 Trommelumdrehungen pro Minute vorausgesetzt, in einer halben Sekunde auftreten. Wir erhalten somit eine maximale Bildfrequenz von 960 Hertz. Unter Berücksichtigung des Frequenzhubes von +-400 Hertz bei Kurzwellenbetrieb erhalten wir eine notwendige Bandbreite von etwas mehr als 2.7 Kilohertz. 'Klassische' Fernschreibsignale kommen hingegen mit Bandbreiten unter 500 Hertz aus. Dies muß bei der Auslegung des Konverters beachtet werden.

In einschlägigen Publikationen [RFax] und [Pietsch] sind Konverter für den Graphikeinsatz beschrieben worden. Vor allem mit dem in [Schalk] beschriebenen modifizierten SSTV-Demodulator (DJ6HP-009) lassen sich im monochromen FAX- Betrieb brauchbare Ergebnisse erzielen. Inzwischen sind auch kommerziell gefertigte Konverter, die speziell für den Computereinsatz ausgelegt sind, auf dem Markt (z.B. [NFXK]).

Zum Empfang 'analoger', graustufenbehafteter Faksimilesignale und zur übernahme in den Computer muß der Konverter die gesamte Bandbreite analog demodulieren. Geeignete Konverter wandeln dazu die Frequenzinformation in eine Spannung um, deren Höhe die Eingangsfrequenz und damit die aktuelle Graustufe widerspiegelt. Diese Spannung wird dann einem Analog-/Digitalwandler zugeführt, der daraus eine für den Computer lesbare Digital- information erzeugt.

An dieser Stelle müssen wir uns Gedanken machen, wie wir die Information in den Computer bekommen. Ein gangbarer Weg wurde zum Beispiel von AFUSOFT für ihr Produkt RADIOFAX ST entwickelt. Der Konverter überträgt dabei digital codierte Halbtoninformation in Form serieller Daten in den Computer, der diese dann zur Ausgabe auf den Bildschirm, Drucker und Diskette aufbereitet. Umgekehrt kann der Computer die auszusendende Bildinformation in Form serieller Datenpakete codieren und diese der analogen Tontaste zu- führen. Wir werden uns die Verfahren gleich noch näher anschauen.

Es gibt noch einen anderen Weg, Computer und Funkgerät miteinander zu koppeln. Der Computer kann die Demodulation des FM-Tonsignals auch direkt ausführen, indem er dessen Periodendauer bzw. Frequenz permanent mi t und danach intern den passenden Halbton auswählt. Man nennt derartige Programmteile anschaulich auch 'Zähldiskriminatoren'. Zu diesem Zweck wird das vom Empfänger kommende NF-Signal begrenzt und als digitales Signal einem I/O- Port des Zielrechners zugeführt. Dieser ermittelt die Zeitdauer zwischen den Null- durchgängen des Eingangssignals, bestimmt durch einfache Kehrwertbildung die dazugehörende Modulationsfrequenz und legt an Hand eines oder mehrerer Schwellwerte den zur Eingangsfrequenz gehörenden Grauwert fest.

Die Methode hat den Vorteil, daß der Computeranwender fast ohne zusätzliche Hardware auskommt. Sie hat jedoch zwei entscheidende Nachteile. Zum einen ist der Zähldiskriminator in erheblichem Ma e anfällig gegen Störsignale, auch gegenüber solchen, die außerhalb der eigentlichen Nutzbandbreite liegen, da keine eingangsseitige Selektion erfolgt. Au erdem können durch die eingangsseitige Begrenzung, d.h. der Digitalisierung, impuls- bzw. burstartige Störungen zu Fehlmessungen führen, die vor allem bei analoger Halbtonübertragung sofort als fehlerhafte Farben oder Grauwerte sichtbar werden. Das Bild kann durch 'Störpunkte' gesprenkelt erscheinen.

Diese Effekte können nur durch vergleichsweise hohen Aufwand in der Software, z.B. durch mehrfache Integration, gleitende Mittelwertbildung und andere Glättungs- verfahren eliminiert werden. Jedoch wird dadurch die nutzbare Bandbreite des Bildsignals begrenzt, wodurch feine Linien 'verschmiert' werden. Au erdem kostet die permanente überwachung des Eingangssignals Prozessorzeit. So erscheint beispielsweise bei einem Eingangssignal von 2000 Hertz alle 500 Mikrosekunden eine steigende Signalflanke. Das bedeutet, daß das Programm in diesen Zeitintervallen immer wieder unterbrochen wird, um die zur Klassifizierung notwendigen Berechnungen durchzuführen. Gutes Echtzeitverhalten muß im allgemeinen durch aufwendige Programmplanung und Verzicht auf zeitkritische Leistungsmerkmale erkauft werden. Diese sogenannten 'reinen' Softwarelösungen sind daher im praktischen Einsatz meist denjenigen Programmen unterlegen welche getrennte Konverter benutzen.

In diesem Beitrag haben wir ein paar Interna aus einem Faksimile- Empfangsprogramm erfahren. Im nächsten Teil wollen wir uns mit Besonderheiten wie der Farbübertragung sowie der Aufnahme und der Sendung von Bildern vom Computer beschäftigen.

In der vorangegangenen Ausgabe haben wir uns mit einigen der grundlegende Fragen zum Computereinsatz beim Empfang von Bildfunk- oder Faksimilesendungen beschäftigt. Im zweiten Teil wollen wir uns vor allem den praktischen Einsatz von Faksimile-Programmen näher anschauen.

Wie wir schon im ersten Teil gesehen haben, können wir zwei Arten von Faksimile-Bildern unterscheiden. Zum einen die reinen schwarz-/wei -Bilder, die wir im folgenden als 'Graphik-Bilder' bezeichnen wollen. Beispiele hierfür sind Faksimile von Wetterkarten oder anderen gezeichneten oder gedruckten Vorlagen, also Bilder, bei denen nur die beiden Farben schwarz und weiß ohne weitere Zwischenstufen vorkommen.

In die andere Kategorie fallen die bereits erwähnten 'Halbtonbilder', die zwischen den Farben Schwarz und Weiß noch Graustufen enthalten. Im Prinzip ist die Anzahl dieser Graustufen nicht begrenzt, da sie, zumindestens bei den 'klassischen', mechanischen Maschinen durch analog arbeitende Komponenten wie Photozellen und Modulatoren abgetastet und übertragen werden.

In der Praxis wird häufig nur eine begrenzte Anzahl von Graustufen übertragen, wodurch die Anforderungen an Bandbreite und Linearität der Abtast-, übertragungs- und Aufzeichnungsein- richtung erheblich reduziert werden können. Der CCITT-Standard für Endgeräte im Photofax-Dienst schreibt beispielsweise nur acht zu unterscheidende Graustufen bzw. Halbtöne vor.

Wie wir bereits wissen, können Computer echte Analogbilder, das hei t Bilder mit beliebig vielen Halbtönen, nicht darstellen, da die Speicherung auf der Basis einzelner Bit beruht. Das empfangene Bild wird also erst einmal in Stufen zerlegt, d.h. 'quantisiert'. Zu diesem Zweck führt man die demodulierte Bildinformation einem sogenannten Analog-Digital-Wandler zu, der aus der analogen Bildinformation ein digitales Bitmuster gewinnt. Preiswerte handelsübliche 8-Bit-A/D-Wandler mit 1 µs Wandlungszeit sind für diesen Zweck vollauf ausreichend. Mit acht Bit kann man computerüblich zwei hoch acht = 256 unterschiedliche Halbtöne codieren, was für den Funkempfang mehr als ausreicht. Zur Unterscheidung von acht Halbtönen benötigt man zum Beispiel nur 3 Bit. Dies würde der CCITT-Empfehlung entsprechen. Programm- technisch ist es jedoch häufig sinnvoll, sich auf vier Bit festzulegen und erhält dadurch sechzehn verwendbare Graustufen.

Wie können wir nun die Information in den Computer einlesen? Manche Hobbycomputer bieten hierzu Eingabe-Schnittstellen an sogenannten USER-Ports an, in die die digitalen Codeworte parallel eingelesen und weiterverarbeitet werden können. Der Nachteil dieser Methode ist jedoch die starke Hardware-Abhängigkeit. Man hat Probleme, einen Konverter an unterschiedliche Computertypen anzuschlie en. Au erdem erfordern parallele Leitungsverbindungen einen erhöhten Schirm- und Abblockaufwand um hochfrequente Störungen der Empfangsanlage durch die meist steilflankigen Digitalsignale zu verhindern.

Als zweite Methode bietet es sich an, die Daten seriell in den Computer einzulesen. Dieses Verfahren wird in dem bereits erwähnten kommerziellen Faksimile-Programm AFUSOFT RADIOFAX [RFax] benutzt, bei dem die Daten über die bei Personal Computern üblichen V.24-Schnittstelle zum Computer geschickt werden. RADIOFAX kann dadurch mit der selben Konverterschaltung auf unterschiedlichen Rechnern betrieben werden. Das dazu notwendige Protokoll ist urheberrechtlich geschützt.

Sehen wir uns dieses Faksimile-Programm einmal näher an. Abbildung 1 gibt uns eine übersicht über die Programmfunktionen in der Art eines Blockschaltbilds. Vom Empfänger und der Konverterschaltung werden die Signale über die serielle Schnittstelle je nach gewünschtem Signaltyp den dazugehörenden Empfangsprozessen ANALOG und DIGITAL zugeführt. Dieser wandelt die externen Bild- Daten in eine einheitliche rechnerinterne Darstellungsform um. Diese enthält, je nach Betriebsart, die Information, ob ein Bildpunkt schwarz oder weiß dargestellt werden soll. Im Falle von Analogbildern werden die Graustufen bzw. Farbtöne in vier Bit pro Bildpunkt codiert und vom Konverter über die serielle Schnittstelle in den Computer eingespielt.

Die Bilddaten werden Punkt für Punkt in den Bildspeicher eingeschrieben. Im Falle der ATARi-Version umfa t dieser ca.700 kByte bei Geräten mit 1 Megabyte Hauptspeicher. Dies führt bei einer Aufteilung von 960 Bildpunkten pro Zeile und rein graphischen Bildern zu einer Speichertiefe von mehr als 6000 Zeilen. Damit kann man Bilder von 52 Minuten Länge aufzeichnen, wenn man eine Trommeldrehzahl von 120 U/Min zugrunde legt. Diese Angaben müssen für die IBM-Version unter Berücksichtigung der Speichergröße von 640 kByte ungefähr halbiert werden.

Der Bildschirmtreiber wandelt die im Bildspeicher abgelegten Bildinformationen in das passende Schirmformat um. Dabei kann der angezeigte Bildausschnitt sowohl horizontal als auch vertikal über den gesamten Speicher verschoben werden, damit man alle Einzelheiten in einer Art Lupeneffekt anschauen kann. Wie bereits erwähnt nennt man dieses Verfahren 'Panning'.

Der Bildschirmtreiber hat darüberhinaus die Aufgabe, die gespeicherten Daten an den angeschlossenen Bildschirmtyp anzupassen. Bei graphischen Faksimile ist das nicht weiter schwierig, da diese ohne Informationsverlust sowohl auf einem Monochrom- als auch einem Farbmonitor dargestellt werden können. Analogbilder kann man ebenfalls auf einem Farbmonitor darstellen. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß es auf manchen Computern Probleme bereitet, 'unbunte', also reine Graustufenbilder zu erzeugen. Grund hierfür sind Beschränkungen in der Farberzeugung. So kann bei Computern des Industriestandards mit den an sich weit verbreiteten EGA-Bildschirmen jede Primärfarbe in nur vier Stufen programmiert werden. Damit ist die Anzahl der einstellbaren Farbtöne auf 64, die der 'echten' Graustufen auf vier begrenzt.

Der Bildschirmtreiber kann jedoch auch dazu benutzt werden, Halbtonbilder auf monochromen Graphikbildschirmen auszugeben. Das bereits erwähnte Faksimile-Programm für ATARI-Computer benutzt hierzu ein als 'Shading' bekanntes Verfahren. Abhängig vom dar- zustellenden Grauwert wird auf dem Schirm eine mehr oder weniger dichte Schraffur ausgegeben. Bei flächenhaften Bildelementen, wie Sie im allgemeinen bei Photofax-Bildern auftreten, ergibt diese Rasterung einen Eindruck unterschiedlicher Graustufen. Das Verfahren ist analog zu dem im ersten Teil dieser Serie erwähnten gerasterten Druckverfahren.

Doch nun wieder zurück zum Software-Blockschaltbild. Auf der rechten Seite unterhalb des Bildschirmtreibers ist der Druckertreiber angeordnet. Dieser funktioniert ähnlich wie der Bild- schirmtreiber für monochrome Bildschirme. Er sorgt insbesondere dafür, daß die Bildzeilen den korrespondierenden Drucknadeln zugeordnet werden. Durch geschickte Wahl der Werte für den vertikalen Papiervorschub wird ein zusammenhängender Ausdruck gewährleistet. Allerdings ergibt sich bei Nadeldruckern ein spezifisches Problem, das der Druckertreiber lösen muß. Der vertikale Punktabstand beträgt, wie wir bereits wissen, bei den meisten Nadeldruckern 1/144 Zoll. Einige Drucker können auch in ihrem horizontalen Vorschub auf diesen Wert programmiert werden. Ist dies der Fall, so erscheint das gedruckte Bild im korrekten Seitenverhältnis von 1:1. Die überwiegende Mehrzahl der am Markt befindlichen Drucker lä t sich jedoch nur auf 120 bzw. 240 Punkt pro Zoll einstellen, was zu einen Seitenverhältnis von 6:5 führt. Das Bild wird demnach um 20% gestaucht gedruckt.

Dies ist bei vielen Anwendungen, zum Beispiel bei der übertragung von Wetterkarten oder Texten nicht weiter störend. Kann diese Verzerrung, zum Beispiel bei der übertragung ma stäblicher Zeichnungen, nicht toleriert werden, so muß der Treiber eine Geometriekorrektur durchführen. Im einfachsten Fall könnte man einfach die passende Anzahl Punkte pro Zeile weglassen, bis sich gleiche Abstände einstellen. Da hierbei jedoch dünne Linien gefährdet werden, muß der Computer durch einen aufwendigen Algorithmus mehrere Punkte derart zusammenfassen, daß schmale Bildelemente bevorzugt werden. Da der Algorithmus in den Grenzbereichen der Bildauflösung wiederum zu Interferenzen in schraffierten Bereichen führt, muß im Einzelfall entschieden werden, ob sich die Korrektur nun lohnt oder nicht.

Der Datei-Treiber des Programms sorgt für das korrekte Speichern und Wiedereinladen von Faksimile-Bildern. Im Gegensatz zu reinen Text-Dateien gibt es nur wenige Standards für die Speicherung von Bildinformation auf Dateien. Hier sorgen meistens Zeichen- und Malprogramme für die Einführung von 'Quasi-Standards'. So beherrscht AFUSOFT RADIOFAX in der Version für ATARI-Computer die weit verbreiteten Formate der Programme DEGAS [DEGAS] und NEOCHROME [NEOC]. Beides sind von Hause aus Malprogramme, die Monochrom- und Farbbilder erzeugen können.

Zur direkten Aussendung sind diese Bilder jedoch nicht geeignet, da sie nur über eine geringe Auflösung verfügen. Aus diesem Grund benutzt RADIOFAX ein eigenes Standard-Bildformat, das in der Lage ist, Faksimile-Bilder in ihrer vollen Breite von 960 bzw. 1024 Punkten und beliebiger Länge abzuspeichern. Zusätzlich enthält das RADIOFAX-Standardformat einen Kopf ('Header'), in dem Informationen über die Auflösung, das Erstellungsdatum und weitere Kennzeichen gespeichert sind. Die Headerinformation dient dazu, die Bilder in Bibliotheken zu archivieren.

Wie der Bilschirm- und Druckertreiber kann auch der Dateitreiber das Bild während des Empfangs zeilenweise speichern. Dadurch ist ein automatischer Betrieb möglich. Nicht verschwiegen werden darf jedoch, daß Bilder einen erheblichen Speicherbedarf haben. Wir haben überlegungen hierzu bereits im ersten Teil dieses Beitrages angestellt. Unser durchschnittliches 2000-Zeilen-Bild belegte als reine Graphik ca. 240 Kilobyte Speicherplatz. Im Halbtonformat mit 16 Graustufen erreichen wir mit 960 Kilobyte bereits Bereiche die die meisten Disketten bereits nicht mehr aufnehmen können. Hier sind Festplattenlaufwerke entsprechender Kapazität nötig.

Wenden wir uns nun den mehr zentralen Komponenten des Faksimile- Programms zu. Hierzu gehört zum einen die Ablaufsteuerung sowie die beiden zentralen Programmteilen, die mit Phasenautomatik und APT-Auswerter gekennzeichnet sind. Die letzteren werten die Steuersignale zur automatischen Bildübertragung aus. Hier noch einmal in Kürze den technischen Hintergrund.

Kommerzielle Stationen übertragen zusätzlich vor und nach dem eigentlichen Bild an Stelle der Bildinformation einen Signalton, der die Empfangseinrichtung ferngesteuert ein- und wieder ausschaltet. Diese Technik hei t anschaulich 'Automatic Picture Transmission', kurz APT. Die Frequenzen der APT-Signaltöne ist genormt. Man unterscheidet im wesentlichen zwei Starttöne unterschiedlicher Frequenz, die gleichzeitig die Bildauflösung signalisieren. So zeigt ein Startton von 300 Hz an, daß das folgende Bild mit einem Modul von 576 gesendet wird. Der Startton 675 Hz signalisiert den Beginn eines Bildes, das mit Modul 288 gesendet wird. Der Stopton ist im Allgemeinen einheitlich und beträgt 450 Hz. Manche Photofax-Dienste verwenden als Stopton nicht ganz normgerecht 200 Hz um Fehlauslösungen durch die Bildinformation zu vermeiden. Start- und Stoptöne werden rechteckförmig auf den Träger aufmoduliert und haben eine Toleranz von ca. 1%. Sie werden gewöhnlich fünf Sekunden lang gesendet. Siehe dazu auch [Schalk].

Der APT-Auswerter untersucht nun permanent den Datenstrom nach passenden Tönen und leitet das Ergebnis an die Ablaufsteuerung weiter. Sie besitzt eine definierte Bandbreite sowie eine Zeitkonstante, damit zufällig im Bilddatenstrom enthaltene Frequenzanteile nicht zu Fehlauslösungen führen. Die Auswertezeit beträgt ungefähr eine Sekunde und ist dadurch auch zum Betrieb an Funkempfängern mit langsamer Rauschsperre sowie Satellitenempfängern mit PLL geeignet.

Was hat es nun mit Phasenautomatik auf sich? Frischen wir auch zu diesem Punkt unsere Kenntnisse auf. Klassische, d.h. mechanisch arbeitende Faksimile-Maschinen benutzen in ihrer Abtastvorrichtung eine sich drehende Trommel. In der sendenden Station wird die Bildvorlage auf diese Trommel aufgespannt. Die rechten und linken Blattränder sto en dabei aneinander und sind in einem Schlitz in der Trommel befestigt (Abb 2).

Die Trommel wird dann um ihre Längsachse gedreht und zwar mit einer konstanten, genau festgelegten Drehzahl. Diese wird in 'Umdrehungen pro Minute' (UpM, U/Min) angegeben. Im Funkbetrieb sind beispielsweise 60, 90, 120 und 240 U/Min üblich. Fernkopierer, die nach dem 'alten' Faksimile-Standard arbeiten, benutzen 180 oder 360 U/Min. Die aufgespannte Vorlage wird nun durch ein Photoelement abgetastet, das auf einer Art Schlitten montiert ist und längs der Trommel bewegt wird. Diese Vorschubbewegung erzeugt zusammen mit der sich drehenden Trommel eine Schraubenlinie, die, auf das Bild bezogen, eine Schar paralleler, leicht schräg verlaufender Zeilen bildet, wobei sich der 'Einspannschlitz' am rechten und linken Blattrand befindet. Die für die übertragung nutzbare Blattbreite beträgt somit ca. 95%, der Rest ca. 5% der Gesamtbreite.

In der empfangenden Station dreht sich wieder eine Trommel und zwar mit genau der gleichen Drehzahl wie im Sender. Die Drehzahlen müssen auf fünf mal zehn hoch minus fünf genau eingehalten werden. Damit drehen sich beide Trommeln zwar synchron, jedoch ist nicht gewährleistet, daß der Einspannschlitz im Empfänger genau in dem Moment an der Schreibeinrichtung vorbeigeführt wird, wenn dieser im Sender abgetastet wird. Anschaulich gesehen müssen Sender und Empfänger 'in Phase' gebracht werden, damit das empfangene Bild auf dem Blatt zentriert geschrieben wird.

Zu diesem Zweck wird zwischen dem oben beschriebenen Startton und der Bildinformation für einige Sekunden eine Phaseninformation, die sogenannten 'Phasenzeichen' gesendet. Die Phasenzeichen bestehen aus Zeilen, in denen 95% der Zeit schwarz und 5% weiß gesendet wird. Der schmale 5%-Balken wird dabei an der Stelle der Einspannvorrichtung gesetzt. Der Empfänger kann nun seine Trommel so lange anhalten, bis er an Hand der Phasenzeichen die absolute Lage der Sendetrommel ermittelt hat. Soviel zur Mechanik. Wie sieht die Realisierung in unserem Computer aus?

Eigentlich ganz ähnlich. Die Trommel der mechanischen FAX-Maschine wird durch den Bildspeicher ersetzt, in den die Bildpunkte in Form von Bit Zeile für Zeile eingetragen werden. Der Einschreibtakt, d.h. die 'Pixelrate' läßt sich aus der Trommeldrehzahl errechnen. Wir können nun ebenfalls herleiten, wie wir zu dem bereits mehrfach erwähnten Pixelabstand von 960 Punkten kommen. Der Abstand der Bildpunkte läßt sich aus einer bisher nur kurz erwähnten, mechanischen Kenngröße, dem sogenannten 'Modul' ableiten. Das Modul ist ein Maß für die Bildauflösung und ist folgendermaßen definiert:

                                   d

                              M = ---         (1) 
                                   A
 

wobei d für den Trommeldurchmesser und A für den Linienabstand steht. Da d als konstant anzusehen ist, gilt, daß das Modul umso größer ist, je feiner das Bild aufgelöst ist. In der Praxis sind Moduln von 288 und 576 üblich.

In unserem Computer ist die Trommel sozusagen abgewickelt; der Trommelumfang U entspricht der Zeilenlänge auf Schirm oder Drucker.
 

Er läßt sich durch die elementare Beziehung

                              U = d * pi      (2)   ( pi = 3.141592...) 
 

berechnen. Wir gehen nun davon aus, daß die horizontale Auflösung, d.h. der Pixelabstand genau so gro sein soll wie der vertikale, also der Zeilenabstand. Dies ist die Voraussetzung dafür, daß vier benachbarte Punkte genau ein Quadrat bilden und das Bild weder gedehnt noch gestaucht wird. Der Zeilenabstand A ist also gleich dem Punktabstand, was zur Folge hat, daß Punkte im Abstand A auf dem Trommelumfang U untergebracht werden müssen.

Wir erhalten damit die Anzahl der Punkte p zu:

                                   U
                             Tp = ---         (3)
                                   A
 

durch einsetzen von (1) und (2) in (3) erhalten wir als notwendige horizontale Punktanzahl

                             Tp = M * pi      (4)
 

und damit zumindest theoretische Werte von 905 Punkten pro Zeile bei Modul 288 und 1809 bei Modul 576. Diese 'krummen' Werte lassen sich in Computern nur schwierig realisieren, da bei der Programmierung Rücksicht auf bereits vorhandene Quarzfrequenzen und Teilerketten genommen werden muß.

Wir errechnen den Pixeltakt, d.h. die Zeit zwischen zwei Einschreibvorgängen wie folgt

                                     60
                             Tp =  -------    (5)

                                    n * p
 

wobei n für die Trommeldrehzahl in U/Min steht. So erhalten wir unter Voraussetzung des Moduls von 288 und einer Trommeldrehzahl von 120 U/Min eine Pixelrate von 522 µs. Diese Forderung kann durch den Einsatz maschinennaher Programmierung gut erfüllt werden. Die Stabilität erfordert jedoch, daß die Abtastrate von einer Quarzfrequenz abgeleitet wird.

üblicherweise vorhanden sind Frequenzen in Zweierpotenzen, da diese bereits für die Baudratenerzeugung der seriellen Schnittstellen im Computer herangezogen werden. Im praktischen Einsatz läßt sich zum Beispiel ein Wert von p=960 an Stelle der theoretischen 905 benutzen. Dies führt zu einer horizontalen Verzerrung von ca. 6%, was im allgemeinen tolerierbar ist. Durch die weiter oben beschriebene Geometriekorrektur kann das Faksimile- programm sogar diese Verzerrung kompensieren.

Was das Einphasen betrifft, so kann unser Programm sogar etwas mehr tun als eine vergleichbare Faksimile-Maschine. Unser Computer kann nämlich mehrere Phasenzeichen abwarten und sozusagen übereinanderlegen. Dadurch werden burstartige Störungen, etwa durch QRM oder QRN, die ja statistisch unabhängig zu dem Nutzsignal sind gleichsam 'wegintegriert'. Das Einphasen wird dadurch sicherer. Als zweite Option kann der Computer die Phasenzeichen analysieren und aus der Länge der 5%-Anteile Rückschlüsse auf die Trommeldrehzahl der sendenden Station treffen. Dies ist beim Betrieb in Funknetzen mit unterschiedlicher Trommeldrehzahl recht hilfreich.

Desweiteren hat der Computer im Bezug auf das 'Nachphasen' einen erheblichen Vorteil gegenüber der mechanischen Maschine. Nehmen wir einmal an, daß eine bereits laufende übertragung nachträglich mitgeschrieben werden soll. In diesem Fall hat unser Empfänger, ob mechanisch oder elektronisch, bereits die Phasenzeichen verpa t. Er kann zwar das Bild aufzeichnen, dieses ist jedoch mehr oder weniger stark in der Horizontalen verschoben.

Mechanische Maschinen bieten zwar die Möglichkeit, durch mehr oder minder komplizierte Einrichtungen, z.B. Stroboskope das Bild zu beobachten und durch kurzzeitiges manuelles Abbremsen der Trommel das Bild zu zentrieren. Dieser Vorgang dauert jedoch einige Zeit wodurch der bis dahin gesendete Bildinhalt unbrauchbar wird.

Der Computer bietet eine weitaus elegantere Lösung. Hier wird ja das Bild zunächst direkt in den Speicher eingeschrieben. Dabei ist es gleichgültig, ob das Bild in Phase ist oder nicht, da ja die Zeilenstruktur durch das Programm willkürlich festgelegt wird. Nach dem das Bild zwar verschoben, aber ansonsten vollständig im Speicher eingeschrieben ist, kann man direkt am Bildschirm den Speicherinhalt auf Kommando verschieben. Hierdurch geht keine Bildinformation verloren. Im Anschluß an den Verschiebevorgang kann das Bild dann auf dem Drucker ausgegeben werden.

Literatur:

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