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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der statistischen
Störungen in einem Fernsehbild, bei dem der Mittelwert der Bildsignalamplituden
von im Fersehbild räumlich und/oder zeitlich benachbarten Bildelementen gebildet
wird.
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Es ist bereits eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der der Mittelwert
der Fernsehsignalamplituden vom Fernsehbild räumlich benachbarter Bildelemente gebildet
wird, wobei ein Schalter vorgesehen ist, der bei Amplitudensprüngen im Fernsehsignal
das Fernsehsignal direkt und bei gleichbleibender Amplitude (Flächen des Bildes).
den gebildeten Mittelwert weiterleitet. Durch den Schaltvorgang entstehen jer doch
an Helligkeitsübergängen des Fernsehbildes störend sichbare Kanten. Außerdem gestattet
die bekannte Schaltungsanördnung es nicht, daß die Verringerung der statistischen
Störungen optimal an den jeweiligen Bildinhalt ängepaßt wird.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der relative Beitrag
der Bildelemente, aus denen der Mittelwert gebildet wird, vom relativen Unterschied
der Bildsignalamplituden derart abhängig gemacht wird, daß sich mit größerem Unterschied
der relative Beitrag kontinuierlich verringert.
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Durch die Erfindung wird der übergang zwischen der normalen übertragung
der Fernsehsignale und der Verringerung der statistischen Störungen allmählich bewirkt,
so daß keine störenden Kanten im Bild sichtbar werden. Außerdem tritt eine Verbesserung
des Störabstandes auch bei Signalsprüngen ein, die sich über mehrere Bildelemente
erstrecken.
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Die Erfindung nutzt die Redundanz des Fernsehsignals aus, das in der
üblichen Weise durch zeilenweise Abtastung des--zu übertragenden Bildes erzeugt
wird. Da im allgemeinen ein erheblicher Teil des Bildes mehr oder weniger große
Flächen gleichmäßiger Helligkeit enthält, sind die durch Abtastung dieser Flächen
erhaltenen Bildsignalwerte sowohl in Zeilenrichtung als auch in benachbarten Zeilen
senkrecht zur Zeilenrichtung von gleicher Amplitude. Diese Korrelation umfaßt eine
um so größere Anzahl von Bildelementen, je größer die Flächen gleichmäßiger= Helligkeit
im Fernsehbild sind. Auf der anderen Seite weisen auch die den gleichen Bildstellen
entsprechenden Bildsignalwerte in aufeinanderfolgenden Bildern in unbewegten Bildteilen
dieselbe Größe auf und sind um so länger korreliert, je geringer die Bewegung im
Fernsehbild bzw. in Teilen desselben ist.
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Es wurde bereits .ein Verfahren zur Vergrößerung des Störabstandes
in übertragungssystemen für Fernsehsignale vorgeschlagen, bei welchem die jeweils
zeitlich aufeinanderfolgenden Signalwerte der einzelnen Bildelemente eines Speichers
summiert werden, der Mittelwert der gespeicherten Signalwerte mit den Signalwerten
vor dem J -Speicher verglichen - und als Ausgangssignal das vom Speicher abgenommene
Signal verwendet wird, wenn die Differenz der miteinander verglichenen Signalwerte
kleiner als ein vorgegebener Schwellwert ist, und als Ausgangssignal das Signal
vor dem Speicher verwendet wird, wenn die Differenz der Signalwerte den vorgegebenen
Schwellwert überschreitet.
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Bei diesem Verfahren wird als Speicher vorzugsweise eine Speicherröhre
verwendet, auf welcher das Signal als zweidimensionales Fernsehbild wiedergegeben
und mittels einer Bildaufnahmeröhre abgetastet wird.
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Es wurde auch schon ein Verfahren zur Vergrößerung des Störabstandes
in übertragungssystemen für Fernsehsignale vorgeschlagen, bei welchem mittels Speichereinrichtungen
die Signalwerte einer Anzahl von Bildelementen, die annähernd senkrecht zur Zeilenrichtung
benachbart liegen, summiert werden, der Mittelwert der gespeicherten Signalwerte
mit den Signalwerten vor der Speichereinrichtung verglichen und in gleicher Weise
wie bei dem an erster Stelle genannten Vorschlag als Ausgangssignal das Signal vor
oder nach dem Speicher in Abhängigkeit von der Differenz der miteinander verglichenen
Signalwerte verwendet wird: Bei einer speziellen Ausbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das Bildsignal um Vielfache des Zeitunterschiedes der räumlich oder
zeitlich benachbarten Bildelemente verzögert, so daß die den Bildelementen zu verschiedenen
Zeitpunkten entsprechenden Bildsignalamplituden gleichzeitig zum Amplitudenvergleich
verfügbar sind. Die Verzögerung erfolgt dabei um das 1-, 2-, 3- . . . n-fache des
Zeitunterschiedes der Bildelemente, deren Signalamplituden verglichen werden sollen.
Bei einer weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fernsehsignal
2n-mal jeweils um den Zeitunterschied der im Fernsehbild räumlich und/oder zeitlich
benachbarten Bildelemente verzögert, die Signalamplituden nach (n±m)-facher Verzögerung
gebildet, wobei m die Werte 0 bzw. 0; 1 bzw. 0; 1; 2 bzw. 0, 1; 2; 3 ...
0; 1; 2; 3 ... n annimmt; dann werden die Differenzbeträge von jeweils zwei
aufeinanderfolgenden Mittelwerten derart nichtlinear übertragen, daß das übertragungsmaß
für kleine Signalamplituden kleiner ist als für große, und schließlich werden zur
Gewinnung des Ausgangssignals die Differenzbeträge und die Mittelwerte aller Signalamplituden
nach (n±m)-facher Verzögerung addiert, wobei m alle Werte zwischen 0 und
n hat.
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Die Erfindung soll nunmehr mit Hilfe der Ausführungsbeispiele darstellenden
Figuren erläutert werden. Von diesen zeigt F i g. 1 eine Anordnung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, F i g. 2 eine spezielle Ausführung der Laufzeitglieder
zur Signalverzögerung, - -F i g. 3 die graphische Darstellung einer Bewertungsfunktion
für die Bildsignalamplituden zur Mittelwertbildung und F i g. 4 eine weitere spezielle
Einrichtung zur mehrfachen Signalverzögerung.
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In F i g. 1 bedeuten 1, 2, 3, 4 Verzögerungsglieder mit derselben
Verzögerungszeit t. Die Verzögerungsglieder 1... 4 sind in Reihe geschaltet.
Das Fernsehsignal wird von - der Leitung 10 dem Eingang des ersten Verzögerungsgliedes
1 zugeführt. Die durch die Verzögerungsglieder 1... 4 gebildete Kette ist
durch einen Widerstand 9 am Ausgang des letzten Verzögerungsgliedes 4 reflexionsfrei
abgeschlossen. Der Einfachheit halber sind in der Figur nur vier Verzögerungsglieder
dargestellt. Ihre Zahl kann beliebig hoch sein. In der Praxis ist sie lediglich
durch den vertretbaren Aufwand begrenzt.
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Nach dem n-ten Verzögerungsglied, also im vorliegenden Beispiel nach
dem zweiten Verzögerungsglied, wird das Fernsehsignal beim Anschluß c abgenommen
und laufend mit dem Mittelwert der an den Anschlüssen b, c, d abgenommenen
Signale verglichen. Hierzu werden die bei b, c und d von der Verzögerungskette
abgenommenen Signalwerte einer
Einrichtung zur Mittelwertbildung
zugeführt. Diese besteht aus der Summationsstufe 13 und den Abschwächern 21, 22,
23, die dafür sorgen, daß bei gleichen Signalamplituden an den Anschlüssen b, c
und d am Ausgang B der Summationstufe 13 dieselbe Spannung auftritt
wie an den Eingängen b, c und d.
Im einfachsten Fall werden die Signalamplituden
an den Anschlüssen b, c und d durch die Einrichtungen 21, 22, 23
im Verhältnis 3: 1 abgeschwächt. Der in dieser Weise gebildete, am Ausgang
B der Summationsstufe 13 auftretende Signalmittelwert wird nun in einer Subtraktionsstufe
12 mit dem vom Anschluß c der Verzögerungskette abgenommenen Signalwert verglichen.
Am Ausgang D der Subtraktionsstufe entsteht somit die Differenz der Signale bei
A und B.
In analoger Weise wird in der Summierstufe 15 in Verbindung
mit den Abschwächern 31, 32, 33, 34, 35 der Mittelwert aus den fünf Signalwerten
gewonnen, die an den Stellen a, b, c, d, e von der Verzögerungskette abgenommen
werden. Im Ausgang C der Summationsstufe 15 steht wieder der Mittelwert der
fünf Signalamplituden der Eingänge a, b, c, d, e zur Verfügung, der im Fall
gleicher Amplituden an den Anschlüssen a ... e dieselbe Größe wie diese aufweist.
Der so gebildete Mittelwert wird mit dem aus der Summationsstufe 13 gebildeten Mittelwert
wieder in einer Subtraktionsstufe 14 verglichen, die also nur ein der Differenz
der beiden Mittelwerte entsprechendes Signal an ihrem Ausgang E liefert.
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Die Differenzsignale der Subtraktionsstufen 12 und 14 gelangen nun
in die Einrichtungen 16 und 18 mit nichtlinearer Arnplitudencharakteristik, so daß
die Differenzsignale um so stärker geschwächt werden, je kleiner sie sind. Die Amplitudencharakteristik
der Einrichtungen 16 und 18 ist derart ausgebildet, daß der bei fehlendem Differenzsignal
verbleibende Rauschanteil weitgehend geschwächt wird.
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Einer Addierstufe 17 wird schließlich der Mittelwert aus der letzten
Additionsstufe, welche den Mittelwert aus allen Signalen der Verzögerungskette bildet,
in vorliegendem Beispiel der Stufe 15, sowie die Differenzsignale der übrigen Summationsstufen
nach den nichtlinearen Übertragungsgliedern 16, 18 zugeführt und liefert an ihrem
Ausgang 20 das Ausgangssignal.
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Ist die Laufzeit t der Verzögerungsglieder 1, 2, 3, 4 gleich der Dauer
eines Bildelementes, entspricht sie also ungefähr
wobei f die obere Grenzfrequenz des Fernsehübertragungssystems ist, so werden die
in Zeilenrichtung nebeneinanderliegenden Bildelemente zusammengefaßt. Zum Beispiel
ist in diesem Fall die Laufzeit t bei der europäischen Fernsehnorm mit einer oberen
Grenzfrequenz von 5 MHz etwa 0,1R sec. Ist die Laufzeit t gleich der Zeilendauer,
z. B. 64 Rsec bei der europäischen Fernsehnorm, so werden die Bildelemente senkrecht
zur Zeilenrichtung zusammengefaßt, jedoch bei den üblichen Fernsehsystemen mit Zeilensprungverfahren
nur jede Zeile mit ihrer übernächsten usw.
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Um die in unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeilen senkrecht zur Zeilenrichtung
übereinanderliegenden Bildelemente zusammen zufassen,ist die Verzögerungskette nach
dem Schema der F i g. 2 aufzubauen, welche Verzögerungsglieder 5 mit einer Laufzeit
t,. gleich der Zeilendauer (64 Rsec) beim europäischen Fernsehystem und Laufzeitglieder
6 mit einer Laufzeit tHa gleich der Halbbilddauer (20 ursec) bei der europäischen
Fersehnorm aufweist.
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Wird schließlich bei der Verzögerungskette in F i g. 1 die Laufzeit
t eines Verzögerungsgliedes gleich der Dauer eines Vollbildes (40 ursec) bei der
europäischen Fernsehnorm gewählt, so werden die zeitlich nacheinander folgenden
Signalwerte der gleichen Bildstelle zusammengefaßt.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 1 sei der
Anschaulichkeit wegen angenommen, daß die Laufzeit t gleich der Dauer einer Zeile
ist. Es werden also gemäß dem Vorstehenden die in jeder zweiten Zeile senkrecht
zur Zeilenrichtung liegenden Bildelemente zusammengefaßt bzw. miteinander verglichen.
Ist in dem zu übertragenden Bild ein vertikaler Streifen konstanter Helligkeit vorhanden,
so weisen die Signalspannungen an den Punkten A, B und C die gleiche Signalamplitude
auf und unterscheiden sich nur durch die Rauschamplitude. Diese ist um so kleiner,
je größer die Zahl der Signalwerte ist, aus denen der Mittelwert gebildet wird,
und ist daher an der Stelle C am kleinsten, an der Stelle B etwas größer
und weist an der Stelle A,
die nur einen Signalwert erhält, denjenigen Betrag
auf, der ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens an allen Stellen des Fernsehbildes
vorhanden ist. Der aus allen Signalwerten der Anordnung gebildete Mittelwert an
der Stelle C nach der Summationsstufe 15 weist den kleinsten Rauschanteil auf, und
dieses Signal gelangt ungehindert zur Additionsstufe 17 und damit zum Ausgang 20
der Anordnung. Da die Signalwerte an den Stellen A, B
und C gleich groß sind,
ist an den Ausgängen der Subtraktionsstufen 12 und l.4 nur der Rauschanteil
allein vorhanden. Da der Übertragungsfaktor der nachfolgenden nichtlinearen Übertragungsglieder
16 und 18 voraussetzungsgemäß für Signalamplituden in der Größenordnung der Rauschamplituden
sehr klein ist, wird der Rauschanteil durch die Einrichtungen 16 und 18 so stark
geschwächt, daß er praktisch nicht mehr zum Ausgang gelangt. Dies hat zur Folge,
daß der Rauschanteil des Ausgangssignals wesentlich kleiner ist als ohne Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Wenn sich der Abtaststrahl des Bildstromgenerators dagegen einem plötzlichen
Helligkeitssprung im abgetasteten Bild, z. B. einer horizontal verlaufenden Kante,
nähert, so wird der Mittelwert des Signals an der Stelle B nicht mehr mit dem Mittelwert
des Signals an der Stelle C übereinstimmen. Die Subtraktionsstufe 14 liefert dann
ein Ausgangssignal entsprechend der Differenz der beiden Mittelwerte, das den Arbeitspunkt
des nichtlinearen Übertragungsgliedes 18 in ein Gebiet mit größerem Übertragungsfaktor
verschiebt. Das Differenzsignal gelangt also nur wenig verfälscht zur Additionsstufe
17 und damit zum Ausgang 20 der Anordnung. Es bewirkt, daß die Abweichung zwischen
dem Mittelwert an der Stelle C und dem augenblicklich benötigten Sollwert des Fernsehsignals
kompensiert wird. In analoger Weise tritt auch im Ausgang der Subtraktionsstufe
12 ein Signal auf, das das nichtlineare Glied 16 nahezu ungeschwächt passiert und
zum Ausgangssignal addiert wird. Damit gelangen naturgemäß auch die Rauschanteile
der Differenzsignale zum Ausgang; das bedeutet, daß die Störabstandsverbesserung
bei dem betrachteten Beispiel nur in vertikalen Streifen konstanter Helligkeit wirksam
ist.
Beil anderen Speicherzeiten t für die Verzögerungsglieder der
Anordnung nach F i g. 1 ergeben analoge Betrachtungen, daß die Störabstandsverbesserung
ebenfalls in Flächen gleichmäßiger Helligkeit des zu übertragenden Bildes bzw. in
unbewegten Bildteilen erhalten wird. Entspricht die Speicherzeit z. B. der Dauer
eines Bildelementes, so tritt das Rauschen nur bei Helligkeitsübergängen in vertikaler
Richtung in normalen Maße auf. Bei einer Speicherzeit gleich der Dauer eines Vollbildes
wird die Verbesserung des Störabstandes bei plötzlichen Helligkeitsänderungen räumlich
gleicher Bildstellen, also nicht bei raschen Bewegungen in den betreffenden Bildstellen
wirksam.
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Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung wurde angenommen, daß die
Einrichtungen 21... 23, 31... 35 usw. den -gleichen Schwächungsfaktor
aufweisen, so daß alle Eingänge der Summationsstufen 13, 15 usw. den gleichen Anteil
zum momentanen Ausgangssignal liefern. Durch die Wahl verschiede= ner Schwächungsfaktoren
für die Einrichtungen 21... 23,31 ... 35 usw. kann man jedoch auch erreichen,
daß die von der Verzögerungskette abgenommenen Signale für die Bildung des Mittelwertes
verschieden bewertet werden. Ein Beispiel einer ge= eigneten Bewertungsfunktion
zeigt F i g. 3.
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Wenn die Signalwerte einer größeren Anzahl von Bildelementen summiert
werden sollen, so erhöht sich damit der Aufwand für die Verzögerungskette, da diese
bei der Anordnung nach F' i g. 1 ebenso viele Verzögerungsglieder enthalten muß,
als die maximale Zahl der Signalwerte beträgt.
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F i g. 4. zeigt eine Anordnung, mit der sich der Aufwand an Verzögerungsgliedern
verringern läßt. Es wird nur ein Verzögerungsglied 5 mit der Verzögerungszeit t
benutzt und das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes über das übertragungsglied
6 wieder auf den Eingang des Verzögerungsgliedes 5 zurückgeführt und dem Eingangssignal
zugesetzt. Um eine Selbsterregung der Anordnung zu vermeiden, muß die Verstärkung
im gesamten Signalweg kleiner als Eins sein. Ihr Wert bestimmt, wieviele Bildelemente
aufsummiert werden.
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Zur Verringerung des durch die Nichtlinearität der Anordnung verursachten
übertragungsfehlers kann eine ähnliche Anordnung am Anfang des Über- , tragungsweges
verwendet werden, wobei jedoch die Kennlinien der nichtlinearen Glieder (16, 18
in F i g. 1) einen inversen Verlauf zeigen, also bei kleinen Signalamplituden ein
größeres Übertragungsmaß aufweisen als bei großen. In diesem Fall wird nur das zwischen
Anfang und Ende der übertragungsstrecke hinzukommende Rauschen herabgesetzt.
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Bedingt durch die lichtlinearen Glieder im Wege der Signalübertragung
ist diese nicht fehlerfrei. Es verbleibt ein überschwingähnlicher übertragung5-fehler
an horizontalen Kanten.
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Da die in der Nähe der oberen Bandgrenze des Fernsehsystems befindlichen
Anteile des Rauschspektrums visuell wenig stören, ist es nicht notwendig, das vorstehend
beschriebene Verfahren auf den gesamten Frequenzbereich des Fernsehsignals anzuwenden.
Man kann einen die höchsten Frequenzen des Signals umfassenden Signalanteil unmittelbar
vom Eingang auf den Ausgang der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens übertragen.
Diese Verringerung des Frequenzumfanges hat den Vorteil, daß für die Laufzeitglieder
eine geringere Bandbreite ausreicht und diese daher -einfacher ausführbar sind.
Allgemein kann durch die Verringerung der Bandbreite Speicherkapazität eingespart
werden.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt,
sondern das Verfahren kann auch in anderer Weise ausgebildet werden. Um die zeitlich
aufeinanderfolgenden Signalwerte der räumlich oder zeitlich benachbarten Bildelemente
zum Amplitudenvergleich bzw. zur Mittelwertsbildung gleichzeitig verfügbar zu haben,
kann man z. B. an Stelle von Verzögerungsgliedern auch Informationsspeicher beliebiger
Art, z. B. Magnettrommelspeicher, Kondensatorspeicher, Multivibratorspeicher, Magnetkernspeicher
oder Ladungsspeicherröhren, sinngemäß verwenden. In diese Speicher wird das Fernsehsignal
kontinuierlich eingeschrieben und nach der Verzögerungszeit t kontinuierlich abgelesen.