DE1537952C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung des Abbildes einer Szene - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Abbildes einer Szene, die aus einer Anzahl sichtlich begrenzter Flachen unterschiedlicher Leuchtdichten wenigstens für einen betrachteten Spektralbereich zusammengesetzt ist, wobei das Abbild für den Betrachter subjektiv als originalgetreu erscheint.

Alle Bildwiedergabesysteme, die mit einer punktweisen Abtastung des Originals und punktweiser Reproduktion arbeiten, beruhen ebenso wie kinematographische Systeme auf der Trägheit des menschlichen Auges. Um ein zusammengesetztes visuell erkennbares Bild zu erhalten, muß der Aufnahmegegenstand bzw. der Bildschirm mit einer Geschwindigkeit abgetastet werden, die größer ist als die Zeitverzögerung des Auges. Jedesmal wenn der Schirm abgetastet wird, dann wird ein Bild des Gegenstandes reproduziert, und dies wird infolge der Trägheit des Auges nicht erkennbar. Auf diese Weise lassen sich Standbilder und auch bewegte Bilder reproduzieren unter Voraussetzung, daß die Abtastgeschwindigkeit und die Bildwechselgeschwindigkeit groß genug sind.

Bei allen bisher bekannten Systemen dieser Art wurden bei der punktweisen Abtastung Signale erzeugt, die proportional zu der Helligkeit bzw. Leuchtdichte des betreffenden Bildpunkts waren, und ebenso erfolgte die Wiedergabesteuerung unter punktweiser Wiedergabe der Helligkeitsinformation. Dabei kann/ je nach der Wiedergabemöglichkeit der Helligkeits,-^

umfang der Aufnahmeszene bei der Wiedergabe komprimiert werden.

Bedingt durch die Kompression und auch durch das begrenzte Auflösungsvermögen des Auges bzw. seiner Unterscheidbarkeit hinsichtlich geringer Helligkeitsunterschiede werden bei den herkömmlichen Bilderzeugungssystemen die Möglichkeiten, die aus der punktweisen Helligkeitsinformationssteuerung herrühren, gar nicht ausgenutzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bilderzeugungssystem für stehende oder bewegte Bilder zu schaffen, das bei schaltungstechnisch vereinfachtem Aufbau in jeder Weise befriedigende, kontrastreiche Bilder liefert.

Verfahrensmäßig wird die gestellte Aufgabe gelöst durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Anstelle der sonst üblichen punktweisen Abtastung der Helligkeitsunterschiede werden nach der Erfindung demgemäß nur jene Intensitäten benachbarter Bildpunkte zur Kenntnis ge-

nommen, die hinsichtlich ihrer Helligkeit um einen(_f< vorbestimmten Verhältniswert unterschieden sind, wobei selbstverständlich jeweils die gesamte Fläche abgetastet werden muß, um festzustellen, wo ein solcher Gradient auftritt, der die Bildinformation liefert.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4.

Es ist zwar durch die US-PS 2801279 bereits bekannt, bei der Abtastung eine Änderung der Information aus dem Gradienten der Helligkeiten benachbarter Bildpunkte zu verarbeiten. Hier wird jedoch angestrebt, einen mit scharfen Konturen versehenen Gegenstand von einem verschwommenen oder verwaschenen Gegenstand zu unterscheiden. Im typi-

ho sehen Fall soll ein Aufnahmegegenstand im Vordergrund, der scharfe Umrisse hat und durch das Objektiv einer Kamera scharf abgebildet wird, für die Bilderzeugung herangezogen werden, während der infolge der begrenzten Schärfentiefe unscharfe Hintergrund

h5 wegfallen soll.

Beim Anmeldungsgegenstand werden demgegen- ; über vollständige Bildinformationen auch bei der Wiedergabe geliefert, wobei über die verarbeiteten

multiplizierten Verhältniswerte ein dem Aufnahmegegenstand bezüglich seiner gesamten Helligkeitsverteilung entsprechendes Bild erzeugt wird.

Die Erfindung beruht demgemäß auf der Erkenntnis, daß bei einer normal empfindenden Person, die den visuellen Eindruck vermittelnden Organe, die die Bilder registrieren und interpretieren;, nicht in erster Linie durch die absoluten Helligkeiten verschiedener Flächenelemente des betrachteten Gegenstandes geleitet oder beeinflußt werden. So soll beispielsweise eine Szene betrachtet werden, die eine weiße Katze und eine schwarze Katze aufweist. Die schwarze Katze wird im hellen Sonnenlicht betrachtet, während die weiße Katze im Schatten ausgestreckt liegt. Wenn vergleichende fotometrische Messungen des Lichtes vorgenommen werden, das von den beiden Katzen ausgeht, dann zeigt es sich, daß mehr Licht von der schwarzen Katze ausgeht als von der weißen. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß die schwarze Katze heller ist als die weiße Katze. Trotzdem wird die schwarze Katze als schwarz empfunden und die weiße Katze als weiß.

Es soll nunmehr eine andere Bildsituation betrachtet werden. Eine ebene weiße Oberfläche, die auf einem komplexen und buntgefärbten Hintergrund ausgebreitet ist, wird von der Seite her durch eine benachbarte Lichtquelle beleuchtet derart, daß ein Helligkeitsgradient über der Oberfläche auftritt. Fotometrische Messungen zeigen, daß eine diskrete Fläche an der Oberfläche, die der Lichtquelle am nächsten liegt, etwa lOmal soviel Licht reflektiert wie eine gleiche Fläche der gleichen Oberfläche, die der Lichtquelle abgewandt ist. Trotzdem scheint die weiße Oberfläche allgemein ganz gleichförmig weiß. Außerdem kann, wie bei dem Beispiel der Katzen, der weniger hell beleuchtete Teil der weißen Oberfläche weniger Licht nach dem Augen reflektieren, als von äquivalenten Flächen eines dunklen Objektes nahe der Lichtquelle reflektiert wird. Die weiße Oberfläche erscheint in allen Teilen noch heller als der dunkle Gegenstand.

Derartige Situationen veranschaulichen, daß visuelle Betrachtungen nicht in erster Linie auf der Helligkeit von Gegenständen in einem Sichtfeld beruhen. Gewöhnliche visuelle Eindrücke führen Informationen betreffend die Charakteristiken eines Gegenstandes, die völlig unabhängig von der Lichtmenge sein können, welche von diesen Gegenständen empfangen wird. Die Erfindung beruht weiter auf der Erkenntnis, daß die Natur eines empfangenen Bildes durch die Beziehung aller Verhältnisse zwischen Helligkeitspegeln auf entgegengesetzten Seiten wichtiger visueller Grenzen oder Kanten bestimmt wird. Derartige Ränder erscheinen allgemein in großer Zahl in jeder Szene. Bei dem oben angegebenen Beispiel der schwarzen und weißen Katzen sind die Elementarflächen, die den Hintergrund einer Katze bilden, bezogen auf den Hintergrund der anderen Katze durch eine Folge visuell wichtiger Grenzflächen.

Der visuelle Mechanismus, der es dem Betrachter ermöglicht, die weiße Katze heller zu sehen als die schwarze Katze trotz der objektiven fotometrischen Daten, die beweisen, daß die schwarze Katze heller ist als die weiße Katze, spricht auf die Randinformation zwischen allen Flächen des Gesamtgegenstandes an. Der visuelle Mechanismus der Betrachtungsperson benutzt Verhältnisse von Helligkeiten über diesen visuell wichtigen Grenzen oder Rändern, und auf der

Basis sämtlicher Randverhältnisse wird den verschiedenen Flächen des Gegenstandes eine Rangfolge bzw. eine Helligkeitsskala aufgeprägt. Diese Helligkeitsskala entspricht nicht allgemein der Folge von Ausdrücken der Helligkeit der verschiedenen Flächen. Um die Helligkeitsordnung auf die sichtbaren Gegenstände zu übertragen, kann der visuelle Mechanismus graduelle Helligkeitsgradienten auf der Oberfläche ignorieren, wie im Falle der nicht gleichförmig beleuchteten weißen Oberfläche, und der visuelle Mechanismus kann auf den Rand oder die Grenzinformation ansprechen. Es ist, als ob eine Grenze oder ein Rand zwischen helleren und dunkleren Flächen dem visuellen Mechanismus eine Instruktion liefert, durch welche der Betrachter die relativen Helligkeiten der Flächen in einer Weise aufnimmt, die völlig unabhängig von der Helligkeit des Lichtes ist, das tatsächlich von irgendwelchen Punkten der Fläche ausgeht.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Fernsehsende- und Empfangssystems, das nach dem erfindungsgemäßen System arbeitet,

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen den Wellenformen an verschiedenen Punkten des Systems nach Fig. 1 erkennen läßt,

Fig. 3 eine bildliche Darstellung der Abbildung einer Szene, welche verschiedene Erfindungsprinzipien erkennen läßt,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer anderen Fernsehsendeanordnung, die in Verbindung mit einem Empfänger nach Fig. 1 anwendbar ist,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Fernsehsenders,

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines weiteren Fernsehsystems für Farbwiedergabe.

Das in Fig. 1 dargestellte Fernsehsystem weist einen Sender 10 und einen Empfänger 11 auf. Der Sender besitzt eine Fernsehkamera 12 in Gestalt eines Bildorthikons 14, auf dessen Bildfläche der Gegenstand durch ein Objektiv 16 abgebildet wird. Das Bildorthikon 14, welches von herkömmlicher Bauart sein kann, wird gemäß einem vorbestimmten Zeilenprogramm unter Steuerung einer Zeitablenkschaltung 18 abgetastet, um ein programmiertes Signal zu erzeugen, das eine kontinuierliche Aufzeichnung der Helligkeit aufeinanderfolgender Bildelemente des Aufnahmegegenstandes darstellt. Vor der Bildfläche des Bildorthikons kann ein Filter 20 angeordnet werden.

Die Zeitablenkschaltung 18 wird von einer Synchronisierstufe 22 gesteuert, die Tastimpulse mit der Ausgangswellenform des Bildorthikons kombiniert, um eine Synchronisation des reproduzierten Bildes zu bewirken.

Das durch das Bildorthikon 14 erzeugte Video-Signal ist eine kontinuierliche Aufzeichnung der Helligkeit des Gegenstandes, wie er während der Zeilenabtastung bestimmt wird. Nach Verstärkung in einem Video-Verstärker 24 läuft das Video-Signal zunächst über einen logarithmischen Verstärker 26, um den dynamischen Bereich des Signals in eine logarithmische Skala zusammenzudrängen. Das resultierende, logarithmische Video-Signal wird durch die Kurve A in Fig. 2 dargestellt. Die fast vertikalen Abschnitte der Wellenform A treten auf, wenn das System plötzliche Übergänge in Helligkeitspegeln feststellt, wenn der Abtaststrahl durch eine erkennbare Grenzlinie im

Originalgegenstand hindurchläuft. Die schräg verlaufenden Abschnitte zwischen den fast vertikalen Abschnitten der Kurve A stellen die Helligkeitsgradienten dar, die das Bildorthikon zwischen den Grenzübergängen feststellt.

Das Ausgangsvideosignal des logarithmischen Verstärkers 26 wird einem Differentiator 28 zugeführt. Das Ausgangssignal des Differermätors 28 ist schematisch als Kurve B in Fig. 2 dargestellt. Die Kurve B stellt die erste Ableitung des modifizierten Video-Signals dar. Die scharfen positiven und negativen Extremwerte in der Kurve B kennzeichnen die visuellen Grenzwerte der Helligkeit des Originalgegenstandes, während die mit geringerer Abflachung versehenen Abschnitte der Kurve auf beiden Seiten der Nullinie den Helligkeitsgradienten zwischen visuell deutlich sichtbaren Grenzen des Gegenstandes darstellen. Das differenzierte Signal wird dann einem Schwellwertbegrenzer 30 zugeführt, um die abgeflachten Abschnitte der Kurve zu entfernen. Hieraus ergibt sich ein Signal mit den Charakteristiken der Kurve C.

Die Kurve C ist durch positive und negative Impulse veränderlicher Amplituden charakterisiert, die durch Abschnitte mit einem Signalwert von Null getrennt sind. Die Amplitude jedes Impulses der Kurve C stellt ein Randverhältnis zwischen der Helligkeit einer Fläche auf einer Seite der visuellen Grenzlinie und der Helligkeit einer anderen dichtbenachbarten Fläche auf der anderen Seite der Grenzlinie dar. Die Polarität eines jeden Impulses entspricht der Richtung der Helligkeitsänderung, wenn der Strahl über die Grenzlinie hinwegläuft. Wenn der Strahl z. B. eine visuelle Grenzlinie von einer dunkleren Fläche nach einer helleren Fläche überschreitet, dann ist der durch die Kurve C repräsentierte resultierende Impuls positiv, während bei Abtastung von einer helleren nach einer dunkleren Fläche über eine Sichtgrenze hinweg ein negativer Impuls erzeugt werden kann. Die Länge des Intervalls zwischen den Impulsen wird durch die Zeit bestimmt, die erforderlich ist, um den Originalgegenstand von einer merklichen Grenze nach einer anderen abzutasten.

Es ist wichtig, die volle Bedeutung des Grenzverhältnissignals zu erfassen, das durch die Kurve C repräsentiert wird. Die im Abstand zueinander liegenden positiven und negativen Impulse, die dieses Signal bilden, repräsentieren nicht die absoluten Helligkeitswerte der verschiedenen Bildflächen, sondern liefern statt dessen eine Information hinsichtlich der relativen Helligkeit von Bildkomponenten beidseits einer markanten Grenzlinie. Wegen der Helligkeitsinformation, die diese Randverhältnissignale führen, können die getrennten Grenzflächen des Originalgegenstandes in einer Ordnung in Gestalt einer Helligkeitsskala angeordnet werden.

In dem beschriebenen Bildformierungssystem wird das Randverhältnissignal, das durch die Kurve C repräsentiert wird, als Grundbefehlssignal bei der Erzeugung eines Bildes benutzt, das den Originalgegenstand reproduziert. In diesem Beispiel wird das Randverhältnissignal dem Bilderzeugungsabschnitt eines Systems über einen Sender 32 zugeführt, der auf eine Antenne 34 arbeitet. Das von der Antenne 34 ausgesandte Signal wird von einer Empfangsantenne 36 aufgenommen und durch einen Empfänger 38 demoduliert, um es wieder in eine Gestalt zu bringen, die durch die Kurve C repräsentiert ist. Der Sender 32 und der Empfänger 38 sollen gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit ihren zugeordneten Antennen 34 und 36 einen Übertragungskanal bekannter Art darstellen.

Das demodulierte Randverhältnissignal wird von dem Empfänger 38 zunächst einem Integrator 40 zugeführt, um ein Signal zu erzeugen, welches der Kurve D in Fig. 2 entspricht. Die Kurve D, die aus einer Reihe von getrennten Amplitudensignalen besteht, repräsentiert auf einer logarithmischen Skala eine aufeinanderfolgende Multiplikation von Randverhältnissen, die in Intensitäten in dem zu reproduzierenden Bild umgeformt werden. Die Gestalt der Kurve D entspricht nicht jener der Kurve A. Die Kurve A stellt die Aufnahmehelligkeiten dar, während die Kurve D die Wiedergabehelligkeiten repräsentiert. Das Signal, das durch die Kurve D repräsentiert wird, wird in eine weitere Gruppe von Helligkeiten bei der Reproduktion des Bildes umgesetzt, aber die Bedeutung der Helligkeiten im reproduzierten Bild unterscheidet sich von jener der Helligkeiten des Originalgegenstandes. Die graduellen Helligkeitsänderungen oder Gradienten zwischen sichtbaren Rändern des Originalgegenstandes werden-vernachlässigt. Es ist die Randinformation selbst inf* Originalgegenstand, die die Flächenhelligkeit des reproduzierten Bildes bestimmt.

Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal vom Integrator 40 durch einen antilogarithmischen Verstärker 42 geschickt, um einen breiten dynamischen Bereich des Signals wiederherzustellen. Dann tritt das Signal durch den Video-Verstärker 44 nach dem Bildschirm 46 und steuert die Helligkeit des Bildes, das auf dem Bildschirm aufgezeichnet wird. Die Zeitablenkschaltung 48 bewirkt, daß der Elektronenstrahl im Kineskop ein Raster auf dem Schirm gemäß dem gleichen Zeilenabtastprogramm bewirkt, das im Orthikon 14 benutzt wird. Dei Zeitablenkschaltung 48 wird durch eine Synchronisierstufe 50 gesteuert, die aus dem Video-Verstärker 44 Synchronisierimpulse entnimmt, um eine Bildbeziehung zwischen hellen und dunklen Flächen zu gewährleisten, die in dem reproduzierten Bild hergestellt werden.

Auf diese Weise wird ein Bild auf dem Bildschirm 46 gemäß den Randverhältnissignalen erzeugt, die vom Originalgegenstand abgeleitet und nach dem Bildreproduktionsteil des Systems übertragen werden. Die Randverhältnissignale repräsentieren das Maß von Kontrast zwischen Helligkeitspegeln

so an dichtbenachbarten Punkten auf entgegengesetzten Seiten visuell markanter Grenzen, die sich zwischen unterschiedlichen Flächen des Originalgegenstandes erstrecken. Die Helligkeiten der verschiedenen begrenzten Flächen des Bildes entsprechen einer Hierarchie von Helligkeiten, die auf der Basis merklicher sichtbarer Grenzen des Originalgegenstandes erzeugt werden.

Es ist zweckmäßig, an dieser Stelle zunächst einmal einige theoretische und experimentelle Grundlagen zu betrachten, auf die sich die Erfindung gründet. In Fig. 3 ist eine tatsächliche experimentelle Anordnung dargestellt, die von einem abstrakten Muster-grauer Flächen Gebrauch macht. Die verschiedenen Flächen des Musters werden dadurch hergestellt, daß graues Papier unterschiedlicher lumineszierender Reflektivität ausgeschnitten und aufgeklebt wird, das je eine matte Oberfläche hat. Die Lichtreflektivität ist in Fig. 3 durch den Grad der Punktierung repräsentiert,

der auf den Flächen A bis F in der Zeichnung angewendet wurde. Die stärker punktierten Flächen repräsentieren jene Abschnitte des Musters, die eine relativ niedrigere Reflektivität aufweisen. Jede Fläche ist von einem willkürlichen Hintergrund umgeben. Bei gleichförmiger Beleuchtung erkennt der Betrachter leicht die helleren Flächen aus den dunkleren Flächen heraus und unterscheidet diese. $~-

Dieses Muster wird nun durch eine einzige Lichtquelle 51 beleuchtet, die unten derart angeordnet ist, daß mehr Licht auf die unteren Abschnitte des Musters auffällt als auf die oberen. Wenn die Lichtmenge, die von der dunklen Fläche F am unteren Teil ausgeht, mit der Lichtmenge verglichen wird, die von der Fläche A an der Oberseite ausgeht, zeigt sich, daß beide Flächen die gleiche Lichtmenge nach dem Auge des Betrachters hin reflektieren. Tatsächlich ist bei dieser experimentellen Anordnung die einzige Lichtquelle 51 in einem solchen Abstand von den oberen und unteren Abschnitten angeordnet, daß gewährleistet ist, daß die gleiche Lichtmenge vom Mittelpunkt der Fläche A reflektiert wird wie vom Mittelpunkt der Fläche F. Trotzdem erscheint die Fläche A noch hell, und die Fläche F erscheint noch dunkel.

Das Auge muß gewisse unveränderbare Eigenschaften des Gegenstandes kennen, den es sieht, insbesondere die Wirksamkeit, mit der jene Gegenstände das einfallende Licht reflektieren. Diese Wirksamkeit soll als »lichtausstrahlende Reflektanz« bezeichnet werden. Das Auge hat nur geringen Nutzen zum Erkennen der Natur der Umgebungshelligkeit, da diese in unvorhersehbarer Weise mit Zeit und Raum variiert. Die Beleuchtung in einer natürlichen Umgebung ist fast nie gleichförmig über dem Gesichtsfeld. Schatten werden durch eine Vielzahl von Einflüssen einschließlich Wolken, Bäumen und dergleichen erzeugt. Diese Schatten resultieren häufig in einem extremen Sprenkeln der Beleuchtung, die auf Gegenstände einfällt, die im Sichtfeld liegen.

Das visuelle System muß ein konsistentes Bild der Umgebung präsentieren. Das spezielle Problem des Auges war, einen Mechanismus zu entwickeln, der Konstruktionen liefert, die der optischen Natur des Objektes selbst entsprechen, während gleichzeitig ein Kommunikationsmedium, d. h. Licht, benutzt wird, das in unvorhersehbarer Weise in der Wellenlängenzusammensetzung und in der Energie sich ändert. Es scheint daher, daß der visuelle Mechanismus notwendigerweise eine Hierarchie von Helligkeiten haben müßte, die der lumineszenten Reflektanzcharakteristik der Gegenstände selbst entspricht. Diese Information, die zu der Ordnung von Helligkeiten innerhalb einer Bildfläche führt, kann durch direkten Vergleich der Lichtenergien erhalten werden, die von Punkten empfangen werden, die unmittelbar gegenüberliegend an diesen Sichtgrenzen liegen.

Eine weitere Erklärung der Natur der visuellen Konstruktion eines empfangenen Bildes kann dadurch erklärt werden, daß betrachtet wird, was in einem einzelnen Flächenabschnitt des Musters nach Fig. 3 zu geschehen scheint. Da die auf das Muster fallende Lichtmenge von unten nach oben kontinuierlich zunimmt, muß die Lichtmenge, die von Punkten am unteren Teil einer einzigen Fläche ausgeht, größer sein als die Lichtmenge, die von gleichen Punkten an der oberen Seite der Fläche ausgeht. Die Ablesungen eines Fleckfotometers beim Bestreichen eines derart beleuchteten Musters haben gezeigt, daß die Lichtintensität von einem Punkt in der Mitte der Fläche A 118 Einheiten (absolute Größen sind unwichtig) und 140 Einheiten im unteren Teil der Fläche A beträgt. Es ist bekannt, daß die Reflexionsfähigkeit der gesamten Fläche A gleich ist. Trotzdem ergaben sich weite Intensitätsabweichungen der Beleuchtungsenergie über der Fläche A. Dagegen zeigt eine visuelle Betrachtung, daß die Fläche A vom Auge als gleichmäßig beleuchtet empfunden wird. Dies führt zu dem,

ίο was als Grundbedingung bezeichnet werden kann: Jede umgrenzte Region eines Bildes scheint in der Helligkeit gleich zu sein, d. h. es ist ein Ganzes unabhängig von den Lichtenergieschwankungen innerhalb dieser Region.

Wenn durch irgendein Verfahren der Bildwiedergabe die Lichtintensität punktweise in der Fläche A reproduziert wird, dann erscheint die Gesamtausdehnung der Fläche A wiederum in gleichförmiger Helligkeit, trotz der bestehenden Schwankungen der Lichtenergie in dem reproduzierten Bild. Demgemäß ist zur Reproduktion des Bildes eine Information über die Helligkeit aller Punkte in den verschiedenen Bildflächen erforderlich, die zu reproduzieren sind. Die Grundbedingung fordert jedoch, daß die Lichtmenge an jeden Punkt innerhalb der begrenzten Fläche nicht reproduziert zu werden braucht, um eine ähnliche Bildwirkung zu erzielen. Es ist möglich, die Fläche A als einen Bereich gleichförmiger Helligkeit zu reproduzieren, und dies ist möglich mit einer wesentlich

jo geringeren Gesamtinformation, als sie sonst erforderlich wäre.

Um ein Bild des in Fig. 3 gezeigten Musters zu reproduzieren, bei welchem die verschiedenen Flächen durch jeweils eine Fläche gleichförmiger Leuchtintensität repräsentiert werden, ist es wichtig, Leuchtintensitäten zu wählen, die sämtliche Randverhältnisse zwischen entsprechenden Flächenteilen des Originals reproduzieren. Die Information, die erforderlich ist, um die Helligkeit zu bestimmen, wird von der Folge von Lichtintensitätsverhältnissen erlangt, die von gegenüberliegenden Seiten visuell sichtbarer Grenzen ankommen. Beim Ausmessen der Grenzen zwischen den Flächen A und B in Fig. 3 kann sich zeigen, daß eine Fotometerablesung von 140 Einheiten von einem Punkt der Fläche A gerade über dieser Grenze erhalten wird und eine Ablesung von 80 Einheiten von einem Punkt der Fläche B gerade unterhalb der Grenze (dabei sollen die Begriffe »über« und »unter« sich auf die Darstellung nach Fig. 3 beziehen). Bei Ver-

gleich dieser fotometrischen Ablesungen mit der Lichtreflektivität der Oberfläche der Flächenteile A und B hat es sich gezeigt, daß das Verhältnis von 140 zu 80 gleich dem Verhältnis der bekannten Reflexionsfähigkeit der Flächen A und B ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Beleuchtung, die auf eine Seite aber sehr nahe am Rand auffällt, im wesentlichen die gleiche sein muß wie auf der anderen Seite, aber ebenfalls dicht an diesem Rand. Allgemein kann angenommen werden, daß die Beleuchtung auf gegen-

fco überliegenden Seiten einer deutlich sichtbaren Grenze im wesentlichen die gleiche ist. Wenn Messungen an benachbarten Punkten auf gegenüberliegenden Seiten der Grenze zwischen den Flächen B und C durchgeführt werden, dann repräsentiert dieses Verhältnis wiederum die relative Reflexionsfähigkeit der Flächen B und C. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieses Verhältnis 118 zu 150. So ist es in der Tat möglich, auf diese Weise die Beziehung zwi-

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sehen den Flaschen A und B, den Flächen B und C, den Flächen C und D, den Flächen D und E und den Flächen E und F zu bestimmen. Ungeachtet der Tatsache, daß innerhalb irgendeiner gegebenen Fläche die tatsächlichen Messungen der Beleuchtungsintensität großen Schwankungen unterworfen sind, ist es trotzdem möglich, mit einem hohen-Grad von Genauigkeit die Beziehung zwischen den Lichtreflexionen der Flächen A und F an gegenüberliegenden Seiten des beleuchteten Musters zu bestimmen. Dies kann geschehen, indem die Randhelligkeitsverhältnisse aufeinanderfolgend multipliziert werden. Dieses Randhelligkeitsverhältnis soll im folgenden als »Randverhältnis« bezeichnet werden. Wenn das Randverhältnis zwischen den Flächen A und B mit jenem zwischen den Flächen B und C und jedem folgenden Randverhältnis über den Flächen D, E, F multipliziert wird, ergibt sich aus den tatsächlichen Messungen nach Fig. 3, daß ein Verhältnis von 6,4:1 erlangt wird. Dieses Verhältnis repräsentiert die relativen Helligkeiten der Flächen A und F und dies ist ein Ergebnis, das sehr dicht an dem tatsächlichen Verhältnis der Helligkeitsreflexionen dieser Flächen liegt. In gleicher Weise ist es möglich, längs irgendeines Pfades von einer Fläche nach einer anderen fortzuschreiten und dabei Grenzen der Muster nach Fig. 3 zu überschreiten und eine Zahl hierbei zu bestimmen, die gleich ist dem Verhältnis der Lichtreflexionen der ersten und letzten Fläche. Bei der Herstellung einer Rangordnung von aufeinanderfolgenden Randverhältnissen zum Zwecke der Erlangung einer Rangordnung von Helligkeiten hat sich experimentell gezeigt, daß lange Grenzen nicht wichtiger als kurze Grenzen sind. Auch bei der Herstellung von Helligkeiten sind große Flächen nicht wichtiger als kleine. Die Flächenausdehnung hat also überhaupt keinen Einfluß. Dagegen ist die Randinformation für das Auge wichtig und die Grenzen oder Ränder, gleichgültig ob sie kurz oder lang sind, müssen erkennbar, d.h. deutlich sichtbar sein, um die notwendige Information zu erhalten.

Ein Signal, das die Randverhältnisse charakterisiert und das durch aufeinanderfolgende Multiplikation der Randverhältnisse zum Zwecke der Reproduktion von Helligkeiten unterschiedlicher Bildflächen geeignet ist, kann auch auf andere Weise als durch Verwendung des in Fig. 1 dargestellten Differentiators erlangt werden. Ein Beispiel einer anderen Ausführungsform zur Erlangung eines Randverhältnissignals ist in dem in Fig. 4 dargestellten Blockschaltbild eines Senders dargestellt. In dieser Schaltung nach Fig. 4 sind jene Schaltungsgruppen, die die gleichen Funktionen wie jene nach Fig. 1 haben, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dieser Ausführungsform ist kein Differentiator zwischen dem Ausgang des logarithmischen Verstärkers 26 und dem Eingang der Schneidstufe 30 vorgesehen. Statt dessen werden die Ausgangssignale des logarithmischen Verstärkers 26 über eine Abzweigleitung einer Verzögerungsleitung 52 und einem Inverter 54 zugeführt. Sowohl die Eingangsenden als auch die Ausgangsenden der Verzögerungsleitung 52 und des Inverters 54 sind miteinander verbunden. Demgemäß werden die. Ausgangssignale dieser beiden Stufen algebraisch summiert und dem Schwellwertbegrenzer 30 zugeführt.

Die Wirkung der Verzögerangsleitung 52 und des Inverters 54 besteht darin, das logarithmisch verstärkte Video-Signal von einem verzögerten Gegenstück seiner selbst zu subtrahieren. Bei einem Fernsehsystem dieser Art, wobei das Video-Signal eine zeitmäßig codierte Stellungs- und Helligkeitsinformation repräsentiert, ist dies äquivalent zu einem Vergleich zweier sich kontinuierlich bewegender Punkte, die um einen vorbestimmten Abstand distanziert sind. Wegen des logarithmischen Charakters dieser Signale stellt die algebraische Summe des verzögerten und unverzögerten Signals ein wahres Verhältnis der Helligkeiten zwischen den beiden Punkten dar und nicht

ίο nur eine Differenz der Helligkeit.

Die Kombination der in dieser Schaltung durch die Verzögerungsleitung 52, den Inverter 54 und die Schneidstufe 30 erzeugten Wirkungen definieren für das System die Charakteristiken eines Randes, d. h.

einer Grenzlinie, die das System als visuell bedeutsam behandelt. Visuell markante Grenzlinien sind durch eine wesentliche Änderung in der Helligkeit zwischen zwei im Abstand zueinanderliegenden Punkten gekennzeichnet. Die Amplitude, über der der Schwellwertbegrenzer 30 Signale hindurchtreten läßt, wird bestimmt durch das, was das System als »visuell bedeutsame Änderung der Helligkeit« empfindet. Ein weiterer Weg, durch den das System nur auf visuell bedeutsame Änderungen der Helligkeit ansprechend gemacht werden kann, besteht darin, den Schwellwertbegrenzer 30 wegzulassen und ein Hochpaßfiltei* zwischen Verstärker 26 und der Abzweigung von Verzögerungsleitung 52 und Inverter 54 einzufügen. Ein solches Filter würde gegenüber niederfrequenten Signalen sperren, die graduellen Helligkeitsänderungen entsprechen, und das Filter würde Hochfrequenzsignale hindurchlassen, die plötzlichen Übergängen an den Grenzen entsprechen. Der Abstand zwischen den Vergleichspunkten bestimmt die Steilheit der Grenzlinie und damit den Helligkeitsgradienten, den das System als visuell bedeutend verarbeitet.

Der Abstand zwischen den beiden Punkten des Bildes, zwischen denen die Helligkeitsverhältnisse abgenommen werden, ist eine Funktion der Lineargeschwindigkeit des Abtaststrahls in der Kamera 12 und der Absolutdaucr des Zeitintervalls, das durch die Verzögerungsleitung 52 eingeführt wird. Die Verzögerungsleitung 52 kann einstellbar sein, um die wirksame Distanz zwischen zwei Punkten ändern zu können. Wenn der Betrag der Zeitverzögerung auf Null vermindert wird, dann wird der Signalausgang des Systems ebenfalls Null, da dann die den Inverter 54 aufweisende Schaltung einfach das logarithmisch verstärkte Video-Signal von sich selbst abziehen würde.

Wenn die Verzögerungsleitung 52 eine merkliche, aber noch sehr kurze Zeitverzögerung erzeugt, dann nimmt das kombinierte Signal am Eingang des Schwellwertbegrenzers 30 in Fig. 3 die Form des Signals B nach Fig. 2 an. Wenn jedoch die Zeitverzögerung, die durch die Verzögerungsleitung 52 erzeugt wird, in unzweckmäßiger Weise verlängert wird, was eine vergleichsweise lange Entfernung, die die Punkte trennt, zwischen denen das Helligkeitsverhältnis abgenommen werden soll, zur Folge hat, dann beginnt

bo der Signaleingang an dem Schwellwertbegrenzer 30 beträchtliche Differenzen anzunehmen. In der Praxis enthalten die als Differentiator oder Verzögerungsleitung wirksamen Stufen induktive und kapazitive Schaltungselemente, die in einem einfach ausgelegten System unbeabsichtigte Wirkungen haben könnten. So sollte z. B. der in dem System nach Fig. 1 enthaltene Differentiator nicht in erster Linie auf die Steigung bzw. Änderungsgeschwindigkeit des Hellig-

keitssignals ansprechen, wenn das Bild abgetastet wird. Die Änderungsgeschwindigkeit der Helligkeit über einer Grenzlinie ist eine Funktion der Schärfe der Grenzlinie und nicht der Verhältnisse der Helligkeit auf gegenüberliegenden Seiten der Grenzlinie. Bei einem praktischen System dieser Art sollte daher die Zeitkonstante des Differentiators- so proportioniert werden, daß die Schaltung in ejster Linie auf Änderungen der Signalpegel über einem geeigneten Intervall anspricht und nicht auf die Änderungsgeschwindigkeit zwischen Signalpegeln.

Eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, durch welche die Abschwächung des Randverhältnissignals durch Blindwiderstände vermindert wird, zeigt Fig. 5. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird weder eine Verzögerungsleitung noch ein Differentiator zur Ableitung eines Randverhältnissignals benutzt. Anstelle einer herkömmlichen Fernsehkamera zur Abtastung eines Originalgegenstandes wird ein Kamerasystem mit einer optischen Bilderzeugungs- und Abtasteinrichtung 60 benutzt. Das Objektiv 62 entwirft ein Bild des Gegenstandes, der durch die Kombination von Vertikalabtastspiegel 64 und Horizontalabtastspiegel 65 abgetastet wird, um aufeinanderfolgende Abschnitte des Originalbildes auf zwei Fotosensoren 66 und 67 zu entwerfen, die um einen Abstand dx zueinander angeordnet sind. Die Abtastbewegungen der Spiegel 64 und 65 werden durch Motore 68 und 69 unter der Steuerung von Vertikal- und Horizontalkippstufen 70 und 71 bewirkt. Die Fotosensoren sind vorzugsweise von einer Bauart, bei welcher ein Signal mit logarithmischer Charakteristik erzeugt wird. Wenn die Fotosensorsignale nicht logarithmisch auf die Lichtintensität ansprechen würden, die auf die Sensoren einfällt, könnten sie in geeigneter Weise verstärkt werden, um eine logarithmische Charakteristik zu erzielen. Die Polarität eines der Dektoren wird umgekehrt in bezug auf diejenige des anderen Inverters 72, und die Ausgänge beider werden summiert. Eine logarithmische Brückenschaltung ist das Ergebnis. Da diese Brücke eine Abtastung über eine Fläche bewirkt, die gleichförmig beleuchtet ist und eine gleichförmige Reflexionsfähigkeit hat, besteht kein resultierender Ausgang der Brückenschaltung, da beide Signale gleich sind und das eine das negative Signal des anderen ist. Wenn die beiden Detektoren eine visuell bedeutende Grenzlinie zwischen zwei Flächen erreichen und beginnen darüber wegzulaufen, dann liest ein Detektor die Lichtmenge auf der einen Seite der Grenzlinie und der andere die Lichtmenge auf der anderen Seite ab. Der Ausgang der Brückenschaltung ist dann äquivalent dem Verhältnis der Randhelligkeiten der beiden Flächen. Wenn die beiden Detektoren veranlaßt werden, über der Grenze eine Abtastung der zweiten Fläche vorzunehmen, dann· fällt der Brückenausgang wieder auf Null ab. Das Ergebnis ist eine Reihe von Randverhältnissignalen in Gestalt von Impulsen, ähnlich wie bei dem Beispiel der Kurve B in Fig. 2.

Diese Signale werden weiter im Schwellwertbegrenzer 30 behandelt, um Randverhältnissignale zu erhalten, die nicht der graduellen Veränderung der Bildhelligkeit entsprechen bzw. nicht an Grenzen oder Ränder gebunden sind, sondern das Helligkeitsverhältnis zwischen dicht benachbarten Elementarflächen auf beiden Seiten visuell bedeutsamer Grenzlinien darstellen, die verschiedene Flächen im Sichtfeld des Kamerasystems umgrenzen.

Diese logarithmischen Randbegrenzungssignale können wiederum aufeinanderfolgend in einer Operation summiert werden, die infolge des logarithmischen Charakters der Signale eine aufeinanderfolgende Multiplikation aufeinanderfolgender Randverhältnisse darstellen. Das Ergebnis der aufeinanderfolgenden Multiplikation der ermittelten Randverhältnisse ist eine Erzeugung von Helligkeitssignalen, die eine Ordnungsfolge von Helligkeiten der aufeinanderfolgenden Flächen innerhalb des Sichtfeldes der Kamera repräsentieren, wobei die Rangfolge der Ordnung von Helligkeiten entspricht, die visuell beobachtbar sind. Die Randverhältnissignale laufen zunächst durch den Verstärker 73, wo außerdem Synchronisiersignale vorhanden sind, um die Randverhältnissignale auf das Zeilenabtastprogramm abzustimmen, das durch die Abtastspiegel 64,65 bestimmt wird. Die durch den Verstärker 73 hinzugefügten Synchronisiersignale werden auch zur Steuerung der Kippschaltungen 70 und 71 benutzt. Wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel kann eine aufeinanderfolgende Multiplikation von Randverhältnissen im Empfängerteil wie bei der Schaltung nach Fig. 1 bewerkstelligt werden. Dort erzeugt der Integrator 40 durch Summierung der logarithmischen Randverhältnissignale weitere Signale, die die Helligkeiten der Grenzflächen im Sichtfeld darstellen.

Es wurde weiter oben schon in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 1 erwähnt, daß die Erfindung

jo auch zweckmäßig anwendbar ist bei einem System zur Reproduktion farbiger Bilder. In Fig. 6 ist ein Farbsystem dargestellt, das in der Weise arbeitet, daß aufeinanderfolgend Randverhältnisse in jedem von drei gewählten Spektralbereichen festgestellt und aufeinanderfolgend diese Randverhältnisse multipliziert werden, um den Farbgehalt des reproduzierten Bildes zu bestimmen. Hierbei kann die Farbfernsehkamera 75 drei herkömmliche Bildröhren 76, 77 und 78 aufweisen. Das Objektiv 79 richtet die Bilder der Szene durch eine Spiegelanordnung 81 nach den Bildaufnahmeröhren. Vor der Röhre 76 befindet sich ein Rotfilter 85. Vor der Röhre 77 befindet sich ein Grünfilter 86, und ein Blaufilter 87 ist vor der Röhre 78 angeordnet. Die Kippsysteme, die im einzelnen nicht dargestellt sind, bewirken, daß die Bilder synchron abgetastet werden, um ein rotes Videosignal auf der Leitung 88, ein grünes Video-Signal auf der Leitung 89 und ein blaues Video-Signal auf der Leitung 90 zu erzeugen. Diese Signale laufen nach entsprechenden Randverhältnis-Signalstufen 91, 92 und 93. Die Stufe 91 erzeugt an ihrem Ausgang ein Signal, das die roten Randverhältnisse darstellt, d. h. die Randverhältnisse des Originalbildes abgetastet im langwelligen Bereich des sichtbaren Spektrums. Die Stufe 92 erzeugt grüne Randverhältnissignale mittlerer Wellenlänge, und die Stufe 93 erzeugt blaue oder kurzwellige Randverhältnissignale. Jede der Stufen 91,92,93 kann das Randverhältnissignal in der gleichen Weise, wie z. B. in Fig. 4 dargestellt, erhalten.

w) Danach werden die Randverhältnis-Farbsignale der Stufen 91, 92 und 93 zur weiteren Behandlung über irgendein Übertragungsverfahren den Multiplikationsstufen 94, 95 bzw. 96 zugeführt. Diese Stufen behandeln die Randverhältnisfarbsignale in gleicher Weise wie bei der aufeinanderfolgenden Multiplikation der Randsignale. Den Ausgangsleitungen 97, 98 und 99 werden Ausgangssignale geliefert, die den Helligkeiten in jedem der drei gewählten Abschnitte

des Spektrums entsprechen, wie sie beobachtbar sind. Jede der aufeinanderfolgenden Multiplikationsstufen 94,95 und 96 kann eine Summierungsstufe oder einen Integrator aufweisen (ζ. B. wie im Empfängerteil von Fig. 1 dargestellt), um die Serien positiver und negativer Randverhältnissignale aufzuspeichern, die darin behandelt wurden, wobei ein ^ptilogarithmischer Verstärker den dynamischen Bezieh der Signale in geeigneter Form wiederherstellt. Die. Helligkeitssignale, die durch die Schaltung 94 erzeugt werden und ι ο auf der Leitung 97 erscheinen, repräsentieren somit die Reihenfolge der Helligkeit jeder der entsprechenden Flächen innerhalb des Lichtfeldes in Ausdrücken der roten Wellenlängen. Die Ausgangssignale der Stufen 95 und 96, die auf den Leitungen 98 und 99 erscheinen, repräsentieren eine gleiche Information in bezug auf die grünen und blauen Bereiche sichtbarer Wellenlängen. Diese Helligkeitssignale können nunmehr zur Steuerung der Lichtintensitäten dreier Farbbilder benutzt werden, die auf einem Bildschirm 100 erzeugt werden. Wenn der Bildschirm 100 von einer herkömmlichen Schattenmaskenröhre gebildet ist, dann kann das Rot-Helligkeitssignal direkt die Intensität des durch die Strahlquelle 101 erzeugten Elektrodenstrahls modulieren, um die roten Leuchtmassen anzuregen. In gleicher Weise können die grünen und blauen Helligkeitssignale unmittelbar die grüne Strahlquelle 102 bzw. die blaue Strahlquelle 103 steuern, um die entsprechenden Leuchtmassen zu erregen. :

Mit einem solchen System sind einige hochinteressante Ergebnisse zu erhalten. So ist z. B. die Farbqualität des am Bildschirm 100 erzeugten Bildes fast unabhängig von der Farbbalance der Beleuchtung der Originalszene. Änderungen der Qualität der Beleuchtungder Originalszene beeinträchtigen nicht die Qualität des erzeugten Bildes, das eine stabile, konstante und zuverlässige Reproduktion der Farbcharakteristiken der Originalszene bietet, unabhängig von der Art der Beleuchtung. Dieses System kann als Farbreproduktionssystem großer Breite in jedem Farbbereich betrachtet werden. Wenn z. B. die Beleuchtung der Originalszene abnimmt oder z. B. blaue Wellenlängen annimmt, dann braucht sich die Farbqualität des auf dem Bildschirm 100 erzeugten Bildes nicht zu ändern, da die Randverhältnisse, die innerhalb jedes Spektralbereichs abgetastet werden, immer die gleichen bleiben. Dieses erwünschte Ergebnis ist eine Folge der aufeinanderfolgenden Multiplikation der Randverhältnissignale, die ihrerseits nicht abhängig sind von der absoluten Intensität der Originalhelligkeit in jedem Spektralbereich, in welchem die Szene beleuchtet wird.

Vorstehend wurde die Erfindung und verschiedene Verfahren zur Verwirklichung beschrieben, und zwar in Verbindung mit Fernsehsystemen, und dies ist die augenblicklich bevorzugte Anwendung. Es ist jedoch klar, daß die erfindungsgemäßen Prinzipien auch auf andere Arten von Bilderzeugungssystemen anwendbar sind. So kann z. B. die Bilddarstellung, die auf der Oberfläche eines Kineskops erhalten wird, photo^ graphisch abgenommen werden, um ein photographisches Bild des Originalgegenstandes zu erhalten. Im breitesten Sinne stellt ein Fernsehsystem ein Mittel dar, welches Randverhältnisse feststellt und diese aufeinanderfolgend multipliziert, um ein sichtbares Bild zu erhalten, wobei die Lichtintensität, die einem Beobachter von jeder Bildfläche übermittelt wird, nicht durch die tatsächlich verfügbaren Lichtintensitäten bestimmt wird, sondern durch die Rangfolge der Helligkeiten, die ein Beobachter der Szene wahrnehmen kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung eines Abbildes einer Szene, die aus einer Anzahl sichtlich begrenzter Flächen unterschiedlicher Leuchtdichten wenigstens für einen betrachteten Spektralbereich zusammengesetzt ist, wobei ias Abbild für den Betrachter subjektiv als originalgetreu erscheint, dadurch gekennzeichnet, daß die durch punktförmige Abtastung der Szene gewonnenen, die örtliche Leuchtdichte repräsentierenden Abtastwerte derart weiter verarbeitet werden, daß die daraus resultierenden Signale ein Maß für das jeweilige Verhältnis der beiden, zweier geringfügig voneinander beabstandeter Punkte der Szene zugehöriger Abtastwerte darstellt, daß von diesen Signalen lediglich jene Teile zur Weiterverarbeitung verwendet werden, welche den sprunghaften Änderungen der Leuchtdichte an den Flächenrändern entsprechen, während die dynamischen Signalmuster, die dem Flächeninneren entsprechen, unterdrückt werden und daß aus den so umgeformten Signalen andere Signale, die zur Bildwiedergabe geeignet sind und unmittelbar die Bildhelligkeitsverteilung der Szene darstellen, erzeugt werden, indem nacheinander die Signale multipliziert werden, die den abrupten Helligkeitsänderungen zwischen dicht benachbarten Punkten auf gegenüberliegenden Seiten des Randes zwischen sichtbar unterscheidbaren Flächen entsprechen.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Schaltstufen vorgesehen sind:

a) eine Stufe zur Erzeugung eines Signals, welches die Aufnahmeszene in Ausdrücken der Leuchtdichte der Flächen darstellt,

b) eine Stufe (30), die die Signale in der Weise modifiziert, daß nur die Verhältnisse der Leuchtdichten zwischen dicht benachbarten Punkten auf gegenüberliegenden Seiten visuell markanter Grenzen zwischen den Flächen dargestellt werden, -

c) eine Stufe (40) zur Modifizierung der Randverhältnissignale, um die Flächen in Ausdrücken ihrer Helligkeiten zu definieren,

d) eine Stufe zum Umformen der Helligkeitssignale in ein sichtbares Bild.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe zur Modifizierung des Signals, welches die Leuchtdichtenverhältnisse wiedergibt, von einem Schwellwertbegrenzer (30) gebildet ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe zur Modifizierung des Verhältnissignals und zur Definition der Helligkeiten von einem Integrator (40) gebildet ist.