DE1927969A1

DE1927969A1 - Automatische Video-Pegelregelung

Info

Publication number: DE1927969A1
Application number: DE19691927969
Authority: DE
Inventors: Werner Thommen
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1968-06-05
Filing date: 1969-06-02
Publication date: 1969-12-11
Also published as: SE356658B; BE733941A; NL6908268A; DE1927969B2; FR2010159B1; FR2010159A1; GB1244440A; US3555181A

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Incorporated W.Thommen-2

New York, N. Y., 10007, USA

Automatische Video-Pegelregelung

Die Erfindung betrifft die automatische Regelung von Video Signalpegeln.

Signale, welche Videoinformationen darstellen, werden gewöhnlich durch eine Fernsehaufnahmeröhre erzeugt, bei der ein Elektronenabtaststrahl verwendet wird. Bei derartigen Systemen wird das übertragene Lichtbild typischerweise auf eine Auftreffelektrode fokusiert, die dann durch einen Elektronenstrahl abgetastet wird, so daß ein elektrisches Signal erzeugt wird> das die Lichtstärke an jedem Punkt der Auftreff elektrode darstellt. Wenn eine derartige Einrichtung in einer Umgebung verwendet wird, bei der die Umgebungsbeleuchtung und die' Llehtreflektio'nkontrolliert sind, wie in einem Fernsehstudio, kann die Größe des Videosignals zur Anpassung an allmähliche Beleuchtungsänderungen von Hand eingestellt werden« Wenn jedoch die Aufnahmeeinrichtung in einer Umgebung arbeiten muß, die keiner hinreichenden Kontrolle unterliegt, d. h. wenn die Einrichtung draußen oder in einem Privathaus arbeiten mu% ist es wahrscheinlich, daß

Lichtänderung plötzlich und mit großer Stärke auftreten, so daß eine Art von lichtabhängiger automatischer Signalpegelregelung erforderlich ist. Wenn die Aufnahme einrichtung ohne einen erfahrenen Bedienungsmann arbeiten soll, wie bei der Fernseh-Telefonübertragung, bei der die Video-Aufnahme einrichtung unmittelbar im Heim des Teilnehmers oder im Geschäfts raum angeordnet ist, ist eine zuverlässige automatische Signalregelung unerläßlich.

Ein derartiges automatisches Pegelregelungssystem, das sichfür Fernseh-Telefoneinrichtungen eignet, muß nicht nur an einen weiten Bereich von Lichtbedingungen anpaßbar sein, es muß auch billig und leicht zu warten sein. Weitere Forderungen werden durch die vergleichsweise begrenzte Lichtempfindlichkeit der allgemein verwendeten Vidiconaufnahmeeinrichtung gestellt. Hierdurch wird es notwendig, daß die Signalpegelregelung so aufgebaut ist, da0 jede Zunahme der Beleuchtung zur Verbesserung der Bildqualität ausgenützt wird.

Bisher wurden zwei Hauptarten von Videoamplitudenregelungen angewendet! mechanisch-optische Regelungen und elektronische Regelungen.

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Die mechanisch-optischen Regelungen gleichen denen in der Fotografie und Filmtechnik verwendeten. Einige derzeitige Systeme enthalten gefärbte oder polarisierte Filter, die vor das Linsensystem gesetzt werden, um die Lichtstärke herabzusetzen, die der Aufnahme einrichtung zugeführt wird. Derartige Filter können durch ein lichtempfindliches Element in der Nähe der Aufnahmeröhre mechanisch gesteuert werden. Andere Systeme verwenden anstelle des Filters einen Blendenmechanismus. Die Blende ergibt eine öffnung veränderlicher Größe, durch die das Licht hindurchgehen muß, um die Aufnahmeröhre zu ereeichen. Unter dem Einfluß des Pegels der Umgebungsbeleuchtung öffnet oder schließt sich die Blende, sie kann auch durch eine lichtempfindliche Steuerschaltung gesteuert werden.

Eine weitere wichtige Eigenschaft von Blenden, die in der fotografischen Technik bekannt ist, ist die Beziehung zwischen der Öffnung und der Tiefenschärfe;des Brennpunkts. Ein gegebenes Linsensystem hat bei einer Blendenöffnung einen festen Brennweitenbereich innerhalb dessen die Bilder hinreichend auf die Verbrauchsebene Fokussiert werden. Objekte außerhalb dieses Bereichs erscheinen unscharf. Wenn die Blendenöffnung kleiner wird, nimmt die Tiefenschärfe zu, so daß mehr Objekte gleich-

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zeitig auf die Verbrauchsebene fokussiert werden. Ein wirksames Verstärkungsregelsystem soll diese Eigenschaft der Blende ausnutzen.

Die elektronischen Pegelregelungen ändern die Auftreffelektrodenspannung der Aufnahmeröhre, regeln ferner den Strom des W Abtaststrahls oder regeln schließlich die Verstärkung eines

Verstärkers, in dem das Videosignal verarbeitet wird. Das Ansprechen der elektronischen Regelungen erfolgt im allgemeinen schneller als dasjenige der mechanischen.

Bei diesen elektronischen Systemen erfolgt das automatische Ansprechen auf Lichtschwankungen wieder durch ein lichtempfindliches Element,häufig ein lichtempfindlicher Widerstand, der mit derselben beleuchteten Szene belichtet wird wie die Kameraaufnahmeröhre. Jedoch erhalten derartige lichtempfindliche Einrichtungen oftn^als Licht, das nicht innerhalb des Gesichtsfelds der Aufnahme einrichtung liegt. Wenn dies eintritt, wird eine unnötige Betätigung des Regelsystems mit einer gleichzeitigen Abnahme der Bildqualität verursacht. Es ist demnach wünschenswert, daß die regelnde Lichtstärkemessung innerhalb der Aufnahmeröhre vorgenommen wird. Bei bekannten Systemen geschieht dies z. B. durch

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Einführen eines besonderen Auftreffelektrodennetzes oder eines anderen Elements in die Aufnahmeröhre. Jedoch sind diese bekannten Verfahren äußerst teuer. Ein wirksames Pegelregelsystem soll von einer SteMe in der Aufnahmeröhre gesteuert werden, wobei verhältnismäßig billige Einrichtungen zu verwenden sind.

Einige bekannte Videosignalpegelregelsysteme vereinigen mechanische Filter oder Blenden mit elektronischen Kathodenspannungsregel- und Verstärkurigsschaltungen. Bei derartigen Systemen kompensieren die langsameren mechanischen Regelungen große langsame Lichtstärkeänderungen während die schneller ansprechenden elektronischen Regelungen auch die geringeren Änderungen reagieren. Diese bekannten Pegelregelsysteme sind für den Einbau in Fernsehtelefoneinrichtungen nicht geeignet, da sie sehr teuer sind, da sie ferner nicht zuverlässig sind und einen begrenzten Arbeitsbereich aufweisen und da sie schließlich von dem verfügbaren Lieht keinen wirksamen Gebrauch machen.

Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, den Pegel eines Videosignals in einer für Fernsehtelefonübertragungen geeigneten Weise zu. regeln»

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Hinter einer automatischen Blende ist eine Video -Aufnahmeröhre angeordndt, bei der eine Auftreffelektrode mit konstanter Spannung verwendet wird. Die Blende spricht auf Lichtstärkesignale an, die durch einen vorbestimmten Sektor der Aufnahmeröhre erzeugt werden. Der Ausgang der Aufnahmeröhre geht über einen Vorverstärker zu einem Verstärker P mit veränderlicher Verstärkung, der eine automatische Verstärkungsregelschaltung enthält, die in gleicher Weise auf licht Stärkesignale der Aufnahmeröhre anspricht.

Der Beleuchtungsbereich, dem die Aufnahmeröhre ausgesetzt werden tonn, ist in zwei aneinander angrenzende Beleuchtungsteilbereiche unterteilt, nämlich einen oberen Teilbereich und einen unteren Teilbereich. Diese Blende wird so eingerichtet, daß sie das Licht regelt, das im oberen Beleuchtungsteilbereich auf die Aufnahmeröhre auffällt, während die automatische Verstärkungsregelschaltung so eingerichtet isst, daß sie den Ausgangssignalpegel im unteren Beleuchtungsteilbereich regelt. Die gemeinsame Grenze zwischen dem oberen und dem unteren Beleuchtungsteilbereich, d. h. der Überschneidungspunkt, ist so gewählt, daß die automatische Verstärkungsregelsehaltung so lange arbeitet wie die Beleuchtung zunimmt xmä ßie sieh ergebende abnehmende Verstärkung die Bildqualität durch, 33rhdb.ua.

des Rauschabstands verbessert. Wenn die Beleuchtung über diese Grenze hinaus zunimmt, wird der Signalpegel durch die automatische Blende aufrechterhalten, welche die Tiefenschärfe bei besserer Beleuchtung verbessert.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, es zeigen

Fig. 1 ein Blockschema eines automatischen Videosignalpegelregelsystems,

Fig. 2 eine grafische Darstellung welche die Abnahme der Verstärkung bei zunehmender Beleuchtung und die Abnahme der Blendenöffnung bei zunehmender Beleuchtung zeigt, und

Fig. 3 Grafisch die Zunahme des Rauschabstands und die Zunahme des Tiefenschärfe, die durch die in Fig. 2 dargestellten Einstellungen der Verstärkung und der Blende entstehen.

Das in Fig. 1 dargestellte automatische Signalpegelregelsystem ist zum Einbau in ein Fernsehtelefon-Übertragungssystem geeignet,. Ε.«-, de· artiges System muß ohne einen erfahrenen Be-(1 . .;-.■.-.>·:■. -:nn unter einer großen Anzahl von unkontrollierten Bci--n;;hiii.!gsbf^jdinguRgen arbeiten und soll wegen der begrenzten

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Lichtempfindlichkeit jede Zunahme der verfügbaren Beleuchtung zur Verbesserung der Bildqualität verwenden. Zur Erfüllung dieser Forderungen verwendet das in Fig. 1 dargestellte System eine automatische Blende 13 und einen Verstärker 17 mit veränderlicher Verstärkung. Die Blende 13 ist zwischen einem gewünschten Objekt 10 und einer Aufnahm eröhre 11 angeordnet und dient dazu, die Beleuchtung in einem gewählten oberen Beleuchtungsbereich zu regeln. DerVerstärker 17 mit veränderlicher Verstärkung dient dazu, das Ausgangssignal in einem unteren Beleuchtungsbereich zu regeln. Die Blenden und V erstarke rs chaltungen werden durch eine Rückkopplungssteuerschaltung geregelt, welche das Ausgangssignal abtastet und die Blende oder die Ve rs ta rkungs schaltung in einer unten beschriebenen Weise einstellt. Beim Betrieb des in Fig. 1 dargestellten Systems wird das Lins ensystem 12 so gewählt, daß es Objekte, wie einen symbolischen Pfeil 10 durch die Blende 13 auf die Fläche der Aufnahmeröhre Il fokussiert. Geeignete Linsensysteme sind in der fotografischen Technik und

der Fernsehtechnik bekannt. ■

Der Blendenmechanismus 13, durch den das auf die Fläche der Röhre 11 auffallende Licht hindurchgehen muß, kann eine von einer Vielzahl von Blenden sein. Es kann Kurbel- oder Zahnrad-

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antriebe systeme verwenden, vorzugsweise verwendet es durch ein Meßwerk mit geringer Reibung betätigte Blendenlamellen. Durch Verengen der öffnung der Blende 13, die vorzugsweise um die optische Achse des Linsensystems 12 zentriert ist, kann die auf die Röhre 11 auffallende Lichtstärke und damit der Ausgangs signalpegel geregelt werden, 1*

Das Blendensystem, gleichgültig welcher Art, wird durch den Blendenantrueb 25 geregelt, der ein Motor pder ein Meßwerk sein kann, das sich fur die verwendete Blende eignet. Der Blendenantrieb 25 arbeitet vorzugsweise mit geringer Leistung, wie sie von integrierten Schaltkreisen geliefert werden kann, so daß er direkt durch die Steuersignale mit Energie versorgt wird. Bei einer alternativen Ausführung kann äußere Energie von einer nichtdargestellten Quelle zugeführt werden.

Die Aufnahmeröhre 11 wandelt das auf ihrer Fläche fokussierte Bild in elektrische Signale um. Diese Röhre kann irgendeine der bekannten Kameraröhren sein. Die Röhre verwendet eine fette Auftragelektrodenspannung, so daß die Amplitude des Ausgangsignals in direkter Beziehung zum Beleuchtungspegel auf der Frontplatte der Röhre steht. Der Ausgang der Röhre geht zum Vorverstärker 16, der ein Verstärker mit geringem

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Bausch und fester Verstärkung ist und der ausreicht, um den Rausch des Verstärkers 17 mit veränderlicher VerstÄrkung im Vergleich zum Rauschpegel, der durch die Röhre 11 und die ersten Stufen des Vorverstärkers erzeugt wird, unwesentlich zu machen.

Das Signal des Vorverstärkers 16 geht zum Verstärker 17 mit veränderlicher Verstärkung, der irgendeinen bekannten Aufbau haben kann. Die Verstärkung des Verstärkers 17 kann so geregelt werden, daß das Ausgangesignal auf einem konstanten Pegel bleibt. Infolge der Wechselstromkopplung im Verstärker 17 kann die Klemmschaltung 19 benutzt werden, um die Gleichstromkomponente des Videosignals vor dem Einfügen der Synchronimpulse wieder herzustellen. Die Funktion und die Arbeitsweise derartiger Klemmschaltungen wie auch die Verwendung von Synchronimpulsen ist in der Fernsehtechnik bekannt.

Das geklemmte Videosignal geht von- der Klemmschaltung 18 zum Ausgangspunkt 24, von wo aus es zn Zusätzlichen Verarbeitungs- und Übertragungseinrichtungen geleitet wird, die nicht dargestellt sind. Gleichzeitig geht das geklemmte Signal über den Signalanalysator 20 zum Rückkopplungsregelkreie.

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Der Ausgang des Analysators 20 ist ein Gleichspannungssignal, das die Amplitude des Videosignals angibt und das normalerweise zwischen dem Mittelwert und dem Maximalwert des Videosignals liegt. Z.B. kann der Ausgang des Analysators 20 der Mittelwert der Amplitude des Eingangssignals sein.

Bei einer Variante kann der Signalanalysator 20 durch ein Steuersignal vom Punkt 22 außer Tätigkeit gesetzt werden. Dies Steuersignal wird vorzugsweise während der oberen und unteren 25% des abgetasteten Bildes erzeugt. Dieses Außertätigkeitsetzen ist erforderlich, weil ein Fernsehtelefonsystem normalerweise in Räumen arbeitet, die von oben beleuchtet werden, so daß der obere Teil des Bild ausgesprochen hell wird. Ferner wird meist ein Brustbild der sprechenden Person aufgenommen. Wenn, wie es oftmals der Fall ist, die Person ein weißes Hemd trägt, macht die reflektierte Beleuchtung den unteren Teil der aufgenommene Szene ausgesprochen hell. Somit sind wahrscheinlicherweise die oberen und unteren Teile der Szene heller als der wichtigere Mittelteil. Die automatische Verstärkungseinstellschaltung erzeugt somit keine hinreichende Beleuchtung im mittleren Bildteil, wenn nicht die oberen und unteren Teile vom Signalanalysator außerachtgelassen werden. Es hat sich ergeben, daß durch das Äußerachtlassen der oberen und unteren 25% der

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Bildfläche diese Erscheinung hinreichend kompensiert wird.

Das Außertätigkeitsetzen selbst kann leicht durchgeführt werden,, da die unerwünschten Teile im Videosignal in regelmäßigen Zeitintervallen auftreten.

Das Gleichstromsignal des Analysators 20, das den Ausgangssignalpegel darstellt, wird im Comparator 21 mit einem Referenzsignal verglichen. Das Referenzsignal ist eine konstante Gleichspannung, die von einer nichtdargestellten festen Spannungsquelle hergeleitet wird und die in direkter Beziehung zum gewünschten Signalpegel im Ausgangskanal 24 steht. Der Comparator 21 stellt fest, ob das Signal des Analysators 20 ., oberhalb oder unterhalb des gewünschten Normalsignals liegt oder mit ihm identisch ist. Wenn das Signal des Analysators 20 nicht mit dem Normalsignal übereinstimmt, gibt der Comparator geeignete Steuersignale zum Steuernetzwerk 18, das die Blende und die Verstärkungsregelung einstellt. Das Netzwerk 18 kann von außen mit Energie versorgt werden, vorzugsweise kann es jedoch so aufgebaut sein, daß es direkt mit den zugelieferten Steuersignalen arbeitet. Das Nfetzwerk 18 kann die Blende 13 und die Verstärkungsregelschaltung im Verstärker 17 abwechselnd betätigen oder es kann sie beide zusammen betätigen* Bei einer bevorzugten Ausführung kann das Netzwerk 18 die

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Steuersignale des Comparators 21 sowohl zum Blendenantrieb 25 als auch zum Verstärker 17 leiten. Diese Einrichtungen 25 und 17 können so eingerichtet sein, daß sie auf Signale in sich gegenseitig ausschließenddn Spannungsbereichen ansprechen, so daß nur ein Bereich bei einer gegebenen Spannung arbeitet.

Die Wahl der Blende oder der Verstärkungsregelung kann zu jedem Augenblick vom Steuernetzwerk 18 je nach dem vorge- nommen werden, ob das System unter den Bedingungen mit hoher Beleuchtung oder unter den Bedingungen mit niedriger Beleuchtung arbeiten soll. Um diese Feststellung zu erleichtern, wird der Bereich der möglichen Beleuchtung in der Nähe des Objekts 10 in zwei Beleuchtungsteilbereiche unterteilt. Diese Teilbereiche können aneinandergrenzen wie es in Fig. 2 dargestellt ist (Bereich 1 und Bereich 2) oder sie können sich überlappen. Wenn das System im unteren Beleuchtungsteilbereich arbeiten soll, benötigt das Steuernetzwerk 18 die Verstärkungsschaltung im Verstärker 17, wobei die Verstärkung bei zunehmender Beleuchtung abnimmt und hierdurch ein konstanter Ausgangssignalpegel aufrechterhalten bleibt. Wenn das System im Teilbereich mit hoher Beleuchtung arbeitet, hält das Steuernetzwerk die Verstärkung des Verstärkers 17 konstant und stellt

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die Blende 13 ein, um den Signalpegel zu begrenzen.

Wenn zwei aneinander angrenzende Beleuchtungsteilbereiche verwendet werden, kann die Grenze zwischen den beiden Bereichen anhand der nachfolgenden Betrachtungen gewählt werden.

Bekanntlich enthält ein Videosignal zusätzlich zur gewünschten Videoinformation Rausch. Dieser Rausch wird teilweise durch die Kameraröhre und die zugehörige Elektronik erzeugt. Das Verhältnis der Signalamplitude zum zugehörigen Rauschpegel wird zweckmäßigerweise als Rauschabstand bezeichnet. Wenn der Rauschabstand klein ist, erscheint der Rausch im vom Videosignal erzeugten Bild als "Schnee" oder das Bild hat eine äußerst "körnige" Qualität. Wenn der Rauschabstand von diesem niedrigen Punkt aus zunimmt, wird die Bildqualität verbessert. Jedoch ist die Geschwindigkeit der sichtbaren Verbesserung der Bildqualität mit zunehmendem Rauschabstand nicht linear, so daß bei ausreichend hohem Rauschabstand eine weitere Zunahme die Bildqualität nicht merkbar verbessert.

Wenn das Objekt 10 eine niedrige Beleuchtung umgibt, muß der 909850/1322

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Verstärker 17 eine verhältnismäßig hohe Verstärkung haben um am Punkt 24 geeignete Signale zu erzeugen. Hierdurch entsteht ein niedriger Rauschabstand. Wenn die Beleuchtung zunimmt, kann die Verstärkung des Verstärkers 17 herabgesetzt werden, wobei der Rauschabstand größer wird. Gleichzeitig wird die Bildqualität verbessert wie es oben beschrieben wurde.

Der untere Beleuchtungsteilbereich wird dann bei einer Ausführung der Erfindung so definiert, daß er sich von der geringsten erwarteten Beleuchtung nach oben bis zu dem Punkt der Beleuchtung erstreckt, an dem die herabgesetzte Verstärkung und die begleitende Zunahme des Rauschabstands die Bildqualität nicht mehr merkbar verbessert. Der obere Beleuchtungsteilbereich erstreckt sich dann von diesem Punkt der Beleuchtung nach oben. Wenn z.B. angenommen wird, daß die Leuchtdichte in den Lichtern infolge von Beleuchtungsänderungen von 30 - 10 000 Lux reicht, kann sich der untere Beleuchtungsteilbereich von 30 - 160 Lux der Leuchte in den Lichtern erstrecken, während sich der obere Teilbereich von 160 - 10 Lux erstreckt.

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Die Beziehung zwischen dem oberen und dem unteren Teilbereich ist in Fig. 2 dargestellt, die zwei Kurven enthält. Die erste Kurve {Kurve 26) stellt die Verstärkung des Verstärkers 17 abhängig von der Leuchtdichte in den Lichtern dar. Die zweite Kurve (Kurve 27) stellt das Verhältnis der Brennweite zum Blendendurchmesser (f) abhängig von der Leuchtdichte in den Lichtern dar. Man sieht, daß der interessierende Beleuchtungsbereich in zwei Teilbereiche geteilt ist* die in Fig. 2 mit 1 und 2 beziffert sind.

In Bereich 1 bleibt die Blendenöffnung konstant, gewöhnlieh in der vollständig offenen Stellung, während die Verstärkung des Verstärkers 17 abnimmt. Im Bereich 2 bleibt die Verstärkung des Verstärkers 17 konstant, während die Öffnung der Blende 13 abnimmt (d.h. f nimmt zu). Im interessierenden Bereich bleibt der Ausgangssignalpegel konstant, jedoch ändern sich der Hauschabstand und die Tiefenschärfe, wie es_tin Fig. 3 dargestellt ist. So sieht man, daß der Rauschabstand im Bereich 1 zunimmt (Kurve 28), wenn die Beleuchtung zunimmt, während im Bereich der Rauschahstand konstant ist und die Tiefenschärfe (Kurve 29) bei zunehmender Beleuchtung zunimmt.

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Selbstverständlich sind in den Fig. 2 und 3 die Wahl des unteren und des oberen Teilbereichs und die Änderungsgeschwindigkeit der Verstärkung und der öffnung nur Beispiele, es können auch zahlreiche andere Werte verwendet werden.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

fly Signalpegelregelsystem (Fig. 1} zur Regelung des durch ein Kamerasystem (12, 11) erzeugten Pegels von Videosignalen in einem groiJen Bereich von Lichtbedingungen, dadurch gekennzeichnet, daß Regelmittel (18, 19, 20, 21) zur Betätigung eines einstellbaren öffnungssystems (25, 13) verwendet werden, um die Größe von durch das Käme rasystem (12,11) erzeugten Videosignalen in einem gewählten oberen Beleuchtungsbereich zu regeln und zur Betätigung eines Verstärkersystems (17) mit veränderlicher Verstärkung, um Videosignale in einem gewählten unteren Beleuchtungsbereich selektiv zu verstärken.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der untere Beleuchtungsbereich von einer gewählten unteren Beleuchtung bis zu einem Beleuchtungspegel erstreckt, bei dem eine zusätzliche Beleuchtung die Bildqualität nicht merkbar verbessert und daß der obere Beleuchtungebereich an den unteren Beleuchtungsbereich angrenzt*
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der untere Beleuchtungsbereich von einer Leuchtdichte in

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den Lichtern von 30 bis 160 Lux erstreckt und daß sich der obere Beleuchtungsbereich von 160 bis 10 000 Lux erstreckt.

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L e e r s e i t