DE2207536A1

DE2207536A1 - Kontrastkompressionsschaltung für ein Farbfernsehsystem

Info

Publication number: DE2207536A1
Application number: DE19722207536
Authority: DE
Inventors: Robert Adams Burlington; Monahan John Francis Moorestown; N.J. Dischert (V.StA.). C09b 29-00
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1971-02-19
Filing date: 1972-02-17
Publication date: 1972-08-31
Also published as: NL7202182A; NL173232C; JPS5134256B1; CA942881A; DE2207536B2; US3684825A; FR2125564B1; AU477054B2; DE2207536C3; FR2125564A1; GB1387302A; AU3891672A

Description

7294-71/Sch/Ba

RCA 64,137

U.S. Ser. No. 117,016

AT: 19. Februar 1971

RCA Corporation, New York, N.Y. (Y.St.A.) Kontrastkompressionsschaltung für ein !Farbfernsehsystem

Die Erfindung betrifft eine Kontrastkompressionssohaltung für ein Farbfernsehsystem mit mehreren Aufnahmewandlern zur Umwandlung unterschiedlicher Primärfarben einer aufzunehmenden Szene in elektrische Signale, die proportional zur Intensität der Primärfarben sind und den Farbinhalt des Bildes darstellen,

Gegenwärtig verwendet man bei Farbfernsehkameras Gammakorrektur schaltungen in jedem Farbkanal. Diese Gammakorrekturschaltungen kompensieren die Kontrasteigenschaften der Bildröhre des Empfängers. Ihre Aufgabe besteht darin, ein Bildsignalgemisch zu liefern, welches im Empfänger trotz der durch die Bildröhre bedingten Nichtlinearitäten den Kontrastverhältnissen der Aufnahmeszene entsprechend wiedergegeben wird.

Auf der Aufnahmeseite treten jedoch Probleme auf, wenn die Aufnahmeszene sehr kontrastreich ist. Ein typisches Beispiel hierfür sind Sportaufnahmen, bei denen je nach der Tageszeit außerordentlich helle oder auch dunkle Bildteile auftreten können. Solche Verhältnisse liegen etwa am spaten Nachmittag auf einem Sportplatz vor, wo auf dem Spielfeld gleichzeitig Flächen heller Sonnenbestrahlung und tiefen Schattens vorhanden sein können. Will der Kameramann Details in einer dunklen Spielfeldhälfte aufnehmen, so muß er die Blende der Kamera öffnen. Dabei würde aber andererseits helles Sonnenlicht die Kamera übersteuern. Schließt er andererseits die Blende, dann erscheinen die dunklen Spielfeldteile vollkommen schwarz. Man muß also in einem solchen Falle mit einem Kompromiß arbeiten, weil das Kon-

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trastverhältnis zwischen Schwarz und Weiß bzw. Hell und Dunkel bei einer solchen Szene größer als 100:1 sein kann, während die Pernsehanlage nur ein Kontrastverhältnis von 20:1 verarbeiten kann.

Bei den derzeit gebräuchlichen Systemen würde der Kameramann also die Blende der Aufnahmekamera auf einen mittleren Wert einstellen. Weiter würde er versuchen, den großen Kontrastbereich durch Verstärkung der Wirkung der einzelnen Gammakorrektur schal tung en im Rot-, Blau- und Grünkanal auf das maximal Mögliche zu überbrücken. Dadurch verringert er zwar die Signalamplitude, aber er muß dabei eine Entsättigung der Farben in Kauf nehmen, die zu Farbverfäl schlingen führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung einer Möglichkeit zur gleichmäßigen Veränderung der Verstärkung in den Farbkanälen zum Zwecke der Aufrechterhaltung des relativen Beitrags Jedes der Signale zur Bildung des Bildsignalgemisches. Die Erfindung soll eine Kompression des Kontrastbereiches ermöglichen, wobei gleichzeitig sichergestellt wird, daß die jeweiligen vorbestimmten Verhältnisse zwischen den drei Primärfarben aufrechterhalten wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Kontrastkompressionsschaltung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß gelöst durch einen Intensitätsdetektor, dem die Intensitätssignale zugeführt werden und der ein durch das größte der Inteneitätssignale bestimmtes Steuersignal erzeugt, und durch eine Multiplizierschaltung, deren einem Eingang eines der Intensitätssignale und deren anderem Eingang das Steuersignal zugeführt wird und die an ihrem Ausgang ein das arithmetische Produkt dieser beiden Signale darstellendes vergrößertes Ausgangssignal liefert, welches die Intensität der betreffenden Farben stärker als in der Szene erscheinen läßt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine

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Vorrichtung wie eine Kamera verwendet, welche normalerweise zur Erzeugung von Farbsignalen dient. Jedes der Farbsignale entspricht der Intensität einer von der Aufnahmeszene reflektierten vorbestimmten Primärfarbe. Der Intensitätsdetektor erzeugt aus den Farbintensitätssignalen ein Steuersignal, dessen Größe durch das größte der Farbintensitätssignale bestimmt ist. Dieses Steuersignal wird nun zur Multiplizierung eines Signales oder der Signale verwendet, welche den Signalverarbeitungskanal durchlaufen. Der Multiplikationsfaktor der diese Multiplizierung bewirkenden Schaltung wird entsprechend einer gewünschten Kontrastkompression gewählt. Wegen der Natur der Multiplikation bleiben die Proportionen zwischen den einzelnen Farbsignalen erhalten, so daß bei der nachfolgenden Signalverarbeitung ein Signal mit den richtigen Farbverhältnissen zur Verfügung steht. Die Kontrastkompression erfolgt daher ohne ein Auftreten von Farbfehlern.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Teils einer Farbfernsehkamera mit der erfindungsgemäßen Kontrastkompressionsschaltung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer alternativen Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkung der Kontrastkompression bei einer weißen Szene.

Fig. 1 zeigt den Eingangsteil einer Farbfernsehkamera mit drei Aufnahmeröhren. Derartige Kameras verwenden für jede der drei Primärfarben eine eigene Aufnahmeröhre. Die Aufnahmeröhren 10, 12 und 13 dienen der Umwandlung der von der Aufnahmeszene kommenden Primärfarben Rot, Grün bzw. Blau in entsprechende elektrische Signale, deren Amplitude proportional der Intensität und damit dem spektralen Energiegehalt der betreffenden Farbe

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ist. Die von den drei Aufnahmeröhren gelieferten Farbsignale werden einer bekannten Farbmatrix 15 zugeführt, welche die drei Farbsignale im richtigen Verhältnis, zueinander zu einem zusammengesetzten Signal kombiniert, welches entsprechend den Fernsehnormen (beispielsweise der NTSC-Norm) durch geeignete festgelegte gegenseitige Verhältnisse der einzelnen Farbsignale bestimmt wird. Das Ausgangssignal der Farbmatrix 15 wird weiterhin einer breitbandigen Multiplizierschaltung 16 zugeführt, welche das einem ihrer Eingänge zugeführte Signal mit einem einem anderen Eingang zugeführten Signal multipliziert. Derartige Multiplizierschaltungen sind grundsätzlich bekannt.

Der Ausgang jeder Aufnahmeröhre ist ebenfalls mit einem entsprechenden Eingang eines Intensitätsdetektors 17 verbunden, der die Rot-, Grün- und Blau-Videosignale nichtadditiv mischt und an seinem Ausgang ein Signal liefert, welches dem Farbsignal mit der jeweils höchsten Momentanintensität (Spitzenwert) entspricht und als Steuersignal einem Kontrastkompressionswähler 18 zugeführt wird, wo es entsprechend einem vorbestimmten Verhältnis, welches nach der gewünschten Kontrastkompression gewählt wird, verarbeitet wird. Das Ausgangssignal des Kontrastkompressionswählers 18 wird dann einem zweiten Eingang der Multiplizierschaltung 16 zugeführt. Das ausgewählte Intensitätssignal wird mit dem Signalgemisch derart multipliziert, daß eine Kontrastkompression eintritt. Infolge der Tatsache, daß das gesamte Signal mit dem gleichen Faktor multipliziert wird, bleiben die gegenseitigen Verhältnisse der einzelnen Farbsignale aufrechterhalten. Auf diese Weise stellt das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 16 ein Videosignal mit komprimiertem Kontrastbereich dar.

Zur weiteren Erklärung des Betriebs der vorbeschriebenen Schaltung seien die folgenden mathematischen Beziehungen angeführt:

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mit E_Q = Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 16 Ε_χ = Eingangssignal am Eingang X₁.^ der Multiplizier-

schaltung 16 von der farbmatrix 15

E„ = Eingangssignal am Eingang y.„ der Multiplizierschaltung 16 vom Kontrastkompressionswähler 18.

Nimmt man an, daß

E„ = ^L ist und
^xin ^m

E = Leuchtdichte des Bildsignalgemisches für eine weiße Szene, sowie

E = f (E.) = eine Punktion von E., ferner ^in

E. = momentaner Spitzenwert der Farbe der größten Intensität und schließlich

^Ei ^{= E}m ^{für eine weiße} Szene, dann ergibt sich E₀ λ E_m . f (E_m) für eine weiße Szene.

Es ist nun erwünscht, daß E_Q = E_m'^ ist, wobei T-g der Gamma-

wert des Bildes ist. Damit ergibt sich B_m^^P = E_m ΐ(Ε^ bzw.

E ^^p

Der Ausdruck Jp oder G-ammawert des Bildes ist am besten geeignet, um die- Wirkung der vorbeschriebenen Schaltung zu verdeutlichen.

Es sei nochmals daran erinnert, daß die Gammakorrektur nach dem Stande der Technik grundsätzlich nur die einzelnen öammakorrekturschaltungen in jedem Primärfarbkanal betroffen hat. Diese Korrekturschaltungen können zwar das Kontrastverhältnis einer Szene durch Anhebung des niedrigsten Helligkeitswertes des Bildes gegenüber den höheren Helligkeitswerten verringern, da diese Gramm akorrekturschaltungen jedoch durch die Farbkontraste jeder einzelnen Parbe gesteuert werden und nicht gleichsinnig

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und synchron miteinander arbeiten, würden Einstellungen an ihnen die Sättigung und den Farbwert der Farben nachteilig beeinflussen.

Bei der hier beschriebenen Schaltung erfolgt die Änderung oder Verstärkungsregelung für alle Farbkanäle in gleicher Weise, so daß sämtliche Informationskomponenten des Signales in gleicher Weise beeinflußt werden. Auf diese Weise werden die richtigen Proportionen beibehalten und die Farbwiedergabe bleibt naturgetreu, während die Szenenflächen geringer Helligkeit entsprechend der intensivsten oder hellsten Farbe, welche von der Szene kommt, helligkeitsmäßig angehoben werden.

Beispielsweise erscheint ein Bildgammawert von 0,5 wünschenswert für die Wiedergabe eines Bildes guter Qualität mit einem Kontrastverhältnis zwischen Schwarz und Weiß von etwa 20:1. Unter Verwendung der vorstehend abgeleiteten Gleichungen ergibt ein Bildgammawert von 0,5 mit der Beziehung B_Q = E_mf(E_m) für den Weißwert die Gleichung

^Eo =^Em ' ^Em^{i/2 =E}m \f

ΓεΓ

Damit ist die Funktion f (E,) gleich - — oder —»4— .

¹ ^m ym

Das bedeutet, daß man für einen Bildgammawert von 6,5 die Übertragungscharakteristik des Intensitätsdetektors 17 und des Kontrastkompressionswählers 18 auf 1A/*E einstellen muß. Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, daß das zusammengesetzte Signal nach der Multiplikation mit dem geeigneten Faktor einen eingeschränkten Kontrastbereich hat, der durch einen bevorzugten ausgewählten Bildgammakoeffizient bestimmt ist.

An den Ausgang des Kontrastkompressionswählers 18 ist ein Potentiometer 50 angeschlossen, mit Hilfe dessen sich die Übertragungscharakteristik des Wählers auf mehrere unterschiedliche Gammakorrekturen einstellen läßt. Der Kameramann hat damit die

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Möglichkeit, einen ihm geeignet ezs^LeliL-m-l^n d-aMäasfert einzustellen, um das bestmögliche Bildsignal für die Wiedergabe einei Szene, deren Kontrastverhältnis den Dyiiaiaikbereieh «ies Fernseiisystems überschreitet, zu erhalten. Die Eo2it2^l?,st.feompression ist hierbei nicht von Farbverfälschungen begleitet« vvie sie bislier in Kauf genommen werden mußten.

Fig. 2 zeigt eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Ausführung, welche ebenfalls eine Kontrastkompression bewirkt. Me drei Farbaufnahmeröhren 20, 21 und 22 erzeugen elektrische Signale entsprechend den drei Primärfarben Rot, G-rün und Blau, und diese Ausgangssignale werden jeweils den Eingängen von Breitbandmultiplizierschal tungen 23, 24 und 25 zugeführt. Ein weiterer Eingang jeder Multiplizierschaltung ist mit dem Ausgang eines Verstärkers 28 verbunden.

Auf diese Weise wird jedes der Farbsignale mit dem gleichen Signal, nämlich dem Ausgangssignal des Verstärkers 28, multipliziert. Das Eingangssignal des Verstärker? 28 wird vom Aus« 'gang eines Intensitätsdetektors 30 geliefert, ά^τ drei Eingänge hat, die jeweils entsprechend mit einem Ausgang der zugehörigen Multiplizierschaltung verbunden sind. Die SHiülrbioii des Inteasitätsdetektors 30 ist die gleiche wie die des Iirt^nsitätsdetek« tors 17 in Fig. 1, d.h. er mischt die Sign&jU S₃ B "M G- niocitadditiv und liefert an seinem Aue gazig des oAci^l mit üsr je^sili höchsten Spitzenamplitude» Biese™ Si;?,v:l v.\;:."" a^.jin cl-^; Steuersignal dem Eingang des VerstärTcerj ί;Γ ^;-;-^V-- .% ralelisr dao Signal entsprechend einer ver-"Deati:.;-:i·-■■;■:; ,;-:::■!;" :v_;.v^2i EssielnE^; formt.

Die Schaltung nach Fig. 2 kann gi^^L^;-k.ai.v, :-__2τώ. uis folg^iden mathematischen Beziehungen !^ί;·^Γ^·..ϋ::. /.r-:;,;:;?

E_Q = (Ε_χ · E) = Übergangsimikti.-^.- :^:U:i* E.:"*^;;^plis£srsc3ial-

tung

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mit E_v = Farbsignal von der Bildaufnahmeanordnung = E

Funktion eines Fa]
Spitzenamplitude. ·

E = f (E ) = Funktion eines Farbsignals mit der höchsten

Damit ergibt sich

E. = Ef (E₀) und weiter mit

O C O

f (E₀) = a - bE₀

E_Q = E₀ (a - bE_Q) und schließlich

(a) E_n

° 1 + (b) E_c

Aus dieser Ableitung ist ersichtlich, daß das endgültige Signal, welches durch Zuführung der multiplizierten Rot-, Grün- und Blausignale an eine geeignete Farbmatrix erhalten wird, ein komprimiertes Kontrastverhältnis hat, wobei die Korrektur durch die Koeffizienten a und b bestimmt ist.

Auch bei der Schaltung nach Fig. 2 bleiben die Proportionen zwischen den Signalen R, B und G- erhalten, weil alle drei Signale mit demselben gleichen Korrekturfaktor multipliziert werden. Die im Bildsignalgemisch enthaltene Farbinformation bleibt daher in ihren gegenseitigen Farbverhältnissen erhalten, während sich nur der Kontrast des Gesamtbildes verändert.

Fig. 3 veranschaulicht in einer Kurvendarstellung die Wirkung der Änderungen des Bildgammawertes für eine weiße Szene. Die dargestellten Kurven ergeben sich bei einer Änderung der Korrektur von 100 i» auf O % durch entsprechende Einstellung der Koeffizienten a bzw. b auf 5 bzw. 4. Der Einstellbereich mit diesen Koeffizienten ließ/durch Veränderung der Verstärkung des Verstärkers 28 und damit der Größe des jeder der Multiplizierschaltungen 23» 24 und 25 gemeinsam zugeführten Signales erhalten.

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Claims

Patentansprüche

M)) Kontrastkompressionsschaltung für ein Farbfernsehsystem mit mehreren Aufnahmewandlern zur Umwandlung unterschiedlicher Primärfarben einer aufzunehmenden Szene in elektrische Signale» die proportional zur Intensität der Primärfarben sind und den Farbinhalt des Bildes darstellen, gekennzeichnet durch einen Intensitätsdetektor (17,30), dem die Intensitätssignale zugeführt werden und der ein durch das größte der Intensitätssignale bestimmtes Steuersignal erzeugt, und durch eine Multiplizierschaltung (16,23-25), deren einem Eingang (X) eines der Intensitätssignale und deren anderem Eingang (Y) das Steuersignal zugeführt wird und die an ihrem Ausgang ein das arithmetische Produkt dieser beiden Signale darstellendes vergrößertes Ausgangssignal liefert, welches die Intensität der betreffenden Farbe stärker als in der Szene erscheinen läßt.
2) Kontrastkompressionsschaltung nach Anspruch 1 für eine Einrichtung zur Erzeugung eines Bildsignalgemisches, welches mehrere Farbsignale und ein die Helligkeit der Szene darstellendes Leuchtdichtesignal aufweist, wobei jedes der Farbsignale durch die Intensität einer vorbestimmten, von der Szene kommenden Primärfarbe bestimmt ist, und welche solche Amplituden- und Farbencharakteristiken aufweist, daß die Kombination der vorbestimmten Verhältnisanteile der Farbsignale in einem Signalverarbeitungsweg gleich dem Leuchtdichtesignal ist, gekennzeichnet durch einen Intensitätsdetektor (17,30), welcher aus den ihm zugeführten Farbsignalen ein Steuersignal entsprechend dem von der Szene kommenden Farbsignal mit der größten Intensität erzeugt, und durch eine Multiplizieranordnung (16,23-25), welcher das Steuersignal zugeführt wird und welche mit dem SignalVerarbeitungsweg gekoppelt ist und das diesen Weg durchlaufende Signal mit dem Steuersignal multipliziert, wobei die Charakteristiken der Farbsignale in ihren Verhältnissen wie vor der Multiplikation erhalten bleiben.

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3) Kontrastkompressionsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Intensitätsdetektor (17,30) und die Multiplizieranordnung (16,23-25) ein Kontrastkompressionswähler (18,28) geschaltet ist, welcher das Steuersignal entsprechend einer gemäß einem gewünschten Kontrastver-'hältnis gewählten vorbestimmten Beziehung bearbeitet, wobei die multiplizierten Farbsignale die richtigen Anteile zwischen vorbestimmten Charakteristiken, wie sie vor der Multiplizierung vorliegen, aufrechterhalten und dem gewünschten Kontrastverhältnis entsprechen.
4) Kontrastkompressionsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Beziehung für die gewünschte Kontrastkompression etwa gleich B_m (yp - 1) ist, mit E_m s Leuchtdichte des Bildsignalgemisches für eine weiße Szene und Tp = Bildgammawert (Dezimalziffer zwischen 0 und 1).
5) Kontrastkompressionsschaltung zur Verringerung des Kontrastbereiches einer Fernsehszene, vorzugsweise zur Verwendung mit den Schaltungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Multiplizierschaltungen (23,24,25) mit jeweils einem ersten (X) und einem zweiten (Y) Eingang und einem Ausgang vorgesehen ist, wobei den ersten Eingängen jeweils ein unterschiedliches Farbsignal zugeführt wird,, daß mit den Ausgängen der Multiplizierschaltungen (23,24,25) ein Spitzenintensitätsdetektor (30) gekoppelt ist, welcher ein durch das Farbsignal mit der jeweils größten Intensität bestimmtes Steuersignal liefert, welches einem Verstärker (28) zugeführt wird, dessen Ausgang mit den zweiten Eingängen (Y) der Multipliziersohaltungen (23-25) derart verbunden ist, daß an den Ausgängen der Multipliziersohaltungen andere Farbsignale entstehen, die jeweils mit dem gleichen Faktor multipliziert sind, so daß die Charakteristiken zwischen den einzelnen Signalen mit den gleichen gegenseitigen Verhält-' niesen wie vor ihrer Multiplikation beibehalten werden.

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6) Kontrastkompressionsschaltung n&jh Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Verstärker (28) das Steuersignal nach der Beziehung (a - ^E) liefert, wobei a und b Konstanten und E_Q die Ausgangssignale der Multiplizierschaltimgen sind.
7) Kontrastkompressionsschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die larbsignale den Rot-, Grün- bzw. Blaugehalt der Aufnahmeszene wiedergeben.

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