DE2800759A1

DE2800759A1 - Verfahren zur umwandlung eines videosignals in ein zwei-pegel-signal

Info

Publication number: DE2800759A1
Application number: DE19782800759
Authority: DE
Inventors: Ruediger Dipl Ing Sommer; Hermann Wischer
Original assignee: Dr Ing Rudolf Hell GmbH
Current assignee: Dr Ing Rudolf Hell GmbH
Priority date: 1978-01-09
Filing date: 1978-01-09
Publication date: 1979-07-12
Also published as: AU4321679A; JPS5498110A; AU523618B2; GB2013065A; DE2800759B2; DE2800759C3; GB2013065B; FR2414273A1; IT1109853B; FR2414273B1; IT7919115A0; US4234895A; MX146077A

Description

Dr.-Ing. Rudolf Hell GmbH Kiel, 3. Januar 1978

Grenzstraße 1-5 Sf/Hl

2300 Kiel 14

Patentanmeldung Nr. 78/469
Kennwort: "Dynamische Schwelle"

Verfahren zur Umwandlung eines Videosignals in ein Zwei-Pegel-Signal

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bei einem Faksimile-Abtaster zur Umwandlung eines durch bildpunktweise Vorlagenabtastung gewonnenen Videosignals in ein Zwei-Pegel-Signal durch Vergleich mit einem dynamischen Schwellensignal, bei dem mittels vom Videosignal gesteuerter Generatoren ein erstes und ein zweites Begleitsignal für das Videosignal erzeugt und aus den Begleitsignalen das dynamische Schwellensignal abgeleitet werden.

Bei der Schwarz/Weiß-Faksimile-Übertragung werden in einem Abtastgerät eine zu kopierende Vorlage punkt- und zeilenweise mittels eines optoelektronischen Abtastorgans abgetastet und die Helligkeitsinformationen der Vorlage in ein Videosignal umgesetzt.

Die Vorlage ist ein gedrucktes oder in Maschinenschrift verfaßtes Dokument, ein handgeschriebener Text oder eine grafische Darstellung, wobei sowohl der Untergrund der Vorlage (Papier) als auch die aufgebrachten Informationen weiß, schwarz, grau oder farbig sein können.

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Das durch die Vorlagenabtastung gewonnene Videosignal wird verstärkt/ in einer nachfolgenden Auswerteschaltung in ein digitales Videosignal (Schwarz/Weiß-Signal) umgesetzt und über einen Übertragungskanal an ein Empfangsgerät übermittelt. Das durch das Videosignal gesteuerte Aufzeichnungsorgan des Empfangsgerätes erzeugt die gewünschte Kopie der Vorlage.

Bei der Abtastung einer weißen Bildstelle der Vorlage liefert das Abtastorgan eine große, bei Abtastung einer schwarzen Bildstelle eine kleine, und im Falle eines grauen oder farbigen Vorlagendetails eine mittlere Videosignal-Amplitude. Mittlere Signal-Amplituden entstehen auch bei Abtastung schmaler Linien und Striche in der Vorlage.

In der Auswerteschaltung wird das Videosignal laufend mit dem Schwellensignal verglichen und dabei entschieden, ob eine Videosignal-Amplitude als "Weiß" oder "Schwarz" zu werten und in den Weißwert oder den Schwarzwert des digitalen Videosignals umzuformen ist.

Die richtige Auswertung mittlerer Signalamplituden bereitet erhebliche Schwierigkeiten.

Wenn ein Vorlagenuntergrund weiße und farbige Bereiche aufweist, die gleichzeitig Informationen enthalten, ist der Kontrast zwischen Information und Untergrund gering. In diesem Falle liefert das Abtastorgan aufgrund seines begrenzten Auflösungsvermögens

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ein Videosignal mit kleinen Ämplitudenänderungen, die bei der Signalumwandlung ebenfalls erkannt und richtig ausgewertet werden müssen.

Eine für die Signalauswertung störende Kontrastminderung entsteht auch dann, wenn der Untergrund von Vorlage zu Vorlage unterschiedliche Helligkeiten aufweist oder wenn sich die Untergrund-Helligkeit innerhalb der Vorlage ändert, wie es z.B. bei Abtastung von vergilbtem Papier der Fall sein kann.

Da das Abtastorgan sowohl Helligkeitsänderungen des Untergrundes als auch Helligkeitsänderungen aufgrund von Informationen in der Vorlage erfaßt, besteht ein weiteres Problem bei der·Signalumsetzung darin, die von der Untergrund-Helligkeit und der Informations-Helligkeit stammenden Anteile des Videosignals richtig zu interpretieren.

Aus der US-PS 3,159,815 ist es bereits bekannt, das Videosignal zur Digitalisierung mit einem konstanten Schwellensignal zu vergleichen.

Mit dieser sogenannten "konstanten Schwelle" kann die Auswertung bei einer farbigen Vorlage nur äußerst mangelhaft durchgeführt werden.

Wird beispielsweise eine Vorlage mit farbigem Untergrund und schwarzen oder weißen Informationen abgetastet, und fällt die Entscheidung bei mittleren Videosignal-Amplituden grundsätzlich

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für "Schwarz" aus, geht schwarze Information auf farbigem Untergrund verloren; wird dagegen ausschließlich für "Weiß" entschieden, bleibt weiße Information auf farbigem Untergrund unberücksichtigt.

Eine Bedienungsperson kann zwar das Schwellensignal vor der eigentlichen Abtastung auf ein günstiges Ergebnis hin wählen, eine optimale Einstellung ohne Informationsverlust ist aber nicht möglich.

Durch eine geeignete Wahl des Schwellensignals können auch von Vorlage zu Vorlage unterschiedliche Untergrund-Helligkeiten eliminiert werden. Da das Schwellensignal dann aber während des eigentlichen Abtastvorganges konstant ist, bleiben langsame Änderungen Untergrund-Helligkeiten innerhalb der Vorlage unberücksichtigt, wodurch sich der Gleichspannungsanteil am Videosignal in Bezug auf die konstante Schwelle verschiebt und es Fehlinterpretationen des Videosignals geben kann.

Zur Kompensation von langsamen Änderungen der Untergrund-Helligkeiten ist es aus der DT-AS 11 71 464 bekannt, den Vergleich des Videosignals mit einem Schwellensignal vorzunehmen, das der mittleren Untergrund-Helligkeit der Vorlage proportional ist. Diese sogenannte "gleitende Schwelle" wird bei Helligkeitsänderungen des Vorlagenuntergrundes langsam nachgeführt, womit unterschiedliches Papierweiß innerhalb der Vorlage automatisch kompensiert wird.

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Die Nachführung des Schwellensignals auf eine Helligkeitsänderung des Untergrundes hin erfolgt mit einer großen Zeitkonstanten. Das Schwellensignal stellt sich daher erst nach Abtastung mehrerer Vorlagenzeilen auf den neuen Wert ein. Schnelle Änderungen der Untergrund-Helligkeit, wie sie bei Vorlagen mit Informationen auf farbigem Untergrund auftreten, können mit dem gleitenden Schwellensignal nicht erfaßt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Umwandlung eines Videosignals in ein zweipegeliges Videosignal anzugeben, mit dem die genannten Nachteile beseitigt und farbige Vorlagen und Vorlagen mit feinen Bilddetails ohne wesentlichen Informationsverlust in eine reine Schwarz/Weiß-Kopie umgesetzt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste Begleitsignal im wesentlichen dem ansteigenden Videosignal folgt, bei abfallendem Videosignal dem beim maximalen Videosignal erreichten Spannungswert annähernd so lange beibehält, bis ein Differenzwert zwischen dem ersten Begleitsignal und einem Bezugssignal erreicht ist, dann sich dem abfallenden Videosignal bis zum Erreichen des Differenzwertes zum Bezugssignal annähert, seinen dabei erreichten Spannungswert ungefähr beibehält bis es mit dem Videosignal im wesentlichen übereinstimmt, und dann wiederum dem ansteigenden Videosignal folgt, daß das zweite Begleitsignal im wesentlichen dem abfallenden Videosignal folgt,

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bei ansteigendem Videosignal den beim minimalen Videosignal erreichten Spannungswert annähernd solange beibehält/ bis ein Differenzwert zwischen dem zweiten Begleitsignal und einem weiteren Bezugssignal erreicht ist, dann sich dem ansteigenden Videosignal bis zum Erreichen des Differenzwertes zum weiteren Bezugssignal annähert, seinen dabei erreichten Spannungswert annähernd beibehält bis es mit dem Videosignal im wesentlichen übereinstimmt und dann wiederum dem abfallenden Videosignal folgt, und daß das dynamische Schwellensignal durch Spannungsteilung zwischen den Begleitsignalen abgeleitet wird.

In der DT-PS 15 37 560 wird ein Faksimile-Abtaster mit einer Kathodenstrahlröhre als Abtastorgan beschrieben, in dem bereits aus zwei Begleitsignalen für das Videosignal ein dynamisches Schwellensignal abgeleitet wird.

Die Erzeugung der Begleitsignale und des Schwellensignals erfolgt aber nach ganz anderen Gesetzmäßigkeiten und ist auf die besonderen Rauscheigenschaften des Kathodenstrahl-Abtastorgans abgestellt.

Die bekannte Schaltungsanordnung eliminiert daher im wesentlichen den hohen Rauschanteil im Videosignal bei dessen Umsetzung.

Aus dem Videosignal wird in einer ersten Detektorschaltung ein erstes Steuersignal und in einer Untergrund-Auswerteschaltung ein Untergrundsignal erzeugt, das der mittleren Helligkeit des Vorlagenuntergrundes proportional ist.

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Das erste Steuersignal und das Untergrundsignal werden in einer Oder-Schaltung derart verknüpft, daß jeweils das positivere Signal von beiden als erstes Begleitsignal weiterverarbeitet wird.

Aus dem Videosignal wird außerdem in einem zweiten Detektor ein zweites Steuersignal und in einem Rauschdetektor ein Hilfssignal gewonnen, das den Rauschamplituden des Videosignals proportional ist.

Zweites Steuersignal und Hilfssignal werden zu einem zweiten Begleitsignal verknüpft.

Beim Anmeldungsgegenstand findet keine logische Verknüpfung der Signale zum Begleitsignal statt. Videosignal und Untergrundsignal steuern lediglich die Generatoren, welche die Begleitsignale erzeugen.

Erstes und zweites Begleitsignal werden in der bekannten Schaltungsanordnung wiederum logisch zum Schwellensignal verknüpft, wobei das Schwellensignal bei Auswertung von Untergrund oberhalb der durch das Untergrundrauschen bestimmten positiven Amplituden des Untergrundsignals und bei Auswertung von Informationen unterhalb dieser Amplituden liegt.

Beim Anmeldungsgegenstand dagegen wird das Schwellensignal durch Spannungsteilung aus den beiden Begleitsignalen abgeleitet, wobei es jeweils zwischen diesen Begleitsignalen verläuft.

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Zum Vergleich von Schwellensignal und Videosignal ist in der bekannten Schaltungsanordnung eine Begrenzerstufe vorgesehen, in der oberhalb des Schwellensignals liegende Videosignalanteile als Information und unterhalb liegende Videosignalanteile als Rauschsignal bzw. Untergrundsignal gewertet werden. Erst das in der Begrenzerstufe modifizierte Videosignal wird in der nachgeschalteten Triggerstufe mit festem Umschaltspunkt in das digitale Videosignal umgesetzt.

Zur Erzeugung des digitalen Videosignals werden beim Anmeldungsgegenstand analoges Videosignal und dynamisches Schwellensignal in einem Komperator direkt miteinander verglichen.

Die in der genannten Patentschrift beschriebene Schaltungsanordnung ist aufwendig, da das Signalrauschen den Kathodenstrahl-Abtastorgans berücksichtigt und zusätzliche Steuersignale.zur Helligkeitsregelung der Kathodenstrahlröhre abgeleitet werden.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß sich die Begleitsignale beliebig an das Videosignal annähern können. So kommt es zu einem unerwünschten Hin- und Herschalten des Schwellensignals, was zu Entscheidungsunsicherheit und Informationsverlust führen kann.

Bei der Erfindung wird das Hin- und Herschalten des Schwellensignals durch den Differenzwert vermieden, der jeweils einen Mindestabstand der Begleitsignale zum Videosignal bzw. der Begleitsignale untereinander garantiert.

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Ein beidseitiger Mindestabstand zwischen den Signalen hat den Vorteil/ daß kleine Signalamplituden, die z.B. von Schmutzpartikeln in der Vorlage herrühren, bei der Videosignal-Auswertung nicht zu einem unerwünschten Signalwechsel und daher nicht zu Fehlinformationen führen.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden die Ausführungsbeispiele, die in folgenden anhand der Fig. 1 bis 10 näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Faksimile-Abtasters mit einem Ausführungsbeispiel einer Generator-Schaltung zur Erzeugung des dynamischen Schwellensignals;

Fig. 2 eine grafische Darstellung zur Wirkungsweise der Generator-Schaltung;

Fig. 3 eine Ausführungsvariante der Generator-Schaltung; Fig. 4 eine grafische Darstellung zur Videosignalauswertung;

Fig. 5 eine weitere grafische Darstellung zur Videosignalauswertung;

Fig. 6 eine andere grafische Darstellung zur Videosignalauswertung ;

Fig. 7 ein Zeitdiagramm;

Fig. 8 eine Schaltungsanordnung;

Fig. 9 Ausführungsbeispiele für Abtastorgan, Umschalter,. Umformerstufe und Steuerwerk;

Fig. 10 ein Impulsdiagramm

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Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Faksimile-Abtasters mit einer Generator-Schaltung zur Gewinnung eines dynamischen Schwellensignals.

Die zu kopierende Vorlage 1 wird von einer Lichtquelle 2 beleuchtet, und das von der Helligkeitsinformation der Vorlage 1 modulierte Licht wird über eine Optik 3 in ein Abtastorgan 5 reflektiert und dort mittels optoelektronischer Wandler in ein Videosignal umgesetzt.

Der optoelektronische Wandler kann eine einzelne Fotodiode sein, die ein kontinuierliches Videosignal liefert. In diesem Falle führt das Abtastorgan 5 eine Relativbewegung zur Vorlage 1 in Zeilenrichtung aus, wobei jeweils nach Abtastung einer Zeile ein Vorschubschritt zur nächsten Zeile erfolgt.

Der optoelektronische Wandler kann aber auch aus einer Vielzahl von Fotodioden (Fotodiodenzeile) aufgebaut sein, die ein gepulstes oder treppenförmiges Videosignal erzeugen.

Vorzugsweise erstreckt sich die Fotodiodenzeile über eine ganze Zeile der Vorlage 1, so daß jeweils eine Zeile ohne Relativbewegung zwischen Abtastorgan 5 und Vorlage 1 abgetastet und nach Abtastung dieser Zeile ein Vorschubschritt zur nächsten Zeile ausgeführt wird,

Vorschubeinrichtungen sind in der Fig. 1 nicht dargestellt, da sie nicht Gegenstand der Anmeldung und als Stand der Technik weit bekannt sind.

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Das in dem Abtastorgan 5 erzeugte Videosignal wird in einer Signalformerstufe 6 verstärkt und gegebenenfalls bei einem gepulsten Videosignalverlauf mittels einer Sample- and HoId-Schaltung in ein treppenförmiges Videosignal umgesetzt.

Das Videosignal U wird über eine Leitung 7 einer Auswerteschaltung 8 in Form eines Komparators zugeführt, in der durch Vergleich von Videosignal U und dem dynamischen Schwellensignal

U auf einer Leitung 9 das digitale Videosignal U¹ mit den s ν

Pegelwerten "Schwarz" und "Weiß" gewonnen wird.

Das digitale Videosignal U¹ wird über eine Modulationsstufe und einen Übertragungskanal 11 an einen nicht dargestellten Faksimile-Empfänger übertragen, dessen Aufzeichnungsorgan das Faksimile der Vorlage erzeugt.

Der Übertragungskanal 11 kann eine Leitung oder eine Funkübertragungsstrecke sein.

Die Generator-Schaltung 12 besteht aus einem ersten Generator zur Bildung eines ersten, oberhalb des Videosignals U verlaufenden Begleitsignals U,*, einem zweiten Generator 14 zur Bildung eines zweiten, unterhalb des Videosignals U verlaufenden Begleitsignals ^üb2' ^einer Verknüpfungsstufe 15 und aus einem dritten Generator

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In der Verknüpfungsstufe 15 wird aus den beiden Begleitsignalen U, ₁ und U, ₂ durch Spannungsteilung das dynamische Schwellensignal U auf der Leitung 9 abgeleitet. Das dynamische Schwellensignal U verläuft jeweils zwischen den Begleitsignalen U, .. und ü,_?, und sein Abstand zu den Begleitsignalen kann mittels des Potentiometers 17 eingestellt werden.

Der dritte Generator 16 besteht aus einer Spitzenwert-Gleichrichterschaltung (18; 19) mit einem Glättungskondensator 20 und einem nachgeschalteten hochomigen Verstärkers 21.

Der Glättungskondensator 20 wird jeweils auf die höchste Videosignal amplitude (Untergrundweiß) aufgeladen. Wegen des hochohmigen Verstärkers 21 ist die Entladezeitkonstante sehr groß, und der Glättungskondensator 20 entlädt sich zwischen den einzelnen Ladungsphasen nur geringfügig.

Aus der Kondensatorspannung werden mittels Potentiometer 22 und 23 Differenzwerte U-,* bzw. U-^ ^auf Leitungen 24 und 24" abgeleitet, die der mittleren Untergrundhelligkeit der abgetasteten Vorlage proportional sind.

Die Differenzwerte Uj₁ und U,_o charakterisieren bestimmte Mindesten a.2,

abstände zwischen den Begleitsignalen U,., bzw. U, „ ^un<^ einem Bezugssignal, die bei der Bildung der Begleitsignale eingehalten werden,

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Die Mindestabstände sind in diesem Falle von der mittleren üntergrundhelligkeit der Vorlage 1 abhängig. Sie können aber auch konstant vorgegeben werden, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.

Im gewählten Ausführungsbeispiel ist das Bezugsignal das Videosignal, so daß die Mindestabstände jeweils zwischen einem Begleitsignal und dem Videosignal bestehen.

In einer Variante ist das Bezugsignal für ein Begleitsignal jeweils das andere Begleitsignal, so daß dann ein Mindestabstand zwischen den Begleitsignalen vorgegeben wird.

Der erste Generator 13 zur Bildung des ersten Begleitsignals U^-j hat folgende Arbeitsweise:

Der Verlauf des Begleitssignals U, .. in bezug auf das Videosignal U wird gleichzeitig an einer Fig. 2 verdeutlicht.

Der erste Generator 13 weist einen Ladekondensator C₁, einen Ladekreis mit Widerstand R^ und Transistor 25 und einen Entladekreis mit Widerstand R₃, Diode 26 und Addierverstärker 27 auf.

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Die Kondensatorladung mit einer kleinen Zeitkonstanten Cj) wird über den Transistor 25 und eine Diode 28

von dem Videosignal U auf einer Leitung 29 gesteuert. Die Kondensatorentladung dagegen erfolgt mit einer großen Zeitkonstanten (¹Z^R · C₁) und wird durch die Ausgangs spannung ü des Addierverstärkers 27 beeinflußt. Die Ausgangsspannung U ₁

a ι

entspricht der Summe aus dem Videosignal U und dem zugeordneten Differenzwert U,.. (Mindestabstand) . Die Addition der

dl

Signale bedeutet eine Verschiebung des Videosignals ü um den Differenzwert U,., ins Positive.

Ul

Der erste Begleitsignal U, ₁ entspricht dem Spannungsverlauf

ü an dem Ladekondensator c: .
c 1

Bei ansteigendem Videosignal U wird der Ladekondensator C₁ mit der kleinen Zeitkonstanten'£"1 jeweils auf das Videosignal U aufgeladen, wodurch das Begleitsignal U, ₁ im Zeitraum t--t₂ (Fig. 2) dem Videosignal U folgt. Zur Zeit t_ ist der Ladekondensator C. auf den Maximalwert des Videosignals U aufgeladen worden. Bei abfallendem Videosignal U sperrt der Transistor 25 (U ₁ > ü ), und die Kondensatorladung ist unterbunden. Die maximale Kondensatorspannung ü ₁ bleibt annähernd erhalten, da der nachgeschaltete Ausgangsverstärker 30 hochohmig und der Entladekreis noch gesperrt ist.

Erst wenn sich das Begleitsignal U, .. zur Zeit t₃ auf den Differenzwert ü_d1 vom Videosignal U entfernt hat, wird die Diode 26 leitend und die Entladung mit der Zeitkonstanten C eingeleitet.

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In dieser Phase nähert sich Begleitsignal U, - dem Videosignal U nach einer e-Funkton bis zur Zeit t.. wiederum der Differenzwert U,- erreicht und die Entladung unterbunden ist.

Vorzugsweise wird die Entlade-Zeitkonstante 'XL etwa gleich der Abtastzeit für 2 bis 5 Bildpunkte auf der Vorlage 1 gewählt. Die Annäherung des Begleitsignals tL-i an das Videosignal U kann selbstverständlich auch nach einer anderen Funktion erfolgen. Als Endwert für die Entladung könnte neben dem Mindestabstand auch das Videosignal selbst oder der Schwarzwert (Null) dienen.

Der Ladekondensator C₁ hält den erreichten Spannungswert wiederum solange, bis zur Zeit t,- das Begleitsignal U, .. und das Videosignal U übereinstimmen. Das Begleitsignal U, ₁ folgt dann wiederum dem Videosignalanstieg.

Der zweite Generator 14 zur Bildung des zweiten Begleitsignals U, _o besteht ebenfalls aus einem Ladekondensator C₀, einem Ladekreis mit einem Widerstand R_ und einem Transistor 33, einem Entladekreis mit einem Widerstand R., einer Diode 34 und einem Subtrahierverstärker 35 und aus einem dem Ladekondensator C₂ nachgeschaltetem hochohmigen Ausgangsverstärker 36.

Der Subtrahierverstärker 35 verschiebt das Videosignal U um den Differenzwert TK₉ ins Negative.

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Im Gegensatz zum Generator 13 sind die Speisespannungen und die Dioden umgepolt und der Transistor 33 komplementär. Da die Wirkungsweisen der Generatoren ähnlich sind, erübrigen sich weitere Erläuterungen.

Der Verlauf des zweiten Begleitsignals U „ ist ebenfalls in Fig. 2 dargestellt. Die Übereinstimmung von Videosignal und Begleitsignal fällt jetzt in den Videosignalabfall und die gesteuerte Entladung in den Videosignalanstieg.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsvariante, bei der die Differenzwerte U,.. und U₂ mittels Potentiometer 37 und 38 eingestellt werden können, und dann während der Vorlagenabtastung unabhängig von der Untergrundhelligkeit der Vorlage 1 konstant bleiben.

Fig. 4 erläutert anhand einer grafischen Darstellung die Wirkungsweise der Generator-Schaltung 12.

(a) zeigt einen willkürlichen Verlauf des Videosignals U, den vom Videosignal U abhängigen Verlauf der Begleitsignale U, ₁; U, ₂ und den Verlauf des dynamischen Schwellensignals U . In (b) ist der Verlauf des digitalen Videosignals U¹ aufgetragen.

Der kontinuierliche Videosignalverlauf möge durch Vorlagenabtastung mit einer diskreten Fotodiode als optoelektronischer Wandler entstanden sein.

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Bei Abtastung einer weißen Bildstelle der Vorlage ergeben sich große, bei einer schwarzen Bildstelle kleine, und im Falle, daß graue oder farbige Bildbereiche der Vorlage abgetastet werden, mittlere Signalamplituden des Videosignals U .

Beispielsweise möge zur Zeit t.. eine schwarze Information auf weißem Untergrund, zur Zeit t^ eine farbige oder graue Information auf weißem Untergrund und zur Zeit t_ graue oder farbige Information auf schwarzem Untergrund abgetastet werden.

Ferner wird angenommen, daß die Mindestabstände (Differenzwerte U,.. und U,-) der Begleitsignale U, .. und U, _ zum Bezugssignal gleich und, wie in Fig. 3 dargestellt, während der Vorlagenabtastung unabhängig von der Untergrund-Helligkeit der Vorlage sind. Das Bezugsignal ist in diesem Falle das Videosignal U .

Ferner wird angenommen, daß das dynamische Schwellensignal U genau in der Mitte zwischen den Begleitsignalen U, .. und U, „ verläuft.

Zunächst folgt das erste Begleitsignal U, .. dem Videosignal U und das zweite Begleitsignal U,₂ verläuft im Mindestabstand 39 zum Videosignal ö .

Im Punkt 40 liat <las erste Begleitsignal U₁- den Mindestabstand 39 zum Videosignal U erreicht, und es folgt dem Videosignal U nach einer e-Funktion, bis es sich im Punkt 41 dem Videosignal U bis auf den Mindestabstand 39· genähert hat. Dann verläuft es bis zur

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Übereinstimmung mit dem Videosignal ü im Punkt 42 konstant und folgt anschließend dem ansteigenden Videosignal U .

Das zweite Begleitsignal ü,₂ ist bis zur Übereinstimmung mit dem Videosignal im Punkt 43 konstant und folgt dann dem abfallenden Videosignal U bis zum Minimalwert im Punkt 44. Im Punkt 45 ist wiederum der Mindestabstand 39' zum Videosignal ü erreicht, und das Begleitsignal U, ^ nähert sich ebenfalls nach einer e-Punktion dem Videosignal U .

Das Prinzip wird auch im weiteren Verlauf des Videosignals U fortgesetzt. Das dynamische Schwellensignal ü schneidet alle

Videosignalpulse. Diese Schnittpunkte liefern die Kriterien für die Schwarz/Weiß-Entscheidung bei der Erzeugung des digitalen Videosignals U¹ . Bei der Darstellung des digitalen Videosignals U¹ in (b) ist der Schwarzwert "S" durch das logische "H" und der Weißwert "W" durch das logische "L" gekennzeichnet. Beispielsweise werden die unterhalb des dynamischen Schwellensignals U liegenden Anteile des Videosignals ü als Schwarzwert, und die oberhalb des Schwellensignals liegenden Signalanteile als Weißwert gewertet.

Man sieht, daß alle Videosignalimpulse von dem dynamischen Schwellen signal ü erfaßt und bei der Umwandlung in das digitale Videosignal U¹ berücksichtigt werden, wodurch auch bei geringen Amplitudenhöhen bzw. Kontrasten in der Vorlage Informationsverlust vermieden wird.

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Fig. 5 zeigt ein ähnliches Diagramm wie das der Fig. 4. Der Unterschied besteht darin, daß das Videosignal U einen zeitdiskreten und treppenförmigen Verlauf aufweist. Ein derartiger Signalverlauf ergibt sich, wie bereits erwähnt, bei der Umsetzung von Videosignalimpulsen, die bei Vorlagenabtastung mittels einer Fotodiodenzeile entstehen, in eine Treppenfunktion mit Hilfe einer Sample- and Hold-Schaltung.

Das Diagramm zeigt, daß alle Vorlageninformationen wiederum erkannt werden.

Der treppenförmige Videosignalverlauf (a) hat den Vorteil, daß das digitale Vidiosignal U¹ (b) richtig zeitlich getaktet vorliegt, d.h. die Taktflanken des digitalen Videosignals U¹ stimmen genau mit den Flanken des treppenförmigen Videosignals U überein.

Fig. 6 zeigt in einem Diagramm eine Variante des Verfahrens, bei der als Bezugssignal für den Mindestabstand eines Begleitsignals jeweils das andere Begleitsignal verwendet wird.

Im Gegensatz zu Fig. 4, in der sich die Begleitsignale U, .. und U, ~ dem Videosignal U jeweils nur auf den Mindestabstand 39 bzw. 39' nähern■können, schmiegen sich in Fig. 6 die Begleitsignale U, ,- und

U, r voll an das Videosignal U an. Ein Mindestabstand 46 verbleibt b6 ^v

jeweils zwischen den beiden Begleitsignalen U,₅ und U, _.

- 24 - *■ ■ "

Das dynamische Schwellensignal U liegt in (a) wiederum zwischen

den beiden Begleitsignalen U, ,. und ü, ,, beispielsweise genau in der Mitte. Das digital·
Verlauf wie in Fig. 4.

der Mitte. Das digitale Videosignal U¹ in (b) zeigt einen ähnlichen

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zur Vermeidung von Informationsverlust, insbesondere am Rande einer Vorlage, wird anhand einer grafischen Darstellung in Fig. 7 erläutert.

In (a) ist der Verlauf eines treppenförmigen Videosignals ü am Ende einer (n-1)-ten Zeile und zu Beginn der folgenden η-ten Zeile dargestellt. Gleichzeitig sind die Begleitsignale U,.; U,₂ und das dynamische Schwellensignal U eingezeichnet.

(b) zeigt den Verlauf des durch Vergleich von Videosignal U und Schwellensignal ü gewonnenen digitalen Videosignals U¹ .

Im Zeitraum t_o~t-i möge eine weiße Information oder ein weißer Untergrund, z.B. der weiße Vorlagenrand, der (n-1)-ten Zeile abgetastet werden, wobei zur Zeit t₁ das Zeilenende erreicht ist. Im Zeitraum t -t₁ liegt das Videosignal U auf dem Amplitudenwert 49 und das digitale Videosignal U¹ auf dem Weißpegel "W".

Im Zeitraum t..-t.,, in dem der Vorschubschritt des Abtastorgans zur nächsten Zeile erfolgt, sieht das Abtastorgan normalerweise "Schwarz", und das digitale Videosignal U" erreicht den Schwarzpegel "S".

Der Zeitpunkt t., legt den Anfang der η-ten Zeile fest, die mit einem Grauwert entsprechend dem mittleren Amplitudenwert 50 des Video-

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signals U beginnen möge. Der Grauwert kann dabei von einer Information oder von einem grauen Untergrund der Vorlage 1 herrühren. In jenem Falle ergibt sich nach der herkömmlichen Technik der Verlauf 51 des Videosignals U und der Verlauf 52 des digitalen Videosignals U¹ , wobei das "Grau" der Vorlage 1 als "Weiß" wiedergegeben wird. Falls das "Grau" nun eine Information ist, würde diese verlorengehen.

Nach dem Erfindungsgedanken wird das Videosignal U jeweils in einem Zeitintervall t^-to vor Abtastung einer neuen Zeile auf einen vorgegebenen Amplitudenwert 53 gebracht, der unabhängig von dem Videosignal des Abtastorgans 5 ist.

Der Amplitudenwert 53 kann zwischen "Grau" und "Weiß" liegen. Vorzugsweise ist der Amplitudenwert 53 von der mittleren Untergrundhelligkeit der Vorlage 1 abhängig.

Durch diese Maßnahme ergeben sich die in Fig. 7 dargestellten Verläufe der verschiedenen Signale.

Das digitale Videosignal U¹ signalisiert im Zeitintervall t„-t "Weiß" und gibt die graue Information zu Beginn der η-ten Zeile als "Schwarz" wieder, wodurch der Verlust einer grauen Information, insbesondere am Zeilenanfang, wie er bei herkömmlichen Verfahren auftritt, in vorteilhafter Weise vermieden wird.

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Fig. 8 zeigt ein Schaltungsbeispiel zur Realisierung des in Fig. 7 erläuterten Verfahren.

Zunächst ist wiederum der Weg des Videosignals U zwischen dem Abtastorgan 5 und der Modulationsstufe 11 aufgezeichnet. Die Generator-Schaltung 12 wurde der Übersichtlichkeit wegen lediglich als Funktionsblock dargestellt. Der Aufbau der Generator-Schaltung 12 entspricht dem der Fig. 1 und 2.

Zwischen Abtastorgan 5 und Umformerstufe 6 befindet sich ein elektronischer Umschalter 56, der in der Fig. 8 durch einen mechanischen Umschalter symbolisiert ist. Der Umschalter 56 wird über eine Leitung 57 von einem Steuerwerk 58 betätigt. Das Steuerwerk 58 steuert gleichzeitig über Leitungen 59 und 60 das Abtastorgan 5 und die Umformerstufe 6.

In dem Zeitraum t^-t.,, der in der grafischen Darstellung der Fig. 7 angegeben ist, befindet sich der Umschalter 56 in der gezeichneten Position. Die Vergleichsstufe 8 wird statt mit Videosignal U mit dem Amplitudenwert 53 beaufschlagt.

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Der Amplitudenwert 53, entsprechend einer Spannung U , wird mittels eines Generators 61 aus dem Videosignal U auf der Leitung 29 abgeleitet und ist somit der mittleren Helligkeit des Vorlagenuntergrundes proportional. Die Spannung ü kann auch mittels Potentiometer konstant vorgegeben werden.

Der Generator 61 ist in seinem Aufbau mit dem Generator 16 in Fig. 1 identisch. Es kann auch der Generator 16 selbst mit einem weiteren Potentiometer an seinem Ausgang verwendet werden.

Im Zeitpunkt t₃ (Fig. 7), der dem Zeilenbeginn entspricht, wird der Umschalter 56 in die gestrichelt gezeichnete Position umgeschaltet, und das vom Abtastorgan 5 erzeugte Videosignal U in das digitale Videosignal U¹ umgesetzt.

Fig. 9 zeigt detaillierte Ausführungsbeispiele für Abtastorgan, Umschalter, Impulsformerstufe und Steuerwerk.

Abtastorgan

Das Abtastorgan 5 möge als optoelektronischen Wandler einen integrierten Baustein vom Typ CCD 121 der Firma Fairchild enthalten. Dieser Baustein besteht aus der eigentlichen Fotodiodenzeile 64 und der Abfrageelektronik mit analogen Schieberegistern 65; 6.6 (Ladungsverschiebeschaltungen) und mit zwischen den Schieberegistern 65; 66 und der Fotodiodenzeile 64 angeschlossenen Transfergattern 67; 68.

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Die Fotodiodenzeile 64 ist in der Fig. 9 nur als Funktionsblock dargestellt. Sie besteht aus 1728 einzelnen Fotodioden, die in einer Reihe liegen und sich über eine Abtastzeile erstrecken. Jede einzelne Fotodiode ist an einen Speicherkondensator zur Aufnahme einer der empfangenen Lichtmenge proportionalen Ladung angeschlossen. Die Ladungen werden über die Transfergatter 67 und 68, gesteuert von den Signalen T₁ und T_, parallel in die analogen Schieberegister 65; 66 übernommen. Die Übernahme erfolgt z.B. derart, daß die Ladungen der ungradzahligen Fotodioden in das Schieberegister 65 und die Ladungen der gradzahligen Fotodioden in das Schieberegister 66 transferiert werden.

Mittels Schiebetaktfolgen T₃ und T. werden die Ladungen seriell aus den Schieberegistern 65 und 66 herausgeschoben und in einem Ladungsverstärker 69 in das Videosignal U umgewandelt.

Als Fotodiodenzeile mit integrierter Auswertelektronik kann auch eine sogenannte "selbstabtastende Fotodiodenzeile" verwendet werden, bei der jedem Speicherkondensator ein MOS-Transistor als Schalter zugeordnet ist. Durch serielles Ansteuern der Schalter werden die einzelnen Ladungen abgerufen und über eine Videoleitung ausgegeben.

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Umschalter

Der Umschalter 56 ist z.B. ein integrierter Analog-Schalter 70 der über eine Steuerlogik 71 von der Taktfolge T₁ auf der Leitung 57 abgesteuert wird.

Signalformerstufe

Die Signalformerstufe 6 besteht z.B. aus einer bekannten Sample- and Hold-Schaltung. Die Schaltung formt das Eingangssignal mit Hilfe der Schiebetaktfolge T₃ auf der Leitung 60 in das Ausgangssignal mit zeitdiskretem, treppenförmigem Verlauf um.

Steuerwerk

Das Steuerwerk 58 weist einen Taktgenerator 74 auf, der eine Zähltaktfolge T erzeugt. Die Zähltaktfolge T gelangt über ein UND-Tor 75 auf ein Flip-Flop 76, an dessen Ausgängen die gegenphasigen Schiebetaktfolgen T^ und T₄ erscheinen.

Die Zähltaktfolge T wird gleichzeitig in einen Zähler 77 eingezählt. An die Ausgänge des Zählers 77 ist eine Codierstufe 78 angeschlossen, die bei vorprogrammierten Zählerständen die Steuertakte T, bis T„ abgibt. Beispielsweise erscheint Steuertakt T_c beim Zählerstand "1777" und Steuertakt T_Q beim Zählerstand "1785", bei dem der Zähler 77 auch rückgesetzt wird.

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Die Steuertakte T_g und T₇ steuern ein Flip-Flop 79, an dessen Ausgang die Taktfolge T₁ entsteht. Die Steuertakte T„ und T steuern ein weiteres Flip-Flop 80, das die Taktfolge T erzeugt. Mittels eines weiteren Flip-Flops 81 wird eine Taktfolge T aus den Taktfolgen T und T erzeugt. Die Taktfolge T steuert das UND-Tor 75.

Der zeitliche Ablauf im Steuerwerk 58 wird gleichzeitig anhand eines Impulsdiagrammes einer Fig. 10 erläutert.

Im Diagramm (a) ist die Zähltaktfolge T₅ hinter dem UND-Tor 75 aufgetragen. Nach 1728 Takten der Zähltaktfolge T₅ sind sämtliche 1728 Abtastinformationen einer (n-1)-ten Zeile, entsprechend 1728 Einzeldioden der Fotodiodenzeile 64, aus den Schieberegistern 65; 66 herausgeschoben (Zeilenende).

In dieser Zeit hat die Fotodiodenzeile 64 die (n)-te Zeile abgetastet und die neuen Informationen dieser Zeile werden zu den Taktzeiten T. und T„ über die Transfergatter 67; 68 in die Schieberegister 65; 66 übernommen.

Während der Übernahme ist die Zähltaktfolge T₅ durch das UND-Tor und den Steuertakt T₁ - Diagramm (d) - gesperrt.

Mit dem Steuertakt Tg (Zeilenanfang) beginnt ein neuer Zählzyklus von 1 bis 1728, in dem die Information der (n)-ten Zeile aus den Schieberegistern 65; 66 herausgeschoben werden.

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Der Umschalter 56 wird durch den Steuertakt T„ - Diagramm (c) - auf Leitung 57 betätigt, derart, daß während des Taktes der Kontakt 70' geschlossen und der Kontakt 70'' geöffnet ist.

Zur Verdeutlichung der zeitlichen Zusammenhänge ist in dem Diagramm (e) noch einmal der Verlauf des Ausgangssignals des Umschalters 56 aufgezeichnet, wie es bereits in Fig. 7 dargestellt wurde.

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Claims

.": s i G g e χ e if'cj' eV · Dr.-Ing. Rudolf Hell GmbH*' -.--.rf nidit jiiiinm-; >;:;■»; ,Kiel, :deh S. Januar 1978 Grenzstraße 1-5 "~" " " dt/Hl' " ■ Kiel 14 ". /? Patentanmeldung Nr. 78/469 · . 280Q759 Kennzeichen: "Dynamische Schwelle" ·' Patentansprüche

1. Verfahren bei einem Faksimile-Abtaster zur Umwandlung eines durch bildpunktweise Vorlagenabtastung gewonnenen Videosignals in ein Zwei-Pegel-Signal durch Vergleich mit einem dem Videosignal dynamisch folgenden Schwellensignal, bei dem mittels Spannungsgeneratoren ein erstes und ein zweites Begleitsignal für das Videosignal erzeugt und aus den Begleitsignalen das dynamische Schwellensignal abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Begleitsignal im wesentlichen dem ansteigenden Videosignal folgt, bei abfallendem Videosignal den beim maximalen Videosignal erreichten Spannungswert solange beibehält, bis ein Differenzwert zwischen dem ersten Begleitsignal und einem Bezugssignal erreicht ist, dann sich dem abfallenden Videosignal bis zum Erreichen des Differenzwertes zum Bezugssignal annähert, seinen dabei erreichten Spannungswert beibehält, bis es mit dem Videosignal im wesentlichen übereinstimmt und dann wiederum dem ansteigenden Videosignal folgt, daß das zweite Begleitsignal im wesentlichen dem abfallenden Videosignal folgt, bei ansteigendem Videosignal den beim minimalen Videosignal erreichten Spannungswert solange beibehält, bis ein Differenzwert zwischen dem zweiten Begleitsignal und einem weiteren Bezugssignal erreicht ist,

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dann sich dem ansteigenden Videosignal bis zum Erreichen des Differenzwertes zum weiteren Bezugssignal annähert, seinen dabei erreichten Spannungswert beibehält, bis es mit dem Videosignal im wesentlichen übereinstimmt und dann wiederum dem abfallenden Videosignal folgt und daß das dynamische Schwellensignal durch Spannungsteilung zwischen den Begleitsignalen abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Videosignal Bezugsignal für die Differenzwerte ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Begleitsignal Bezugssignal für den Differenzwert des anderen Begleitsignals ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzwerte den mittleren Helligkeitswerten des Vorlagenuntergrundes proportional sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzwerte zwischen 5 und 20%, vorzugsweise 12%, von den jeweiligen mittleren Helligkeitswerten des Vorlagenuntergrundes betragen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzwerte konstant vorgegeben werden.

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7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzwerte zwischen 5 und 20%, vorzugsweise 12%, von der größten Amplitudendifferenz des Videosignals zwischen "Schwarz" und "Weiß" betragen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Begleitsignale durch von dem Videosignal und den Differenzwerten gesteuerte Ladung und Entladung von Kondensatoren gewonnen werden, wobei jeweils die Ladezeitkonstanten klein und die Entladezeitkonstanten groß gewählt sind, daß der erste Kondensator (C₁) bei ansteigendem Videosignal mit der einen Ladezeitkonstanten auf das Videosignal aufgeladen und bei abfallendem Videosignal mit der einen Entladekonstanten entladen wird, und daß der zweite Kondensator ( bei abfallendem Videosignal mit der anderen Ladezeitkonstanten auf das Videosignal aufgeladen und bei ansteigendem Videosignal mit der anderen Entladezeitkonstanten entladen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladezeitkonstanten etwa gleich der Abtastzeit für zwei bis fünf Bildpunkten auf der Vorlage gewählt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet," daß das Videosignal jeweils in einem Bereich vor einer Abtastzeile auf einen "Grau" bis "Weiß" entsprechenden Amplitudenwert gebracht wird, und daß das modifizierte Videosignal zur Bildung des Zwei-Pegel-Signals mit dem dynamischen Schwellensignal verglichen wird.

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11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplitudenwert des Videosignals aus den Helligkeitswerten des Vorlagenuntergrundes abgeleitet wird.

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