DE3409379A1 - Elektronische halbleiterkamera mit farbcodierfilter - Google Patents

Description

Elektronische Halbleiterkamera mit Farbcodierfilter

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung Farbfilter für Ein-Chip-Halbleiter-Fernsehkameras sowie die Verarbeitung des von solchen Kameras erzeugten Videosignals.

Die Verfügbarkeit von Halbleiter-Bildaufnahmeeinrichtungen/ wie MOS- oder CCD-Einrichtungen hat das Interesse an Farbcodierverfahren für Kameras, die nur eine einzige Bildaufnahmeeinrichtung zur Aufnahme von mehrfarbigen Bildern Wiederaufleben lassen. Die naturgegebene geometrische Stabilität von Halbleiter-Bildaufnahmeeinrichtungen ermöglicht Verfahren, die mit einer Bildröhre, wie einem Vidicon oder Saticon praktisch unmöglich wären.

Es sind bereits die verschiedensten Farbcodierfilter ent-

-Q-

wickelt worden; bei allen diesen bekannten Filtern gibt es jedoch Probleme bezüglich der Auflösung und des Übersprechens, so daß sie für die Verwendung mit hochwertigen

Ein-Chip-Halbleiter-Kamerasystemen nicht geeignet sind. 5

Bei einer Bildfeld-Übertragungs-CCD (die auch als HaIbbild-Übertragungs-CCD bekannt ist) ist die ganze Bildempfangsfläche photoempfindlich. Die einzelnen Pixels (Bildelemente) werden in Horizontalrichtung durch vertikale Kanalbegrenzungen und vertikal durch horizontale Gates oder Steuerelektroden definiert, denen 2-, 3- oder 4-phasige Signale zugeführt sind. Als Folge der Art der vertikalen Begrenzung der Pixels wird die Verschachtelung der geradzahligen und ungeradzahligen Halbbilder, die bei einem normalen Fernsehsignal im Bild getrennte Bereiche einnehmen, durch ein vertikales überlappen von Pixeln in den alternierenden Halbbildern erreicht. Fig. 1 zeigt einen Teil einer Bildfeld-übertragungs-Bildaufnahmeeinrichtung 10, bei der die gestrichelten horizontalen Linien die vertikalen Abtast- oder Abgreifgrenzen für die geradzahligen Halbbilder und die ausgezogenen horizontalen Linien die vertikalen Abtastgrenzen für die ungeradzahligen Halbbilder darstellen. Die Nummern der Abtastzeilen sind links und rechts von der Bildaufnahmeeinrichtung 10 dargestellt. Eine Pseudoverschachtelung oder ein Pseudo-Zeilensprung wird dadurch erhalten, daß man die Pixelstruktur in den beiden Halbbildern mit einem vertikalen Versatz definiert, die einer Einheit der vertikalen Auflösung entspricht. Diese Betriebsart ist einer Summierung über zwei vertikale Auflösungseinheiten von benachbarten Zeilen äquivalent, wobei ein Pixel (Bildelement) die Kombination von zwei vertikalen Auflösungseinheiten in der Vertikalrichtung jedes Halbbildes ist. Während hierdurch keine Beeinflussung der vertikalen Auflösungsgrenze eintritt, wird jedoch der Kontrast für vertikale Raumfrequenzen in der Nähe der Nyquist-Grenze der Vertikalab-

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-9-tastung verringert.

Man beachte, daß die vorliegende Erfindung auch auf andere Halbleitereinrichtungen als Bildfeld-Übertragungs-CCD anwendbar ist, beispielsweise auf Sensoren, die einen Betrieb mit nicht-überlappenden Abtastelementen erlauben, wie MOS-Diodenarray-Sensoren. Im folgenden soll die Erfindung jedoch an Beispielen von Bildfeld-Übertragungseinrichtungen erläutert werden.

Die nicht-überlappende Verschachtelungs- oder Zeilensprungbetriebsart einer Bildfeld-Übertragungs-CCD, welche keinen Zugriff zu einzelnen Vertikalauflösungseinheiten gestattet, stellt eine zwingende Randbedingung für die Wahl von

jg brauchbaren Farbcodiermustern dar. Beispielsweise geht das sog. Bayer-Muster, ein klassisches Beispiel eines Farbcodiermusters, das in Fig. 2a dargestellt ist, in der R, G und B den Farben Rot, Grün bzw. Blau entsprechen, bei einer Bildfeld-Übertragung-CCD nicht, da alternativ

2Q nur zwei Typen von Signalen erzeugt würden, nämlich R + G und B + G und es keinen dritten Signaltyp, wie G + G gäbe. Für ein vollständiges Farbsignal werden jedoch mindestens drei verschiedene Signale benötigt.

₂c Eine ganze Klasse von Farbcodiermustern, die sich für Bildfeld-Übertragungs-CCD eignen, sind Muster mit vertikalen Streifen, wie das Gelb-Grün-Cyan-Streifenmuster (Ye, G, Cy) das in Fig. 2b dargestellt ist und eine Dreifarbenperiodizität ergibt. Vertikalstreifenmuster ergeben jedoch eine verhältnismäßig schlechte Horizontalauflösung, da sie eine optische Tiefpaßfilterung erfordern, durch die alle Raumfrequenzen der Filterstreifenfrequenz entfernt werden, um abtastungsbedingte Störungen, die als "Aliasing" bekannt sind, zu unterdrücken. Für eine Drei-Pixel-Periode, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, beträgt die theoretische Auflösungsgrenze 2/3 der eines mono-

ο 4 υ ΰ. α /

-ιοί chromen oder Schwarz/Weiß-Chips. In der Praxis ist die Auflösung sogar noch geringer und beträgt im allgemeinen etwa 50% der Schwarz/Weiß-Auflösung.

Die Auflösung kann dadurch verbessert warden, daß man die zweite Dimension der Bildebene für die Codierung heranzieht. Ein klassisches Codiermuster, bei dem dies geschieht und das immer noch mit einer Bildfeld-Übertragungs-CCD verträglich ist, ist aus der US-PS 3 982 274 (siehe -^q Fig. 2c) bekannt. Hier ist jede zweite Zeile des Musters gleichmäßig gefärbt, wie durch die Farbbezeichnung "J" aller Pixels dargestellt ist, die sich unten in den Fernsehzeilen 1 und 3 der Fig. 2c befinden; K, L und J bedeuten ganz allgemein irgendwelche Farben. Die beiden HaIb-2J-bilder (geradzahlig und ungeradzahlig) des Videosignals haben daher auch die gleiche kolorimetrische Zusammensetzung. In beiden Halbbildern werden Zeilen mit den Elementen KJ/LJ und MJ/NJ erzeugt, der einzige Unterschied besteht darin, daß J jeweils oberhalb oder unterhalb des ande-2Q ren Elementes erscheint, was für die Erzeugung des CCD-Signals irrelevant ist. (Es kann allenfalls unter gewissen Umständen ein Flimmern verursachen.) Ein spezielles Muster dieses Typs ist in Fig. 2d dargestellt, bei dem w = weiß oder klardurchsichtig bedeutet. Hinsichtlich der oc Leuchtdichte kann man die volle Auflösung in beiden Richtungen erreichen. Für die Farbe ist jedoch eine 1-H-Verzögerungsleitung (entsprechend einer Verzögerung von einer Zeilendauer) für die Decodierung erforderlich.und die Kameras, die mit solchen Verzögerungsleitungen arbei- _on ten, sind daher verhältnismäßig empfindlich gegen Farbschwebungen bei Bildern von Objekten mit gewissen Horizontalen-Strukturen. Auch hier ist wieder ein (zwei dimensionaler) optischer Diffuser erforderlich, um diese Artefacte verringern zu helfen.

In Fig. 2e ist ein weiteres bekanntes Schachbrett-Filter-

muster dargestellt, das mit einer Ein-Chip-Halbbleiter-Farbkamera verwendet werden kann. Bei diesem Muster, das von Aoiki et al in der Veröffentlichung "IEEE Transactions On Electron Devices, Band ED-29, Nr. 4, April 1982, S. 745 bis 750" beschrieben ist, wird eine vertikale Vierfarbenperiodizität durch ein Farbfilter vorgesehen, das gelbe, grüne, cyanfarbene und weiße Filterelemente enthält. Das Muster ist in benachbarten Zeilen in der Horizontalrichtung um zwei Elemente verschoben oder versetzt, so daß in Vertikalrichtung ein Cyanelement zwischen zwei Gelbelemente, ein Weißelement zwischen zwei Grünelemente usw. zu liegen kommt. Dieses Muster eignet sich gut für einen XY-adressierten MOS-Photodiodensensor, wenn jede Filterelementzeile auf eine eigene Photodiodenzeile ausgerichtet ist: Ein vollständiges Farbsignal kann dann für jede Abtastzeile (ohne eine 1-H-Verzögerungsleitung" dadurch gewonnen werden, daß man zwei Zeilen gleichzeitig abtastet oder abgreift. Dieses Filtermuster ist jedoch für Bildfeldübertragungs-CCD und ähnliche Einrichtungen nicht geeignet. Man beachte, daß für jedes Paar von Zeilen nur zwei Typen von vertikalen Farbkombinationen von Filterelementen vorhanden sind, nämlich Ye und Cy und G+W und daß sie kolorimetrisch gleich sind, da beide R+2G+B ergeben. Bei Verwendung dieses Filtermusters mit einer Bildfeldübertragungs-CCD kann daher kein Farbsignal erzeugt werden. Wie oben bezüglich des Bayer-Musters erwähnt worden war, sind für eine volle Farbwiedergabe drei verschiedene Signale notwendig.

Ein anderes Schachbrett-Filter ist aus der US-PS 4 288 (R.N. Rhodes) bekannt. Bei diesem Filter sind die Filterelemente, die weniger als eine Pixelfläche der Bildäufnahmeeinrichtung überdecken, von Zeile zu Zeile verschoben. Diese Filterstruktur kann zwar mit einer Bildfeldübertragungs-CCD verwendet werden, für die Decodierung wird jedoch wiederum eine 1-H-Verzögerungsleitung benötigt.

Für Kameras mit Halbleiter-Bildaufnahmeeinrichtungen, insbesondere Ein-Chip-Bildfeldübertragungs-Bildaufnahmeeinrichtungen wird also ein Farbfilter gebraucht, das die für die Erzeugung eines Farbbildes benötigten Signale ohne den Aufwand einer Verzögerunsleitung für eine Zeilendauer zu liefern vermag. Es ist ferner wünschenswert, ein vollfarbiges Videosignal mit einer solchen Ein-Chip-Halbleiter-Kamera zu erzeugen.

Die Probleme des Standes der Technik werden vermieden und die obige Aufgabe wird gelöst durch eine Kamera gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Kamera enthält eine Festkörper- oder Halbleiter-Bildaufnahmeeinrichtung mit einer Mehrzahl von Sammelplätzen zum Liefern von unverarbeiteten Signalen, die als Reaktion auf Strahlungsenergie von einer Szene erzeugt werden. Zwischen die Szene und die Halbleiter-Bildaufnahmeeinrichtung ist ein Farbfilter geschaltet, das in Zeilen angeordnete Farbfilterelemente enthält. Ein Paar der Zeilen von Farbfilterelementen ist in jedem Moment mit einer speziellen momentanen einzelnen Zeile von Sammelplätzen in Deckung.' Die Farbfilterelementzeilen enthalten jeweils eine sich wiederholende Folge von Farben, benachbarte Zeilen sind in Bezug aufeinander verschoben und die Kombinationen der Filterelemente von zwei benachbarten Zeilen liefern mindestens zwei unabhängige Farbkombinationen. Ferner ist eine Signalverarbeitungsanordnung vorgesehen, die mit der Bildaufnahmeeinrichtung gekoppelt ist oder gekoppelt werden kann, um aus den unverarbeiteten Signalen ein für die Szene repräsentatives verarbeitetes Signal zu erzeugen, das Information enthält, die in Relation zum Farbgehalt der Szene steht.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

-13-Es zeigen:

Fig. 1 einen Teil einer Bildfeldübertragungs-Bildaufnahmeeinrichtung, auf die oben bereits Bezug genommen worden ist;

Fig. 2a, 2b, 2c, 2d, und 2e bekannte Farbcodierfilter, die ebenfalls bereits diskutiert worden sind;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Farbcodiererfilters gemäß der Erfindung mit verallgemeinerten Farben;

Fig. 4a und 4b Schachbrett-Farbfiltermuster gemäß der

vorliegenden Erfindung;
15

Fig. 5 eine Farbkamera mit einer digitalen Decodier-

schaltung für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 Einzelheiten der digitalen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5;

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Farbkamera mit analoger Signalverarbeitung für die Verwendung mit der Erfindung;

Fig. 7a ein Diagramm zur Erläuterung eines Teiles der Verarbeitung;

Fig. 8 und 9 graphische Darstellungen des Verlaufes von Signalen, auf die bei der Beschreibung der Arbeitsweise der Signalverarbeitungsschaltung gemäß Fig. 7 Bezug genommen wird;

3b Fig. 10 eine weitere Ausführungsform einer Farbkamera gemäß der Erfindung;

Fig. 11 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Signalen auf die bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Signalverarbeitungsschaltung gemäß Fig. 10 Bezug genommen wird; und

Fig. 12 eine weitere Ausführungsform eines Schachbrett-Farbfiltermusters gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 zeigt, wie ein Filter 12 mit einem Muster CSHIFT"- oder Verschiebungsmuster) gemäß der Erfindung erzeugt werden kann. Die erste Zeile ist durch eine sich wiederholende Folge von ρ Farben definiert, z.B. ρ = 5 mit den Farben K, L, M, N, O. Die Farben K bis O brauchen nicht alle verschieden zu sein. Für eine volle Farbdefinition in einer Ein-Chip-Farbkamera werden mindestens drei verschiedene und unabhängige Farben benötigt. Für andere Anwendungen, wo eine Trennung in zwei spektral verschiedene Kanäle vorgesehen ist, reicht ein Minimum von zwei Farben aus.

Jede folgende Zeile wird nun dadurch erhalten, daß man die vorangehende Zeile auf einen bestimmten Betrag S nach links verschiebt, wobei 0 < S< ρ ist, z.B. S = 2 in Fig. 3, wie durch den Pfeil angedeutet ist, der die Farbe M in der ersten Zeile mit M in der zweiten Zeile verbindet. Das Muster wiederholt sich in Vertikalrichtung nach p-Zeilen. Es wiederholt sich eher, nämlich nach p/S-Zeilen, wenn p/S eine ganze Zahl ist. Bei Verwendung mit einer Bildfeldübertragungs-CCD (ladungsgekoppelte Einrichtung) wird jede Zeile des Videosignals die gleiche kolorimetrische Folge enthalten, die der Phase um S-Pixels verschoben ist, E.B. KM, LN, MO, NK, OL. Als Folge hiervon ist für jede Zeile grundsätzlich die gleiche Verarbeitung erforderlich.

Jede beliebige Wahl von p, S und der Farbenfolge ergibt nicht ohne weiteres ein bevorzugtes Farbkamerasystem. Tatsächlich kann es für fast jedes gewählte Muster ein Bild

geben, das in der Reproduktion nicht mehr erkennbar ist. Wenn beispielsweise die räumliche Information im Bild in ihrer Struktur ähnlich ist wie das Farbcodiermuster/ können starke Aliase-Effekte auftreten, wie Farbmoirees und Schwebungen. Im allgemeinen müssen mindestens drei unabhängige Farbelemente in einer kombinierten Zweizeilen-Farbfolge verfügbar sein,d.h.ydaß bei Kombination der Filterelemente von zwei benachbarten horizontalen Zeilen für jede Abtastung mindestens drei unabhängige Farben verfügbar sein müssen. Man beachte jedoch, daß bei einer Zwei-Chip-Farbkamera ein SHIFT-Muster verwendet werden kann, bei dem nur zwei unabhängige Farben erforderlich sind, wenn beispielsweise die eine Bildaufnahmeeinrichtung eine unabhängige Farbe und die andere Bildaufnahmeeinrichtung zwei andere unabhängige Farben liefert. Unter unabhängigen Farbelementen sind insbesondere Farbelemente zu verstehen, die primärfarbenverschieden und kolorimetrisch unabhängig voneinander sind; beispielsweise wäre rot, grün und gelb eine schlechte Wahl für die drei unabhängigen Farben, da gelb die Kombination von rot und grün ist. Es wurde gefunden, daß sich brauchbare Muster generell für Werte von ρ t 5 und 2 5 S S ρ -2 ergeben, wenn die Verschiebung so gewählt ist, daß sich drei unabhängige Farben ergeben. Wenn S = 0, 1 oder p-1 ist, ergibt sich ein vertikales oder diagonales Streifenmuster für das noch keine vielversprechenden Fälle gefunden wurden.

Bestimmte spezielle SHIFT-Muster haben sich als besonders brauchbar für Bildfeldübertragungs-CCD-Einrichtungen erwiesen. Sie werden im folgenden im einzelnen beschrieben. Man beachte jedoch, daß bei Änderung der Abmessungen der Pixels der Einrichtung andere SHIFT-Muster besser geeignet sein können und unter Umständen ein besseres Verhalten ergeben.

Zwei spezielle SHIFT-Muster, beide mit ρ = 6 und S = 2 sind

O4U3O/3

• -16-

in Fig. 4a bzw. 4b dargestellt. Die Muster wiederholen sich in Vertikalrichtung nach jeweils drei Zeilen, so daß sich eine 3x6 Farbmatrix ergibt. Das Muster gemäß Fig. 4a enthält drei Farben, nämlich Cyan (Cy), Grün (G) und Weiß (G). Filter mit diesen drei Farben können selbst in kleinen Mengen relativ leicht hergestellt werden. Das Muster gemäß Fig. 4b enthält eine vierte Farbe, nämlich Gelb (Ye), die bei Herstellung des Filters in größeren Mengen keine wesentlichen zusätzlichen Kosten mit sich bringt. Die Filter gemäß Fig. 4a und 4b können durch Superposition eines gelben und eines cyanfarbenen Musters realisiert werden, da Grün die Superposition von Gelb und Cyan ist. Verfahren zum Herstellen von Farbfiltern gemäß Fig. 4a und Fig. 4b sind an anderer Stelle beschrieben (siehe z.B. die Anmeldung entsprechend US - Ser. No. 512 541, eingereicht am 11. Juli 198*3 im Namen von M.T. GaIe et al). Die relative Leichtigkeit, mit der diese drei Farben erzeugt werden können, ist jedoch nicht der Hauptgrund für ihre Wahl. Ein wichtigerer Gesichtspunkt ist die mittlere Transmission des Filters, die für beide Fälle die Farbzusammensetzung für ein Leuchtdichte- oder Y-Signal ergibt, d.h. Y = 0,59G + 0,3OR + 0,11B. Die angegebenen Farben ergeben ein gutes Verhalten, man kann jedoch auch eine andere Wahl treffen, die unter gewissen Umständen sogar besser arbeiten kann.

Wenn diese Muster auf einer CCD-Bildaufnahmeeinrichtung ohne optischen Diffuser verwendet werden, treten starke Farbschwebungen und Artifakte auf. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei Verwendung eines zweidimensionalen Diffusers, dessen Charakteristik einer Mittelung über einen Bereich von 2 mal 2 Filterelementen entspricht, diese Effekte Wirkungsvoll unterdrückt und ein zufriedenstellendes Arbeiten gewährleistet. Da die Bandbreite eines solchen Diffusers mit der Nyquist-Grenze der Abtastung durch die CCD selbst zusammenfällt, wird die Leuchtdichteauflösung praktisch nicht beeinträchtigt.

Es ist schwierig zu erklären, warum die Filtermuster gemäß Fig. 4 gut arbeiten. Ein Grund liegt sicher in der mehr oder weniger gleichmäßigen Verteilung der verschiedenen Farben über die Fläche, was in hohem Grade das Auftreten irgendwelcher Streifen verhindert. Bei dem Muster gemäß Fig. 4a liegen beispielsweise die rotempfindlichen Elemente W an den Ecken eines sechseckigen Musters. Dies ist in Fig. 4a für einige Weißelemente durch gestrichelte Linien dargestellt, die ein Sechseck bilden. Man sieht, daß ein mittleres Weißelement von sechs anderen Weißelementen in etwa gleichen Abständen umgeben ist. Dasselbe gilt für die anderen Weißelemente, mit der Ausnahme von denjenigen, die sich in der Nähe der Ränder befinden.

Das Farbcodiermuster bildet die Basis für gute Ein-Chip-Farbkameras. Das Demultiplexen des erzeugten Videosignals ist jedoch gleich wichtig und erhebliche Verbesserungen im Gesamtverhalten der Kamera lassen sich für ein vorgegebenes Muster durch sorgfältige Optimierung der elektronischen Verarbeitung erreichen. Es ist schwierig, ein allgemeines analoges. Verarbeitungsschema zu beschreiben, das für jedes beliebige SHIFT-Muster gilt. Man kann jedoch ein allgemeines Verarbeitungsschema beschreiben, wie es in digitaler Form realisiert werden kann.

Für die Beschreibung des digitalen Verarbeitungsschemas werden die folgenden Größen eingeführt:

S.: Farbmultiplexsignal vom Pixel Nr. i

(zwei Einheiten der Vertikalauflösung)

Koeffizienten, die die Verarbeitung (vollständig) beschreiben; k ist ein Summationsindex über benachbarte Pixels derselben Zeile, wobei

-m S k ί! in ist;

j = 1, 2, 3 bezeichnet die drei Farbkomponenten (R, B, G oder I, Q, Y),

Q — ι ο

ρ bedeutet die verschiedenen Phasen

bei der Verarbeitung.

Die drei verarbeiteten Signale v¹-¹ (j = 1, 2, 3) die ein Farbvideobild darstellen, werden dann durch die folgende Operation erhalten:

k = -m

wobei m die Breite des Summationsfensters angibt und

I = f(i)

ist, wobei f(i) eine periodische Funktion mit der Periode

ρ darstellt und die Werte 1, 2, ... ρ hat, die den jeweiligen Platz in der 'Folge der Farben des Musters angeben, der dem Pixel ientspricht. Im Muster gemäß Fig. 4a bedeutet 1=2 beispielsweise, daß das mittlere Element S. in der

Summe dem Typ CyG angehört mit einem Nachbarn GG zur Lin-25

ken; Jl = 3 bedeutet GW mit einem Nachbarn GG zur Rechten.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Ein-Chip-Farbkamera. Bei der Kamera gemäß Fig. 5 erfolgt die Signalverarbeitung durch digitale Verfahren. Die Kamera enthält eine

CCD-Bildaufnahmeeinrichtung 13, auf die durch ein Objektiv 511 eine Szene oder ein Bild 510 abgebildet wird. Auf der Bildaufnahmeeinrichtung ist ein Schachbrett-Farbfilter 514 angeordnet, das z.B. ein Farbmuster des in Fig. 4a dargestellten Typs aufweisen kann. Zwischen dem Bild 510 und der Bildaufnahmeeinrichtung 13 ist ein Diffuser 516 an-

geordnet, um die oben erwähnten Aliase-Effekte zu verringern. Die Bildaufnahmeeinrichtung 13 liefert unter Steuerung durch einen Taktgenerator 17 ein abgegriffenes Proben- oder Analogsignal, das durch einen Analog/Digital-Umsetzer 15 in ein digitales Signal umgewandelt wird.

Das resultierende digitale Signal wird Transversalfiltern 70, 72 und 74 zugeführt. In jedes Transversalfilter wird unter Steuerung durch den Taktgenerator über einen Koeffizienten-Festwertspeicher (ROM) 18 ein Satz von Koeffizienten eingegeben. Die Ausgangssignale von den Filtern 70, 72 und 74 repräsentieren das R-, das G- bzw. das B-Signal und werden entsprechenden Gammakorrekturschaltungen 42, 44 und 46 zugeführt, deren Ausgangssignale einem NTSC-Codierer 48 (oder irgendeinem anderen Farbnorm-Codierer) zugeführt werden, um ein NTSC-Farbfernsehsignalgemisch zu erzeugen.

In Fig. 6 sind Einzelheiten eines Transversalfilters dargestellt, das in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 verwendet werden kann. Das Transversalfilter enthält Elemente 610 bis 618 mit Form von in Kaskade oder Reihe geschalteten Verzögerungsstufen (z.B. vierzehn), die das Eingangssignal S. vom Umsetzer 15 (Fig. 5) für eine Abtastperiode (ein Pixel) verzögern. Das zugeführte Eingangssignal S. und die Ausgangssignale von den Elementen 610 bis 618 werden Koeffizientenmultiplizierern 620 bis 63 0 (von denen beispielsweise fünfzehn vorhanden sein können) zugeführt, die jeweils ein Ausgangssignal C, ^J S. , erzeugt, wobei k die Anzahl der Verzögerungsschritte bedeutet, denen das zugeführte Signal S. unterworfen wurde und C, -¹ der Wert des jeweiligen Koeffizienten ist. Die Ausgangssignale von den Koeffizientenmultiplizierern bis 630 werden in einem Addierer 632 zu einem Filterausgangssignal v.. summiert. Das Koeffizienten-ROM 518 bestimmt die Werte der verschiedenen Koeffizienten und ändert

die zugeführten Koeffizienten in den gewünschten Intervallen. Das Koeffizienten-ROM 518 kann eine Speichereinrichtung sein, deren verschiedene Adressencode periodisch zyklisch adressiert werden, so daß den Multiplizierern bekannte Koeffizienten in einer vorgegebenen Folge zugeführt werden. In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel für ein bestimmtes Transversalfilter dargestellt, die Einrichtung gemäß Fig. 5 erfordert drei solcher Filter (eins für jede Farbkomponente), die jedoch durch dasselbe Koeffizienten-ROM gespeist werden können.

Die Koeffizienten C, ^J ändern sich periodisch und in Phase mit der Farbmusterfolge. Jedes C, ^J kann durch ein Optimierungsverfahren erhalten werden,indem man das resultierende Bild mit der Eingangsinformation der Kamera vergleicht. Ein spezieller Satz von Werten wurde erhalten, indem man die Werte v. durch ein Verfahren der kleinsten Quadrate an das Originalbild anglich, das als Eingangsinformation für eine Kamerasimulation verwendet wurde.

Ein mathematischer Angleich wurde im I, Q, Y-Raum durchgeführt und die I- und Q-Werte des Originalbildes wurden gemäß der NTSC-Norm tiefpaßgefiltert. Dieses Verfahren hängt offensichtlich vom Originalbild ab. Die besten Resultate ergaben sich bei Verwendung eines statistischen weißen Rauschmusters in Kombination mit einem Muster von durchgehend gefärbten Flächen. Bei Verwendung von typischen Szenen, wie Gesichtern, Landschaften usw. ergaben sich schlechtere Resultate.

Ein spezieller Satz von Werten ist im Anhang A für das R-, das G- und das B-Signal für K = 15 (-7 Smä 7) für den Fall ρ = 6, S = 2 gemäß Fig. 4a angegeben. Diese Werte wurden durch eine Simulationseinrichtung erhalten. Ein ausgezeichnetes Arbeiten der Kamera ergab sich mit den beiden speziellen SHIFT-Mustern, die in Fig. 4a und 4b (p = 6, S = 2) dargestellt sind. Die Koeffizientenwerte

für K= 15 im Anhang A stellen insgesamt Kx3xP=15x3x6= 270 Koeffizienten dar, die die digitale Verarbeitung vollständig bestimmen.

Fig. 7 zeigt eine für analoge Schaltungen geeignetes Verarbeitungsschema für das Muster gemäß Fig. 4a. Das farbcodierte Signal wird von der CCD-Bildaufnahmeeinrichtung

13 über nicht dargestellte, übliche Verstärker, Klemm-, Rauschverringerungsschaltungen usw. zwei in Reihe geschal-

"LQ teten Ein-Pixel-Verzögerungsleitungen 14 und 16 zugeführt. Das Signal von der Bildverarbeitungseinrichtung 13 und die Signale an den Ausgängen der Verzögerungsleitungen

14 und 16 stellen Bildwerte von drei benachbarten Pixels dar und werden zur Gewinnung eines Chrominanzsignales

j5 und eines Gemischte-Höhen-Signales verwendet, um eine gute Auflösung für die Leuchtdichte zu gewährleisten. Insbesondere wird der Wert des mittleren Pixels von den Werten der Pixel auf der rechten und der linken Seite des mittleren Pixels in Subtrahierern 18 bzw. 20 abge-

2Q zogen. In einem Addierer 22 werden die Ausgangssignale der Subtrahierer 18 und 20 zu einem Signal A kombiniert.

Der Chrominanzkanal (links in Fig. 7) wird durch eine Abtast- und -Halte- oder Momentanwertspeicherschaltung abgegriffen oder abgetastet, um zwei Proben oder Abtastwerte für jedes Intervall von sechs Pixeln zu erzeugen. Die Schalter 26 und 28 in der Momentanwertspeicherschaltung 24 werden also unabhängig voneinander geschaltet und das Signal wird alternativ in die beiden Chrominanz-

OQ kanäle C₁ und C₂ eingespeist. Der Abgreif- oder Abtastteil der Abtast- und Speicher-Operation erfolgt beim Schließen der Schalter 26 bzw. 28 immer wenn das mittlere Element in der Verzögerungsleitung einem vertikalen Element GG entspricht (siehe die Zeilen 1 und 2 in Fig. 4a)

O₅ schließt der Schalter 26 oder 28. Im Speziellen schließt der Schalter 26 immer dann, wenn die Elemente links und

rechts von den vertikalen Elementen GG die Elemente CyG sind und der Schalter 28 schließt immer dann, wenn die Elemente links und rechts zum vertikalen Element GG die Elemente WG sind. Die Schalter 26 und 28 schließen daher einmal für jeweils sechs Pixels, jedoch außer Phase miteinander. Für ein gleichmäßig gefärbtes Feld oder Halbbild stellen also C. und C₂ die folgenden Werte dar: Der Querstrich bezeichnet spezielle Pixelsignalwerte, die kein Äquivalent für das RGB eines Fernsehsystems sind. Wie unten noch erläutert werden wird, werden R, B und G durch eine Matrizieroperation in R, B und G umgewandelt.

C₁ = (GCy) + (CyG) - 2 (GG)
= 2 (Cy - G) = 2B

C₂ = (GW) + (WG) - 2 (GG)

= 2 (W - G) = 2 (B + R) = 2B + 2R

2Q Eine dritte Chrominanzkomponente C₃ wird durch Abgreifen der (GG)-Werte mit einer Abgreif-Und-Halteschaltung oder Momentanwertspeicherschaltung 30 erhalten. Das Abgreifen des Signals C₃ findet dementsprechend· zweimal für jeweils sechs Pixels statt. Durch eine Verzögerungsleitung 32 wird

„r eine Verzögerung um ein halbes Pixel eingeführt. Die Verzögerungsleitung 32 dient dazu, die Signale in den drei Chrominanzsignalen aufeinander auszurichten. Da die Signale C. und C₂ jeweils für ein Pixel aus einem Satz von sechs Pixeln abgegriffen werden, sind sie bezüglich

^_n eines anderen Punktes zentriert als C₃, das für zwei Pixel aus einem Satz von sechs Pixeln abgegriffen wird. Zwischen den Signalen C. ,C₂ und dem Signal C₃ ist daher eine Verschiebung um 1,5 Pixel erforderlich. Eine Verzögerung von C₃ um ein Pixel bezüglich C. und C₂ wird

durch die Verzögerungsleitung 16· bewirkt, die verbleiben-35

de Verzögerung um ein halbes Pixel durch die Verzögerungsleitung 32. Es ist daher

-23-C₃ = 2G.

Die Zentrieroperatxon des Signals C₃ wird unter Bezugnahme auf die Fig. 7a erläutert. Fig. 7a zeigt das Schließen der Schalter und das Vorhandensein der Signale für die drei verschiedenen Chrominanzkanäle, d.h., C₁ = B; C₂ = B + R und C~ = G. Nach dem Schließen des Schalters 26 ist das Signal B für sechs Pixel vorhanden, und nach dem Schließen des Schalters 28 ist das Signal B + R für sechs Pixel vorhanden. Im G-Kanal schließt der Schalter 30 während einer Folge von sechs Pixels jeweils zweimal. Die Mitte der Kombination von B und B + R ist um ein halbes Pixel bezüglich der Mittellinie des Grünsignals versetzt, die beim Zeitpunkt des einen 5 Schließens des Schalters 30 liegt. Es sei daran erinnert, daß das Signal G in der Verzögerungsleitung 16 bezüglich der anderen beiden Signale um ein Pixel verzögert worden ist. Um die Mittellinie der Kombination von B + B + R bezüglich G zu zentrieren, muß das G-Signal um ein weiteres halbes Pixel verzögert werden (wie es in Fig. 7a dargestellt ist). Diese zusätzliche Verzögerung um ein halbes Pixel erfolgt durch die Verzögerungsschaltung 32.

Das Zeitdiagramm in Fig. 8 soll das Verständnis erleichtern, wie das Abgreifen der Signale durch die Schalter 26, 28 und 30 (Fig. 7) erfolgt. Die Kurven a bis r stellen das Abgreifen durch die Schalter dar (ein hoher Wert entspricht einem geschlossenen Schalter). Wie beispielsweise die Kurve a zeigt, ist der Schalter 26 von t bis t₁ und von t_g bis t_ geschlossen, also dann, wenn die Kurve ihren hohen Wert hat, das Signal A (Fig. 7) wird also von t bis t. abgegriffen und auf dem t..-Wert von t. bis t durch eine nicht dargestellte Signalspeichereinrichtung, wie einen Kondensator für den Kanal C₁ ge_ü^ speichert. Die Zeitspannen t bis t₁, t- bis t-, usw.

stellen die Zeitspannen eines abgegriffenen Analogsigna-

O4U3O/Ό

les während der Pixelsignalperioden dar. t stellt den Beginn der jeweiligen horizontalen Abtastzeilen im Raster dar. Die Kurven a, b und c (ebenso g, h und i; m, η und o) stellen die Folge der Horizontalabtastungen für ein ungerades Halbbild dar, d.h., die Folge wiederholt sich für den Rest des Halbbildes, und die Kurven d, e und f (ebenso wie j, k, 1; p, q, r) für die geraden Halbbilder. Die Kurven für jede Abtastzeile, d.h., a, b, c usw. wiederholt sich nach sechs Abtastungen (d.h. t bis t_fi wiederholen sich) für jede Proben- oder Abtastzeile.

Die Signale in den Kanälen C , C- und C₃ werden in Tiefpaßfiltern 34, 36 bzw. 38 tiefpaßgefiltert, die eine Grenzfrequenz von etwa 700 kHz mit einem allmählichen Abfall haben, so daß die durch die Abtastung eingeführten hohen Frequenzen unterdrückt werden. Die Signale werden in einer Farbmatrix 40 matriziert, um Ausgangssignale R, G und B zu erzeugen.

In jedem Farbfernsehsystem gibt es zwei grundsätzliche Endoperationen: Die Gewinnung von Farbinformation von einer Bildaufnahmeeinrichtung durch geeignete Aufnehmeranordnungen und die Wiedergabe des Bildes aus Farbinformation durch eine geeignete Bildwiedergabeeinrichtung. Die Aufnahmeoperation erfordert im allgemeinen das Zerlegen des Lichtes vom Bild in bestimmte Farbkomponenten oder Farbauszüge während die Bildwiedergabeoperation im allgemeinen die Reproduktion des Bildes in speziellen Farbkomponenten erfordert, die in der einen oder anderen Weise kombiniert werden, um das Bildsignal für einen Betrachter zu reproduzieren. Es ist leicht einzusehen, daß eine getreue Wiedergabe des Originalbildes nicht möglich ist, wenn die der Bildwiedergabeeinrichtung zugeführte Bildinformation nicht den Typ von Farbkomponenten oder Teilfarben oder Farbauszügen enthält, für die die Bildwiedergabeeinrichtung ausgelegt ist. Wenn also die Primärfarben,

in die die Bildaufnahmeeinrichtung das Licht vom Original zerlegt, nicht den Primärfarben entsprechen, in denen die Bildwiedergabeeinrichtung die Teilbilder erstellt, muß das System Mittel enthalten, wie Maskierschaltungen, um die ursprünglich gewonnene Farbinformation in die Primärfarben der Wiedergabeeinrichtung umzusetzen, wenn eine getreue Wiedergabe gewährleistet sein soll. Die Umsetzung kann durch geeignete Mischung der ursprünglich gewonnenen Signale bewirkt werden, so daß die gemischten Signale im wesentlichen den Primärfarben der Wiedergabeeinrichtung entsprechen.

■ An jedem Pixelplatz (x, y) stellt ein Farb-C eine Farbe, z.B. Gelb, Cyan, usw. dar. Jeder Farbwert C kann durch

k ^x·^

drei Koeffizienten t (C ) charakterisiert werden, wobei k = 1, 2, 3 ist, was für jede Bildeingangsinformation

I - , entsprechend dem vom Pixelplatz gewonnenen Signal das elektrische Ausgangssignal P definiert, das beim Pixel ausgedrückt in den Primärfarben R, G, B erzeugt wird:

Die Koeffizienten t (C ), die die Transmissionscharakteristik der verschiedenen Filterelemente darstellen, können für jede spektrale Filtertransmission bei Kenntnis der Szenenbeleuchtung (Farbtemperatur T) und der Spektral-

QQ charakteristik der CCD errechnet werden. Die folgende Tabelle enthält typische unnormierte Werte der Koeffizienten t für die Primärfarben R, G, B unter der Annahme von T = 3200 K (Glühlampenlicht) und der typischen Spektralcharakteristik eines dünn geätzten, von hinten beleuchteten CCD's.

η υ ο ο /

	Wh	t1(R)	t2(G)	t3(B)
Weiß	Ye	1,513	0,963	0,803
Gelb	Cy	1 ,327	0,777	0,406
Cyan	G	0,813	0,813	0,653
Grün	Mg	0,627	0,627	0,310
Magenta	R	0,880	0,330	0,490
Rot	B	0,700	.0,150	0,150
Blau	0,180	0,180	0,340

Die Matrix 40 setzt also die Chrominanzsignale C₁, C„ und C, von den Momentanwertspeicherschaltungen in die Signale' R, G und B um, die im wesentlichen den üblichen Fernseh-Signalen entsprechen. Die Matrix 40 kann durch ein Widerstandsnetzwerk zur Bildung der Signale R, G, B gebildet werden. Die Gleichungen zur Gewinnung von R, G, B aus C., C₂ und C₃ lauten wie folgt:

R 5-0,45C₁ + 0,58C₂ - 0,2C₃

B = 0,66C₁ .+ 0,05C₂ - 0,135C₃ G =-0,18C₁ - 0,135C₂ + 0,36C₃

Die Signale R, G und B werden in Schaltungen 42, 44 bzw. 46 bezüglich des Gammawertes korrigiert und dann einer Matrix 90 zugeführt. Die niederfrequenten R-, G-und B-Signale werden in der Matrix 90 durch konventionelle Schaltungsanordnung, beispielsweise ein Widerstandsmatrix-Netzwerk, kombiniert, um ein niederfrequentes Leuchtdichte signal Y_T, ein Rotdifferenzsignal R-Y und ein Blaudifferenzsignal B-Y zu erzeugen.

Der hochfrequente Anteil des Leuchtdichtesignals wird durch einen Kanal für die sog. gemischten Höhen (rechts in Fig. 7) geliefert. Das Basissignal wird durch Addieren von zwei aufeinanderfolgenden Pixels im Addierer 50 er-

halten (die Summation über zwei Pixels erfolgt zur Aliase-Verringerung und zum kolorimetrischen Abgleich entsprechend der Leuchtdichte) und das resultierende Summensignal wird dann zur Entzerrung einer Verzögerungsleitung 52 zugeführt, die wegen der durch die Tiefpaßfilter 34, 36 und 38 eingeführten Verzögerungen und anderer Verzögerungen benötigt wird. Die kolorimetrische Zusammensetzung des Gemischte-Höhen-Signals ist nicht konstant und ändert sich bei dem Muster gemäß Fig. 4 periodisch (p = 6) in der folgenden Folge für die Zeile 1 des Filters gemäß Fig. 4a:

(3GCy), (2GWCy), (3GW), (3GW), (2GCyW), (3GCy), etc.

Als Folge davon enthält das Gemischte-Höhen-Signal im allgemeinen auch bei einem Feld mit gleichförmiger Farbe und gleichförmiger Helligkeit höhere Frequenzen, die zu einem festen Muster entsprechend dem Filter im Leuchtdichtekanal führen.

Fig. 1 zeigt eine, ziemlich einfache Möglichkeit, das obige Problem zu vermeiden, dieses Verfahren läßt sich unter Umständen auch für andere als SHIFT-Farbcodiermuster verwenden. Das Konzept besteht darin, in den Gemischte-Höhen-Kanal Signale von den tiefpaßgefilterten Chrominanzkanälen (C₁/ C₂ und C₃) zu addieren, so daß das Gesamtsignal eine konstante kolorimetrische Zusammensetzung hat. Für das Muster gemäß Fig. 4a wird dies dadurch erreicht, daß 1/2 C₁ = B zum Signal (3GW) addiert wird und 1/2 C₂(B + R) zum Signal (3GCy) unter Verwendung eines Schalters 54 bzw. 56, eines 6dB-Dämpfungsgliedes 58 (entsprechend einer halben Amplitude) und eines Addierers während das dritte Signal (2GCyW) unverändert bleibt. Die Sechs-Pixel-Folge für das Schließen der Schalter ist 56, (nicht geschlossen), 54, (nicht geschlossen), 56, (diese Folge wiederholt sich).

OH-UOO /

Das Zeitdiagramm in Fig. 9 zeigt, wie die Schalter 56 und 58 arbeiten um eine konstante kolorimetrische Zusammensetzung des Gemischte-Höhen-Leuchtdichtesignals zu erreichen. Die Kurven a bis 1 zeigen das Abgreifen durch die verschiedenen Schalter, wobei der hohe Wert bedeutet, daß der Schalter geschlossen ist. Die Zeitperioden der Fig. 9 entsprechen den Zeitperioden des abgegriffenen Analogsignals in Fig. 8 während Pixelsignalperioden, die um einen geeigneten Betrag verzögert sind, t' stellt die Start- oder Anfangszeit für die jeweiligen, horizontalen Abtastzeilen im Raster dar, so daß t¹ - t' die Zeitperiode darstellt, in der das erste Pixel (Summation des Signals von vier Filterelementen) am Eingang des Addierers 60 vorhanden ist. Die Kurven a, b, c und g, h, i wiederholen sich für ungerade Halbbilder und die Kurven d, e, f und j, k, 1 wiederholen sich für gerade Halbbilder. Ausserdem wiederholt sich jede Kurve nach sechs Proben oder Abtastungen (d.h. t¹ - t'g wiederholt sich). Wie sich leicht feststellen läßt, haben die gemischten Höhen nun die folgende konstante Zusammensetzung:

2GCyW = R + 4G + 2B.

Dies ist eine gute Approximation der Leuchtdichte, wenn man sich daran erinnert, daß R, G und B nicht reine R-, G- und B-Signale im Videosinne sind sondern die Signale, wie sie bei Verwendung typischer, nicht idealer Filter erhalten werden, die allmählich abfallende spektrale Transmissionskennlinien haben, wie oben beschrieben wurde

Das korrigierte Gemischte-Höhen-Signal wird dann einer Hochpaßfilterung durch ein Hochpaßfilter 62 unterworfen, das im Idealfalle eine Kennlinie hat, die komplementär zu der der Tiefpaßfilter 34, 36 und 38 ist, und dann in einem Mischer 92 zum niederfrequenten Leuchtdichtesignal

addiert, um ein breitbandiges Leuchtdichtesignal zu erzeugen. Die Farbdifferenz- und Leuchtdichtesignale werden dann einem NTSC-Codierer 49 zugeführt, indem ein Farbfernsehgemisch in bekannter Weise erzeugt wird. Es hat sich gezeigt, daß man das hochpaßgefilterte Signal im Gegensatz zu den tiefpaßgefilterten Chrominanzsignalen keiner Gammakorrektur zu unterwerfen braucht, um zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen.

Die elektronische Verarbeitung für das Muster gemäß Fig. 4a, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, wurde extensiv simuliert und hat ausgezeichnete Ergebnisse geliefert. Für das Muster gemäß Fig. 4b wurde ein Fig. 7 ähnliches Verarbeitungsverfahren ebenfalls simuliert. Bei der Simulation zeigten sich merkliche Verbesserungen gegenüber Fig. 4a bezüglich des Verhältnisses von Signal zu Rauschen (ungefähr 3dB) und Abtast- oder Aliaseeffekten längs Diagonalen.

Fig. 10 zeigt eine Schaltungsanordnung zum analogen Decodieren der mit dem Muster gemäß Fig. 4b gewonnenen Signale, wobei Elemente, die solchen in Fig. 7 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet worden sind. Da diese Schaltung ähnlich arbeitet wie die gemäß Fig. 7 genügt eine kurze Erläuterung. Die drei unabhängigen Farbkomponenten- oder Teilfarbensignale C., C₂ und C₃ werden auf folgende Weise erhalten: Erstens werden zwei gewichtete Summensignale von benachbarten Elementen durch Addierer 64 und 68, einen Verstärker 66 und einen Differenzver-

QQ stärker 70 gebildet. Das Signal A ist die gewichtete Summe von benachbarten Elementen mit den Gewichten 1, -2, 1 und das Signal B ist die gewichtete Summe von Elementen mit den Gewichten 1, 2, 1. Die Signale werden durch eine Abgreif-Ünd-Halte-Schaltung oder Momentanwertspeicherschal-

Q5 tung 24 in Intervallen von drei Pixeln abgegriffen, d.h. immer dann, wenn das mittlere Element YeYe oder GG ist.

Die Schalter 26 und 28 alternieren während der Schalter 30 im Intervall von drei Pixeln schließt. Im Speziellen schließt der Schalter 26 immer dann, wenn das mittlere Element YeYe ist, der Schalter 28 schließt immer, wenn das mittlere Element GG ist und der Schalter 30 schließt mit den Schaltern 26 und 28. Fig. 11 ist ein Zeitdiagramm das zeigt, wie die Signale durch die Schalter 26, 28 und 30 der Fig. 10 abgegriffen werden. Die Kurven a bis r zeigen/ wie die Schalter die Signale abgreifen. Die Einzelheiten der Fig. 11 hinsichtlich der Arbeitsweise sind denen der Fig. 8 sehr ähnlich, so daß sich eine ins einzelne gehende Erläuterung erübrigt.

Für ein gleichförmig gefärbtes Feld oder Halbbild stellen C., C2 und C₃ die folgenden Signalwerte dar:

C₁ = GCy - 4Ye + CyG = 2B C₂ = YeW - "4G + WYe = 2B + "4R

(GCy + 4Ye + CyG)
( oder )
(YeW + 4G + WYe)
25

C₃ =( oder )= 8G + 2B + 4R

Das Signal C₃ wird in einer Verzögerungsleitung 32 um 1,5 Pixels verzögert, um die Pixelelemen-e in den verschiedenen Chrominanzkanälen zu zentrieren. Die Signale C₁, C₉ und C, werden in den Tiefpaßfiltern 34, 36 bzw. 38 tiefpaßtgefiltert,

^ow um die niederfrequenten Chrominanzsignale zu erzeugen. Die Summe der benachbarten Pixelsignale kann ohne zusätzliche Korrekturschaltungen als Gemischte-Höhen-Signal verwendet werden. Für den Blauanteil könnte eine kleine Korrektur vorgesehen werden, der Fehler ist jedoch auf dem Bildschirm nicht stark sichtbar. Die tiefpaßgefilterten Chrominanzsignale C₁, C₉ und C, werden in der Farbmatrix 40 matriziert, um die Signale R, G und B zu erzeugen, die einer Gammakorrektur unterworfen und der Matrix 90 zugeführt werden.

Die gammakorrigierten Signale werden der Matrix 90 zur Bildung der Differenzsignale (B-Y und R-Y) und des niederfrequenten Leuchtdichtesignals Y zugeführt. Das niederfrequente Leuchtdichtesignal und das hochfrequente Leuchtdichtesignal werden im Mischer 92 zueinander addiert, um das breitbandige Leuchtdichtesignal zu erzeugen. Die Leuchtdichte-¹ und Farbdifferenzsignale werden dem Codierer 49 zur Bildung eines NTSC-Signalgemisches zugeführt. ■

Bei bestimmten Werten des vertikalen Übersprechens (wenn ein Signal von einer Zeile in das Signal von einer benachbarten Zeile gelangt) in der CCD degineriert das Muster gemäß Fig. 4a oder 4b in ein Zweifarben-Codiermuster, bei dem Blau und Grün nicht unterschieden werden können. Wenn das vertikale übersprechen ein Problem darstellt, kann das Muster gemäß Fig. 12 mit ρ = 8, S- = 2 bei CCD-Bildaufnahmeeinrichtungen zufriedenstellende Ergebnisse liefern, die ein wesentlich höheres übersprechen in der Größenordnung des 1,5-fachen aufweisen und es leistet mindestens das gleiche wie das gemäß Fig. 4a. Bei Fig. ist die Farbfolge G, Cy, G, Cy, W, G, W, G. Das Verhältnis von Signal zu Rauschen ist wesentlich besser als bei dem Muster gemäß Fig. 4b. Für die mit dem Muster gemäß Fig. 12 erzeugten Signale konnte noch kein analoges Verfahren zum Demultiplexen gefunden werden. Das digitale Verarbeitungsschema gemäß Fig. 5 liefert jedoch sehr gute Resultate. Der spezielle Satz von Koeffizienten für die Verarbeitung des mit dem Muster gemäß Fig. 12 erzeugten Signals ist im Anhang B für die Signale R, G und B für k = 15 {-7 ä m ä 7) und für den Fall ρ = 8, S = 2 aufgelistet.

Es wurde eine große Anzahl von SHIFT- mit der Nummer für Mustern mit der Einschränkung auf Perioden ρ £ 8 untersucht. Die Anzahl der verschiedenen Muster mit ρ = 8 ist für eine

systematische Untersuchung jedoch zu groß. Die drei speziellen Beispiele von SHIFT-Mustern, die oben unter Bezugnahme auf die Fig. 4a, 4b und 12 diskutiert wurden, stellen die bisher besten Muster dar, die gefunden werden konnten. Es ist jedoch ziemlich wahrscheinlich, daß es noch bessere Muster gibt, insbesondere für p>8.

Die beschriebene Farbfernsehkamera enthält eine Halbleiter-Bildaufnahmeeinrichtung mit einer Mehrzahl von dis-

IQ kreten Signalsammelstellen und ein Farbfilter 12, das eine Vielzahl von Farbfilterelementen K, L, M,... enthält, die in mit den Sammelplätzen fluchtenden Zeilen angeordnet sind. In jedem Augenblick, d.h. in jedem einzelnen Fernsehhalbbild, wird eine Abtastzeile der BiId-5 aufnahmeeinrichtung von zwei Zeilen von Farbfilterelementen überdeckt. Jede Zeile hat eine sich wiederholende Folge (K, L, M..., M, N, 0...) von mindestens zwei unabhängigen Farben. Die Farbfolgen in benachbarten Zeilen des Filters sind in Bezug aufeinander verschoben und

2Q stellen mindestens zwei unabhängige Farbkombinationen dar, die längs jeder Abtastzeile mit den jeweiligen Sammelplätzen fluchten.

-33-

Anhang A

-7	1	—	.082	-.049	.089	-.045	-	.089	-.033
-6	1		.297	.197	-.241	.126		.276	.132
-5	1	—	.505	-.338	.271	-.297	-	.246	-.333
-4	1		.566	.373	-.420	.290		.481	.686
-3	1	—	.448	-.628	.316	-.636	—	.735	-.819
-2	1		.668	.351	-.804	.792		.891	.508
-1	1	-	.394	-.668	1.246	-.710	—	.640	-.370
0	1	1	.185	1.626	-.651	.848		.065	.459
1	1	-	.015	-.969	.777	-.461	—	.302	-.218
2	1		.922	.650	-.814	.234		.455	.488
3	1	-	.532	-.759	.259	-.444	_	.470	-.639
4	1		.544	.255	-.291	.459		.446	.421
5	1	-	.218	-.207	.326	-.331	—	.322	-.382
6	1		.225	.139	-.242	.167		.340	.100
7	1		.117	-.030	.076	-.088	-	.075	-.036
-7	2	—	.032	-.063	.003	.021		.057	.041
-6	2		.192	.079	.036	-.150	—	.202	-.025
-5	2		.227	.090	-.215	.402	_	.129	-.147
—4	2	—	.085'	-.327	.619	-.240		.022	-.240
-3	2	1	-.487	.811	-.434	.010		.067	.043
-2	2	—	.119	-.636	.039	-.025	—	.136	-.622
-1	2		.748	.376	.332	.416	1	.567	1.664
0	2		.937	.622	.465	-.407	—	.975	-.763
1	2	—	.064	.084	-.398	■1.554		.847	.899
2	2	—	.058	-.373	.977	-.822	—	.527	-.354
3	2		.250	.699	-.606	.368		.200	.015
4	2	—	.510	-.381	.304	-.011		.014	-.127
5	2	-	.198 .	.158	.017	-.074		.082	.302
6	2		.037	-.004	-.120	-.024	-	.151	-.108
7	2	-	.058	-.018	.029	.032		.048	-.016
-7	3		.076	.296	-.052	.048		.112	.011
-6	3	—	.498	-.652	.048	. 046	_	.235	-.140
-5	3		.831	.312	.127-	-.128		.135	.637
-4	3		.359 '	.086	-.229	-.251	-1	.800	-.953
-3	3	—	.020	-.328	-.320	.925		.340	.360
-2	3	—	.324	-.332	.959	-1.640	_	.581	-.048
-1	3	1	.256	1.110	-1.432	.964		.044	.060
0	3	-1	.523	-1.020	1.147	.101	_	.424	-.211
1	3		.535	.779	.001	-.014	1	.339	1.422
2	3	-	.735	-.099	-.405	-.272	— 1	.022	-1.857
3	3	—	.136	.398	-.128	.735		.528	.816
4	3		.289	-.022	.618	1.106	—	.714	-.133
5	3		.034	.501	-.873	.560	—	.066	-.187
6	3	_	.234	-.649	.384	-.117		.280	.004
+ 7	3	.166	.211	-.041	.010	.122	.100

	m	i	ί = 1	2	3	Anhang B	5	6	7	8
	-7	1	.050 -	.043	.052	4	.056 -	.058	.038 -	.086
5	-6	1	-.139	.150 -	.120	-.038	.191	.087 -	.215.	.135
	-5	1	.186 -	.208	.173	.122 -	.138 -	.307	.181 -	.247
	—4	1	-.227	.270 -	.331	-.300	.407	.274 -	.324	.365
	-3	Γ	.307 -	.438	.222	.215 -	.361 -	.489	.529 -	.360
	-2	1	-.557	.194 -	.645	-.566	.693	.616 -	.536	.321
10	-1	1	.310 -	.361	.506	.368 -	.980 -	.436	.515 -	.387
	0	1	-.108	.597 -	.298	-.539	.308	.664 -	.191	.412
	1	1	.429 -	.368	.884	1.213 -	.514 -	.358	.296 -	.298
	2	1	-.519	.455 -	.543	-.444	.555	.177 -	.538	.244
	3	1	.419 -	.361	.316	.3 34 -	.210	.436	.274 -	.397
15	4	1	-.239	.267 -	.318	-.445	.338 '	.275 -	.313	.397
	5	1	.178 -	.282	.148	.214 -	.176 -	.303	.308 -	.230
	6	1	-.198	.104 -	.250	-.358	.174	.225 -	.181	.131
	7	1	.048 -	.083	.063	.130 ■-	.075 -	.060	.066 -	.064
	-7	2	.007 -	.040	.085	-.053	.054	.114 -	.065	.074
20	-6	2	-.047	.162 -	.084	-.004 -	.241 -	.181	.314 -	.069
	-5	2	.129 -	.118 -	.100	-.067 .	.252	.462 -	.166 -	.047
	-4	2	-.084	.098	.439	.290 -	.590 -	.178 -	.029	.240
	-3	2	-.157	.493 -	.399	-.289	.235 -	.113	.279 -	.161
	— 2	2	.538 -	.534	.784	.664 -	.194	.287 -	.234 -	.238
25	— 1	2	-.512 1	.261 -	.313	-.349 -	.576 -	.095 -	.128	.832
	• 0	2	1.633 -	.298	.385	.048	.030	.027 1	.051 -	.441
	1	2	-.464	.332	.379	.763	.059	.777 -	.506 1	.354
	2	2	.131	.019 -	.244	-.121 -	.42 0 ' -	.526	.922 -	.525
	3	2	.048	.145 -	.091	-.167	.378	.808 -	.361	.115
30	4	2	-.062	.034	.323	.368 -	.688 -	.240	.087	.119
	5	2	-.059	.200 -	.218	-.259	.229	.006	.112 -	.090
	6	2	.166 -	.142 -	.337	.441 -	.058	.104 -	.106 -	.016
	7	2	-.030	.141	.075	-.151	.005 -	.050	.028 -	.028
		3	-.068	.193 -	.246	. 045 -	.002 -	.062	.065 -	.029
35	-6	3	.395 -	.650	.368	.110	.077	.118 -	.180 -	.084
	I—	3	-.963	.523 -	.224	-.112 -	.135 -	.249 -	.135	.491
	-4	3	' .711 -	.259 -	.083	- -.121	.295 -	.131	.624 -1	.109
	_2	3	-.363 -	.084	.200	.216 -	.160	.656 -Γ	.249	.787
	-2	3	-.106	.124 -	.463	-.440 -	.672 -1	.448	.794 -	.479
40	-1	3	.228 -	.155 -	.180	-.251	.369 1	.062 -	.401	.143
	0	3	.010 -	.037 1	.254	.971 -1	.323 -	.350	.421	.318
	1	3	-.095 1	.023 -1	.42 5	-1.191 1	.505	.300	.186 -	.227
	2	3	.675 -1	.585	.852	1.105 -	.017 ■	.078 -	.504 -	.189
	3	3	-1.321	.839 -	.428	-.560	.170 -	.459 -	.054	.602
•15	4	3	.747 -	.334	.048	.021	.448	.040	.473 -1	.023
	5	3	-.272 -	.024	.130	.189 -	.023	.284 -	.782	. 547
	6	3	-.013	.114 -	.363	-.478	.187 -	.505	.371 -	.184
	7	3	.026 -	.160	.088	.075	.129	.175 -	.089	.022
					.043 -

JS

P<

12·

Fig. 3

G	Cy	G	G	W	G
G	G	-Wx.	G	G	Cy
K	"G-	G		G	G
G	Cy,	G	G.		G
G	G,	'K	G	.G I	Cy
Wx'	G	G	Cys	G	G
G	Cy,	G	G^	^W	G
G	G	V	G	G	Cy
W	G	G	Cy	G	G

2
4

Fig. 4a

FERNSEHZEILE

K	L	kM	N	0	K	L
	Ίΐ	0	K	L	M	N
0	K	L	M	N	0	K
L	M	N	0	K	L	M
N	0	K	L	M	N	0
K	L	M	N	0	K	L
M	N	0	K	L	M	N

Ye	Cy	Ye	G	W	G
Ye	G	W	G	Ye	Cy
W	G	Ye	Cy	Ye	G
Ye	Cy	Ye	G	W	G

Fig. 4b

12

G	Cy	G	Cy	W	G	W	G
G	Cy	W	G	W	G	G	Cy
W	G	W	G	G	Cy	G	Cy
W	G	G	Cy	G	Cy	W	G

Fig. 12

Claims (19)

1. Patentansprüche

   (Kamera mit einer Halbleiter-Bildaufnahmeeinrichtung, die eine Vielzahl von in Zeilen angeordneten Sammelplätzen aufweist und Signale entsprechend Strahlungsenergie von einer Szene liefert; einem vor der Bildaufnahmeeinrichtung angeordneten Farbfilter (12) mit Farbfilterelementen (K, L, M...), die in Zeilen angeordnet sind, welche jeweils eine sich wiederholende Folge von Farben enthalten, wobei die Filterfarben (K, L, M... bzw. M, N, 0...) in benachbarten Zeilen in Bezug aufeinander versetzt sind und einer mit der Bildaufnahmeeinrichtung gekoppelten Signalverarbeitungsschaltung, die ein verarbeitetes Signal erzeugt, daß der Szene entspricht und vom Farbgehalt

   υ. a j / a

   — 9 —

   der Szene abhängige Information enthält, dadurch gekennzeichnet , daß in jedem Zeitpunkt ein Paar (K, L, M...; M, N, 0...) der Farbfilterelementzeilen mit einer Zeile der Sammelplätze (Pixels in Fig. 1) fluchten,

   daß die Kombinationen benachbarter Filterelemente von benachbarten Zeilen mindestens zwei unabhängige Farbkombinationen (K, M, L, N,...) liefern, wobei jeder Sammelplatz ein unverarbeitetes Signal entsprechend der Farbkombination der beiden Filterelemente, die mit ihm fluchten, liefert und die unverarbeiteten Farbkombinationssignale der Verarbeitungsschaltung zur Erzeugung der verarbeiteten Signale zugeführt sind.
2. 2. Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Folge sechs Farbfilterelemente lang ist, und daß die Versetzung zwei Farbfilterelementen entspricht (Fig. 4a oder 4b).
3. 3. Kamera nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Folge Farbfilterelemente enthält, die in der Reihenfolge A, B, A, A, C,A angeordnet sind, wobei A, B und C verschiedene Farben sind (Fig. 4a).
4. 4. Kamera nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß das Element A im wesentlichen grün, das

   B im wesentlichen cyanfarben und das Element C im wesentlichen weiß ist (Fig. 4a)..
   30
5. 5. Kamera nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbfilterelemente der Folge in der Reihenfolge A, B, A, C, D, C angeordnet sind, wobei

   A, B, C und D verschiedene Farben sind (Fig. 4b). 35
6. 6. Kamera nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element A im wesentlichen gelb, das Element B im wesentlichen cyanfarben, das Element C im wesentlichen grün und das Element D im wesentlichen weiß ist (Fig. 4b).
7. 7. Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge acht Farbfilterelemente lang ist, und daß die Versetzung zwei Farbfilterelementen entspricht (Fig. 12).
8. 8. Kamera nach Anspruch 7, dadurch gekenn ze i c hn e t , daß die Folge Farbfilterelemente enthält, die in der Reihenfolge A, B, A, B, C, A, C, A angeordnet sind, wobei A, B und C verschiedene Farben sind (Fig. 12).
9. 9. Kamera nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Element A im wesentlichen grün, das Element B im wesentlichen cyanfarben und das Element C im wesentlichen weiß ist (Fig. 12).
10. 10. Kamera nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Paar von Filterelementzeilen mit einer Abtastzeile (1, 2,...) von Pixelbereichen in einer CCD-Bildfeldübertragungseinrichtung (10) fluchtet, die die Bildaufnahmeeinrichtung bildet.
11. 11. Kamera nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen die Szene und die Bildaufnahmeeinrichtung ein Diffuser zur Reduzierung von Abtasteffekten eingeschaltet ist.
12. 12. Kamera nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da-

    -A-

    durch gekennzeichnet , daß die Signalverarbeitungsschaltung das unverarbeitete Signal digital verarbeitet (Fig. 5, 6).
13. 13. Einrichtung zum Verarbeiten eines Signals, das von einer Bildaufnahmeeinrichtung stammt, welche eine Anordnung von Sammelplätzen (Pixels) zur Erzeugung eines unverarbeiteten Signales enthält, das in Ansprache auf Strahlungsenergie erzeugt wird, die von einer Szene durch ein Farbcodierfilter empfangen wurde, das zwischen der Szene und der Bildaufnahmeeinrichtung angeordnet ist, gekennzeichnet . durch eine Subtrahieranordnung (18, 20), die von den Signalen, welche von zwei Pixeln stammen, die in Horizontalrichtung einem zwischen ihnen gelegenen mittleren Pixel benachbart sind, jeweils das Signal vom mittleren Pixel abzieht und zwei entsprechende Differenzsignale liefert; einer ersten Abgreifanordnung (26, 28) zum alternativen Abgreifen der Differenzsignale;

    einer bezüglich der ersten Abgreifanordnung phasenverschoben arbeitenden zweiten Abgreifanordnung (30) zum Abgreifen des Signals vom mittleren Pixel und eine Farbmatrix (40) mit drei Eingängen (C , C_, C₃) denen die abgegriffenen Differenzsignale (2B, 2B+2R) , bzw. das vom mittleren Pixel abgegriffene Signal (2G) zur Erzeugung von Farbauszugsignalen (R, G, B) zugeführt sind.
14. 14. Einrichtung nach Anspruch 13, gekennzeich-

    net durch eine Verzögerungsanordnung (32), der das abgegriffene Signal von der zweiten Abgreifanordnung (30) zugeführt ist, um die abgegriffenen Differenzsig-· nale (C₁, C₂) mit dem abgegriffenen Signal (C₃) von der zweiten Abgreifanordnung zeitlich in Deckung zu

    bringen.
15. 15. Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch

    einen Signalweg (50, 52, 60, 62) zum Erzeugen eines
    Gemischte-Höhen-Signales (Y ), das für die Leuchtdichteinformation in der Szene repräsentativ ist und

    eine Vereinigungsschaltung (90, 49), der die Farbauszug- oder Teilfarbensignale (R, G, B) und das Gemischte-Höhen-Signal (Y„) zur Kombination zu einem für die Szene repräsentativen Fernsehsignal zugeführt sind. 10
16. 16. Einrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine dritte Abgreifanordnung (54, 56),
    der die abgegriffenen Differenzsignale (C , C„) zugeführt sind, um (bei 60) Signale für den Signalweg zum

    kolorimetrischen Abgleich des Leuchtdichtepegels des
    Gemischte-Höhen-Signals (YtJ zu erzeugen.
17. 17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16., dadurch gekennzeichnet, daß sie für einen Empfang und eine Verarbeitung von Signalen geschaltet

    ist, die von Sammelplatzzeilen (1, 2...) einer Bildfeldübertragungs-Bildaufnahmeeinrxchtung (10) stammen, welche ein Filter (12) aufweist, welches eine Mehrzahl von Farbfilterelementen enthält, die in Zeilen angeordnet

    sind, welche in jedem Augenblick mit den Sammelplatzzeilen fluchten und die Höhe eines halben Pixels haben, wobei jedes Paar benachbarter Filterelementzeilen eine sich wiederholende Folge von mindestens zwei unabhängigen Farbkombinationen enthält und die Farbfolgen in

    benachbarten Zeilen in Bezug aufeinander versetzt sind.
18. 18. Einrichtung zum Verarbeiten eines Signales von einer
    Bildaufnahmeeinrichtung, die eine Anordnung von Sammelplätzen (Pixels) enthält, die unverarbeitete Signale

    3b liefern, welche als Reaktion auf Strahlungsenergie erzeugt werden, die von einer Szene durch ein Farbcodier-

    JtUCIO /

    filter empfangen wird, das zwischen der Szene und der Bildaufnahmeeinrichtung angeordnet ist, gekennzeichnet durch

    eine ein erstes Summensignal liefernde erste Summieranordnung (64) zum Summieren der unverarbeiteten Signale, die von einem Paar von Pixels geliefert werden, die einem mittleren Pixel in Horizontalrichtung benachbart sind;
    einer ein Differenzsignal (A) liefernden Subtrahieranordnung (70) zum Subtrahieren eines (in 66) gewichteten Wertes des vom mittleren Pixel gelieferten unverarbeiteten Signales vom ersten Summensignal; eine ein zweites Summensignal (B) liefernde zweite Summieranordnung (68) zum Summieren des gewichteten Signales (von 66) und des ersten Signales (von 64), und

    eine Abgreif- und Matrizier schaltung. (26, 28, 30 bzw. 40) zum Abgreifen des Differenzsignales (A) und des zweiten Summensignals (B) und zum Matrizieren der abgegriffenen Signale unter Erzeugung eines Chrominanzoder Farbartsignales entsprechend dem Farbgehalt der Szene.
19. 19. Einrichtung zum Liefern mindestens eines Signales, das für eine Szene (510) repräsentativ ist, von einer ein unverarbeitetes Signal liefernden Halbleiter-Bildaufnahmeeinrichtung (13) mit einem mehrfarbigen Filter (514), das zwischen der Bildaufnahmeeinrichtung und der Szene angeordnet ist, gekennzeichnet durch

    eine Umsetzeranordnung (15), der das unverarbeitete Signal zum Umwandeln in digitale Form zugeführt ist und

    eine Transversalfilteranordnung (70, 72, 74) zum FiI-tern des digitalisierten unverarbeiteten Signales und zum Erzeugen eines gefilterten digitalen Signales (R, G,B) das für mindestens ein Farbsignal repräsentativ ist.