DE3418787C2 - - Google Patents
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- Color Television Image Signal Generators (AREA)
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Erhöhung
der Auflösung von Farbfernsehkameras mit drei
Halbleiter-Bildsensoren nach der Gattung des Hauptan
spruchs.
Im Gegensatz zu Bildaufnahmeröhren stellen Halbleiter-
Bildsensoren Abtastsysteme dar, bei denen die
aufbelichtete optische Information in zwei Dimensionen
durch diskrete Bildpunkte abgetastet wird.
Die Auflösung des erzeugten Videosignals errechnet
sich daher nach dem Abtasttheorem direkt aus der
auf dem Bildsensor realisierten Bildpunktzahl.
Eine Erhöhung der Auflösung ist daher nur durch technologisch
außerordentlich problematische Vergrößerung
der Bildpunktzahl des Halbleiter-Bildsensors
möglich.
Nach genauer Untersuchung des Signalspektrums am
Ausgang eines Halbleiter-Bildsensors haben sich
jedoch Möglichkeiten ergeben, die Auflösung durch
eine geeignete Signalverarbeitung auch ohne technologische
Maßnahmen zu vergrößern. Das Spektrum
ist das eines pulsamplitudenmodulierten Signales,
das aus einem Anteil im Basisband sowie aus Anteilen
besteht, die sich um Vielfache einer Trägerfrequenz
gruppieren. Die eigentliche Begrenzung
der Auflösung nach dem Abtasttheorem resultiert
nun daher, daß die trägerfrequenten Signalanteile
Anteile im Basisband erzeugen, die
das Basisbandsignal verfälschen. Gelingt es jedoch,
die trägerfrequenten Anteile zu eliminieren,
so steht auch bei begrenzter Bildpunktzahl
eine höhere Auflösung zur Verfügung.
Aus der DE-OS 28 46 869 ist bereits eine Fest
körper-Fernsehkamera mit mehreren Halbleiter-
Bildsensoren gemäß der Gattung des Hauptanspruchs
bekannt, bei welcher durch geeignete geometrische
Anordnung der Halbleiter-Bildsensoren und entsprechende
Signalverarbeitung ebenfalls die Auflösung
der Fernsehkamera verbessert werden kann. Die dabei
vorgesehene Signalverarbeitung dient jedoch in
erster Linie der Phasenverschiebung der Ausgangssignale
der Bildsensoren entsprechend deren horizontalen
Versetzung gegeneinander und ist dabei
relativ aufwendig.
Weiterhin ist aus der DE-OS 32 11 68 ebenfalls ein Verfahren
zur Erhöhung der Auflösung einer Farbfernsehkamera mit drei
Halbleiter-Bildsensoren gemäß dem Oberbegriff von
Patentanspruch 1 bekannt. Hierbei werden zu dem einen als
Bezugssignal dienenden Ausgangssignal eines der drei
Halbleiter-Bildsensoren nur die frequenzmäßig üger 3 MHz
liegenden Anteile der beiden Ausgangssignale von den beiden
anderen der drei Halbleiter-Bildsensoren zur Bildung eines
weiteren Signals addiert, während die beiden Ausgangssignale
der beiden anderen Halbleiter-Bildsensoren durch jeweils einen
Tiefpaß mit einer Grenzfrequenz von 3 MHz in ihrer
Frequenzbandbreite begrenzt werden. Die so gebildeten beiden
Signale und das aus dem Bezugssignal gebildete weitere Signal
werden danach für die folgende Signalverarbeitung getrennt
abgegeben. Über diese weitere Signalverarbeitung, insbesondere
nach der normgerechten Matrizierung, ist bei dem bekannten
Verfahren jedoch nichts angegeben.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Erhöhung der Auflösung von Farbfernsehkameras
mit drei Halbleiter-Bildsensoren anzugeben, bei
welchem insbesondere die weitere Signalverarbeitung noch
wirkungsvoller durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des
Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß
auf weniger aufwendige Weise
noch vorhandene Störanteile praktisch vollständig
eliminiert werden können.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens
möglich. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung
eines Synchrondemodulators zur Ableitung eines Steuersignals
aus dem hochpaßgefilterten weiteren Lumi
nanzsignal, wodurch sichergestellt wird, daß bei
hohen Luminanzfrequenzen real vorhandene Farbe nicht
unterdrückt wird, während bei einer Schwarz/Weiß-
Schwingung falsche Chrominanz aus Aliasfrequenzen
vermieden wird.
Ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei nur die für die Erfindung wichtigen
Teile eingezeichnet sind. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Durchführung des er
findungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 1a ein Blockschaltbild eines Teils der in Fig. 1
dargestellten Farbmatrix,
Fig. 2 einige Frequenzspektren der in Fig. 1 vorkommenden
Videosignale,
Fig. 3 Spektren und Zeitverläufe der Signale bei farbiger
bzw. schwarz/weißer Vorlage.
In Fig. 1 ist ein Teil einer Farbfernsehkamera mit
drei Halbleiter-Bildsensoren 1, 2, 3 und entsprechenden
(in Fig. 1 nicht sichtbaren) Farbfiltern zur
Erzeugung eines Grünsignals G, eines Rotsignals R
und eines Blausignals B eines einzigen auf den Bildsensoren
1, 2, 3 fokussierten Bildes dargestellt.
Die drei Bildsensoren 1, 2, 3 weisen jeweils eine
beliebige Anzahl diskreter Bildpunkte auf, deren
Periode τH beträgt. Durch einen horizontalen Versatz
der einzelnen Bildsensoren 1, 2, 3 gegeneinander
um ein Drittel der Bildpunktperiode (τH/3)
werden drei Ausgangssignale G, R, B erzeugt,
bei denen neben den phasengleichen Basisbändern die
trägerfrequenten Anteile erster und zweiter
Ordnung gegeneinandert um 120° phasenverschoben
an den Klemmen 4, 5, 6 abnehmbar sind. Die Aus
lesetaktansteuerung erfolgt hierbei mit den von
einem Taktgeber 7 erzeugten drei um 120° gegeneinander
phasenverschobenen Auslesetaktfrequenzen,
welche den Bildsensoren 1, 2, 3 bei 8, 9,
10 zugeführt werden.
Die an den Klemmen 4, 5, 6 abnehmbaren Farb-
Signale G, R, B werden einer Farbmatrix 11 zugeführt,
mit welcher in bekannter Weise ein normgerechtes
Luminanzsignal Y=0,3R+0,59G+0,11B
sowie normgerechte Farbdifferenzsignale R-Y und
B-Y erzeugt werden. Diese Signale Y und R-Y bzw.
B-Y, deren Abtastspektren a und d in Fig. 2a und
2d dargestellt sind, werden nun über je einen
Tiefpaß 12, 13, 14 geleitet.
Die beschriebene Offsetstellung der drei Halbleiter-Bildsensoren
1, 2, 3 durch die bekanntlich die
erreichbare Auflösung das Dreifache des einzelnen
Bildsensors beträgt, kann ausgenutzt werden, um
den Luminanzanteil des Farbsignals mit höherer Auflösung
zu wandeln. Dies setzt voraus, daß zur Erzeugung
dieses Luminanzanteils die Ausgangssignale
R, G, B der drei Halbleiter-Bildsensoren gleichgewichtig
addiert werden müssen gemäß Y′=0,33R+
0,33G+0,33B. Diese Addition wird mit der in Fig. 1a
dargestellten Schaltung in der Farbmatrix 11 durchgeführt.
Die an den Eingangsklemmen 4, 5, 6 anliegenden
Farbsignale G, R, B werden über je eine Emitterfolgerstufe
24, 25, 26 an je einen Widerstand 27, 28,
29 gleichen Wertes (z. B. 1 kΩ) geführt. Die miteinander
verbundenen zweiten Anschlüsse der Widerstände
27, 28, 29 sind an dem einen Eingang eines Differenzverstärkers
30 angeschlossen, dessen anderer Eingang
über einen Widerstand 31 mit Masse verbunden ist. Am
Ausgang 32 ist dann das Luminanzsignal Y′ abnehmbar.
Die durch Pfeile 34, 35, 36 bzw. 37, 38, 39 angedeutete
Weiterleitung der Eingangssignale bezieht
sich auf die bekannte Weiterverarbeitung zu normgerechten
Farbdifferenzsignalen R-Y, B-Y bzw. zum
normgerechten Luminanzsignal Y. Dieses in der Farbmatrix
11 zusätzlich erzeugte Luminanzsignal Y′
steht nun allerdings im Widerspruch zur Farbmetrik,
welche eine Luminanzmatrizierung gemäß Y=0,3R+
0,59G+0,11B fordert. Um nun einerseits der höheren
Auflösung und andererseits der Farbmetrik zu genügen,
wird die Luminanzkomponente Y′ über einen Hochpaß 15
geleitet und mit der normgerechten, über den Tiefpaß
12 geleiteten Luminanzkomponente Y in einer
Addierstufe 16 zu einem resultierenden Luminanzsignal
Ys zusammengefügt.
Die Frequenzspektren der drei Signale Y, Y′ und
Ys sind in Fig. 2a, b, c dargestellt. Durch die
ungleiche Wichtung von R, G, B tritt für Y eine
sogenannte Signalfaltung im Frequenzbereich um
alle Vielfachen der Auslesefrequenz fA herum auf
und überlagert sich dem Nutzsignal (0 bis fA).
Bei gleicher Wichtung von R, G, B ergibt sich dagegen
für Y′ die dreifache Auslesefrequenz mit
entsprechend entzerrten Teilspektren. Die Kombination
von Y und Y′ über eine Tiefpaß/Hochpaß-Weiche
12, 15, 16 ergibt nur noch einen restlichen
Faltungsfehler (gekreuzt schraffierter
Teil in Fig. 2c), der vom Signal bis zur Grenzfrequenz
fP₁ des verwendeten Tiefpasses 12 in
das Ys-Signal gelangt.
Bei der Aufnahme reiner Schwarz/Weiß-Bildvorlagen
tritt nun der Effekt auf, daß mit Ansteigen
der geometrischen Ortsfrequenz durch die Offsetabtastung
eine Farbinterferenz als Aliasfrequenz
zur jeweiligen optischen Frequenz gefaltet um die
Auslesefrequenz fA erzeugt wird (siehe Fig. 2d).
Dabei faltet sich das Luminanzspektrum im Chrominanzbereich
um fA und 2fA, während um 0 und 3fA
keine Aliaskomponenten entstehen. Um diese Chrominanzstörungen
möglichst klein zu halten, werden
für die beiden Farbdifferenzsignale R-Y und B-Y
die Tiefpässe 13 und 14 benötigt. Aus farbmetrischen
Gründen ist nur eine identische Grenzfrequenz fP₁
der Tiefpässe 12 und 13, 14 sinnvoll. Dies erübrigt
zusätzlich die Notwendigkeit der Laufzeitanpassung
zwischen Luminanz- und Chrominanzsignal.
Die Grenzfrequenz fP₁ der Tiefpässe 12, 13, 14 muß
nun unbedingt kleiner als die Hälfte der Aulesefrequenz
fN (Nyquistfrequenz) sein, da ein Luminanzsignal
Y dieser Frequenz eine niederfrequente
Schwebung mit der im Luminanzkanal sowie im Chrominanzkanal
um die Auslesefrequenz fA erzeugten
Aliaskomponente ergibt. Besonders die Chrominanzfaltung
läßt eine Luminanzkomponente mit Nyquistfrequenz
fN (0,5fA) auf falschem farbigen Hintergrund
stark gestört erscheinen.
Nach wie vor können aber noch niederfrequente Chrominanzfrequenzen
durch die beschriebenen Tiefpässe
13, 14 der Farbdifferenzsignale R-Y, B-Y gelangen,
beispielsweise bei einem Luminanzsignal Y in der
Nähe der Auslesefrequenz fA. Solange die Differenzfrequenz
von Luminanzsignal und Abtastrate kleiner
ist als die Tiefpaß-Grenzfrequenz fP₁, treten
starke Farbmuster im Bild auf, die im Chrominanzkanal
nicht von der echten Farbinformation unterschieden
werden können. Nur eine Information aus
dem weiteren Luminanzsignal Y′ hinter dem Hochpaß
15 gibt eine Entscheidungsmöglichkeit über das
Auftreten von echter oder gefalteter Chrominanz.
Es wird daher hinter dem Hochpaß 15 aus der auftretenden
Signalamplitude eine Steuerspannung abgeleitet,
die über jeweils einen geregelten Verstärker
17 bzw. 18 in den Farbdifferenzkanälen
bei Auftreten von Luminanzkomponenten oberhalb
der Tiefpaß-Grenzfrequenz fP₁ die möglicherweise
entstehenden Aliasfrequenzen im Chrominanzsignal
unterdrückt.
Durch die Verwendung eines mit der Frequenz fA betriebenen
Synchrondemodulators 19 zur Ableitung der Steuerspannung
aus dem weiteren Luminanzsignal Y′ wird sichergestellt,
daß bei hohen Luminanzfrequenzen, die
eine zusätzliche niederfrequente Farbhintergrundstruktur
aufweisen, diese in der realen Szene enthaltene
Farbe nicht unterdrückt wird, während bei einer
Schwarz/Weiß-Schwingung gleicher Frequenz aus Aliasfrequenzen
entstandene falsche Chrominanz vermieden
wird.
Dies sei mit Hilfe der Fig. 3 am Beispiel einer optischen
Vorlage erläutert, die nur den Sensor für Rot
mit einer Frequenz f₀ in der Nähe der Auslesefrequenz
fA aktiviert. Da nur ein Bildsensor 2 an der Signalabtastung
beteiligt ist, versagt hier natürlich das
Offsetverfahren, so daß das weitere Luminanzsignal
Y′ genau wie sonst das genormte Luminanzsignal Y
ein sich mit Auslesefrequenzen fA reproduzierendes
Spektrum aufweist (Fig. 3a). Das weitere Luminanzsignal
Y′ enthält hier hinter dem Hochpaß 15 die
spektralen Anteile f₀ und 2fA-f₀, die miteinander
eine Schwebung fS darstellen. Nach der Synchrondemodulation
entsteht eine Differenzschwingung
f=fA-f₀ in der gleichen Frequenz wie die entstehende
niederfrequente Luminanzkomponente. Ein
zusätzlicher Chrominanzgleichwert, der aus der
realen Szene abgeleitet wurde, kann nun die geregelten
Verstärker 17, 18 passieren, zwar mit
einer Sättigungsmodulation, die allerdings von der
ohnehin vorhandenen Luminanzstörung überlagert ist.
Wichtig ist, daß die störenden Luminanzstrukturen
nicht zusätzlich durch fehlende Farbe noch unangenehmer
auffallen. In einem beispielsweise roten Bild
würden sonst alle Bilddetails, die höhere Signalfrequenzen
repräsentieren, entfärbt und hell hervortreten.
Tritt dagegen die gleiche Frequenz f₀ als reines
Schwarz/Weiß-Signal auf (Fig. 3b), so sind jetzt
alle drei Halbleiter-Bildsensoren 1, 2, 3 an der
optoelektronischen Wandlung und Abtastung beteiligt
und können zu einem aliasverbesserten Y′-Signal
beitragen. Statt zweier Frequenzen f₀ und
2fA-f₀ im vorher beschriebenen Fall ist nur noch
ein Anteil bei f₀ enthalten. Diese Komponente
ergibt nach der Synchrondemodulation ebenfalls
eine Schwingung der Frequenz fA-f₀, jedoch nur
mit halber Amplitude. Diese Amplitudendifferenz
kann als Entscheidungsschwelle für die regelbaren
Verstärker 17, 18 benutzt werden, um gemäß
diesem Beispiel im ersten Fall die Chrominanz
passieren zu lassen, während sie im zweiten Fall
als Aliasstruktur erkannt und unterdrückt wird.
Das beschriebene Verfahren kann auch in modifizierter
Form beschrieben werden, indem nur zwei der
drei vorhandenen Bildsensoren, vorzugsweise für
Rot und Grün, in einen 2-Phasen-Offset gebracht
werden. Hier ergibt sich dann für das weitere
Luminanzsignal Y′ eine Auflösungserhöhung um den
Faktor 2. Diese Lösung ist aus Störabstandsgründen
interessant, da der Bildsensor 3 für Blau im
allgemeinen den unempfindlichsten Bildsensor darstellt,
der dann nicht zur Erzeugung des weiteren
Luminanzsignals Y′ herangezogen wird.
Claims (5)
1. Verfahren zur Erhöhung der Auflösung einer Farbfernsehkamera,
in der dasselbe Bild gleichzeitig auf drei Haltleiter-Bildsensoren,
die jeweils die gleiche in horizontaler und
vertikaler Richtung äquidistante Anordnung von in horizontaler
Richtung zeilenweise ausgelesenen optoelektrischen
Sensorelementen aufweisen, projiziert wird, wobei einer
der drei Halbleiter-Bildsensoren gegenüber dem Bild um ein
Drittel und ein anderer um zwei Drittel des horizontalen
Abstandes benachbarter optoelektrischer Sensorelemente in
horizontaler Richtung versetzt ist und wobei der Auslesetakt
für einen zweiten der drei Halbleiter-Bildsensoren um
120° und der Auslesetakt für einen dritten um 240° gegenüber
dem Auslesetakt für einen ersten der drei Halbleiter-Bildsensoren
bezüglich der durch die Anzahl der je Zeiteinheit
ausgelesenen optoelektrischen Sensorelemente gegebenen
Auslesefrequenz jedes der drei Halbleiter-Bildsensoren in
der Phase verschoben ist und wobei die Ausgangssignale
der drei Halbleiter-Bildsensoren normgerecht in ein Luminanz-
und zwei Farbdifferenzsignale matriziert und tiefpaßgefiltert
werden, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung eines weiteren Luminanzsignals (Y′) die
Ausgangssignale (G, R bzw. G, R, B) der Halbleiter-Bildsensoren
(1, 2 bzw. 1, 2, 3) gleichgewichtig addiert werden,
daß das weitere Luminanzsignal (Y′) hochpaßgefiltert und
mit dem tiefpaßgefilterten normgerechten Luminanzsignal (Y)
zu einem resultierenden Luminanzsignal (Ys) zusammengefügt
wird und daß vom hochpaßgefilterten weiteren Luminanzsignal
(Y′) ein Steuersignal abgeleitet wird, mit welchem
die Signalamplituden der Farbdifferenzsignale (R-Y, B-Y)
gesteuert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuersignal mit Hilfe eines Synchrondemodulators,
welchem die Auslesefrequenz zugeführt wird,
vom hochpaßgefilterten weiteren Luminanzsignal (Y′) abgeleitet
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die tiefpaßgefilterten Luminanz- und
Farbdifferenzsignale jeweils die gleiche Grenzfrequenz
(fP₁) aufweisen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Grenzfrequenz (fP₁) kleiner als die
halbe Auslesefrequenz (fN) ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die 6-dB-Grenzfrequenz (fP₂) des hochpaßgefilterten
weiteren Luminanzsignals (Y′) gleich der 6-dB-Grenzfrequenz
(fP₁) des tiefpaßgefilterten Luminanzsignals (Y)
ist.
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