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Farbfernsehübertragungssystem mit Übertragung
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von Luminanzsignalen und tiefpaßgefilterten Chrominanzsignalen Die
Erfindung betrifft ein Farbfernsehübertragungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Bei den standardisierten Farbfernsehsystemen wird auf der Bildaufnahmeseite
mit der Umsetzung der Farbwerte in Farbwertsignale eine nichtlineare Verzerrung
vorgenommen.
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Diese Verzerrung soll die bei den gebräuchlichen Kathodenstrahl-Wiedergaberöhren
bestehende Nichtlinearität, die zu einer Gradationsverzerrung (Gammaverzerrung)
führt, "vorentzerren". Das Prinzip eines solthen bekannten Gesamtsystems ist in
Fig. 1 dargestellt.
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Die Farbvalenz eines aufzunehmenden Bildelementes ist durch Normfarbwerte
X1, Y1 und Z1 repräsentiert. Die Aufnahme-Kamera wandelt die aufgenommene Strahlung
linear in die primären, hier als dimensionslos angenommenen Farbwertsignale ERO1
EGO1 und EBO um. Diese werden entsprechend den Beziehungen ER1 = ERO11/y ; EG1 =
EGO11/y , EB1 = EBO11/y (1) vorverzerrt. Dabei gilt ERO1 , EGO1 , EBO1 , ER1 , EG10
, EB1 , # [@@@] (2) Die vorverzerrten Farbwertsignale werden mit Hilfe der Codermatrix
C linear umgesetzt in ein sogenanntes Luminanzsignal EY1 und die Chrominanzsignale
EU1 und EY1,
Diese Signale werden für die Übertragung aufbereitet,
übertragen und rückgeformt und stehen auf der Wiedergabeseite als Ey2, EU2 und EV2
wieder zur Verfügung. Über die Decodermatrix D werden hieraus die Farbwertsignale
ER, 2 EG und EB zur Ansteuerung der Farbbildröhre gewonnen.
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Im standardisierten System sind die Kamera-Farbfilter auf die Wiedergabe-Leuchtstoffe
abgestimmt. Außerdem sind die Coder- und die Decodermatrix zueinander invers. Bleiben
bei der Signalaufbereitung, Ubertragung und Rückformung das Luminanz- und die Chrominanzsignale
unverändert, so stimmen die Wiedergabe-Normfarbwerte X2, Y2 und Z2 mit den Originalwerten
X1, Y1 und Z1 überein. Erfahren die übertragenen Luminanz- oder Chrominanzsignale
eine Veränderung, so ist diese Übereinstimmung gestört.
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Durch Veränderung der Chrominanzsignale entstehen Wiedergabedefekte.
Dies entspricht der bekannten Tatsache, daß bei der Unbuntwiedergabe eines Buntbildes
eine Luminanzreduktion eintritt. Diese Reduktion ist besonders ausgeprägt bei hohen
Farbsättigungen und bei solchen Farben, die ohnehin schon eine niedrige Luminanz
haben, z.B. bei der Farbe Blau.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Luminanzreduktion
zu vermeiden,oder zu verringern. Diese Aufgabe
wird durch die im
Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen beschrieben.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird die Problematik an Hand
der Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1 die
Prinzipanordnung eines Farbfernsehsystems Fig. 2 - 4 Diagramme Fig. 5 eine Abwandlung
der Fig. 1 gemäß der Erfindung.
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Die bei der Standardisierung der Farbfernsehsysteme eingeführte Umformung
der Rot-, Grün- und Blau-Farbwertsignale ER1, EG1 und EB1 in das Luminanzsignal
EY1 und die beiden Chrominanzsignale EU1 und EV1 hatte neben Gründen der Kompatibilität
mit den schon bestehenden Schwarz/Weiß-Fernsehsystemen das Ziel der Zerlegung der
Gesamtstrahlung in einen Anteil, der im wesentlichen die Leuchtdichte oder Luminanz
und in weitere Anteile, die im wesentlichen die Buntheit oder Chrominanz vermittelt.
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Die Zerlegung einer Strahlung in Luminanz und Chrominanz ist motiviert
durch eine Eigenschaft des menschlichen Gesichtssinnes, die in Fig. 2 bezüglich
der Kontrastempfindlichkeit
für farbart- und leuchtdichtemodulierte
Gitter angedeutet ist. Danach beträgt das Auflösungsvermögen des menschlichen Gesichtssinnes
für Farbartunterschiede nur 10 % bis 20 % von dem für Helligkeitsunterschiede. Die
Chrominanz kann daher mit gegenüber der Luminanz verringerter Bandbreite reproduziert
werden. Dies ist der Grund für die standardisierten Bandbreitereduktionen der Chrominanzsignale.
Infolge der Signalverarbeitung in der Ebene der gammavorverzerrten Signale führt
die Bandbreitereduktion der Chrominanzsignale auch zu einer Beeinflussung der Wiedergaberluminanz.
Die Wiedergabeluminanz ist proportional dem Farbwert Y2. Y wird deswegen auch als
relative Luminanz bezeichnet. Y2 setzt sich aus den Farbwerten R2, G2 und B2 zusammen
nach der Beziehung Y2 = b2R2 + bG G2 + bB B2 mit Y2,R2,G2,B2 # [0 ; 1] (3) Die Beiwerte
bR, bG, bB hängen von den standardisierten Wiedergabefarbvalenzen ab. Für sie gilt
- Standard: bR = 0,299 ; bG = 0,587 ; bB = 0,114 - Standard: bR = 0,222 ; bG = 0,707
; bB = 0,071 In beiden Standards gilt: bR +bQ +bB =1 (4) In (3) entsprechender Weise
wird das Luminanzsignal aus den Farbwertsignalen gebildet, z.B.
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EY2 = aR ER2 +aG EG2 + aB EB2 mit ER2,EG2,EB2 # [0 ; 1] (5)
Im
FCC-Standard wurden die Beiwerte für die Farbwertsignale denen für die Farbwerte
gleich gesetzt, d.h.
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aR = bR, aG = bG, aB = bB (6) Für den EBU-Standard wurden die Farbwertsignalbeiwerte
aus dem FCC-Standard übernommen. Die Beziehungen (6) sind im EBU-Standard nur noch
näherungsweise gültig. Da ihre Gültigkeit die Auswirkungen von Veränderungen der
Chrominanzsignale besser erkennbar macht, so soll sie für die weiteren Betrachtungen
unterstellt werden. Als Chrominanzsignale seien im folgenden die sogenannten Farbdifferenzsignale
verwendet EB2 - EY2 = EU'; ER2 - EY2 = EV' ; EG2 - EY2 = EW' (7) Von den Gleichungen
(7) sind zwei linear unabhängig. Im übrigen gilt aB . EU' + aR . EV' + aG . EW'
= 0 (8) Die gestrichenen Größen in (7) und (8) sind den entsprechen den nicht gestrichenen
Größen in Abb. 1 proportional. Sie unterscheiden sich von ihnen durch die Beiwerte
für die Farbdifferenzsignale. Mit (5), (6), (7) und (8) und bei Berücksichtigung
des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen den Farbwert-Ansteuersignalen und den Farbwerten
selbst entsprechend Abb. 1 läßt sich (3) schreiben in der Form Y2 = aB (EY2 + EU'2)y
+ aR (EY2 + EV')y +aG (EY2 + EV') (9)
Die Nichtlinearität heutiger
Farbempfängerröhren ist durch y-Werte zwischen 2,2 und 2,8 gekennzeichnet. Sie wird
durch einen mittleren Wert von y = 2,5 für die meisten Röhren hinreichend genau
angenähert. Dieser Wert wird daher für die spätere quantitative Auswertung zugrundegelegt.
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Gleichung (9) kann unmittelbar entnommen werden, daß nur dann die
Luminanz ausschließlich durch EY2 vermittelt wird, wenn der Trivial-Fall EU2' =
EV2' = EW2' = 0, also eine Unbuntüberttragung vorliegt, oder wenn y = 1 ist. Es
läßt sich zeigen, daß für y 1 die Luminanz des Buntbildes gegenüber dem Unbuntbild
verkleinert würde. Den heutigen Fernsehstandards liegen y-Werte zugrunde, die größer
sind als 1; sie führen zu einer Erhöhung der Wiedergabeluminanz durch endliche Chrominanzsignalwerte.
Dieser Tatbestand läßt sich auch so interpretieren, daß ein Teil der Wiedergabeluminanz
über den Chrominanzkanal übertragen wird.
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Im Fall einer Tiefpaßfilterung werden die Farbwert-Ansteuersignale
ER = EV' + EV + ER + EY 2L 2 2L 2H EG = EW' + EV = EG + EY (10) 2L 2 2L 2H EB" =
EU2L' + EY2 = EB2L + EY2H In (10) sind die tiefpaßgefilterten Anteile mit dem Index
L ("lows") versehen; die Differenzen zwischen den ursprünglichen, und den entsprechenden
tiefpaßgefilterten Signalen haben den Index H ("highs"). Wie den rechten Seiten
der
Gleichung (10) zu entnehmen ist, erfolgt eine korrekte Ansteuerung
der Wiedergabeeinheit nur bezüglich der tiefpaßgefilterten Anteile, die "Höhen"
sind durch Ey bei endlicher Chrominanz unterpräsentiert. Dies kann bei hohen Farbbildsättigungen
zu beträchtlichen Luminanzverfälschungen führen.
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Fig. 3a und 3b zeigen in einer Prinzipdarstellung in Gegenüberstellung
das äquival te Luminanzsignal einer Zeile für das Standard-Farbbalkentestbild ohne
und mit Chrominanzsignalfilterung. Das äquivalente Luminanzsignal ist mit der relativen
Wiedergabe-Luminanz verknüpft über die Beziehung Ey = y21/Y (11) 2 äqu.
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Die Luminanzdefekte-Kompensation besteht nach einer Erkenntnis der
Erfindung nur in den "Höhen". Sie lassen sich also durch Signalhöhenanteile ausgleichen,
die bei Kompatibilitätsforderung nur im Luminanzsignalkanal übertragen werden können.
Die entsprechende additive Komponente ßEy wird allen drei Ansteuersignalen nach
(10) überlagert. flEy läßt sich durch Gleichsetzung der entstehenden mit der relativen
Soll-Luminanz ermitteln entsprechend der Beziehung
| Soll aB(EU2L+ Y2+ aEY) + R( V2L+Ey2+ SEy) +aG(Ew2L+ |
| Ey2 2L )Y (12) |
| 2 L |
y = Gamma
Gl. 12 kann in unterschiedlicher Form ausgewertet werden.
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Es zeigte sich, daß bei geeigneter Schätzung eines Ausgangswertes
eine Reihenentwicklung mit Abbruch nach dem linearen Glied schon eine brauchbare
Näherungslösung liefert. Für das schon erwähnte Standard-Farbbalken-Testbild gibt
Fig. 4a den Prinzipverlauf des Kompensationssignals über eine Zeilenperiode an.
Fig. 4b zeigt das gesamte, durch Ey modifizierte NTSC- bzw. PAL-FBAS-Signal.
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Es zeigt, daß die Gesamt-Signalgrenzen gegenüber dem nichtkompensierten
Fall nur im Bereich des Schwarzsignals überschritten werden. Sieht man hier eine
Begrenzung auf die Standardsignalhöhe vor, so ist das modufizierte Signal mit den
bestehenden Fernseh-Standards kompatibel.
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Fig. 5 zeigt eine Schaltung zur Erzeugung und Nutzung des Korrektursignals
zwecks Kompensation der Luminanzdefekte, bei der in Ergänzung zu der in Fig. 1 dargestellten
Schaltung eine Korrektursignal-Erzeugungsschaltung vorgesehen ist. In dieser Schaltung
wird digital (z.B. in Form eines Rechners) oder analog gemäß Gleichung 12 das Korrektursignal
ßEy erzeugt und in einer Additionsschaltung dem Luminanzsignal zugefügt. Das Korrektursignal
kann nur bei bekanntem "Soll-Zustand" gewonnen werden. Dieser ist nur auf der Aufnahmeseite
bekannt.
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Durch Korrektursignale, die im Luminanzkanal heute üblicher Bildübertragungssysteme
übertragen werden, lassen sich Luminanzdefekte kompensieren, die durch Tiefpaßfilterung
der Chrominanzsignale entstehen. Dadurch wird bezüglich der Wiedergabeluminanz Ähnliches
erzielt wie durch eine
Linearisierung des Bildaufnahme-/Übertragungs-/Widergabesystems
in der Weise, daß die Gradationsvorentzerrung unmittelbar vor der Wiedergabe-Kathodenstrahlröhre
vorgenommen wird . Das soweit beschriebene Vorkompensationsverfahren kann auch mit
der heutigen standardisierten Signalaufbereitungs- und Übertragungstechnik kompatibel
gestaltet werden.
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In Fig. 5 werden der Korrektursignal-Erzeugungsschaltung entweder
Signale E'U1 und E'V1 vom Ausgang der Coder-Matrix oder alternative Signale ER1,
EG1, EB1, vom Eingang der Coder-Matrix zugeführt.
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Die Gewinnung des Korrektursignals bEy erfolgt a) z.B. iterativ aus
G1. 12 b) Näherungslösung für y = Schätzweft: 4Eys YS Y2aqusoll Y2aquist Mit Hilfe
von # Eys gewonnene lineare Näherung
Verbesserte Näherungslösung:
L e e r s e i t e -