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Farbsignal-Kodierung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren (bzw. eine elektronische Schaltung)
zur schwarz/weiß-kompatiblen Kodierung und Dekodierung von elektronisch reproduzierbaren
Farbbildern mittels eines Coders, bestehend aus den Matrizen NM und M und drei zwischen
diesen Matrizen angeordneten und zur Kompressions-Beeinflussung der drei Farbkomponenten
bestimmten Bausteine Q und mittels eines Decoder, bestehend aus den Matrizen ~ und
SM und drei zwischen diesen Matrizen angeordneten und zur Expansion der drei Farbkomponenten
bestimmten Bausteinen Q 1.
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Aus der Geschichte des Fernsehens sind verschiedene Kodierverfahren
bekannt. Zahlreiche Publikationen befassen sich mit der Verbesserung und Verfeinerung
der gebräuchlichen Verfahren. Auch gibt es diverse wissenschaftliche Arbeiten, die
völlig andersartige Fernseh-Systeme mit neuen Kodier-Verfahren zum Inhalt haben.
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Die Kodier-Verfahren aller bekannten Fernseh-Systeme beruhen auf dem
Prinzip der additiven Farbmischung, wonach sich theoretisch alle Farben aus drei
Spektralfarben mischen lassen.
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In den Kodierern aller angewandten Fernseh-Systeme werden die Rot
(R)-, Grün (G)- und Blau (B)-Ausgangssignale der Kamera durch die Matrizierung (A)
an die Farborte der jeweiligen Primärstrahler angepaßt (Fig.2).
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Durch diese (sendeseitige) Anpassung an die realisierbaren und genügend
leuchtstarken Primärstrahler wird bei den bestehenden Normen bzw. Vorschlägen (z.
B. FCC,
EBU, NHK) der Raum der reproduzierbaren Farben erheblich
eingeschränkt (Fig.1). (Siehe z. B. Theile, R.: "Fernsehtechnik", Band 1, Springer-Verlag,
1973 und Fujio, T.: "High Definition Television Systems: Desirable Standards, Signal
Forms and Transmission Systems", IEEE Trans. on Comm. Vol. Com. 29, No. 12, December
1981, pp. 1882-1891.) Die Schaffung geeigneterer Primärstrahler innerhalb bestehender
Fernsehnormen würde prinzipiell keine Verbesserung bringen, denn die bestehenden
Kodier-Matrizen legen die Beschränkungen des reproduzierbaren Farbraumes von vornherein
fest, so daß eine zukünftige erweiterte Farbwiedergabe mit verbesserten Endgeräten
auf der Basis bisheriger Systeme ausgeschlossen ist.
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Auch ist die ereindung von Endgeräten mit unterschiedlichen Primärvalenzen
nicht ohne Farbverfälschungen möglich.
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Die Problematik der Farbtreue bei den verschiedenen Fernseh-Kodierverfahren
ist bekannt. Mit der Auswahl der Farbachsen für das Farbfernsehen befaßt sich z.
B.
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Hackling, K.: "The Choice of Chrominance Axes for Color TV", ACTA
Electronica, Vol. 2, p. 87, 1957-58.
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Ein neueres Modell der Farb-Kodierung empfiehlt, die naturgetreue
Farbwiedergabe durch eine möglichst weitgehende Anpassung der elektronischen Primärfarben
an die farb-empfindlichen Rezeptoren der Retina zu realisieren.
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Hierbei soll die Kodierung in der Weise geschehen, daß eine näherungsweise
lineare Beziehung zwischen der Wahrnehmung von Farbdifferenzen angestrebt wird.
Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, einen logarithmischen Kompander zu verwenden.
(Frei, W. und Baxter, 8.: "Rate-Distortion Coding Simulation for Color Images",
IEEE Transactions on Cornmunications, Vol. COM-25, No. 11, November 1=7, pp. 1385-1392.)
Wie das genannte Modell nun tatsächlich
im einzelnen verwirklicht
werden könnte, wird nicht näher erläutert.
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Bei der Kodierverfahren aller gebräuchlichen Fernseh-Systeme werden
vor der Übertragung die drei an die Primärstrahler angepaßten Signale ER, EG und
EB in der Weise matriziert, daß ein Luminanzsignal Ey und zwei Chrominanzsignale
EC1 und Etc2 entstehen. Dabei ist die Wahl der Kodiermatrix C von Fernseh-System
zu Fernseh-System unterschiedlich.
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EC1 und EC2 werden anschließend bandbegrenzt, so daß üblicherweise
ein breitbandiges Luminanzsignal und zwei schmalbandige Chrominanzsignale übertragen
werden können.
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Während bei den klassischen Fernseh-Systemen NTSC, SECAM und PAL die
Chrominanzinformation durch eine geeignete Modulation in das Luminanzsignal eingefügt
wird, gehen neuere Standards, wie MAC /1/, wie die digitale Studionorm CCIR 601
/2/ oder wie der HK-HDTV-Vorschlag von einer komponentenweisen Übertragung im Zeit-
bzw. Frequenzmultiplex aus, um Übersprecheffekte zu verhindern.
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Bei allen gebräuchlichen Farbfernseh-Systemen werden die R-, G- und
B-Signale nichtlinear verzerrt (-Vorverzerrung), um die Nichtlinearitäten der Endgeräte
(t-Kennlinie der Monitore) schon auf der Aufnahmeseite auszugleichen. D. h.: Allen
gebräuchlichen Systemen ist gemein, daß sie nicht das Konstant-Luminanz-Prinzip
einhalten, was in Gebieten gesättigter Farben durch die /1/ Rawlings, R., Morcom,
R.: Multiplexed Analogue Components - A New Coding System for Satellite Broadcasting",
Proceedings IBC (1982), S. 158-164.
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/2/ CCIR Recommendation 601: "Encoding Parameters of Digital Television
for Studios", Oktober 1981.
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Bandbegrenzung der Chrominanzsignale zu einem erheblichen Detailverlust
führt.
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Die t-Vorverzerrung auf der Aufnahmeseite führt einer seits durch
die schlechte Anpassung an die Nichtlinearitäten der Endgeräte zu einer Verfälschung
der Graustufen und andererseits zu einem Übersprechen, so daß Teile der Leuchtdichteinformation
von den Chrominanzsignalen getragen werden. Aufgrund der Bandbegrenzung der Chrominanzsignale
kommt es daher zu einer Verschleifung von Leuchtdichtekanten im Bild.
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Dies kann vermieden werden, wenn ein sogenanntes Konstant-Luminanz-System
verwendet wird, was jedoch zu einem Mehraufwand bei der Hardware-Realisierung führt.
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Aus der Literatur sind eine Reihe von Vorschlägen zur Einhaltung des
Konstant-Luminanz-Prinzips bekannt.
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Während G. Dickopp in seinem Vortrag auf dem Aachener Kolloquium (26.-29.9.1984)
über Kompensation von Luminanz-Defekten, die durch Tiefpaß-Filterung des Chrominanzsignals
entstehen" eine Vorverzerrung des Luminanzsignals vorschlägt, stellt die CCIR-Empfehlung
(Document 9-E 28: "Separate and Constant Luminance", Colour Television Meeting,
London, Januar 1964) ein echtes Konstant-Luminanz-System dar, bei dem ein wahres
Leuchtdichtesignal übertragen wird.
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Diesen beiden Systemen ist jedoch gemein, daß aufnahmeseitig eine
r-Vorverzerrung durchgeführt wird und somit eine optimale Anpassung an das r des
Endgerätes unmöglich ist.
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Dieser Nachteil wird zwar bei dem HHI-Vorschlag (Kummerow, T.: "Gesichtspunkte
zu einem volldigitalen HDTV-System", Frequenz, Band 37, Nr. 11-12, Dezember 1983,
5. 278-85!
zur intensitätslinearen Signalverarbeitung vermieden
(Fig.3), jedoch weist er zwei entscheidende Nachteile auf: 1.) Die linearen Farbdifferenz-Signale
können nicht mehr in ausreichendem Maße komprimiert werden, so daß bei fester Quantisierung
ca 10 bis 11 bit notwendig sind.
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(Schäfer, R.: "Subjektive Untersuchungen zur Übertragung der Farbinformation
in einem digitalen HDTV-System", Vortrag auf dem 2. Dortmunder Fernsehseminar, 26.-28.10.84,
Dortmund.) 2.) Bei gleichzeitigen Luminanz- und Chrominanzsprüngen treten an den
Übergängen von einer Farbe zur anderen falsche Bunttöne auf. (Schäfer, R.: "High
Definition Television Standard - A Chance for Better Colour Processing", zur Veröffentlichung
vorgesehen.) D. h.: Obwohl der Vorschlag von Kummerow gewissermaßen eine Anhäufung
der nach dem Stand der Technik optimalen Verfahrensschritte bzw. Baugruppen darstellt,
sind nach wie vor unbefriedigende Merkmale zu konstatieren.
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Alle bekanntgewordenen Vorschläge zur Kodierung von Farbfernseh-Signalen
weisen gewisse Nachteile auf, die z. T.
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aus der Historie des jeweils technisch Machbaren zu erklären sind.
Zusammenfassend lassen sich folgende Nachteile aufzählen: 1.) Farbstörungen durch
Übersprechen bei verschachtelter Übertragung von Luminanz und Chrominanz (NTSC,
SECAM, PAL).
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2.) Das Konstant-Luminanz-Prinzip wird nicht erfüllt (NTSC, SECAM,
PAL, NHK).
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3.) Die g-Vorverzerrung wird auf der Aufnahmeseite vorgenommen (alle
Systeme bis auf den HHI-Vorschlag zur intensitätslinearen Verarbeitung).
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4.) Die farbmetrische Anpassung an die Primärvalenzen des Empfängers
wird auf der Aufnahme-(Sende-)Seite vorgenommen (alle Systeme).
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Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
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Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein schwarz/weiß-kompatibles
Kodier-Verfahren für die elektronische Verarbeitung von Farbinformationen zu schaffen,
wobei mit geringstmöglicher Frequenzbandbreite bzw.
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geringstmöglicher Bitrate eine original-äquivalente Reproduktion von
Farbbildern ermöglicht wird.
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Konkret wird diese Aufgabe durch die in den kennzeichnenden Teilen
der Patentansprüche geoffenbarten Verfahrensschritte gelöst.
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Der allgemeine Erfindungsgedanke besteht u. a. in der Übertragung
und Anwendung der in der Textil- und Lackindustrie bekannten Theorie der Farbmetrik
auf die Fernseh-Technik.
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Die Metrik der Farbentheorie ist durch folgende Merkmale charakterisiert:
1.) Die Normvalenzen sind voneinander extrem weit entfernt und spannen einen Farbraum
von subjektiv maximaler Größe auf.
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2.) Die Metrik dieses Farbraums ist; subjektiv gleichabständig.
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Bei der erfindungsgemäßen Übertragung dieser Farbmetrik auf ein neu
zu schaffendes Fernsehsystem hat sich nun in überraschender Weise folgendes gezeigt:
Ordnet man dieser subjektiv gleichabständigen Farbmetrik mittels eines Kompanders
die Signalkomponenten eines neu zu schaffenden Farbfernseh-System in der Weise zu,
daß der subjektiv gleichabständigen Farbmetrik eine lineare Dynamik der kodierten
Farbbildsignale entspricht, so ist damit die geringstmögliche erforderliche Dynamik
für die subjektiv natur-äquivalente Farbbild-Wiedergabe gegeben.
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Wählt man darüber hinaus als Länge der Einheitszelle des Farbraums
diejenige Größe, die gerade noch unter der Wahrnehmbarkeitsschwelle liegt, so ist
damit bei Digitalisierung die geringstmögliche erforderliche Bitrate festgelegt.
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Unter Berücksichtigung der aus der Farbmetrik anzuwendenden Gleichungen
ist dies nur dann exakt gewährleistet, wenn als Grundfarben die Normvalenzen gewählt
werden, wenn hieraus aus Gründen der S/W-Kompatibilität das Standardweiß D65 als
Luminanzsignal erzeugt wird, wenn zur Erzeugung einer subjektiv gleichabständigen
Dynamik die Signale mit exakt der dritten Wurzel komprimiert werten, und wenn zwecks
Anpassung der Chrominanz-Signale an das farblich unterschiedliche Auflösungsvermögen
des Auges eine bestimlT!te Drehung der Chrominanz-Achsen vorgenommen wird.
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Die hier dargestellte (und erfindungsgemäß gelöste) Problematik zar
bisher höchstens andeutungsweise erkannt worden.
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Die Verwendung der dritten Wurzel als Kompressor-Kennlinie erzeugt
nicht nur eine generelle Dynamik-Kompression.
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(Dies ergibt sich prinzipiell bereits mit einer logarithmischen Kennlinie,
z. B. nach Frei.) Der Hauptvorteil in der Verwendung der dritten Wurzel als Kompressor-Kennlinie
besteht in einer subjektiv gleichabständigen Dynamik, was wiedergabeseitig die geringsten
Verzerrungen und eine weitgehend naturgetreue Farbbild-Reproduktion ermöglicht.
ßJur auf der Basis einer derartigen subjektiv gleichabständigen Dynamik läßt sich
eine optimal sparsame Digitalisierung verwirklichen.
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Das anschließend beschriebene erfindungsgemäße Kodierverfahren vermeidet
alle erwähnten Nachteile und bietet gegenüber allen eingeführten Fernsehsystemen
entscheidende Vorteile, indem es in überraschender Weise die folgenden, teilweise
an sich bekannten Forderungen in optimaler Weise miteinander vereint: 1.) Das Konstant-Luminanz-Prinzip
wird erfüllt.
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2.) Die drei verwendeten Signale spannen einen subjektiv gleichabständigen
Signalraum auf, was wiederum visuell gleichabständige Quantisierungsstufen zuläßt.
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3.) Eine Realisierung des Systems in digitaler Form ist möglich.
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4.) Das Kodier-System ist mit geringstmöglicher Anzahl von Quantisierungsstufen
digitalisierbar.
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5.) Damit ist das Kodier-System integrierbar.
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6.) Eine optimale Bandbegrenzung der Chrominanz-Signale ist möglich.
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7.) Das Kodierverfahren weist ein gutes Übergangsverhalten für Chrominanzübergänge
auf.
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Bo) Die volle Farbinformation wird übertragen, d. h. der Raum reproduzierbarer
Farben wird sendeseitig nicht von vornherein eingeschränkt, eine optimale Anpassung
an Endgeräte mit verschiedenen Primärvalenzen ist für alle Zeit gesichert.
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9.) Eine individuelle Kompensation der Nichtlinearitäten der Rot-,
Grün- und Blaustrahler ist möglich, da die Kompensation direkt im Endgerät vorgenommen
wird.
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Das Prinzip des erfindungsgemäßen Kodier-Verfahrens bzw.
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eine nach dem erfindungsgemäßen Kodier-Verfahren auf zu bauende elektronische
Schaltung soll anhand eines Blockschaltbildes (Fig. 4) beschrieben werden0
Es
handelt sich dabei im wesentlichen um die erfinderische Übertragung der in der Textil-
und Farbenindustrie bekannten Theorie der Farbmetrik, insbesondere der 1976 CIE-L*
-a* -b* -Formeln, auf die Fernsehtechnik:
(Siehe z. 8.: Wyszecki, G., Stiles, W. S.: ??Color Science", 2nd Edition, John Wiley
& Sons, New York, 1982.) entspricht der Helligkeit, während die Chrominanz durch
a* und b* festgelegt wird.
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Dabei sind X,Y,Z die Normvalenzen und XNYN,ZN diejenigen Normwerte,
bei denen das Spitzenweiß mit dem Farbort D65 auftritt.
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Ferner soll gelten: X = X , Y = Y , Z = Z (4) XN YN ZN X X
Die im folgenden beschriebenen Coder und Decoder können rein analog, rein digita'
oder auch hybrid realisiert werden0 Eine rei digitale Lösung ist langfristig wahrscheinlich
am günstigsten, da sie eine Integration erlaubt.
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Coder (Fig. 4a) Die von der Kamera kommenden Signale X, Y, und Z werden
in der matrix NM gewichtet, um den Weißpunkt D65 festzulegen. Anschließend werden
die drei Aussangssignale XN, Y und Z in den drei Kompressoren Q derartig vorverzerrt,
daß X , L und Z entstehen. Dabei entspricht die Nichtlinearität Q gemäß den Gleichungen
(1) bis (3) der dritten Wurzel.
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Durch Matrizierung (m) dieser drei Größen entstehen a, b und L+, die
einen Signal raum aufspannen, der vom Standpunkt der Farbwahrnehamung näherungsweise
gleichabständig ist und somit auch eine optimale Quantisierung erlaubt. Dabei
mit M = D . L (7)
| 0 1 0 |
| und L = 500 -500 0 1 (8) |
| 0 200 -200 |
| D = 3 O1 cos# -sin# 0 (9) |
| 0 sin# cos# |
0 ist eine Orehmatrix, die die a*-, b*-Koordinaten aus den Gleichungen (2) und (3)
um einen dinkel # drehen, so daß a und b entstehen, Diese Drehung ermöglicht eine
bessere Anpassung der Signale an das unterschiedliche Auflösungsvermögen des Auges
für die Chrominanzachsen in verschiedenen Richtungen. a und b werden schließlich
mit cen
Tiefpässen TP1 und TP2 bandbegrenzt, und das breitbandige
Helligkeitssignal L sowie die schmalbandigen Chrominanz-Signale A u-d B werden übertragen.
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Decoder (Fig. 4b) Empfangsseitig werden das breitbandige Helligkeitssignal
L und die beiden schmalbindigen Chrominanzsignale A und 8 dematriziert (M-1), so
daß die drei breitbandigen Signale t , <* und Z entstehen, die wiederum über
die inwerden Kennlinien Q-1 geschickt werden.
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entspricht dabei einer Potenzierung mit dem Faktor 3.
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Nach dieser Entzerrung stehen die drei breitbandigen linearen Signale
X, Y und Z zur verfugung. Y ist unverfälscht g-bl£eoen, so daß Was Konstant-Luminanz-Prinzip
erfüllt ist.
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In der Wiedergabematrix W findet nun die Anpassung an die Primärvalenzen
des Empfängers statt.
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Die linearen R'-, - und B'-Signale müssen u. U. anschließend γ-vorverzerrt
werden, um gegebenenfalls Nichtlineari'äten des Endgerätes auszugleichen.
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