DE3714861A1 - Verfahren und vorrichtung zur aufbereitung von videosignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung Videosignalen zur Vergrößerung des Bildkontrastes und eine Schaltungsanordnung zur Ausführung dieses Verfah­ rens.

Die Verarbeitung von Videosignalen, die beispielsweise von Videokameras geliefert werden, weist dann in der Regel Schwierigkeiten auf, wenn der Bildkontrast der von der Kamera gelieferten Bildsignale schwach ist. Kontrastarme Videosignale auf einem vorgegebenen Dynamikbereich abzubilden, ist an sich bekannt, derartige Verfahren sind bisher jedoch nur mit extrem umfangreichem apparativem Aufwand möglich gewesen, wobei die damit erzielten Erfolge die gesteckten Erwartungen bei weitem nicht erfüllten.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfah­ ren und eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die es auf einfache Weise gestatten, kontrastarme Videosig­ nale auf den gesamten vorgegebenen Dynamikbereich abzubilden, unabhängig davon, in welchem Dynamikbe­ reich die kontrastarmen Videosignale ursprünglich generiert worden sind.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß aus einem Videosignal vorbestimmter zeitlicher Länge sowohl der minimale als auch der maximale Wert einer Bildinformation ermittelt wird, daß nachfolgend zwischen dem ermittelten maximalen und minimalen Wert ein Mittelwert gebildet wird, der das Videosignal vorbestimmter zeitlicher Länge mit einem Gleichspan­ nungspegel (Offset) beaufschlagt, wobei im wesentli­ chen gleichzeitig dazu zwischen dem ermittelten minimalen und maximalen Wert ein Differenzwert ermit­ telt wird, der als Verstärkungsbemessungsgröße schließlich die endgültige Verstärkung des Video­ signals bewirkt.

Der Vorteil des Verfahrens liegt im wesentlichen darin, daß eine automatische Dehnung des generierten kontrastarmen Videosignals auf den gesamten vorgegebe­ nen möglichen Dynamikbereich möglich ist. Ein derart auf den vorgegebenen Dynamikbereich gedehntes aufbe­ reitetes Videosignal ist insbesondere für den Bereich der rechnergesteuerten Videobildverarbeitung von Nutzen, wenn fremdbedingt lediglich kontrastarme Bildsignale, beispielsweise durch eine Videokamera generiert werden können.

Vorzugsweise werden aus dem Videosignal Synchronsig­ nale entsprechend einem Bildanfang erzeugt, wobei wenigstens die Ermittlung des minimalen und des maximalen Werts zwischen Bildanfang und einer vorgegebenen Zeitspanne, welche entsprechend der Dauer zwischen Bildanfang und Bildende gewählt werden kann, erfolgt. Dadurch wird ein Arbeitszyklus des Verfahrens vorbestimmter Länge, d. h. zwischen Bildanfang und vorgenannter Zeitspanne erzeugt, in dem die Signalaufbereitung, d. h. die Signalbearbeitung des Videosignals frei von Synchronisationssignalen erfolgen kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfah­ rens wird die Ermittlung des minimalen und des maxima­ len Wertes sowie die daraus erfolgende Ermittlung eines Durchschnittswertes und eines Differenzwertes zyklisch und/oder zentral gesteuert. Diese Art der Steuerung wird in der Regel angewendet werden, wenn das Verfahren in bezug auf den Verfahrensablauf rechnergestützt betrieben wird. Es sei aber hervorge­ hoben, daß es auch möglich ist, die Videosignalaufbe­ reitung per manuell vorgegebenem Befehl (Handtaster) oder auch selbstlaufend durch die im Videosignal enthaltenen Synchronisationsimpulse zu betreiben.

Vorteilhafterweise erfolgt jedoch die Steuerung des Verfahrensablaufs rechnergestützt.

Die Schaltungsanordnung zur Aufbereitung von Videosig­ nalen ist zur Lösung der Aufgabe gekennzeichnet durch einen Schaltungsteil zur Erfassung eines minimalen und maximalen Wertes einer Bildinformation eines Videosig­ nals vorbestimmter zeitlicher Länge, das mit einem Mittelwertsglied, das aus einem minimalen und einem maximalen Wert einen Mittelwert bildet, und mit einem Differenzglied, das mit dem minimalen und dem maximalen Wert einen Differenzwert bildet, verbunden ist, wobei das Ausgangssignal des Mittelwertgliedes auf eine Gleichspannungspegelsteuerschaltung und das Ausgangssignal des Differenzgliedes auf eine in bezug auf das Videosignal in Reihe mit der Gleichspannungs­ pegelsteuerschaltung liegende Verstärkerschaltung gegeben wird, so daß das Videosignal durch das eine Ausgangssignal mit einem Gleichspannungspegel beauf­ schlagt wird und durch das andere Ausgangssignal auf vorbestimmte Weise verstärkt wird.

Der Vorteil dieser Schaltungsanordnung liegt im wesentlichen darin, daß der erforderliche Schaltungs­ aufwand im Vergleich zu bisher aufgewandtem apparati­ ven Aufbau zur Aufbereitung von Videosignalen sehr gering gehalten werden kann.

Vorteilhafterweise ist eine Einrichtung zur Erzeugung von Bildsynchronsignalen, die einen Bildanfang und nach einer vorgegebenen Zeitspanne ein Erfassungsende aus einem Videosignal markieren, vorgesehen, und die auf den Schaltungsteil zur Erfassung des minimalen und maximalen Wertes gegeben werden. Das Bildanfangs- und das Erfassungsendesignal kann grundsätzlich aus dem in die Schaltungsanordnung eingegebenen aufzubereitenden Videosignal abgeleitet werden. Mit dem Erscheinen des Bildanfangssignals wird die Videosignalaufbereitung begonnen, mit dem Ablauf vorgenannter Zeitspanne wird die Videosignalaufbereitung beendet, wobei zwischen Bildanfangs- und Erfassungsendesignal ein vorbe­ stimmter Zeitabstand liegt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Schaltungsteil zur Erfassung des minimalen und maximalen Wertes durch ausgangsseitig sowohl mit dem Mittelwertglied als auch mit dem Differenzglied verbundene Master-Slave-Flip-Flops und durch zwei Komparatoren gebildet, wobei das Videosignal vorbe­ stimmter Länge in digitaler Form auf die Eingänge der Flip-Flops und der Komparatoren geliefert wird.

Diese mögliche Ausgestaltung der Schaltungsanordnung gestattet die Aufbereitung digital umgewandelter Videosignale.

Der Schaltungsteil zur Erfassung des minimalen und maximalen Wertes des momentan erfaßten Videosignals ist vorzugsweise derart aufgebaut, daß der eine Master-Slave-Flip-Flop von einer zentralen Steuer­ schaltung entsprechend einem erkannten größeren Wert des Videosignals gegenüber dem vorher erkannten Wert derart getaktet wird, daß der jeweils größere Wert am Ausgang des einen Master-Slave-Flip-Flops erscheint, während entsprechend einem erkannten und niedrigeren Wert des Videosignals gegenüber dem vorher erkannten Wert der Takt so erfolgt, daß der jeweils niedrigere Wert am Ausgang des anderen Master-Slave-Flip-Flops erscheint. Tritt während eines Auswertezyklus entspre­ chend der vorbestimmten zeitlichen Länge ein jeweils neuer minimaler bzw. maximaler Wert des Videosignals auf, wird dieser in den jeweiligen Master-Slave-Flip- Flop übernommen, deren Ausgangswerte über das Mittel­ wertglied und das Differenzglied das ursprünglich kontrastarme Videosignal auf vorbestimmte Weise auseinanderziehen.

Damit die eigentliche Videosignalaufbereitung während des Arbeitszyklus ohne Synchronisationsimpulse erfol­ gen kann, ist das Bildsynchronsignale erzeugende Schaltungsglied im Eingangskreis der Schaltungsanord­ nung angeordnet. Dieses Schaltungsglied liefert an seinen Ausgängen ein Videosignal mit Synchronimpulsen, ein Videosignal ohne Synchronimpulse sowie die Synchron­ impulse allein.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden schematischen Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer Schal­ tungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens,

Fig. 2 eine gegenüber der Fig. 1 modifizierte Ausführungsform der Schaltungsanordnung mit gesonderter Hervorhebung einzelner Schaltungsteile,

Fig. 3 eine typische Signalfolge eines kon­ trastarmen Videosignals und

Fig. 4 eine Signalfolge, die entsprechend der Schaltungsanordnung unter Verwendung des Verfahrens in eine Videosignalfolge mit einem großen Dynamikbereich umgewandelt wurde.

Die Schaltungsanordnung 10 wird nun zunächst anhand des Blockschaltbildes gemäß Fig. 1 beschrieben.

Ein Videosignal 12, das beispielsweise von einer Videokamera geliefert wird, wird in die Schaltungsan­ ordnung 10 auf geeignete Weise eingekoppelt. Die Schaltungsanordnung 10 besteht im wesentlichen aus einem Schaltungsteil 11 zur Erfassung des Minimal- und des Maximalwertes des Videosignals 12, aus einer Steuerungsschaltung 24, aus einem spannungsgesteuerten Verstärker 18 (VCA), einer Gleichspannungspegelsteuer­ schaltung 16 sowie einem Ausgangsschaltungsglied 26.

Das Videosignal 12, das in die Schaltungsanordnung 10 eingekoppelt wird, durchläuft die Einrichtung 19 zur Erzeugung von Bildsynchronsignalen. Der Ausgang der Einrichtung 19 ist mit dem Eingang der Gleichspannungs­ pegelsteuerschaltung 16 verbunden, der Ausgang von Schaltung 16 ist wiederum mit dem Eingang der Ver­ stärkerschaltung 18 verbunden.

Es sei darauf hingewiesen, daß die einzelnen Komponen­ ten der Schaltungsanordnung 10 durch grundsätzlich in ihrem Aufbau bekannte Elektronikschaltkreise gebildet werden können, so daß ein gesondertes Eingehen auf den inneren Aufbau der einzelnen Komponenten im Zusammen­ hang mit der Beschreibung der Funktion der Schaltungs­ anordnung 10 im Zusammenhang mit Fig. 1 entbehrlich ist.

Aus dem in die Schaltungsanordnung 10 eingekoppelten Videosignal 12 wird ein Bildanfangssynchronsignal geliefert, sobald ein neues Videobild in der eingekop­ pelten Videosignalfolge erkannt wird. Vorher wird auf geeignete Weise durch die Steuerungsschaltung 24 der Schaltungsteil 11 zur Erfassung des minimalen und maximalen Wertes des Videosignals zurückgesetzt. Das erfolgt über eine Verbindung zwischen der Steuerungs­ schaltung 24 und dem Schaltungsteil 11. Sobald ein neues Bild, entsprechend dem von der Einrichtung 19 gelieferten Bildsynchronsignal erscheint, wird der Schaltungsteil 11 freigegeben.

Dem Schaltungsteil 11 wird ebenfalls das in die Schaltungsanordnung 10 eingekoppelte Videosignal 12 zugeführt und auch das von der Einrichtung 19 gelie­ ferte Bildsynchronsignal, d. h. in diesem Falle das Bildanfangssignal. Der Schaltungsteil 11 sucht nun nach dem aktuellen Minimum und Maximum des Videosig­ nals 12, und zwar innerhalb einer vorbestimmten zeitlichen Signallänge. Entsprechend dem eingekoppel­ ten Videosignal 12 wird von der Einrichtung 19 als Bildsynchronsignal ein Bildendesignal erkannt, das den Schaltungsteil 11 deaktiviert. Das hat zur Folge, daß die momentanen gefundenen Werte für das Minimum und das Maximum des Videosignals nicht mehr geändert werden. Der Schaltungsteil 11 weist Erfassungskompo­ nenten auf, die im einzelnen im Zusammenhang mit dem Blockschaltbild gemäß Fig. 2 noch genauer beschrieben werden, die die erfaßten minimalen und maximalen Werte des Videosignals derart umsetzen, daß aufgrund dieser Werte von dem Schaltungsteil 11 an die Gleichspannungs­ pegelsteuerschaltung 16 ein Ausgangssignal 15 geliefert wird, mit dem das aus dem Schaltungsteil 19 ausgegebene Videosignal durch die Gleichspannungspegelsteuerschal­ tung 16 auf einen vorbestimmten Gleichspannungspegel eingestellt wird. Zudem liefert der Schaltungsteil 11 nach Umsetzen ein Ausgangssignal 17, mit dem in der Verstärkerschaltung 18 das Videosignal entsprechend einem vorbestimmten Dynamikbereich verstärkt wird.

In der Schaltungsanordnung 10 selbst erfolgt die Aufbereitung des Videosignals ohne Bildsynchronsigna­ le.

Die Schaltungsanordnung gemäß dem in Fig. 2 darge­ stellten Blockschaltbild ist geringfügig gegenüber der Ausführungsform gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbild modifiziert. Aus dem in die Schal­ tungsanordnung 10 eingekoppelten Videosignal wird in der Einrichtung 19 zur Erzeugung von Bildsynchronsig­ nalen auch hier ein Bildanfangs- und ein Bildende­ signal erzeugt. Dieses sowohl auf die Steuerschaltung 24 als auch auf eine Sample-Hold-Schaltung 28 gegeben. Wird ein Bildanfangssignal erzeugt, folgt der Signal­ ausgang der Sample-Hold-Schaltung 28 dem Signalein­ gang, wobei am Signaleingang der Sample-Hold-Schaltung 28 ebenfalls das Videosignal 12 anliegt. Kurz vor dem Bildendesignal wird der Wert des Signalausganges der Sample-Hold-Schaltung 28 entsprechend dem von der Einrichtung 19 gelieferten Bildendesignal in diesem Zustand gehalten. Die Sample-Hold-Schaltung 28 dient somit zum Ausblenden des Synchron- und Austastbereichs des Videosignals 12.

Vom Signalausgang der Sample-Hold-Schaltung 28 wird nur die reine Bildinformation des analogen Videosigna­ les einem Analog-Digital-Wandler 27 zugeführt (< 10 MHz), der dieses Analogsignal digitalisiert, bei­ spielsweise in ein 8 bit breites Digitalsignal.

Das digitale Bildsignal wird nun zwei parallel ge­ schalteten Komparatoren 22, 23 und zwei dazu ebenfalls parallel geschaltete Master-Slave-Flip-Flops 20, 21 geliefert, wobei das vom Analog-Digital-Wandler 27 gelieferte Bildsignal jeweils an einem Eingang 220, 230, der jeweiligen Komparatoren 22, 23 anliegt. Das gleiche Signal liegt auch am jeweiligen Eingang 200, 210 der Master-Slave-Flip-Flops 20, 21 an. In diesem Schaltungsteil, der ein Teil des in Fig. 1 schon beschriebenen Schaltungsteils 11 ist, wird das digita­ le Bildsignal auf die Minimal- und Maximalwerte hin untersucht. Am Bildanfang werden entsprechend dem Bildanfangssignal die Master-Slave-Flip-Flops 20, 21 auf ein inverses Maximum gesetzt.

Tritt während des Aufbereitungszyklus vorbestimmter zeitlicher Länge, der der Halbbildfrequenz entsprechen kann, ein neuer Extremwert auf, wird dieser auf Veranlassung der Steuerungsschaltung 24 in den jewei­ ligen Master-Slave-Flip-Flop 20, 21 übernommen. Die Ausgangswerte der Master-Slave-Flip-Flops 20, 21 werden jeweils auf ein Mittelwertsglied 13 und Diffe­ renzglied 14 gegeben, die ebenfalls Teil des im Zusammenhang mit Fig. 1 schon beschriebenen Schal­ tungsteils 11 sind.

Die Verstärkung des Videosignals 12 und die Einstel­ lung eines vorbestimmten Gleichspannungspegels zur Erreichung eines vorbestimmten Dynamikbereichs erfolgt hier auf die gleiche Weise wie im Zusammenhang mit dem in Fig. 1 oben beschriebenen Blockschaltbild.

Die Steuerung der Videosignalaufbereitung in der Schaltungsanordnung 10 kann rechnergestützt erfolgen, wobei dann die Steuerungsschaltung 24 einen Rechner symbolisiert. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Signalaufbereitung per Hand zu takten, es ist aber auch möglich, die Schaltungsanordnung 10 durch die im Videosignal selbst sich befindenden Synchronsignale steuern zu lassen.

In der Fig. 3 ist eine typische Videosignalfolge dargestellt, wie sie in die Schaltungsanordnung 10 eingekoppelt wird. Gemäß der Darstellung von Fig. 3 hat das eingekoppelte Videosignal beispielsweise einen Signalgehalt A. Zur Vergrößerung des Kontrastes des Videosignales soll der Signalgehalt A auf einen vorbestimmten größeren Wertebereich A′′ verschoben bzw. erweitert werden. A′′ setzt sich zusammen aus C+D* A, wobei der Faktor C die Verschiebung und D der Verstärkungsfaktor des Ausgangssignales ist. Wie ein Vergleich der Fig. 3 und 4 zeigt, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ein deutlich kontrastreicheres Videosignal nach der Signalaufbereitung geschaffen.

• Bezugszeichenliste:  10 Schaltungsanordnung
   11 Schaltungsteil zur Erfassung des
  minimalen und maximalen Wertes
   12 Videosignal
   12 A Videosignal ohne Synchronimpulse
   13 Mittelwertsglied
   14 Differenzglied
   15 Ausgangssignal
   16 Gleichspannungspegelsteuerschaltung
   17 Ausgangssignal
   18 Verstärkerschaltung
   19 Einrichtung zur Erzeugung von
  Bildsynchronsignalen
   20 Master-Slave-Flip-Flop (min)
  200 Eingang
   21 Master-Slave-Flip-Flop (max)
  210 Eingang
   22 Komparator
  220 Eingang
   23 Komparator
  230 Eingang
   24 Steuerungsschaltung
   26 Ausgangsschaltungsglied
   27 Analog-Digital-Wandler
   28 Sample-Hold-Schaltungsglied

Claims (9)

1. Verfahren zur Aufbereitung von Videosignalen zur Vergrößerung des Bildkontrastes, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aus einem Videosignal vorbestimmter zeitlicher Länge sowohl der minimale als auch der maximale Wert einer Bildinformation ermittelt wird, daß nachfolgend zwischen dem ermittelten minimalen und maximalen Wert ein Mittelwert gebildet wird, der das Videosignal vorbestimmter zeitlicher Länge mit einem Gleichspannungspegel (Offset) beaufschlagt, wobei im wesentlichen gleichzeitig dazu zwischen dem ermittelten minimalen und maximalen Wert ein Differenzwert ermittelt wird, der als Verstärkungsbemessungs­ größe schließlich die endgültige Verstärkung des Videosignals bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß aus dem Videosignal Synchronisations­ signale entsprechend einem Bildanfang erzeugt werden, wobei wenigstens die Ermittlung des minimalen und des maximalen Wertes zwischen Bildanfang und dem Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne erfolgt.

3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermitt­ lung des minimalen und des maximalen Wertes sowie die daraus erfolgende Ermittlung eines Durch­ schnitt- und eines Differenzwertes zyklisch und/oder zentral gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die zentrale Steuerung rechnergestützt erfolgt.

5. Schaltungsanordnung zur Aufbereitung von Video­ signalen zur Vergrößerung des Bildkontrastes zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehre­ ren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Schaltungsteil (10) zur Erfassung eines minimalen und eines maximalen Wertes einer Bildinformation eines Videosignals (12) vorbe­ stimmter zeitlicher Länge, das mit einem Mittel­ wertsglied (13), das aus dem minimalen und maximalen Wert einen Mittelwert bildet, und mit einem Differenzglied (14), das aus dem minimalen und maximalen Wert einen Differenzwert bildet, verbunden ist, wobei das Ausgangssignal (15) des Mittelwertgliedes (13) auf eine Gleichspannungs­ pegelsteuerschaltung (16) und das Ausgangssignal (17) des Differenzgliedes (14) auf eine in bezug auf das Videosignal (12) in Reihe mit der Gleich­ spannungspegelsteuerschaltung (16) liegende Verstärkerschaltung (18) gegeben wird, so daß das Videosignal (12) durch das eine Ausgangssignal (15) mit einem Gleichspannungspegel beaufschlagt wird und durch das andere Ausgangssignal (17) auf vorbestimmte Weise verstärkt wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (19) zur Erzeugung von Bildsynchronsignalen, die einen Bildanfang und nach einer vorgegebenen Zeitspanne ein Erfassungsende markieren, vorgesehen ist, und die auf den Schaltungsteil (11) zur Erfassung des minimalen und maximalen Wertes gegeben werden.

7. Schaltungsanordnung nach einem oder beiden der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungsteil (11) durch ausgangsseitig sowohl mit dem Mittelwertsglied (13) als auch mit dem Differenzglied (14) verbundene Master-Sla­ ve-Flip-Flops (20, 21) und durch zwei Komparato­ ren (22, 23) gebildet werden, wobei das Videosig­ nal (12) vorbestimmter Länge in digitaler Form auf die Eingänge (200, 210; 220, 230) der Flip- Flops (20, 21) und der Komparatoren (22, 23) geliefert wird.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Master-Slave-Flip-Flops (20, 21) von einer zentralen Steuerungsschaltung (24) entsprechend einem erkannten Wert des Videosignals gegenüber dem vorher erkannten Wert derart getaktet werden, daß der jeweils größere Wert am Ausgang des einen Master-Slave-Flip-Flops (21) erscheint, während entsprechend einem erkannten und niedrigerem Wert des Videosignals (12) gegenüber dem vorher erkannten Wert der Takt so erfolgt, daß der jeweils niedrigere Wert am Ausgang des anderen Master-Slave-Flip-Flops (20) erscheint.

9. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das die Bildsynchronsignale erzeugende Schal­ tungsglied (19) im Eingangskreis der Schaltungs­ anordnung (10) angeordnet ist.