DE3906097C2 - Automatische Schwarzwertregelschaltung - Google Patents

Automatische Schwarzwertregelschaltung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine automatische Schwarzwertregelschaltung, die beim Verarbeiten eines von einer Videokamera aufgenommenen Videosignals den Schwarzwert des Signals nach dem dunkelsten Punkt des aktuellen Bildes steuert.
Bei einem konventionellen Verfahren zum Schwarzwert- Selbstabgleich wird ein angelegtes Videosignal auf Übereinstimmung mit einem Schwarzwertpegel gesteuert, der im voraus auf einen konstanten Wert, z. B. bei geschlossenem Objektivdeckel der Videokamera, festgelegt ist (7,5% in den USA; 5,0% in Japan und 7,5% in Korea). Bei dieser Methode gibt es für die einzelnen Szenen kein unterschiedliches Bezugssignal.
Da aber der Schwarzwert nur für den Fall des geschlossenen Objektdeckels festgelegt ist, jedoch jedes Objekt eine andere Ausstrahlungsintensität besitzt, ist es im Hinblick auf die Bildschärfe ungünstig, einen festen Schwarzwertpegel für aktuele Videoaufnahmen zu nehmen. Ein ohne ein Außensignal aufgenommener Schwarzwertpegel ist eine feste Konstante. Bei einer solchen festen Konstante des Schwarzwertpegels wird aber der Pegel nicht dem dunkelsten Punkt einer beliebigen Szene entsprechen, so daß es unmöglich wird, ein der jeweiligen Szene entsprechendes scharfes Bild zu erhalten.
Daher muß im Falle eines elektronischen Außenbetriebssystems mit einer Videokamera eines Übertragungswagens oder Studios, welches elektronische Weitstreckenübertragung vornimmt, der Sendeingenieur den Schwarzwertpegel durch direkte und mittels anderer Instrumente erfolgende Beobachtung des Zustandes der von der Videokamera aufgenommenen Szene von Hand regeln.
Bei Videokameras für den Einsatz zum Beispiel bei Nachrichtenreportagen kann der dunkelste Punkt nur schwer auf den Schwarzwertpegel eingestellt werden, weil der dunkelste Punkt in jeder Szene anders ausfällt.
Aus der US 35 48 083 ist eine automatische Schwarzwertregelschaltung für eine Videokamera bekannt, in welche R-, G- und B-Videosignale eingegeben werden, mit einer Videosignaleingabe-Einrichtung zur Lieferung eines Luminanzsignals, mit einer Schwarzwertdetektoreinrichtung zur Ermittlung des Schwarzwertes der gemischten Primärfarbsignale, mit einem Schwarzwertregler, und mit einer AGC-Verstärkerschaltung mit automatischer Verstärkungsregelung. Bei der bekannten Schwarzwertregelschaltung sind ein erstes Potentiometer für die Einstellung des Schwarzwertpegels und ein zweites Potentiometer für die Einstellung der Verstärkung mechanisch miteinander gekuppelt und werden von einer gemeinsamen Steuereinrichtung betätigt. Zur Schwarzwerteinstellung wird zunächst ein mittlerer minimaler Beleuchtungswert "absolut schwarz" (der als idealer Wert in der Praxis nie erreicht wird) eine Pegeldifferenz aufweist. Die Verstärkung wird zur Erzielung einer maximalen Signalamplitudenvariation um einen Faktor 1/(1-Pegeldifferenz) erhöht, um so einen optimalen Betrieb der bekannten Videokamera zu ermöglichen, deren Irisblende in Abhängigkeit von der Beleuchtung der Szene gesteuert wird, die von der Videokamera betrachtet wird. Für die Irisblende ist ein Verstellmotor vorgesehen, der von einem Signal angesteuert wird, das aus einer Mischung der R-, G-, B-Videosignale abgeleitet wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schwarzwertsteuer- bzw. -regelschaltung zu schaffen, die nicht nur stets einen scharfen Bild ermöglicht, sondern auch durch einen automatisch auf die Gegebenheiten der Szenen hingesteuerten Schwarzwertpegel des Videosignals durch Verwendung eines Mikrocomputers und eines Schwarzwertdetektors Benutzerfreundlichkeit ergibt.
Diese Aufgabe wird durch eine automatische Schwarzwertregelschaltung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Schwarzwertreglers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ein Schaltbild zu Fig. 1;
Fig. 3 eine jeweils entsprechende Wellenform an einem entsprechenden Knotenpunkt; und
Fig. 4 Wellenformen, die jeweils zu den Farben rot, grün und blau gehören, sowie einen synthetischen Zustand eines NAM-Videosignals oder eines Leuchtdichte-Videosignals, das in der Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Schwarzwertreglers, bei dem Videosignale rot R, grün G und blau B, welche an der Eingangsklemme I2 eingegeben werden, an den Schwarzwertregler 40 und außerdem über eine Verstärkerschaltung (10) mit automatischer Amplitudenregelung 10 (AGC) an den Schwarzwertregler 40 angelegt werden. Ein Videoausgangssignal wird über eine Ausgangsklemme O1 an die nächste angekoppelte (nicht gezeigte) Stufe angelegt. In den beigefügten Zeichnungen und in der Beschreibung werden die Videosignale nur für einen der Schwarzwertregler beschrieben und geschaltet, obwohl es für jedes Videosignal rot, grün und blau jeweils einen entsprechenden Schwarzwertregler gibt. Der Aufbau und die Betriebsweise der übrigen Schwarzwertregler ist gleich.
Ein an eine Eingangsklemme I3 gelegtes NAM-Videosignal oder ein Leuchtdichte-Videosignal wird vom Schwarzwertdetektor 20 auf einen gleichmäßigen Gleichstrompegel demoduliert. Der Gleichstrompegel wird über den Mikrocomputer 30 an den Schwarzwertregler 40 gelegt, während der Schwarzwertpegel des Videoausgangssignals durch die Steuerung des Mikrocomputers 30 geregelt wird.
Wenn eine Videokamera mit den definitiven Ausgangssignalen rot, grün und blau durch weiße Farbe belichtet wird, nimmt das NAM-Videosignal die Signalform NAM = (R+G+B)/3 an, wie in Fig. 4 gezeigt ist.
Diese Videosignale R, G und B haben identische Amplituden H und Pulsbreiten V, so daß ein identisches NAM-Signal mit den Signalen R, G und B erhalten wird.
Fig. 2 stellt das Schaltbild zu Fig. 1 dar, in welchem der Schwarzwertdetektor 20 das NAM-Videosignal der Eingangsklemme I3 an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP2 anlegt, und zwar über den mit den Widerständen R12-R14 verbundenen invertierenden Operationsverstärker OP1. Versorgungsspannungen VCC und VDD werden durch eine Rückkopplungs-Zeitkonstante geklemmt, die aus einer Diode D4, Widerständen R18 und R19 und einem Kondensator C8 erzeugt wird, wobei eine Bezugsspannung VJ über einen variablen Widerstand VR3 und Widerstände R15 und R16 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP2 angelegt wird.
In der nächsten Kaskadenstufe sind Kreise zur Erfassung des gleichförmigen Gleichstrompegels mit Hilfe eines invertierenden Integrier-Operationsverstärkers OP3 angeordnet, an den Widerstände R20 und R21 sowie ein Kondensator C9 angeschlossen sind. Ein an die Eingangsklemme I4 während der Rückkopplungsperiode angelegter Vertikal-Klemmimpuls steuert einen Feldeffekttransistor F2, der über den Widerstand R17 an den invertierenden Integrier-Operationsverstärker OP3 angeschlossen ist, derart, daß die erfaßten Werte des Gleichstrompegels bei jeder konstanten Vertikalperiode zurückgestellt werden.
Die Eingangsklemme I2, welche die Videosignale R, G und B empfängt, ist an einen Transistor Q1 im Schwarzwertregler 40 und weiter über die Widerstände R1 und R2 an die AGC-Verstärkerschaltung 10 angeschlossen. Ein Ausgangssignal der AGC-Verstärkerschaltung 10 steuert über den Widerstand R4 den Transistor Q1 zur Signalverstärkung an. Das verstärkte Ausgangssignal wird in den Puffertransistor Q2 eingegeben, der mit dem Vorspann-Widerstand R5 verbunden ist. Die Vorspannung des Transistors Q1 wird dadurch gesteuert, daß sowohl die Integrationszeitkonstante des Widerstandes R3 und des Kondensators C1, als auch der variable Widerstand VR1 aufeinander abgestimmt werden. Gleichzeitig wird das Videosignal über den Widerstand R6 an die Ausgangsklemme O1 angelegt.
Das Ausgangssignal des Schwarzwertdetektors 20 parallel zum Mikrocomputer 30 dient zur Einstellung der Vorspannung des Transistors Q1 über die Widerstände R9, R11, die Dioden D1-D3, den variablen Widerstand VR2 und den Integrier-Operationsverstärker OP4 mit den Kondensatoren C3-C6. Ein über die Eingangsklemme I1 angelegter Horizontal-Klemmimpuls steuert einen Feldeffekttransistor F1, der mit den Vorspannwiderständen R7 und R8, dem Integrier-Operationsverstärker OP4 und der Ausgangsklemme O1 verbunden ist. Mit dieser Schaltung wird das Videoausgangssignals auch geklemmt.
Die Symbole SW1 und SW2 bezeichnen Handschalter, die mit dem Eingang und dem Ausgang des Mikrocomputers 30 gekoppelt sind: der Schalter SW1 steuert den Mikrocomputer 30, während der Schalter SW2 zur Steuerung der Ausgabe des Leit-Schwarzwertreglers 20 dient.
Der Mikrocomputer 30, der mit 8-Bit-Elementen arbeitet, gleicht den Unterschied zwischen dem an die Klemme P1 angelegten Gleichstrompegel und dem im Rechner programmierten Bezugssignal aus.
Die Klemme P1, bei der es sich um eine Eingangsklemme für die Datenerfassung handelt, empfängt ein durch Umwandlung im Rechner erzeugtes Analog-Digital-Signal, während die Klemme P2 zur Kontrolle des Ein-Aus-Eingangssignals des Schwarzwertreglers dient.
Die Klemme P3 ist eine Ausgangsklemme. Im Mikroprozessor 30 kann das HD6303-Element, Hersteller Fa. HITACHI, verwendet werden.
Fig. 3 zeigt je eine entsprechende Wellenform zu je einem entsprechenden Knoten in der in Fig. 2 dargestellten Schaltung.
Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende.
Gemäß Fig. 2 erfaßt der Schwarzwertdetektor 20 das an die Eingangsklemme I3 angelegte NAM-Videosignal, welches den Wert (R+G+B)/3 beim Weißfarbenfotografieren besitzt, und erzeugt einen gleichförmigen Gleichstrompegel.
Das an die Eingangsklemme I3 angelegte NAM-Videosignal wird durch den invertierenden Operationsverstärker OP1 verstärkt und besitzt die Wellenform E gemäß Fig. 3. Diese Wellenform E wird an die nichtinvertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers OP2 angelegt, während die durch Teilung der Versorgungsspannung mit Hilfe der Widerstände R15 und VR3 erzeugte Spannung VJ an die invertierende Klemme des Operationsverstärkers OP2 angelegt wird. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP2 wird durch die Klemmdiode D4 und durch die durch die Widerstände R16 und R19 sowie den Kondensator C8 verursachte Rückkopplungs-Zeitkonstante auf die in Fig. 3 veranschaulichte Wellenform F geklemmt. Der Kondensator C8 und der Widerstand R19 werden dabei benutzt.
Das geklemmte Ausgangssignal E gemäß Fig. 3 wird an die invertierende Klemme des mit den Widerständen R20 und R21 sowie dem Kondensator C9 verbundenen invertierenden Integrier-Operationsverstärkers OP3 angelegt und in ein Gleichstrom-Ausgangssignal mit Pegel Vf geändert. Mit anderen Worten: wenn während einer Austastdauer ein Vertikal-Klemmsignal an die Eingangsklemme I4 gelegt wird, wird der Feldeffekttransistor F2 durch den Widerstand R17 eingeschaltet, und das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP3 wird durch den Feldeffekttransistor F2 in jeder Vertikalperiode zurückgestellt.
Deshalb kann das an die Eingangsklemme I3 nach einer Vertikalperiode angelegte NAM-Videosignal oder Leuchtdichte-Videosignal als ein gleichförmiger Gleichstrompegel Vf erfaßt werden.
Das an die Eingangsklemme I3 angelegte NAM-Videosignal entspricht (R+G+B)/3 und die Größe jedes Signals R, G und B von Spitze zu Spitze ist stets die gleiche. In diesem Falle kann ein Leuchtdichtesignal anstelle des NAM-Videosignals verwendet werden, aber das genannte Signal, bei dem die Relationen zwischen R, G und B den Werten 1:1:1 bei der Signalverarbeitung in der Fotografie entsprechen, wird im Anwendungsbereich der Videokamera ohne Modulation verwendet.
Aus diesem Grunde erfaßt der Mikroprozessor 30 den Gleichstrompegel des an die Eingangsklemme P1 angelegten NAM-Videosignals, vergleicht ihn mit dem intern programmierten Bezugspegel und erzeugt ein an die Klemme P3 geliefertes Ausgangssignal, welches der beim Vergleich entstehenden Differenz entspricht.
Im Leit-Schwarzwertregler 40 wird der Leit-Schwarzwertpegel der an die Eingangsklemme I2 angelegten Signale R, G und B automatisch gesetzt und durch den Verstärker 10 verstärkt.
Dieser AGC-Verstärker, bei dem es sich um einen für Strahlung hoher Intensität geeigneten Dynamikpresser handelt, der jedes Signal mit einer Verstärkung oberhalb des festgelegten Pegels verdichtet, erzeugt ein gleichmäßiges Signal mit einem konstanten Pegel von etwas mehr als 0% bis 110% (Fig. 3). Durch dieses erzeugte gleichmäßige Signal wird der Transistor Q1 durch den Vorspannwiderstand R4 eingeschaltet.
Wenn der Transistor Q1 eingeschaltet ist, wird eines der verstärkten Videosignale R, G und B an den Leit-Schwarzwertregler 40 und, durch den mit dem Vorspannwiderstand R5 verbundenen Transistor Q2, an die Klemme O1 angelegt. Gleichzeitig wird die Vorspannung des Transistors Q1 durch die Zeitkonstante des Rückkopplungs-Integrators, bestehend aus den Widerständen R3 und VR1 sowie dem Kondensator C1 gesteuert. Zu diesem Zeitpunkt ist die Rückkopplung negativ.
Da die geteilten Spannungen der Versorgungsspannungen VCC und VDD über die Widerstände R9, R10 und VR2 an die invertierende Eingangsklemme geschaltet werden, trägt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP4 dazu bei, die Vorspannung des Transistors Q1 einzuregeln, wobei die Beziehung VCC <VDD gilt. Bei der Lieferung einer gleichmäßigen Gleichstromleistung wirken die Kondensatoren C3 und C4 durch ihre Verknüpfung mit den Widerständen R9, R10, R11 und VR2 mit. Die Dioden D1, D2 und D3 dienen zur Temperaturkompensation. Der mit dem invertierenden Verstärker OP4 verbundene Feldeffekttransistor F1 wird durch den an den invertierenden Operationsverstärker OP4 angelegten Klemmimpuls H gesteuert. Der Klemmimpuls wird synchron mit dem Horizontal-Synchronsignal ausgegeben.
Deshalb wird mit dem Zuwachs des Emitter-Ausgangsstromes des Transistors Q2 die Verschiebespannung durch den Kondensator C5 abgeglichen, der über den Transistor F1 vom Ausgang des Transistors Q2 her geladen wird, und durch den der invertierende Operationsverstärker OP4 zur Stabilisierung der Ausgabe des Transistors Q1 gesteuert wird.
Zum Schluß wird der Schwarzwertpegel des Videosignals - das Ausgangssignal des Transistors Q1 - durch die Kombination der Widerstände R9-R11 und den veränderlichen Widerstand VR2 definiert.
Wie oben dargelegt, werden bei der automatischen Regelung des Schwarzwertpegels der durch den veränderlichen Widerstand VR2 definierte Ausgangswert und der an der Klemme P3 im Mikrocomputer 30 anstehende Ausgangswert zusammengefaßt, um den Schwarzwertpegel des Videosignals zu steuern. Das bedeutet, daß der Mikrocomputer 30, wie in Fig. 3 gezeigt, den Schwarzwertpegel durch das intern programmierte Bezugssignal zum NAM-Videosignal Vf regelt, das durch Integration des invertierten Klemmsignals gewonnen wird.
Das an die Eingangsklemme I2 angelegte Videosignal B wird als ein verdichtetes Signal C mit Strahlungsüberintensität durch den AGC-Verstärker 10 ausgegeben, wie Fig. 3 zeigt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit dem verdichteten Signal mit Strahlungsüberintensität der hohe Verstärkungspegel kompensiert.
Um den dunkelsten Punkt des Videosignals mit dem Schwarzwertpegel in Übereinstimmung zu bringen, wird der dunkelste Punkt im NAM-Signal erfaßt und in einen Gleichstrompegel umgewandelt, und dann wird der dunkelste Punkt automatisch durch den Mikrocomputer 30 auf den Schwarzwertpegel eingeregelt.
Die Ausgabe des Operationsverstärkers OP4 steuert die Ausgänge der Transistoren Q1 und Q2 so, daß der niedrigste Videosignalpegel von X % in der Ausgabe des Transistors Q2 auf 7,5% geändert wird, entsprechend der Wellenform D gemäß Fig. 3.
Der Schwarzwertpegel kann, wenn der Optikdeckel der Videokamera geschlossen ist, von einem Anfangswert von 7,5% auf einen negativen Wert verringert werden.
Zusammenfassend gesagt, laufen die oben erläuterten Betriebsvorgänge wie folgt ab. Wenn die mit dem Mikrocomputer 30 gekoppelten Schalter SW1 und SW2 ausgeschaltet sind, ist die Klemme P3 ebenfalls abgetrennt, so daß der Schwarzwertpegel des Videosignals manuell durch den veränderlichen Widerstand VR2 eingeregelt werden muß, weil die Versorgungsspannungen VCC, VDD durch die Widerstände R9, R10, R11 und VR2 abgeglichen werden. Bei eingeschalteten Schaltern SW1 und SW2 wird das an der Eingangsklemme I4 anliegende NAM-Videosignal in einen gleichmäßigen Gleichstrompegel demoduliert. Unter Verwendung dieses gleichmäßigen Gleichstrompegels durch den Mikrocomputer 30 wird der niedrigste Leit-Schwarzwertpegel von X % des Videosignals auf einen Wert unter 7,5% entsprechend der Wellenform D gemäß Fig. 3 heruntergeregelt. Somit kann bei jeder Szene automatisch ein scharfer Bildschirm erzeugt werden.
Durch Anwendung der vorliegenden Erfindung bei einer Videokamera wird die Verstärkungsbandbreite verbessert. Weiter ist die vorliegende Erfindung in weitem Umfange für Monitore und videobezogene Ausrüstungen anwendbar.
Wie oben beschrieben, schafft die vorliegende Erfindung einen automatischen Schwarzwertregler, der durch die automatische Regelung des Schwarzwertes des Videosignals infolge Verwendung des demodulierten konstanten Gleichstromes, abgeleitet vom dunkelsten Punkt, die Bildqualität verbessert. Weiter verbessert das automatische Steuerverfahren die Bedienungsfreundlichkeit und Zuverlässigkeit.

Claims (5)

1. Automatische Schwarzwertregelschaltung für eine Videokamera, in welche R-, G-, B-Videosignale eingegeben werden, mit einer Videosignaleingabeeinrichtung zur Lieferung eines NAM-Videosignals, welches bei einer aufgenommenen Weißfläche den Wert (R+G+B)/3 annimmt, mit
  • a) einer Schwarzwertdetektoreinrichtung (20) zur Ermittlung des Schwarzwertes des NAM-Videosignals und zur Umwandlung des Schwarzwertes in einen Gleichspannungswert,
  • b) einer Mikroprozessorsschaltung (30) zum Vergleich des Gleichspannungswertes mit einem inneren vorgegebenen Referenzwert und zur Ausgabe eines Vergleichssignals,
  • c) einer AGC-Verstärkerschaltung (10), welche die eingegebenen R-, G-, B-Videosignale oberhalb eines bestimmten Wertes komprimiert, und
  • d) einem Schwarzwertregler (40), in dem das Vergleichssignal der Mikroprozessorschaltung (30) und das Ausgangssignal der AGC-Verstärkerschaltung (10) zur Einstellung des Schwarzwertes und der Verstärkung der R-, G-, B-Videosignale verarbeitet werden.
2. Automatische Schwarzwertregelschaltung für eine Videokamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwarzwertregler (40) einen ersten und zweiten Transistor (Q1/2) zur Signalverstärkung/Pufferung, eine Klemmschaltung (FF1, C5, R7) und eine Integrierschaltung (OP4, C3-6) aufweist.
3. Automatische Schwarzwertregelschaltung für eine Videokamera nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwarzwertregler (40) weiterhin folgendes umfaßt:
  • - Treibermittel zum Aussteuern des ersten und zweiten Transistors, wobei der erste Transistor (Q1) über einen ersten Vorspannwiderstand (R4) durch das Ausgangssignal der genannten AGC-Verstärkerschaltung (10), und der zweite Transistor (Q2) über einen zweiten Vorspannwiderstand (R5) durch ein Ausgangssignal des ersten Transistors (Q1) angesteuert wird, und wobei ein Ausgangsvideosignal vom zweiten Transistor an die mit einer Ausgangsklemme (O1) verbundene Klemmschaltung angelegt wird; und
  • - einen Widerstand (R3), einen Kondensator (C1) und einen veränderlichen Widerstand (VR1) zur Einstellung der Vorspannung des ersten Transistors.
4. Automatische Schwarzwertregelschaltung für eine Videokamera nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwarzwertdetektor (20) folgendes umfaßt:
  • - invertierende Verstärkungsmittel mit einem ersten Operationsverstärker (OP1) und Widerständen, wobei an den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (OP1) das NAM-Videosignal angelegt wird, welches während der Austastlücke einen konstanten Wert besitzt;
  • - eine Schaltung mit einem zweiten Operationsverstärker (OP2), dessen Ausgangssignal durch Vergleich einer Bezugsspannung mit dem an den nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers (OP2) angelegten Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers (OP1) erhalten wird, wobei die Bezugsspannung an dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers (OP2) von einer Versorgungsspannung abgeleitet wird, und wobei eine Rückkopplung mit einer Rückkopplungszeitkonstante erfolgt, die durch die Kombination einer Diode (D4), eines Widerstandes (R19) und eines Kondensators (C8) zustande kommt;
  • - Integratorschaltung, die einen dritten Operationsverstärker (OP3), Widerstände und einen Kondensator (C9) verwendet, und das Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers in einen Gleichspannungswert (Vf) umwandelt, und
  • - Rückstellmittel (F2), die gesteuert von einem Vertikalklemmimpuls das Ausgangssignal des dritten Operationsverstärkers auf einen konstanten Pegel zurücksetzen.
5. Automatische Schwarzwertregelschaltung für eine Videokamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das an den Schwarzwertdetektor (20) angelegte Signal ein Leuchtdichtesignal ist.
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