DE4432788A1

DE4432788A1 - Verfahren und Schaltung zur Erzeugung eines zusammengesetzten Videosignals

Info

Publication number: DE4432788A1
Application number: DE4432788A
Authority: DE
Inventors: Rainer Gehrmann
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: BTS Holding International BV
Priority date: 1994-09-15
Filing date: 1994-09-15
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2014-09-16
Also published as: GB2293515B; GB2293515A; JPH0898090A; JP3987592B2; GB9518694D0; DE4432788B4; US5644365A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines aus geformten Vordergrund- und Hintergrundsignal zusammengesetzten Videosignals gemäß dem sogenannten Helligkeits-Selbsttastens (Luminanz Self-key) wobei das Tastsignal (k) vom Luminanz-Vordergrundsignal in Abhängigkeit eines Abschneidepegels abgeleitet wird, sowie eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.

In der Fernsehtechnik gibt es verschiedene Verfahren, um mehrere Bilder bzw. deren entsprechende Videosignale miteinander zu mischen. Ein häufig angewandtes Verfahren ist das Überblenden bzw. Schalten zweier Bildsignalquellen, von denen die eine das Vordergrundsignal und die andere das Hintergrundsignal liefert. Mit Hilfe eines (meist vom Vordergrundsignal abgeleiteten) Steuer- oder Tastsignals - im englischen Key-Signal genannt - können diese Signale innerhalb einer Bildperiode in Abhängigkeit einer im Videosignal vorkommenden einstellbaren Farbe oder eines einstellbaren Pegels automatisch so umgeschaltet werden, daß bei Erreichen dieser einstellbaren Werte innerhalb eines Bildes anstelle des Vordergrundsignals das Hintergrundsignal weitergeleitet bzw. wiedergegeben wird, wobei im Falle der einstellbaren Farbe das Überblenden als Farbtasten oder auch Chromakey und im Falle des einstellbaren Pegels als Helligkeitstasten oder auch Luminanzkey bezeichnet wird. Wenn beim Helligkeitstasten das Tastsignal vom Vordergrundsignal abgeleitet wird, und zwar in Abhängigkeit eines Abschneidepegels und einer einstellbaren Verstärkung, dann wird das Verfahren Helligkeits-Selbsttasten oder Luminanz Self-key genannt.

Beim Helligkeits-Tastverfahren (Luminanzkey) erfolgt die Überblendung von Vordergrundsignal FG und Hintergrundsignal BG in Abhängigkeit eines einstellbaren Abschneidepegels Clip durch das Helligkeitssignal Y einer dritten Bildquelle. Gemäß Fig. 1a wird also vom Helligkeitssignal Y mittels des Abschneidepegels Clip, der eine 50%-Blendung festlegt, ein Tastsignal k gemäß Fig. 1b abgeleitet, welches für die Überblendung des Vordergrundsignals FG auf das Hintergrundsignal BG gemäß Fig. 1c zur Erzeugung eines zusammengesetzten Ausgangssignals Vo dient. Im wiedergegebenen Bild erscheint dann an den Stellen das Vordergrundbild FG, an denen das Helligkeitssignal Y den Abschneidepegel Clip deutlich überschreitet, und an den anderen Stellen das Hintergrundbild BG, an denen das Helligkeitssignal den Abschneidepegel Clip deutlich unterschreitet.

Der Bereich der linearen Überblendung, der symmetrisch um den Abschneidepegel Clip herum liegt, kann auch alternativ mit einem Parameter Gain eingestellt werden. Außerdem ist der Überblendungsbereich auch noch von den Minimums- und Maximumsgrenzen Yu und Yo bestimmbar. Die Überblendung erfolgt meist nach der Blendformel:

Vo = k_*FG+(1-k)_*BG, (1)

wobei Vo das beim Überblendvorgang entstehende, aus Vordergrundsignal FG und Hintergrundsignal BG zusammengesetzte Ausgangssignal ist,
und wobei k das Steuer- oder Tastsignal (Key-Signal) ist, welches aus der Helligkeitsinformation Y der dritten Quelle durch Verarbeitung mit einer sogen. Clip- und Gain-Schaltung abgeleitet wurde. Dabei hat k den Wert 1, wenn das Signal Y größer ist als Yo und den Wert Null, wenn das Signal Y kleiner ist als Yu. Dazwischen nimmt das Tastsignal k Werte zwischen 0 und 1 an. Während dieser Überblendphase wird also nur ein Bruchteil des Vordergrundsignals FG weitergegeben, aber durch einen komplementären Bruchteil (1-k) des Hintergrundsignals BG ergänzt.

Wie oben beschrieben, gibt es grundsätzlich zwei Arten, den Verlauf des Tastsignals k zu definieren. Einerseits kann dies mit Hilfe des Abschneidepegels Clip und/oder des Parameters Gain geschehen, wobei jedoch in diesem Fall gleichzeitig die beiden Grenz-Parameter Yu und Yo beeinflußt werden, ab denen definitive Vordergrundsignal- oder Hintergrundsignal-Zustände erreicht werden. Andererseits kann dies mit Hilfe der den Proportionalbereich definierenden beiden Größen Yu und Yo erfolgen. Dann läßt sich der untere Abschneidepegel Yu unabhängig von dem oberen Pegel Yo festlegen und umgekehrt.

Für das Tastsignal k läßt sich mit dem Ansatz

(Yo-Yu)/1=(Y-Yu)/k, (2)

welcher jeweils bestimmte Y-Differenzen mit den zugehörigen k-Werten ins Verhältnis setzt, folgender Zusammenhang angeben:

k=(Y-Yu)/(Yo-Yu) bei 0<k<1 (3)

Eine Überblendung nach Gleichung (1) kann zwischen den Begrenzungsbereichen als linear bezeichnet werden, da ein linearer Zusammenhang zwischen dem Tastsignal k und dem Ausgangssignal Vo besteht. Dies gilt allerdings nur, wenn die Vordergrund- und die Hintergrund-Signalquelle von einer dritten, separaten Signalquelle gesteuert werden.

Wie bereits oben ausgeführt, wird beim sogenannten Helligkeits-Selbsttastverfahren (Luminanz Self-key) das Tastsignal k vom Vordergrundsignal FG abgeleitet, d. h. hierbei ist die steuernde Bildsignalquelle mit der gesteuerten Bildsignalquelle FG identisch. Die FG-Quelle blendet sich sozusagen selbst ein. Die Gleichung (1) zur Überblendung der beiden Quellen ist zwar dieselbe, aber es gibt jetzt eine doppelte Abhängigkeit von demselben Luminanzsignal. Das Tastsignal k ist jetzt durch lineares Verarbeiten aus genau demselben Vordergrundsignal FG hervorgegangen, mit dem es anschließend multipliziert werden soll. Durch diese sogen. "Doppel-Multiplikation" des Vordergrundsignals FG entsteht ein quadratischer Zusammenhang zwischen Vordergrundsignal FG und dem Produkt k_*FG.

Die Folge eines solchen quadratischen Zusammenhangs ist, daß während des Überblendvorgangs die Vordergrundhelligkeit unterbewertet ist. Gemäß Fig. 1d entsteht somit im Übergangsbereich von FG nach BG ein unterschiedlich starker Signalmangel (schwarz), der zu einer schwarzen Linie entlang der Tastsignalkante führt. Dieser Überblendvorgang findet an jeder Objektkante des Bildinhalts vom Vordergrundsignal FG statt, an der ein Tastsignalwechsel generiert wird.

Zur besseren Vorstellung sei angenommen, daß das Vordergrundsignal helle Schrift auf dunklem Grund darstellt. Durch den Tastvorgang soll der dunkle Grund von der Schrift getrennt und durch das Hintergrundsignal ersetzt werden. An allen Schriftkanten findet der obengenannte Überblendvorgang vom Vordergrundsignal zum Hintergrundsignal bzw. umgekehrt statt. Das bedeutet, daß an allen Schriftkanten dunkle Ränder entstehen, die insbesondere dann störend hervortreten, wenn der neue Hintergrund für die helle Schrift ebenfalls relativ hell ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltung der eingangs genannten Art anzugeben, womit diese störenden Kanten unterdrückt werden können.

Aus der EP 0 360 518 B1 ist bereits eine Einrichtung und ein Verfahren bekannt, womit beim Luminanz Self-key diese sogen. "Doppelmultiplikation" vermieden werden kann, indem an Stelle der Vordergrund-Multiplikation mit dem Tastsignal k eine Subtraktion des mit dem komplementären Tastsignal bewerteten unteren Abschneidepegels vom Vordergrundsignal durchgeführt wird. Da jedoch die Subtraktion in diesem Falle sinnvollerweise nur für das Helligkeitssignal erfolgen kann, ist der zugehörige Chrominanzwert beliebig. Es steht also kein definitiver Abschneidepegel für die Chrominanzwert-Subtraktion zur Verfügung, so daß für das Chrominanzsignal die bisher bekannte Blendung durch Multiplikation mit dem Tastsignal durchgeführt werden muß (s. dazu auch Zeitschrift "JSMPTE", März 1991, Seite 178 bis 181, insbesondere Seite 181, Absatz 2).

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß diese störenden schwarzen Kanten sowohl für das Luminanz- als auch für das Chrominanzsignal beseitigt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich. In weiteren Unteransprüchen ist eine vorteilhafte Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 grafische Darstellungen der zu verarbeitenden Signale nach bisher bekannten Verfahren,

Fig. 2 grafische Darstellungen der erfindungsgemäß zu verarbeitenden Signale,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Nachdem anhand von Fig. 1 die bisher bekannten Verfahren in der Einleitung angegeben wurden, sollen nun bezugnehmend auf Fig. 2 das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben werden.

Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, die Entstehung der genannten quadratischen Abhängigkeit des Helligkeitssignals bei der Produktbild zu vermeiden. Da die doppelte Multiplikation nur beim Tastsignal k, nicht jedoch bei dessen Komplement in der Gleichung (1) auftritt, soll das Signal k durch ein neues Steuersignal h mit einem derartigen hyperbolischen Verlauf ersetzt werden, daß damit die unerwünschte quadratische Abhängigkeit aufgehoben wird:

Vo=h_*FG+(1-k)_*BG (4)

Dabei ist h_*FG derjenige Teil des Ausgangssignals Vo, der üblicherweise als "Fill-Signal" bezeichnet wird, da er die ausgestanzten Löcher im Bildhintergrund füllt. Dementsprechend kann

h_*Y_FG=Y_Fill (5)

als Fill-Helligkeitssignal oder Fill-Luminanzsignal bezeichnet werden.

Fig. 2a zeigt den zeitlichen Verlauf eines Vordergrund- Luminanzsignals Y_FG, welches zur Verdeutlichung der Zusammenhänge hier als zeitlinear angenommen wurde. Der Verlauf des zugehörigen Chrominanzanteils des Vordergrundsignals FG ist dabei zunächst irrelevant. Angestrebtes Ziel einer linearen Tastsignal-Verarbeitung ist ein Y_Fill-Signal nach Fig. 2b. Dabei ist angenommen, daß bis zu einem unteren Luminanz-Pegel Yu das Y_FG-Signal unterdrückt wird, ab einem oberen Luminanz-Pegel Yo das Y_FG-Signal unverändert übertragen wird und in dem wichtigen Bereich dazwischen ein linearer Zusammenhang besteht zwischen dem Y_FG- Signal und dem resultierenden Fill-Signal Y_Fill.

In Fig. 2c ist das Tastsignal k dargestellt, welches zum Beispiel durch übliche Tastsignalverarbeitung mittels Abschneidepegel (Clip) und Verstärkung (Gain) entsteht. Dieses Signal soll später durch das vorverzerrte Signal h ersetzt werden. Es wird aber zunächst weiterhin benötigt zur Bildung des komplementären Signals (1-k) nach Fig. 2d, mit dem die Hintergrund-Einblendung vorgenommen werden soll. Das komplementäre Signal (1-k) nach Fig. 2d hat seinen "1-Zustand" dort, wo Y_FG den unteren Luminanzpegel Yu noch nicht überschritten hat (100% Hintergrundeinblendung) und seinen "0-Zustand" dort, wo Y_FG den oberen Luminanzpegel Yo überschritten hat (keine Hintergrundeinblendung).

Zur Vermeidung dieser "Doppelmultiplikation" sollte - wie bereits erwähnt - die Erzeugung des Fill-Luminanzsignals Y_Fill im Proportionalbereich eigentlich nicht durch Multiplikation (Blendung) des Vordergrund-Luminanzsignals Y_FG mit einem Tastsignal k erfolgen, sondern - wie auch in EP 0 360 518 angegeben - durch Subtraktion des bewerteten unteren Luminanz- Signalpegels Yu, wobei Yu derjenige Luminanz-Signalanteil ist, welcher vollständig aus dem Vordergrundsignal FG entfernt werden sollte. Der Bewertungsfaktor müßte dabei das komplementäre Tastsignal (1-k) sein, weil dadurch eine vollständige Luminanzsignal-Entfernung im Hintergrundbereich erreicht wird, während der Vordergrundbereich (Y_FG oberhalb von Yo) unberührt bleibt. Dazwischen gibt es den Proportionalbereich, bei dem die Subtraktion mit wachsendem Luminanzsignalpegel linear abnimmt.

Mit Hilfe des komplementären Tastsignals (1-k) läßt sich der oben geforderte subtraktive Zusammenhang für das Fill- Luminanzsignal Y_Fill wie folgt angeben:

Y_Fill = Y_FG-(1-k)_*Yu, (6)

siehe dazu insbesondere die Fig. 2a, 2d und 2b. Die Subtraktion von (1-k)_*Yu vom Signal Y_FG führt bis zu der Stelle Y_FG=Yu zu negativen Werten, welche auf Null begrenzt werden. Von hier ab nimmt der Subtrahend linear ab, d. h. das Signal Y_Fill nähert sich linear dem Signal Y_FG. Ab Y_FG=Yo ist der Subtrahend Null, also ist das Signal Y_Fill=Y_FG. Die Subtraktion ergibt tatsächlich den gewünschten Verlauf, wie er in Fig. 2b als Ziel gefordert wurde. Diese Vorgehensweise ist allerdings, wie erwähnt, nur auf das Luminanzsignal anwendbar.

Jetzt gibt es aber neben der Blendformel nach Gleichung (5) mit der Subtraktionsformel von Gleichung (6) einen zweiten Ansatz zur Bestimmung des Signals Y_Fill. Durch Gleichsetzung dieser beiden Formeln h_*Y_FG=Y_FG-(1-k)_*Yu ergibt sich:

h=1-(1-k)_*Yu/Y_FG bei 0<h<1 (7)

Erfindungsgemäß wird nun diese Gleichsetzung der Fill- Luminanzsignale und Anwendung des resultierenden Tastsignals h nicht nur auf das Fill-Luminanzsignal, sondern auch auf die Fill-Chrominanz-Komponenten Cr und Cb vorgeschlagen. Das heißt, im Falle des Luminanz-Self-key-Verfahrens wird eine Blendung nach Gleichung (4) vorgenommen mit einem Tastsignal h nach Gleichung (7) zur Blendung aller drei Vordergrund- Komponenten Y, Cr und Cb, wobei das Tastsignal k in Teilbereichen direkt proportional zum Vordergrund- Luminanzsignal Y_FG ist und wobei Yu den unteren Abschneidepegel des Vordergrund-Luminanzsignals Y_FG darstellt.

Bei der die allgemeinste Form der Lösung darstellenden Gleichung (7) ist aber nachteilig, daß hier noch die Abhängigkeit von zwei verschiedenen Signal-Variablen, nämlich Y_FG und (1-k) besteht. Ziel sollte jedoch sein, die Abhängigkeit auf eine Variable zu beschränken. Je nachdem, ob das Vordergrund-Luminanzsignal Y_FG oder das Tastsignal k zur alleinigen Steuergröße gemacht werden soll, ergeben sich dadurch zwei verschiedene Ausführungsformen der Gleichung (7).

Wenn das Tastsignal k die einzige Steuergröße sein soll, muß Y_FG (=Y) mit Hilfe von Gleichung (3) ersetzt werden. Daraus ergibt sich:

Wenn dagegen das Vordergrund-Luminanzsignal Y_FG die einzige Steuergröße sein soll, muß k ersetzt werden mit Hilfe von Gleichung (3). Daraus ergibt sich:

Somit wird das neue Tastsignal h in beiden Fällen nur noch von einer Größe gesteuert, da Yo und Yu nur statische Parameter sind. Der zeitliche Verlauf des Tastsignals h für das gewählte Beispiel ist in Fig. 2e dargestellt. Es ist genau derjenige Verlauf, der benötigt wird, um durch Multiplikation mit dem Vordergrundsignal Y_FG den geforderten linearen Y_Fill- Zusammenhang herzustellen.

In Fig. 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Gleichung (8) dargestellt. Das beispielsweise aus digitalen Komponenten Y, Cr, Cb bestehende Vordergrundsignal FG wird von einem Eingang 1 an den ersten Eingang eines Multiplizierers 2 geführt, während das davon entnommene Helligkeits- oder Luminanzsignal Y_FG einer Tastsignalerzeugerschaltung 3 zugeleitet wird. Aus dem Signal Y_FG wird - in bekannter Weise und wie oben beschrieben - durch Steuerung mit Yu und Yo bzw. mit dem einstellbaren Abschneidepegel Clip und der vorwählbaren Verstärkung Gain ein nachverstärktes, begrenztes Tastsignal k sowie dessen Komplement (1-k) erzeugt. Mit dem Tastsignal k wird nun eine Tabelle in einem Schreib-Lese-Speicher (RAM) 4 adressiert, in welcher der Zusammenhang zwischen dem vorverzerrten Tastsignal h und dem linearen Tastsignal k gemäß Gleichung (8) für alle möglichen k-Werte vorab berechnet und dort abgelegt ist. Die Vorabberechnung der h-Werte kann zum Beispiel in einem in der Figur nicht dargestellten Digital- Signal-Prozessor erfolgen, der auch in der Lage ist, eine schnelle Aktualisierung vorzunehmen, wenn sich zum Beispiel die Parameter Yu und/oder Yo bzw. Clip und/oder Gain verändern. Während des Überblendvorganges werden diese h-Werte abgerufen und an den zweiten Eingang des Multiplizierers 2 gelegt, an dessen Ausgang dann das sogenannte Fill-Signal abnehmbar ist.

Das ebenfalls aus digitalen Komponenten Y, Cr, Cb bestehende Hintergrundsignal BG wird über einen Eingang 6 dem ersten Eingang eines zweiten Multiplizierers 7 zugeführt, an dessen zweiten Eingang das komplementäre Tastsignal (1-k) anliegt. Am Ausgang des Multiplizierers 7 ist dann das entsprechend getastete Hintergrundsignal BG abnehmbar. Die Ausgangssignale der Multiplizierer 2 und 7 werden nun noch je einem Eingang eines Addierers 8 zugeführt, so daß an dessen Ausgang 9 das aus Vordergrund- und Hintergrundsignal zusammengesetzte resultierende Videoausgangssignal Vo abnehmbar ist.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von dem nach Fig. 3 durch die Auswertung des Schreib-Lese-Speichers 4′. Hier wird anstelle des Tastsignals k das Vordergrund- Luminanzsignal Y_FG zur Adressierung der im Speicher 4′ enthaltenden Tabelle benutzt, in welcher der Zusammenhang zwischen h und Y_FG gemäß Gleichung (9) berechnet und abgelegt ist.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines aus geformten Vordergrund- und Hintergrundsignal zusammengesetzten Videosignals gemäß dem sogenannten Helligkeits-Selbsttastens (Luminanz Self-key), wobei das Tastsignal vom Luminanz-Vordergrundsignal in Abhängigkeit eines Abschneidepegels abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Videoausgangssignal (Vo) durch Blendung nach der Gleichung Vo=h_*FG+(1-k)_*BG erzeugt wird, wobei h ein nach der Gleichung h=1-(1-k)_*Yu/Y_FG vorverzerrtes, hyperbolisch geformtes Steuertastsignal ist, wobei FG das Vordergrundsignal und Y_FG das Vordergrund- Luminanzsignal, BG das Hintergrundsignal und k das lineare Tastsignal sind, und wobei Yu dem unteren Abschneidepegel des Vordergrund-Luminanzsignals entspricht, und daß die Blendung sowohl für die Luminanzkomponente als auch für die Chrominanz- Komponenten durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendung mit Hilfe des linearen Tastsignals k nach der Gleichung gesteuert wird, wobei Yo der obere Abschneidepegel und Yu der untere Abschneidepegel ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendung mit Hilfe des Vordergrund-Luminanzsignals (Y_FG) nach der Gleichung gesteuert wird, wobei Yo der obere Abschneidepegel und Yu der untere Abschneidepegel ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das hyperbolisch geformte Steuertastsignal (h) für alle linearen Tastsignalwerte (k) berechnet und in Form einer Tabelle abgespeichert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß das hyperbolisch geformte Steuertastsignal (h) für alle Vordergrund-Luminanzsignalwerte (Y_FG) berechnet und in Form einer Tabelle abgespeichert wird.

6. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Multiplizierer (2) vorgesehen ist, an dessen ersten Eingang die Luminanz- und Chrominanz-Komponenten (Y, Cr, Cb) des Vordergrundsignals (Y_FG) anliegen und dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang eines das hyperbolisch geformte Steuertastsignal (h) abgebenden Schreib- Lese-Speichers (RAM) (4) verbunden ist, daß ein zweiter Multiplizierer (7) vorgesehen ist, an dessen ersten Eingang die Luminanz- und Chrominanz-Komponenten (Y, Cr, Cb) des Hintergrundsignals (Y_BG) anliegen und dessen zweiter Eingang mit dem Komplement (1-k) des linearen Tastsignals (k) beaufschlagt ist und daß die Ausgänge der beiden Multiplizierer (2, 7) an je einen Eingang eines Addierers (8) angeschlossen sind, an dessen Ausgang das Ausgangsvideosignal (Vo) des zusammengesetzten Videosignalbildes abnehmbar ist.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schreib-Lese-Speicher (4) mit Hilfe des vom Vordergrund- Luminanzsignal (Y_FG) abgeleiteten linearen Tastsignals (k) adressierbar ist.

8. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schreib-Lese-Speicher (4′) mit Hilfe des Vordergrund- Luminanzsignals (Y_FG) adressierbar ist.