DE69213289T2 - Vorrichtung zur Verbesserung der Kontouren eines Bildsignals - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung der Konturen eines Bildsignals, das ansteigende und abfallende Flanken und einen dazwischen liegenden Impulsabschnitt aufweist und von dem in einer vorbestimmten Abtastperiode eine Mehrzahl von digitalen Abtastwerten abgetastet werden; mit einer Interpolationseinrichtung zum Ermitteln eines digitalen Datenwertes zwischen zwei aufeinanderfolgenden digitalen Abtastwerten und zum Einfügen eines solchen ermittelten digitalen Datenwertes, und mit einer die Konturen verbessernden Einrichtung zum Verbessern des Bildsignals durch Steilermachen der ansteigenden und abfallenden Flanken.
• In JP-A-11 79 573 wird bereits eine Bilddatenverarbeitungseinrichtung mit einer solchen die Konturen eines Bildsignals verbessernden Vorrichtung dargestellt.
• Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine die Konturen verbessernde Einrichtung zur Verwendung in Fernsehempfängern, Video-Aufzeichnungsgeräten oder Videoprojektoren, im besonderen im Zusammenhang mit Bildsignalen sehr hoher Frequenz wie Farbdifferenzsignalen, um eine schärfere Bildwiedergabe zu erzielen.
• Da die Ansprüche an die Qualität der von Fernsehgeräten wiedergegebenen Bilder in den letzten Jahren gestiegen sind, sind Einrichtungen zur Verbesserung der Konturen von Bildsignalen immer wichtiger geworden, um das auf Bildschirmen reproduzierte Bild dadurch schärfer zu machen, daß die ansteigenden und abfallenden Flanken eines solchen Bildsignals mit sehr hoher Frequenz, wie es Farbdifferenzsignale sind, steiler zu machen.
• Eine Art einer solchen Einrichtung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
• In den Figuren 7, 8 und 9 stellen ein Blockdiagramm und Grafiken die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal an einem Beispiel einer konventionellen Einrichtung zur Verbesserung der Bildsignalkonturen dar. Wie aus Figur 7 hervorgeht, umfaßt die die Konturen verbessernde Einrichtung CEp eine die Anstiegszeit erkennende Schaltung 11, die die für den Anstieg des Farbdifferenzsignals Sa vom Nullpegel bis zum stabilen Spitzenamplitudenpegel erforderliche Anstiegszeit tr erkennt; eine Korrekturimpulse erzeugende Schaltung 12 zum Erzeugen eines Korrekturimpulses Sc für die gleiche Zeitspanne, die die erkannte Anstiegszeit tr umfaßt; und eine Halteschaltung 13, um das Ausgangssignal Se' während der Erzeugung des Korrekturimpulses Sc auf dem Nullpegel zu halten.
• Die Funktion einer so aufgebauten Einrichtung CEp zur Verbesserung eines Farbdifferenzsignals wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 8 und 9 beschrieben. In Figur 8 ist dargestellt, wie die Schaltung 11 die Anstiegszeit tr erkennt, d.h. die Zeitspanne vom Beginn des Anstiegs des Farbdifferenzsignals Sa bis zu dem Zeitpunkt, wo das Signal Sa den Schwellpegel Vt überschreitet. Die Schaltung 12 erzeugt den Korrekturimpuls Sc für die Zeitspanne tr. Während der Korrekturimpuls Sc erzeugt wird, hält die Halteschaltung 13 das Ausgangssignal Se' auf dem Nullpegel. Nach Ablauf der Zeitspanne tr ermöglicht die Halteschaltung dem Ausgangssignal Se' den Anstieg. Das Ausgangssignal Se' steigt dann sehr schnell auf den stabilen Pegel, und zwar mit einer steileren Flanke als das Farbdifferenzsignal Sa.
• Wenn das Farbdifferenzsignal Sa einen Spitzenamplitudenpegel erreicht hat, der fast gleich dem Schwellpegel Vt ist, kann die die Anstiegszeit erkennende Schaltung 11 die Anstiegszeit tr nicht korrekt erkennen. Da, wie aus Figur 9 hervorgeht, das Farbdifferenzsignal Sa kleine, sehr schnelle Veränderungen der Wellenform durchläuft, die von mechanischen Vibrationen, Schwankungen in der Speisespannung, Instabilität des Steuersystems und anderen Ursachen herrühren, schwankt oder zittert das Signal Sa ebenfalls. Erstreckt sich die Schwankung nach oben, verschiebt sich das Farbdifferenzsignal Sa in eine Position oberhalb des Schwellpegels Vt, wie es durch eine strichpunktierte Linie Sau angedeutet ist. Erstreckt sich die Schwankung nach unten, verschiebt sich das Signal Sa in eine Position unterhalb des Schwellpegels Vt, wie es durch eine strichpunktierte Linie Sas angedeutet ist. Da die die Anstiegszeit erkennende Schaltung 11 abhängig von der Position entweder die Anstiegszeit tr erkennt oder nicht erkennt, erzeugt die Korrekturimpulse erzeugende Schaltung 12, dadurch bedingt, Korrekturimpulse Sc oder auch nicht. Wie aus Figur 8 hervorgeht, hat das erzeugte Ausgangssignal Se' darum entweder eine nicht korrigierte Wellenform Se'n oder eine korrigierte Wellenform Se'c, so daß auch das Signals Se' unbeständig ist.
• In EP-A-263 617 ist ein System zur Verbesserung eines Videosignals dargestellt, das eine adaptive digitale Signalbearbeitung verwendet. Bei diesem System wird die Kontur des Videosignals dadurch verbessert, daß interpolierte Daten zwischen Abtastpunkten des Originals eingefügt werden. Das interpolierte Datum wird durch einen Vergleich von drei Abtastpunkten und Einsetzen der durchschnittlichen Amplitude ermittelt oder einfach durch Einsetzen der an einem Punkt vorhandenen Amplitude.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Mängel der bekannten Einrichtungen zu beheben und eine vervollkommnete Einrichtung zur Verbesserung der Bildsignalkonturen zu schaffen.
• Um die gestellte Aufgabe zu lösen ist eine die Konturen eines Bildsignals verbessernde Einrichtung mit einer Interpolationseinrichtung, wie sie oben beschrieben wurde, dadurch gekennzeichnet, daß die Interpolationseinrichtung folgende Einheiten enthält: eine Mittelwertbildungseinheit zum Erzeugen eines digitalen Mittelwertes aus zwei aufeinanderfolgenden digitalen Abtastwerten und eine Auswahleinheit zum abwechselnden Auswählen entweder des digitalen Abtastwertes oder des digitalen Mittelwertes für jeden Zeitraum t/2 und zum Erzeugen eines interpolierten Bildsignals, das aus ausgewählten digitalen Abtastwerten und digitalen Mittelwerten zusammengesetzt ist, wobei das Bildsignals die digitalen Mittelwerte zwischen aufeinanderfolgenden digitalen Abtastwerten aufweist.
• Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
• Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden mit der nachfolgenden Beschreibung verdeutlicht, die sich auf eine bevorzugte Ausführungsform sowie auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:
• Figur 1 ein Blockdiagramm einer die Konturen eines Bildsignals verbessernden Einrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Figur 2 eine grafische Darstellung von Signalformen, wie sie an unterschiedlichen Orten in der die Bildsignalkonturen verbessernden Einrichtung nach Figur 1 zu beobachten sind;
• Figur 3 ein Diagramm einer elektrischen Schaltung mit Einzelheiten der Interpolationsfilterschaltung nach Figur 1;
• Figur 4 eine grafische Darstellung von Signalformen, wie sie an unterschiedlichen Orten in der Interpolationsfilterschaltung nach Figur 3 zu beobachten sind;
• Figur 5 ein Blockdiagramm der die Konturen verbessernden Einrichtung nach Figur 1;
• Figuren 6a und 6b grafische Darstellungen von Signalformen, wie sie an unterschiedlichen Orten in der die Konturen verbessernden Schaltung nach Figur 5 zu beobachten sind;
• Figur 7 ein Blockdiagramm einer als Beispiel dienenden konventionellen Einrichtung zur Verbesserung von Farbdifferenzsignalen;
• Figur 8 eine grafische Darstellung von Signalformen, wie sie an unterschiedlichen Orten in der konventionellen Einrichtung zur Verbesserung des Farbdifferenzsignals nach Figur 7 zu beobachten sind, und
• Figur 9 eine grafische Darstellung von Signalformen, wie sie an unterschiedlichen Orten in der konventionellen Farbdifferenzsignale verbessernden Einrichtung nach Figur 7 zu beobachten sind.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
• In Figur 1 ist ein Blockdiagramm einer ein Farbdifferenzsignal verbessernden Einrichtung CE nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Farbdifferenzsignale verbessernde Einrichtung CE empfängt ein Farbdifferenzsignal Sa in digitaler Form, abgetastet mit einem vorbestimmten Intervall t. In Figur 2 stellt jeder der kleinen Kreise ein abgetastetes digitales Datum des Farbdifferenzsignals Sa dar, das einen ansteigenden Flankenabschnitt Lp, einen Impulsabschnitt Pp und einen abfallenden Flankenabschnitt (nicht dargestellt) hat.
• Die Farbdifferenzsignale verbessernde Einrichtung CE umfaßt eine Interpolationsfilterschaltung IF, die ein Farbdifferenzsignal dadurch interpoliert, daß geschätzte digitale Daten zwischen zwei aufeinanderfolgende, abgetastete digitale Daten des Farbdifferenzsignals Sa eingefügt werden, und erzeugt ein Interpolationssignal Sb. Auch das Interpolationssignal Sb weist einen ansteigenden Flankenabschnitt Lb, einen Impulsabschnitt Pb und einen abfallenden Flankenabschnitt (nicht dargestellt) auf. Wenn die Signale Sa und Sb verglichen werden, enthält das Signal Sb eine größere Zahl von digitalen Daten pro Zeiteinheit, woraus sich ein engeres Intervall von digitalen Daten ergibt. Die Einrichtung CE umfaßt weiterhin eine die Konturen verbessernde Schaltung OC, die ein Signal Se mit verbesserten Konturen erzeugt, das auf dem Interpolationssignal Sb basiert. Auch dieses Signal Se mit verbesserten Konturen weist einen ansteigenden Flankenabschnitt Le, einen Impulsabschnitt Pe und einen abfallenden Flankenabschnitt (nicht dargestellt) auf. Bei einem Vergleich der Signale Sb und Se weist beispielsweise das Signal Se Flankenabschnitte Le auf, die in einem größeren Steigungswinkel verlaufen.
• Anhand der Figur 2 wird nachfolgend die Wirkungsweise der so aufgebauten, ein Farbdifferenzsignal verbessernden Einrichtung CE beschrieben. Es wird Bezug genommen auf ein Farbstreifen-Testbild, bei dem dicht nebeneinander angeordnete blaue und rote Streifen betrachtet werden. Ein Farbdifferenzsignal Sa einer quer über dieses Farbstreifenbild abgetasteten Zeile ist teilweise in Figur 2 dargestellt, wobei ein flacher Abschnitt Fp vor dem ansteigenden Flankenabschnitt Lp einen blauen Streifen, ein ansteigender Flankenabschnitt Lp eine Grenze zwischen dem blauen und dem roten Streifen darstellt. In dem in Figur 2 dargestellten Beispiel weist das Signal Sa einen ansteigenden Flankenabschnitt Lp auf, der sich über zwei Abtastperioden erstreckt. Obgleich in diesem Beispiel das Farbdifferenzsignal Sa als in positiver Richtung ansteigend dargestellt ist, kann die vorliegende Erfindung auch auf negativ verlaufende Signale angewendet werden.
• Die Interpolationsfilterschaltung IF schätzt ein digitales Datum, das zwischen zwei aufeinanderfolgende digitale Daten des Farbdifferenzsignals Sa eingefügt wird, wie es durch ein kleines Dreieck angedeutet ist. Diese Interpolationsfilterschaltung IF erzeugt das Interpolationssignal Sb. Das Interpolationssignal Sb enthält also digitale Daten, die doppelt so oft erscheinen wie im Signal Sa, d.h. die digitalen Daten erscheinen in einem Abstand von 1/2t.
• Die die Konturen verbessernde Schaltung OC erzeugt das auf dem Interpolationssignal Sb basierende, verbesserte Signal Se derart, daß die Steigung des ansteigenden Flankenabschnittes Le gegenüber dem des Signals Sb steiler gemacht wird. Das heißt, der ansteigende Flankenabschnitt Le des Signals Se nimmt lediglich eine Zeitspanne t in Anspruch, während für den ansteigenden Flankenabschnitt Lb des Signals Sb eine Zeitspanne von 2t erforderlich ist. Das Signal Se steigt also in der Hälfte der Zeit des Farbdifferenzsignals Sa an, was zu einer Verbesserung der Kontur führt. Die Einzelheiten der konturverbessernden Schaltung OC sind in der älteren europäischen Patentanmeldung 92 105 092.8 beschrieben, eingereicht am 25. März 1992 vom selben Anmelder wie die vorliegende Anmeldung.
• In Figur 3 ist eine elektrische Schaltung der Interpolationsfilterschaltung IF nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese Schaltung IF enthält eine erste Flip-Flop- Schaltung 1, die das Farbdifferenzsignal Sa auf eine ansteigende Flanke eines Taktgebersignals Pa hin hält und ein verzögertes Farbdifferenzsignals Sa' erzeugt, das um eine Zeitspanne t verzögert ist. Eine zweite Flip-Flop-Schaltung 2 hält oder speichert das Signal Sa' entsprechend dem Taktgebersignal Pa und erzeugt ein erstes verzögertes Farbdifferenzsignals Sd1, das um eine Zeitspanne t verzögert ist. Eine Addiereinrichtung 3 addiert das Signal Sa' zum Signal Sd1 und erzeugt ein erstes Zwischensignal Si1. Ein Multiplikator 4 multipliziert das erste Zwischensignal Si1 mit 1/2 und erzeugt ein zweites Zwischensignal Si2, das gleich einem Durchschnitt aus zwei aufeinanderfolgenden abgetasteten Digitaldaten ist. Ansprechend auf das Taktgebersignal Pa hält eine dritte Flip-Flop-Schaltung 5 das Signals Si2 und erzeugt ein zweites gespeichertes Farbdifferenzsignal Sl. Eine dritte Flip-Flop- Schaltung 6 speichert das erste Signal Sdl und erzeugt ein zweites verzögertes Farbdifferenzsignal Sd2. Eine Wahlvorrichtung 7 wählt das Signal Sl, wenn das Signal Pa 0 (niedrig) ist, und das Signal Sd2, wenn das Signal Pa 1 (hoch) ist, und erzeugt ein drittes Zwischensignal Si3. In der Wahlvorrichtung 7 wird auf diese Weise ein geschätztes digitales Datum zwischen zwei aufeinanderfolgende abgetastete Digitaldaten eingefügt, so daß die Wahlvorrichtung 7 die Digitaldaten mit einer Geschwindigkeit von t/2 erzeugt und damit die Interpolation erzielt. Ansprechend auf ein Systemtaktgebersignal Ps speichert eine fünfte Flip-Flop-Schaltung 8 das dritte Zwischensignal Si3 und erzeugt das Interpolationssignal Sb.
• Die die Konturen verbessernde Vorrichtung OC wird außerdem in der bereits erwähnten EP-Anmeldung 92 105 092.8 detailliert beschrieben.
• Die Funktion der konturverbessernden Schaltung OC wird nachfolgend beschrieben. Eine erste Verzögerungsschaltung 1 (Figur 5) verzögert das Interpolationssignal Sb (Figur 6a) um eine erste Verzögerungsspanne t1 und erzeugt ein verzögertes Interpolationssignal S2 (Figur 6a). Eine erste Subtrahiereinrichtung 2 (Figur 5) subtrahiert das Signal S2 vom Signal Sb und erzeugt ein primäres Differenziersignal S3 (Figur 6a). Eine zweite Verzögerungsschaltung 3 (Figur 5) verzögert das Signal S3 um eine erste Verzögerungsspanne t1 und erzeugt ein verzögertes primäres Differenziersignal S4 (Figur 6a). Eine erste Minimumschaltung, 4, (Figur 5) wählt von den Signalen S3 und S4 das aus, dessen absolute Amplitude die geringere ist, und erzeugt ein primäres Minimumdifferenziersignal S5 (Figur 6a). Sind die Polaritäten der Signale S3 und S4 unterschiedlich, wird für das Signal S5 die Amplitude Null verwendet. Eine dritte Verzögerungsschaltung 5 (Figur 5) verzögert das Signal S5 um eine zweite Verzögerungsspanne t2 und erzeugt ein erstes verzögertes, primäres Miminumdifferenziersignal S6 (Figur 6b). Eine zweite Subtrahiereinrichtung 6 (Figur 5) subtrahiert das Signal S6 vom Signal S5 und erzeugt ein zweites Differenziersignal S7 (Figur 6b). Eine vierte Verzögerungsschaltung 7 (Figur 5) verzögert das Signal S5 um die zweite Verzögerungsspanne von t2/2 und erzeugt ein zweites verzögertes, primäres Minimumdifferenziersignal S8 (Figur 6b). Eine zweite Minimumschaltung 8 (Figur 5) wählt von den Signalen S7 und S8 das aus, das die geringere absolute Amplitude hat, und erzeugt ein Korrektursignal S9 (Figur 6b) mit derselben Polarität wie Signal S7. Die fünfte Verzögerungsschaltung 9 (Figur 5) verzögert das interpolierte Signal Sb um eine Zeitspanne von t1 + t2/2 und erzeugt ein zweites verzögertes Interpolationssignal S10 (Figur 6b), das mit dem Signal S9 synchron ist. Eine dritte Subtrahiereinrichtung 11 (Figur 5) subtrahiert das Signal S9 vom Signal S10 und erzeugt ein Ausgangssignal Se. Auf diese Weise erhält das Signal Se steilere ansteigende und abfallende Flanken als sie das Interpolationssignal Sb aufweist.
• Da die die Konturen verbessernde Schaltung OC die Amplitude von Farbdifferenzsignal Sa und vorbestimmter Schwelle V nicht vergleicht, kann die Schaltung OC die Kontur des Signals Sa sicher und korrekt verbessern, ohne von der Unbeständigkeit des Farbdifferenzsignals Sa beeinflußt zu werden.
• Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Kontur eines Bildes, das bereits eine verhältnismäßig scharfe Kontur aufweist, noch weiter zu verbessern, so daß der ansteigende Flankenabschnitt Lp des Bildes in eine Zeitspanne von t fällt, wenn die Interpolationsfilterschaltung IF vor der konturverbessernden Schaltung OC angeordnet ist, um ein digitales Schätzdatum zwischen zwei aufeinanderfolgenden, abgetasteten Digitaldaten zur Verfügung zu stellen.
• Mit der das Farbdifferenzsignal verbessernden Einrichtung CE nach der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Kontur von Farbdifferenzsignalen jedes Pegels dadurch zu verbessern, daß die Interpolationsfilterschaltung IF die digitalen Daten im Abtastinterval des Signals interpoliert und verstärkt, und daß die konturverbessernde Schaltung OC die ansteigenden und abfallenden Flanken des Signals auf der Basis der interpolierten digitalen Daten dadurch verbessert, daß sie sie steiler macht.

Claims (3)

1. Vorrichtung (CE) zur Verbesserung der Konturen eines Bildsignals (Sa'), das ansteigende und abfallende Flanken (Lp) und einen dazwischen liegenden Impulsabschnitt (Pp) aufweist und von dem in einer vorbestimmten Abtastperiode t eine Mehrzahl von digitalen Abtastwerten abgetastet werden;

mit einer Interpolationseinrichtung (IF) zum Ermitteln eines digitalen Datenwertes zwischen zwei aufeinanderfolgenden digitalen Abtastwerten und zum Einfügen eines solchen ermittelten digitalen Datenwertes; und

mit einer Konturenverbesserungseinrichtung (OC) zum Verbessern des Bildsignals (Sa') durch Steilermachen der ansteigenden und abfallenden Flanken (Lp);

dadurch gekennzeichnet, daß

die Interpolationseinrichtung (IF) folgende Einheiten enthält:

- eine Mittelwertbildungseinheit (2, 3, 4 und 5) zum Erzeugen eines digitalen Mittelwertes (SI) aus zwei aufeinanderfolgenden digitalen Abtastwerten; und

- eine Auswahleinheit (7) zum abwechselnden Auswählen entweder des digitalen Abtastwertes oder des digitalen Mittelwertes für jeden Zeitraum t/2 und zum Erzeugen eines interpolierten Bildsignals (Sb), das aus ausgewählten digitalen Abtastwerten und digitalen Mittelwerten zusammengesetzt ist, wobei das Bildsignal (Sb) die digitalen Mittelwerte zwischen aufeinanderfolgenden digitalen Abtastwerten aufweist.

2. Vorrichtung (CE) zur Verbesserung der Konturen eines Bildsignals nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Mittelwertbildungseinheit (2, 3, 4 und 5) folgende Mittel aufweist:

- erste Verzögerungsmittel (2) zum Verzögern der digitalen Abtastwerte (Sa') um die Periode t zur Erzeugung erster verzögerter digitaler Abtastwerte (Sd1);

- Addiermittel (3) zum Addieren der digitalen Abtastwerte (Sa') und der ersten verzögerten digitalen Abtastwerte (Sd1) zur Erzeugung digitaler Abtastsummenwerte; und

- Multipliziermittel (4) zum Multiplizieren der digitalen Abtastsummenwerte (Si1) mit 1/2, um die Mittelwerte aus den digitalen Abtastwerten (Sa') und den ersten verzögerten digitalen Abtastwerten (Sd1) zu bilden und digitale Abtastmittelwerte (Si2) zu erzeugen, die die Mittelwerte zwischen zwei digitalen Abtastwerten darstellen.

3. Vorrichtung (CE) zur Verbesserung der Konturen eines Bildsignals nach Anspruch 2, weiter gekennzeichnet durch

-zweite Verzögerungsmittel (6) zum Verzögern der ersten verzögerten digitalen Abtastwerte (Sd1) um die Periode t zur Erzeugung zweiter verzögerter digitaler Abtastwerte (Sd2), wobei die zweiten verzögerten digitalen Abtastwerte (Sd2) gegenüber den digitalen Abtastwerten um einen Zeitraum 2t verzögert sind; und

-dritte Verzögerungsmittel (5) zum Verzögern der digitalen Abtastmittelwerte (Si2) um den Zeitraum t zur Erzeugung von verzögerten digitalen Abtastmittelwerten (Sl), die um einen Zeitraum 2t gegenüber dem Bildsignal (Sa') verzögert sind, wobei die Auswahleinheit (7) abwechselnd entweder den zweiten verzögerten digitalen Datenwert (Sd2) oder den verzögerten digitalen Abtastmittelwert (Sl) für jede Periode t auswählt und das interpolierte Bildsignal (Sb) erzeugt.