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Die vorliegende Erfindung betrifft
Kameras.
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Die Erfindung ist insbesondere auf
Kameras anwendbar, die Farbbildausgänge (einschließlich Falschfarbe)
erzeugen, die in ein Farbdisplay gespeist werden können.
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Die Erfindung ist auch besonders
auf solche Kameras anwendbar, bei denen ein einzelner strahlungsempfindlicher
Sensor zum Erzeugen der Farbbildausgänge verwendet wird. Der Sensor
wird typischerweise in einem Raster gescannt oder wie in einer Festkörperarray
abgetastet.
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Es wurden verschiedene Vorschläge gemacht,
um das Problem der Reproduzierung von Farben mit einem einzigen
Sensor zu lösen.
Einer der frühesten
Vorschläge
war das System von Baird, bei dem eine Monochrom-Fernsehkamera auf
einen rotierenden Filter gerichtet wurde, von dem aufeinander folgende
Segmente rotes, blaues und grünes Licht
passierten. Der Empfänger
arbeitete mit einem ähnlichen
rotierenden Filter, der auf den an der Kamera synchronisiert war.
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Die US-A-2 733 291 und die US-A-3
378 633 offenbaren des Konzept des Belichtens von lichtempfindlichen
Monochromgeräten
(Vidikon im ersten und Kineschmalfilm im zweiten Patent), um Farbfernsehausgänge zu erzeugen,
die jeweils das lichtempfindliche Gerät durch einen Filter belichten,
der aus zweifarbigen Streifen besteht, die sich in Scanrichtung
bei unterschiedlichen Frequenzen wiederholen. Mit Hilfe einer abgestimmten
Schaltung werden die jeweiligen Farbkomponenten im Ausgang ausgewählt. Im
letzteren Patent besteht der Filter aus alternierenden klaren und
cyanfarbenen vertikalen Streifen, die über alternierenden klaren und
gelben Streifen liegen, die relativ zu den vertikalen Streifen geneigt
sind. Dies ergibt eine Gruppierung von vier Elementarfarbbereichen,
die über
den gesamten Bereich des Filters wiederholt und über den gesamten Be reich jedes
Frame des Kineschmalfilms abgebildet werden. Wo sich die transparenten
Streifen überlappen,
erzeugt das lichtempfindliche Gerät ein Signal, das dem Vollluminanzsignal
entspricht. Wo Cyan (das grünes
und blaues Licht passiert) Gelb (das rotes und grünes Licht
passiert) überlappt,
da wird nur die grüne
Komponente der Szene abgebildet. Wo cyanfarbene und gelbe Streifen
die transparenten Streifen überlappen, da
bildet das lichtempfindliche Gerät
jeweils die grünen
und blauen bzw. die grünen
und roten Komponenten der Szene ab. Es reicht zum Erzeugen von Signalen
für einen
Farbfernsehempfänger
aus, wenn die Wiederholfrequenz der gelben und cyanfarbenen Streifen
in der Richtung, in der der Kineschmalfilm schließlich gescannt
wird, unterschiedlich ist (z. B. indem ein Satz von Streifen vertikal
und der andere Satz von dimensional identischen Streifen geneigt gemacht
wird), damit die Komponenten im Ausgang des gescannten Kineschmalfilms
mittels abgestimmter Schaltungen extrahiert werden können. Es
werden genügend
Informationen für
die Erzeugung einer Luminanzkomponente niedriger Auflösung zusätzlich zu
drei Komponenten geliefert, die den Primärfaben (rot, grün und blau)
entsprechen.
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Ein Nachteil der Verwendung von abgestimmten
Schaltungen zum Extrahieren der individuellen Komponenten im Ausgang
der Bildwellenform ist, dass aufgrund von Übersprechen (Luma- und Chroma-Übersprechen)
nur mäßige Bilder
erzeugt werden.
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Wenn jeder Kine-Frame in der US-A-3
378 633 rasterartig gescannt wird, dann entspricht der Graustufenwert
aufeinander folgender Pixel auf jeder Zeile dem für die jeweiligen
Farbkomponenten, d. h. weiß,
gelb, grün,
cyan, in einer festen Sequenz. Es wurde vorgeschlagen (Albert Macovski – Spatial-Frequency
Encoding Techniques Applied to a One-Tube Colour Television Camera,
IEEE Transactions on Broadcasting, Bd. BC-16, Nr. 4, Dezember 190),
die Graustu fe jedes Pixels auf jeder Bildzeile abzutasten, die den
jeweiligen Farbkomponenten entspricht, anstatt mit abgestimmten
Schaltungen zwischen den Komponenten zu unterscheiden. Geometrische
Fehler aufgrund einer unbestimmten Registrierung zwischen dem Filter
und dem Kineschmalfilm sowie zwischen dem Kineschmalfilm und seinem
Scanner würde
es jedoch schwierig machen vorherzusagen, welche Farbkomponenten
eine Gruppe von Pixeln repräsentiert.
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Man wird feststellen, dass dieser
Nachteil nicht auf eine Verbrauchervideokamera zutrifft, in der aufeinander
folgende Pixel über
jede Zeile des Festkörperbildaufnehmers
von Gelatinefiltern bedeckt sind, die gelb, cyanfarben, grün oder transparent sind,
weil die Filter in diesem Fall physisch am Bildaufnehmer befestigt
sind. Dies bedeutet, dass z. B. das erste Pixel auf Zeile 1 die
Szene repräsentiert, die
durch einen gelben Filter abgebildet wird, und daher können Ausgaben
des Bildaufnehmers, die den jeweiligen Farbkomponenten entsprechen,
mit Sicherheit abgeleitet werden.
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Eine solche Anordnung wäre jedoch
nicht möglich,
wenn der Sensor einen Bildverstärker
hätte. In
diesem Fall müssten
die Filter vor dem Bildverstärker
anstatt vor dem Festkörpersensor
positioniert werden, da der Ausgang des Bildverstärkers selbst monochrom
ist.
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Die von einem Bildverstärker erzeugte
geometrische Verzerrung ist derart, dass es unmöglich wäre, die Farbsequenz für jede Zeile
des Festkörperbildaufnehmers
auf der Basis der Sequenz von Elementarfarbbereichen im Filter vorherzusagen.
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Bei einer durch einen Farbstreifenfilter
belichteten Farbfernsehbildabnahmevorrichtung mit nur einer Röhre wurde
vorgeschlagen, die Nichtlinearität im
Ablenksystem der Röhre
durch die Verwendung eines Framespeichers zu kompensieren (GB-A-2 135
853). Der Framespeicher speichert Bild signale, die der Beleuchtung
der Röhre
mit Primärfarben
entsprechen. Diese gespeicherten Signale werden zum Kompensieren
von Nichtlinearitäten
im Bildabnahmemodus der Röhre
verwendet. Aber die Bildsignale haben, obwohl ihre beispielsweise
durch Drift verursachten Nichtlinearitäten korrigiert sind, doch eine niedrige
Auflösung.
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Es wurde vorgeschlagen ("Interplex – A New Versatile
Full Resolution Single-Tube Colour TV Camera System", M Koubek, IEEE
Transactions on Broadcasting, Bd. BC-22, Nr. 3, September 1976,
S. 30–35),
eine hochauflösende
Einröhrenkamera
zu erzeugen. Dies geschieht durch Ableiten eines Luminanzsignals,
das einen erheblichen Anteil der Bildbandbreite belegt. Eine Einröhrenkamera
wird durch einen Farbstreifenfilter belichtet und es werden separate
Farbausgänge
erzeugt, wie in der GB-A-2 135 853. Der Ausgang der einzelnen Röhre ist
ein solches Luminanzsignal, aber das Problem ist, dass das Streifenmuster überlagert
ist, und in der Vergangenheit musste durch drastische Filterung
der Effekt der Streifen beseitigt werden. Da in der GB-A-2 135 853 vertikale
Streifen verwendet werden, erscheinen die jeweiligen Farbinformationen
in der Bildbandbreite in der Form von Oberwellen der Horizontalfrequenz
(die Luminanzinformationen enthält).
Daher gibt es keine Möglichkeit,
die Chrominanzinformationen von den Luminanzinformationen zu trennen,
was eine erhebliche Filterung der Bandbreite erfordert, um ein Luminanzsignal
zu erzeugen. Koubek verwendet jedoch schräg ausgerichtete Streifen (s.
auch US-A-4 047 200), so dass die Chrominanzinformationen mit den Oberwellen
der Horizontalfrequenz in der Bildbandbreite verschachtelt sind,
und die Chrominanz- und die Luminanzinformationen werden mit einem Kammfilter
voneinander getrennt. Dies ergibt ein Luminanzsignal, das frei vom
Schattierungsmuster des Filters ist und somit eine Bandbreite hat,
die mit der Bildbandbreite im Einklang steht. Das System beruht jedoch
auf der Verwendung einer Linearscan-Kameraröhre (d. h. mit guter Geometrie).
Wenn das Streifenmuster auf dem Target verzerrt würde, dann nähme die
Bandbreite der Chrominanzsignale zu und wäre nicht mehr mit den Horizontaloberwellen
verschachtelt.
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Es ist ein Ziel der Erfindung, die
Erzielung von Farbbildsignalen mit hoher Auflösung mit nur einem einzigen
Sensor selbst dann zuzulassen, wenn ein Bildverstärker mit
erheblicher geometrischer Verzerrung vorhanden ist.
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Die Erfindung stellt eine Kamera
bereit, die einen Sensor umfasst, wobei der genannte Sensor Folgendes
enthält:
eine Reihe von Pixeln für
Empfangsstrahlung zum Formen der Abbildung einer Szene, Filtermittel,
die im Pfad der auf den Sensor auffallenden Strahlung positioniert
sind, wobei die Filtermittel so angeordnet sind, dass sie verschiedene Spektralbereiche
in verschiedenen räumlichen
Bereichen durchlassen, so dass verschiedene räumliche Bereiche des Sensors
der Strahlung verschiedener Spektralbereiche ausgesetzt sind, Decodierungsmittel
zum Produzieren separater Ausgangssignale von dem Sensor, die den
verschiedenen Spektralbereichen entsprechen, und eine Schaltung
für die
Verwendung der Ausgangssignale, die den verschiedenen Spektralbereichen
entsprechen, um die Sichtbarkeit der verschiedenen Spektralbereiche
vom Sensorausgangssignal zu beseitigen, um hohe Auflösung zu
erzielen, wobei das Decodierungsmittel die Aufgabe hat, gespeicherte
Signale zu verwenden, die vom Sensorausgangssignal, entsprechend
der Exposition des Sensors durch die Filtermittel durch Strahlung
von Bezugsspektralbereichen, abgeleitet werden, wobei die genannten
gespeicherten Signale die Position der genannten räumlichen
Bereiche des Filters in Bezug auf die Position der Pixel repräsentieren.
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Die EP-A-567955 offenbart eine Kamera
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Im Falle von sichtbarer Strahlung
werden die Farbausgänge
zum Entfernen des Filtermusters vom Sensorausgang verwendet, so
dass ein Luminanzsignal mit verbesserter Bandbreite entsteht. Die
Speicherung von Signalen, die von dem Sensorausgang bei Beleuchtung
durch Strahlung von Referenzspektralbereichen abgeleitet wurden,
lässt es
zu, dass der Sensorausgang für
eine tatsächliche
Szene akkurat decodiert wird, und es braucht nicht mehr auf der
Basis geometrischer Überlegungen
vorhergesagt zu werden, welche räumlichen
Bereiche des Sensors welchen Spektralbereichen entsprechen, und
es werden keine abgestimmten Schaltungen mehr benötigt.
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Die Farbausgänge müssen natürlich ziemlich frei von Luminanzübersprechen
sein. Eine Möglichkeit,
dies zu erzielen, ist die Verwendung eines Streifenfilters, dessen
Linien schräg
zu den Linien der Abbildung ausgerichtet sind.
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Die Erfindung ist natürlich nicht
auf sichtbare Strahlung beschränkt
und erstreckt sich beispielsweise auch auf IR-Strahlung für thermische
Abbildung. Im letzteren Fall könnten
die zum Display gespeisten Farbkomponenten für dieselben Farbkomponenten sein
wie für
eine Videokamera, könnten
aber so angeordnet sein, dass sie, durch den Einsatz geeigneter
Spektralfilter, bestimmten Infrarot-Frequenzbändern entsprechen. In diesem
Fall wäre
die Abbildung eine Falschfarbabbildung, aber wenn man zwei oder mehr
Abbildungen hätte,
die unterschiedlichen Infrarot-Frequenzbändern entsprechen,
dann wäre
ein Objekt bei einer Falschfarbanzeige leichter zu identifizieren.
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Die Kamera beinhaltet vorteilhafterweise
einen Wellenformgenerator, um von den gespeicherten Signalen abgeleitete
Impulse zu erzeugen, die an Abtast- und Haltemittel angelegt werden,
die ein vom Sensorausgang abgeleitetes Signal empfangen. Es kann
für jeden
Spektralbereich eine Abtast- und Haltemittel vorgesehen werden.
Das gespeicherte Signal kann eine vom Sensorausgang abgeleitete Rechteckwellenform
haben, z. B. in einen Speicher einprogrammiert, der von dem Wellenformgenerator verwendet
wird.
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Der Sensor kann eine CCD-Array beinhalten,
die einem anderen Spektralbereich entspricht, einschließlich wenigstens
einem, vorzugsweise wenigstens vier Pixeln.
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Im Falle eines Streifenfilters für sichtbare Strahlung
könnten
zwei Sätze
von Streifen vorhanden sein, z. B. gelbe alternierend mit klaren,
die in einem Winkel auf einer Seite der Vertikalen geneigt sind,
und der andere Satz z. B. cyanfarbene alternierend mit klaren, die
im selben oder in einem anderen Winkel zur anderen Seite der Vertikalen
geneigt sind. Die Erfindung ist insbesondere auf einen Sensor anwendbar,
der einen Bildverstärker
beinhaltet, beispielsweise um eine echte Farbabbildung einer Nachtszene
zu erzeugen. Die Erfindung ist jedoch ebenso gut auf Sensoren anwendbar,
die im infraroten oder ultravioletten Bereich ansprechen, und in diesem
Fall würde
die Kamera einen Falschfarbausgang erzeugen.
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Eine gemäß der Erfindung konstruierte
Kamera wird nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen
beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht der Kamera;
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2 ein
Blockschaltbild der Kamera;
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3 ein
Blockschaltbild von Farbdecodierung und Farbcodierung von 2;
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4a die
Wellenform des Sensorausgangs für
einen Teil einer Zeile beim Abbilden einer blauen Szene;
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4b Wellenform
A, eine Rechteckwellenform, die von der von 4a abgeleitet wurde;
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4c die
Wellenform des Sensorausgangs eines Teils einer Zeile, wenn die
Kamera von einer roten Szene beleuchtet wird;
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4d Wellenform
B, eine Rechteckwellenform, die von der Wellenform von 4c abgeleitet wurde;
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4e eine
grafische Darstellung, wie die einzelnen Farbkomponenten von Wellenform
A und B erhalten werden;
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4f ein
Fragment des Filters, so auf ein Fragment der CCD-Array projiziert,
als fände
keine Verzerrung statt;
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4g ein
Fragment des Filters, mit typischer Verzerrung auf ein Fragment
der CCD-Array projiziert;
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5 eine
ausführlichere
Darstellung der Verbindung von Speicher und Wellenformgenerator;
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6a eine
Bildsignallinie;
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6b eine
der Wellenformen, die von dem Wellenformgenerator erzeugt wurden;
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6c den
Ausgang der Abtast- und Halteschaltung, wenn die Wellenform von 6a eingegeben wird und die
Scanimpulse von 6b angelegt werden;
und
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7 und 8 Farbbalkencharts, die mit
Bezug auf 3 erörtert werden.
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Gemäß den 1 und 2 erzeugt
die Kamera Farbbildausgänge.
Die Kamera hat eine Linse 1, die in einem Gehäuse 2 montiert
ist, das einen Sensor mit einer CCD-Array 3 enthält, die
mit optischen Fasern 4 mit den Leuchtphosphoren auf der
Ausgabefläche
eines Bildverstärkers
5 gekoppelt ist, auf dessen Fokalebene Filtermittel F3,
F4 zementiert sind (die Position der Filter
ist der Deutlichkeit halber in 1 und 2 übertrieben dargestellt). Der
vordere Teil des Bildverstärkers
hat auch eine faseroptische Kopplung. F1 ist
ein Korrekturfilter, der die spektrale Ansprechung des Sensors (d.
h. des Verstärkers)
nominell photopisch macht. Der Ausgang der CCD 3 wird in Schaltung 11 verarbeitet,
um einen Rohbildausgang zu erzeugen, und erfährt dann nachfolgend eine Farbverarbeitung
in Schaltung 12, um Farbbildausgänge zu erzeugen.
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Da CCD 3 und Bildverstärker 5 elektrooptische
Bauelemente sind, ändert
sich das räumliche Muster
der Farben der auf die CCD 3 abgebildeten Filter F3,
F4 mit Alter oder Temperatur nicht und bleibt nach
der Herstellung der Kamera fest. Die Farbverarbeitung verwendet
gespeicherte Signale auf der Basis der Ansprechung des Sensors zur
Farbreferenzierung. Diese Signale werden nach der Herstellung jeder
Kamera mittels einer Prüfschaltung 13 erzeugt. Nach
dem Speichern der Signale wird die Prüfschaltung abgetrennt, und
die Kamera bedarf keiner weiteren Einstellung. Sollte der Verstärker im
Laufe der Lebenszeit der Kamera ausgetauscht werden, dann muss der
Hersteller die Prüfschaltung
erneut anschließen,
um neue gespeicherte Signale einzuprogrammieren.
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Die CCD 3 ist ein Festkörperbauelement
in der Form einer Array, einer bestimmten Anzahl von Pixeln auf
jeder Zeile und einer bestimmten Anzahl von Zeilen in der Array.
Die Szene wird auf Normalbildweise in Frames abgebildet, die jeweils
aus zwei aufeinander folgenden verschachtelten Feldern bestehen.
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4f zeigt
ein Fragment des Filtermittels. Der Filter F3 besteht
aus diagonalen gelben (Ye) Streifen, deren Breite und Abstand einander
gleichen. Mit anderen Worten, zwischen den Streifen ist der Filter
transparent (in den Zeichnungen mit W für Weiß angedeutet). Der Filter F4 besteht aus ebenso angeordneten cyanfarbenen
(Cy) Streifen, die durch transparente Streifen voneinander getrennt
sind. Wenn die beiden Filter überlagert
werden, dann entsteht ein sich wiederholendes Muster von vier Elementarfarben,
wie in den oben erwähnten
früheren Anordnungen.
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Wenn von Linse 1, Filtern
F1, F2, Bildverstärker 5 und
faseroptischen Kopplungen keine Verzerrungen erzeugt würden, dann
würde das
räumliche Muster
von 4f auf die CCD-Array 3 projiziert.
Zur Erläuterung
sind in 4f Fragmente
von zwei Zeilen n, n + 1 der CCD-Array 3, beginnend bei
Pixel k für
jede Zeile illustriert, als wenn die Kamera eine verzerrungsfreie
Optik hätte.
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Für
Zeile n empfängt
das k-te Pixel Licht von der Abbildung, die durch den Cyanfilter
passiert ist, dasselbe gilt für
das k + 1-te Pixel. Das nächste
Pixel, das k + 2-te, erhält
teils Abbildungslicht durch den Cyanfilter und teils Licht durch
den transparenten (weißen)
Filter. Das k + 3-te und das k + 4-te Pixel empfängt Abbildungslicht durch den
transparenten Filter. Das nächste
Pixel (k + 5) empfängt
Abbildungslicht teils durch den transparenten Filter und teils durch
den gelben Filter, während
die beiden nächsten
Pixel Licht durch den gelben Filter empfangen. Das k + 8-te Pixel
empfängt
Licht durch den gelben Filter, teilweise durch den cyanfarbenen
plus gelben (= grünen)
Filter, und die nächsten
beiden Pixel empfangen Licht nur durch den grünen Filter.
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Ignorieren wir einmal die Pixel,
die Licht durch den Übergang
zwischen den beiden Filterbereichen empfangen, so empfangen die
Pixel der n-ten Zeile Cyan, Weiß,
Gelb und Grün
in einer sich wiederholenden Sequenz, wie in 4e gezeigt ist. Der Effekt der Pixel,
die Licht von zwei Filterbereichen erhalten, kann dadurch reduziert
werden, dass der Durchschnitt von zwei Zeilen für jedes der gelben, cyanfarbenen
und grünen
Signale genommen wird. Für
eine hypothetische verzerrungsfreie Anordnung wird die Sequenz von
Farben regelmäßig wiederholt.
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Für
Zeile n + 1 wird die Folge von Farben, die auf den Pixeln exponiert
werden, wieder regelmäßig wiederholt,
aber die Sequenz ist jetzt anders. Das k-te, k + 1-te und k + 2-te
Pixel empfangen Licht von der durch einen Cyanfilter belichteten
Szene, die nächsten
beiden Pixel, k + 3 und k + 4, liegen am Schnittpunkt von vier Filtern,
während
die nächs ten vier
Licht durch den gelben Filter empfangen. Die Sequenz für Reihe
n+1 ist Cyan, Gelb, Grün.
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Für
jede Zeile, für
diese hypothetische verzerrungsfreie Situation, werden die Pixel
jeder Zeile durch Lichtbereiche beleuchtet, deren Farbe in einer festen,
sich wiederholenden Sequenz variiert.
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In Wirklichkeit werden Verzerrungen
durch die Linse, die Filter F1, F2, den Bildverstärker 5 und durch die
faseroptischen Kopplungen eingeführt.
Das Muster des Filters F3, F4,
das tatsächlich
auf die CCD-Array projiziert wird, könnte in einem typischen Beispiel
eher wie das Muster von 4g sein.
Die Knicke sind ein Nebenprodukt der Verwendung von optischen Fasern.
Verglichen mit dem idealen Muster, das mit perfekter Optik projiziert
würde,
würde ein echter
räumlicher
Bereich, der einem bestimmten Spektralbereich entspricht, um ganze
20 Pixel entlang der Zeile von 600 Pixel verschoben.
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Es wird offensichtlich sein, dass
weiterhin eine einzigartige Sequenz von Farben vorhanden ist, durch
die aufeinander folgende Pixel jeder Zeile beleuchtet werden, dass
die Sequenz sich aber nicht mehr regelmäßig wiederholt und es keine
Möglichkeit gibt,
die (unregelmäßige) Sequenz
für jede
Zeile vorherzusagen.
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Das aus aufeinander folgenden Zeilen
jedes Feldes bestehende Rohbild wird in dem Sinne decodiert, dass
diejenigen Teile einer Zeile, die der Szene entsprechen, die durch
jede der vier Farben betrachtet wird, identifiziert werden, indem
gespeicherte Signale verwendet werden, die für den Rohbildausgang repräsentativ
sind, wenn sich regelmäßig wiederholende
Streifen mit primären
Referenzfarben beleuchtet werden. Somit wird, mit Bezug auf 4a, die Kamera zunächst auf
einer gleichförmigen
primärblauen
Szene abgebildet. Cyan, das eine Kombination aus Blau und Grün ist, ist
für Blau
transparent, aber Gelb, das aus rotem und grünem Licht besteht, lässt kein
blaues Licht durch, und daher ist das Ergebnis (mit Bezug auf 4f) blaue Bereiche, die
diagonal vom oberen Rand der Zeichnung zur linken Seite der Zeichnung
verlaufen, durchsetzt mit ebenso geneigten dunklen Bereichen. Die
blauen Streifen führen
zu der näherungsweisen
sinusförmigen
Variation, die in 4a für das Fragment
von einer Linie gezeigt ist. Die Beleuchtung durch eine gleichförmige rote
Szene hat zur Folge, dass rote Streifen diagonal vom oberen Rand
von 4f zur rechten Seite
verlaufen, durchsetzt mit opaken Streifen. Es entsteht wieder ein
sinusförmiges
Muster (4c), aber dieses
Mal in Bezug auf 4a phasenverschoben.
Das Rohbild ist mit der räumlichen
(elektrischen) Frequenz des Cyanfilters zyklisch.
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Die in 4a, 4c gezeigten Linien entsprechen
der Einfachheit halber dem hypothetischen verzerrungsfreien Fall.
Auf dem auf der CCD-Array abgebildeten eigentlichen Muster sind
die Linien in 4a und 4c nicht regelmäßig.
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Für
jede der Referenzbeleuchtungen wird das Rohbild von der CCD 3 für einen
kompletten Frame gespeichert. Was passiert, ist, dass die näherungsweise
sinusförmige
Modulation durch eine Slicer-Schaltung 14 passiert, die
Wellenform A von 4a und
Wellenform B von 4c erzeugt.
Diese beiden Wellenformen werden in einen Speicher 15 in der
Kamera einprogrammiert, jede für
einen kompletten Frame. Der Wellenformgenerator 16 wendet Kombinationslogik
auf die Wellenformen 4a und 4b an, um vier Wellenformen zu erzeugen,
die jeweils nur die Impulse enthalten, die einer der vier Farben entsprechen,
d. h. Gelb, Grün,
Cyan oder Weiß (4e). So erzeugt beispielsweise
logisch "und" die Impulse, die
weißer
Beleuchtung entsprechen, logisch "nicht-oder" erzeugt einen Ausgang, der grüner Beleuchtung
entspricht, und so weiter. Somit enthält der Speicher für jede Zeile
jedes Frame Impulsfolgen, die die genauen Zeit punkte anzeigen, an
denen das Rohbild Beleuchtung durch die jeweilige Farbe entspricht.
Der Speicher kann ein vorprogrammierter Speicher sein, d. h. POM
oder EPROM (der Teile der Wellenform je nach dem räumlichen
Ort wählt).
Dies wird dann zum Abtrennen der Farbkomponenten vom Rohbild von
einer tatsächlichen
Szene verwendet.
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Gemäß den 5, 6a bis 6c geht das Rohbild für eine bestimmte
Farbe der tatsächlichen
Szene in die Abtastund Halteschaltung, was mit Impulsen für diese
Farbe gesteuert wird, die vom Wellenformgenerator mit Kombinationslogik
von Wellenformen A und B im Speicher erzeugt werden. 6a zeigt eine mögliche Linie
der Szene und die Impulse, die zu den Zeiten auftreten, wenn diese
Linie der CCD durch eine der in 6b gezeigten
vier Farben beleuchtet wird. Der Ausgang der Abtast- und Halteschaltung
ist in 6c schematisch
dargestellt.
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Gemäß 3 erfolgt dasselbe für jede der vier Farbkomponenten,
was Bildwellenformen ergibt, die Beleuchtung durch cyanfarbene,
gelbe, grüne und
transparente Bereiche der Filtermittel entsprechen. Diese vier Wellenformen,
aus einem nichtflüchtigen
Speicher, werden jedesmal erzeugt, wenn die Kamera in Betrieb ist.
Sie werden benutzt, um rote, grüne,
blaue und Luminanzsignale durch einen Matrixadditionsschaltkomplex
zu erzeugen. Somit subtrahieren Inverter 6 und Addierer 7 die
grüne Komponente
von der gelben Komponente, so dass eine rote Komponente entsteht.
Inverter 6 und Addierer 8 subtrahieren die grüne Komponente
von der cyanfarbenen Komponente, so dass eine blaue Komponente entsteht.
Im Addierer 8 werden die blaue und die rote Komponente
zu einer magentafarbenen Komponente addiert. In der Additionsschaltung 10 werden
die rote, die magentafarbene und die blaue Komponente geeigneterweise
miteinander addiert, um die Farbinterferenzkomponente Δc zu erzeugen.
Die weiße Komponente
braucht nicht benutzt zu werden.
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Der Grund für die Addition der Farbinterferenzkomonente
lässt sich
aus den 7 und 8 ersehen. Wenn man einen
Farbbalkenchart für
eine beliebige Linie des Bildes abbildet, wo die aufeinander folgenden
Balken durch Abbilden durch die transparenten, gelben, cyanfarbenen
und grünen
Filterbereiche erzeugt werden, dann ist die Gesamtintensität der gelben,
cyanfarbenen und grünen
Bereiche deutlich geringer als die der weißen Bereiche, weil der gelbe Bereich
Blau subtrahiert hat, der cyanfarbene Bereich Rot subtrahiert hat
und die grünen
Bereiche Blau und Rot subtrahiert haben. Die richtigen Proportionen
für Rot
und Blau werden in der Schaltung 10 erzeugt, um das korrigierte
hochauflösende
Luninanzsignal Y am Addierer 10a zu erzeugen. Das den Kasten 11 (Verarbeitung)
verlassende Luminanzsignal mit niedriger Auflösung würde die Graustufenintensität der Szene
repräsentieren,
aber sein Streifenmuster wäre
darauf sichtbar und würde
wie in 4g aussehen,
aber mit verschiedenen Graustufen für die cyanfarbenen, gelben
und grünen
Bereiche. Der Matrixadditionsschaltkomplex 10 entfernt
die Sichtbarkeit dieses Streifenmusters von dem Rohbildsignal und
erzeugt ein Luminanzsignal mit einer Bandbreite, die einen erheblichen
Anteil der Bildbandbreite einnimmt.
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Der Matrixadditionsschaltkomplex 10 wird von
den cyanfarbenen, gelben und grünen
Impulsen torgesteuert, um den geeigneten Δc für den richtigen Teil der Rohbildwellenform
zu erzeugen. Somit wird zu den Zeiten (6c), wenn die Abtast- und Halteschaltungen
einen Ausgang für
eine bestimmte Farbe erzeugen, z. B. für Grün, in diesen Fällen Δc zum Rohbild
addiert, um die Tatsache zu reflektieren, dass das Rohbild in seiner
Intensität
erheblich reduziert ist, weil die roten und blauen Komponenten gestoppt
wurden. Dasselbe passiert in den Fällen, in denen die Abtast-
und Halteschaltungen für
andere Farben Ausgänge
wie in 6c gezeigt erzeugen. Δc ist deutlich
null, wenn die weißen
Impulse am Matrixadditionsschaltkomplex ankommen. Der Betrieb der
Abtast- und Halteschaltungen wandelt die eingehenden modulierten
Wellenformen in kontinuierliche Wellenformkomponenten von Cyan,
Gelb und Grün ohne
Diskontinuitäten
(d. h. Lücken)
um. Der Betrieb der Addierer 6, 7 erzeugt den
vollen Satz an Primärsignalen,
Rot, Blau (und Grün),
die ebenfalls kontinuierliche Wellenformen sind.
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Es sollte hinzugefügt werden,
dass die an den Addierern 8, 9 und den Invertern 6, 7 durchgeführte Addition
Primärfarben
ergibt, die kein Luminanzübersprechen
haben. Dies wird durch die nichtvertikale Natur der Streifen ermöglicht.
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Der Matrixadditionsschaltkomplex 10 kann eine
Begrenzerschaltung beinhalten, um Δc auf 30% Eingangsweißniveau
(Y) zu Zeiten zu begrenzen, wenn Cyan subtrahiert wird. Wenn dann
im Matrixadditionsschaltkomplex 10 eine Rauschspitze erzeugt wird,
dann wird diese begrenzt. Ebenso kann Δc dann auf 10% (von Y) zu Zeiten
begrenzt werden, wenn Gelb subtrahiert wird (siehe 7 und 8).
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Das korrigierte Luminanzsignal kann
weiter verbessert werden, indem es durch einen Kammfilter geleitet
wird, um restliche Farbenergie zu beseitigen. Die Luminanzkamm"Stoppbänder" treten an Frequenzpunkten
auf, die sich zwischen Horizontaloberwellen befinden. Diese Punkte
hängen
von Streifenwinkel- und -geometriefehlern ab. Der Vorzug der beschriebenen
Farbtrenntechnik ist, dass eine erhebliche Unterdrückung bei
Sensoren mit schlechter Geometrie erzielt wird. Ein zusätzlicher
Einschluss eines Kammfilters ermöglicht
eine noch bessere Unterdrückung
und Rauschredu zierung (sowohl statistisches als auch statisches
Rauschen). Sensoren mit schlechter Geometrie könnten Kammfilter ohne die hierin
beschriebene Farbtrennung nicht benutzen.
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Es ist erwünscht, dass die zum Erzeugen von
Farbe benutzte Kamera die folgenden Merkmale hat: Kristalltiming,
Gamma eins und gute Modulation auf der höchsten räumlichen Streifenfrequenz (d.
h. 50% bei 3,7 MHz).
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Die roten, grünen, blauen und Luminanzsignale
passieren vom Farbdecodierer 17 in den Farbcodierer 18.
In dieser Schaltung erfolgt Gammakorrektur, und eine hochpassgefilterte
Version des Luminanzsignals wird zu jedem der niedrig auflösenden roten,
grünen
und blauen Kanäle
addiert, um drei Ausgangssignale mit hoher Auflösung zu erzeugen (als "gemischt hohe" Verarbeitung bezeichnet).
Der Ausgang der Farbcodierung 18 ist in drei Gruppen unterteilt.
Die erste Gruppe besteht aus drei Kanälen von roten, grünen und
blauen Bildausgängen
zusammen mit Synchronisierwellenformen. Die zweite Gruppe besteht
aus zwei Kanäle
des Luminanzsignals (Y) und des Chrominanzsignals (C). Die dritte Gruppe
von Kanälen
ist ein einzelner Kanal, der zum Codieren von PAL, NTSC oder SECAM
verwendet wird. Abgehende Bildsignale vom Decoder sind nach TV-Standard
passend zur externen Ausrüstung
(d. h. TV-Displays, Videorecorder, RF-Links usw.) codiert.
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Der Wellenformgenerator 16 ist auch
für das Erzeugen
von TV-Impulsen wie Synchronisationsimpulsen, Austastimpulsen und
Nulltastimpulsen usw. verantwortlich.
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Eine typische Auflösung der
CCD-Array könnte
etwa 600 Pixel mit je 600 Zeilen sein. Für eine konventionelle TV-Horizontalfrequenz,
die einer Zeilenperiode von 64 μs
und einer aktiven Zeilenperiode von 52 μs entspricht, würde die
maximale Frequenz, die über
die Zeilen aufgelöst
werden kann, alternierenden Schwarz- und Weißwerten entsprechen, d. h. 300
Perioden in 52 μs,
d. h. einer maximalen Frequenz von etwa 6 MHz. Die Ansprechung des
Verstärkers
nimmt mit zunehmender Frequenz ab, und aus diesem Grund beträgt eine
typische Frequenz z. B. für
den cyanfarbenen Streifen 3 MHz. Dies würde zwei Pixeln für die cyanfarbenen
Streifen entsprechen, alternierend mit zwei für die dazwischen liegenden
transparenten Streifen. Entlang einer Zeile einer Array mit Pixeln
von 20 μ × 20 μ ergäbe dies
eine Streifenfrequenz von 12 1/2 Zeilenpaaren pro mm (auf die CCD-Array
referenziert), d. h. es gäbe
12 1/2 cyanfarbene Streifen und 12 1/2 dazwischen liegende transparente
Streifen pro mm. Unter Berücksichtigung
der Tatsache, dass die Streifen vorteilhafterweise, z. B. mit 22° auf beiden
Seiten der vertikalen Mittellinie der Array geneigt sind, würde dies
einem tatsächlichen
Zeilenabstand von etwa 15 Zeilenpaaren pro mm für die cyanfarbenen und die
gelben Streifen gleichkommen.
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Der Defokussierfilter F2 reduziert
Alias-Störungen
von Szenendetail und kann eine linsenförmige, doppelbrechende Platte,
eine Savart-Platte oder eine zylindrische Linse sein. Für den Überwachungsgebrauch
(d. h. Linsen mit großer
Brennweite, Zoom-Linsen usw.) kann dieser Filter wegfallen.
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Die Schattierungsfehler des Verstärkers sind eine
feste Signatur des Sensors und können
somit optisch korrigiert werden. Bei der Herstellung der Kamera
können
die Schattierungsfehler gemessen werden (s. den Roll-off am Ende
der Linie in 4a), und es
kann ein umgekehrtes Profilmuster erzeugt werden (z. B. mit einem
Computer-Linientransparenzdrucker).
Es ist nützlich,
die Schattierungskorrektur optisch mit einem Filter F5 anstatt
elektronisch durchzuführen,
da dies Fehler aufgrund von kontrastarmen Szenen vermeidet.
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Es ist ersichtlich, dass das vorgeschlagene System
mit einer Technik arbeitet, die eine Abtastextraktion zum Ab leiten
von Farbwellenformen zulässt. Man
ist der Ansicht, dass dieser Ansatz allen anderen Ansätzen überlegen
ist, da Kameras niedriger Leistung verwendet werden können.
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Die Innovationen sind die Methode
des Ableitens der Abtastmuster, die Methode des Speicherns der Abtastmuster,
die Methode des Entfernens von Farbfehlern von Luminanzsignalen
(d. h. Δc-Auslöschung),
die Methode des Entfernens von Luma-Fehlern von Chroma-Signalen
(d. h. Farbtrennung) und die Methode des Entfernens von Schattierungen.
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Das Verfahren hat die folgenden Vorzüge: verbessertes
Luma-Übersprechen,
d. h. die Unterdrückung
von Farbsignalen auf den Luma-Kanal ist über den gesamten Bereich des
Bildes konstant; verbessertes Chroma-Übersprechen, d. h. die Unterdrückung von
Farb-Übersprechen
von einer Farbe auf eine andere ist über den gesamten Bildbereich
konstant (Farbschattierung entsteht nicht oder es existiert "konstante Luminanz"); die Unterdrückungsleistung
nimmt mit Temperatur oder Alter nicht ab (ein Merkmal von Verstärkern);
die Technik kann mit völlig digitalen
Techniken implementiert werden (d. h. geringe Kosten, geringe Größe und stabile
Leistung); das verstärkte
Farbmuster kann geringe Größe, geringe
Leistung und geringe Kosten haben; verbesserte Unterdrückung kann
durch den Einbau zusätzlicher
Filterung mithilfe von einem oder zwei TV-Zeilenkammfiltern erzielt
werden; weiße
Highlights in der Szene oder dunkle Teile einer Szene werden nicht "grün" gefärbt, d.
h. das System hat ein erwünschtes "In-Grau-Einblenden"-Merkmal; die Wahl
von Streifenfiltern geht nicht auf Kosten von Leistung, z. B. Streifenwinkel
können ± 20° bis ± 30° für NTSC-Systeme, ± 22,5° für PAL-Systeme
betragen oder sogar zwischen ± 20° bis ± 30° liegen.
Die Pitch-Streifenfrequenz kann für beide Farben (Cyan und Gelb)
gleich sein. Dadurch kann die Streifenfrequenz tief sein (z. B.
2,5 MHz), so dass Sensoren mit schlecht auflösender Modulationstransferfunktion
wie Verstärker
verwendet werden können;
Die Farbschwebungsfrequenz, d. h. die Differenzfrequenz zwischen
Farbfiltern wird über
den gesamten Bildbereich kaum wahrnehmbar sein, da die Abtastimpulse
auf die Muster synchronisiert sind – es können Kameras mit schlechter
Geometrie (10%) verwendet werden, da die Farbleistung durch die
Geometrie nicht beeinträchtigt
wird; und durch schlechte Winkelfokussierung (d. h. Astigmatismus)
verursachte Farbfehler werden als geringere Farbsättigung
anstatt als Farb- (Farbton-) Fehler gesehen – die Schattierungskorrektur
(optisch) verringert den Sättigungsfehler.
Es folgen ein paar Beispiele für
Verstärkertypen,
die mit dieser Technik zum Einsatz kommen können: erste Generation; zweite
Generation, oder elektronenbombardierte CCD. Verstärker mit
einem Abdeckglas (d. h. dritte Generation) können mit einer Relaislinse
verwendet werden. Der entscheidende Punkt hier ist der, dass die
Fokalebene innerhalb des Gehäuses
des Verstärkers
liegt, so dass der Filter nicht an dieser Stelle befestigt werden
kann. Die Relaislinse setzt den Filter auf den Brennpunkt der Relaislinse,
die selbst auf den Brennpunkt des Verstärkers fokussiert ist. Alle
Sensoren sollten eine Lineartransferfunktion haben, d. h. Gamma
eins.
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Die Kamera ist nicht auf den Gebrauch
mit einem Verstärker
begrenzt und könnte
auch auf einer CCD ohne Verstärker
verwendet werden. Ferner könnten
auch andere Festkörpersensortypen
verwendet werden als CCD.
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Die Beschreibung bezieht sich zwar
auf die Verwendung von cyanfarbenen und gelben Streifen, aber es
wäre auch
möglich,
eine beliebige Kombination von zwei subtraktiven Primärfarben
zu verwenden, oder es könnten
drei subtraktive Primärfarben verwendet
werden, möglicherweise
ohne die transparenten Bereiche, und es könnten Primärfarben selbst benutzt werden,
aber das würde
die Leistung erheblich redu zieren. Die Referenzbeleuchtungsfarbe
würde natürlich von
den Farben im Filter abhängen.
Es könnten
auch andere Winkel der Streifen und Abstände verwendet werden. Ferner
könnte,
anstatt zwei Sätzen
von Streifen, die auf jeder Seite der Vertikalen geneigt sind, ein
Satz von Streifen verwendet werden, z. B. cyan, gelb, grün und klar,
oder rot, grün und
blau, schräg
zu den Zeilen geneigt. Ebenso könnten
auch andere Muster als Streifen verwendet werden, z. B. Kreise,
Sechsecke usw.
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Schließlich ist die Erfindung auf
Wellenlängen
außerhalb
des sichtbaren Bereichs anwendbar, z. B. auf den Infrarotbereich,
wo die Filter F3 und F4 den
jeweiligen Infrarot-Spektralbereichen
in der Weise entsprechen, dass die gelben und cyanfarbenen Streifen
bestimmten sichtbaren Bereichen entsprechen, was ein Falschfarbbild
ergibt, wo in drei unterschiedlichen Frequenzbereichen emittierende
Objekte separat dargestellt werden.