FR2548505A1 - Camera de television en couleur, a imageur solide a transfert de lignes - Google Patents

Abstract

LA CAMERA DE TELEVISION EN COULEUR SUIVANT L'INVENTION COMPORTE UN IMAGEUR MONOSENSEUR 20 SOLIDE A TRANSFERT DE LIGNES DANS LEQUEL DEUX ENSEMBLES DE PHOTOSITES INTERCALES FORMENT DEUX STRUCTURES A, B EN QUINCONCE, LES PHOTOSITES DE CES DEUX STRUCTURES ETANT RESPECTIVEMENT RELIES VIA DES COLONNES CONDUCTRICES ET DES MEMOIRES 4, 5 A DEUX REGISTRES DE SORTIE 6, 7. L'IMAGEUR EST RECOUVERT D'UN FILTRE CHROMATIQUE 10 EN COULEURS COMPLEMENTAIRES, DES FILTRES ELEMENTAIRES JAUNES RECOUVRANT L'UNE DES STRUCTURES EN QUINCONCE ET DES FILTRES ELEMENTAIRES CYAN OU MAGENTA RECOUVRANT LES PHOTOSITES DES LIGNES RESPECTIVEMENT IMPAIRES ET PAIRES DE L'AUTRE STRUCTURE EN QUINCONCE. L'IMAGEUR EST LU DANS SA TOTALITE POUR FORMER CHAQUE TRAME DE L'IMAGE. LES CIRCUITS DE TRAITEMENT 30 PERMETTENT D'OBTENIR DIRECTEMENT A PARTIR DES SIGNAUX DE SORTIE DES REGISTRES DE SORTIE 6, 7 LES SIGNAUX DE COULEUR CLASSIQUES. APPLICATION, NOTAMMENT, A DES CAMERAS QUI NE NECESSITENT PAS DE LIGNE A RETARD DANS LES CIRCUITS DE TRAITEMENT.

Description

Caméra de télévision en couleur, à imageur solide
à transfert de lignes.

L'invention se rapporte au domaine des caméras en couleur à imageur solide. La réalisation d'une caméra couleur monosenseur nécessite l'association d'un imageur à l'état solide, d'une mosalque de filtres colorés, et d'une voie de traitement des signaux vidéo issus de l'imageur.

I1 existe actuellement de nombreuses structures d'imageurs à l'état solide succeptibles d'être utilisées pour la réalisation de cameras couleur monosenseur. Mais l'invention concerne plus particulièrement une caméra couleur monosenseur construite autour d'un imageur à transfert de lignes.

Dans l'une des structures actuellement utilisées l'imageur à transfert de lignes est constitué de la manière suivante: la zone photosensible, comportant rn.p photosites, est associée à deux registres de commande à décalage logique, sélectionnant respectivement les lignes des trames paire et irnpaire; les points pairs des lignes de la matrice de photosites sont reliés à une première mémoire de ligne, les points impairs des lignes étant reliés à la seconde mémoire de ligne; les deux registres à décalage de sortie à transfert de charge peuvent contenir chacun une demi-ligne vidéo.

Le principe de fonctionnement d'un tel imageur peut être sommairement résumé de la façon suivante: une ligne de m photosites est sélectionnée soit par le premier registre à décalage si elle appartient à la trame paire soit par le second registre à décalage si elle appartient à la trame impaire; une fois la ligne sélectionnée, les charges accumulées dans les photosites sont transférées dans les mémoires de ligne, les charges de photosites de rangs pairs dans la ligne étant dirigés vers la première mémoire de ligne, et celles des points impairs vers la seconde.

Puis le contenu des mémoires est transféré en direction des registres à décalage de sortie, et ces deux registres sont lus à cadence TV pour fournir une ligne vidéo.

La lecture de l'imageur s'effectue trame par trame, la capacité de stockage de chacun des registres à décalage est égale à une demi-ligne vidéo et en conséquence il ne sort de l'imageur qu'une seule ligne vidéo à chaque période ligne, ce type d'imageur ne se prête pas à la combinaison interlignes. En conséquence, la mosaïque de filtres colorés associée à l'imageur peut avantageusement être une structure de type Bayer, qui comporte sur deux lignes consécutives les mêmes filtres colorés, alternativement vert et rouge pour un premier groupe de deux lignes, puis bleu et vert pour un second groupe de deux lignes.

La voie de traitement associée à cet ensemble imageur-filtres colorés peut conduire à de nombreux modes de réalisation, mais pour l'obtention de l'information couleur et de l'information luminance il est nécessaire de combiner dans les circuits de traitement deux lignes consécutives situées dans la même trame pour obtenir tous les échantillons de chrominance (vert, rouge, et bleu) et la luminance. En conséquence il est nécessaire d'avoir une ligne à retard de la durée 1H d'une ligne d'analyse pour obtenir simultanément ces échantillons et élaborer ainsi les signaux de différence de couleur. Cette combinaison de deux lignes successives de la même trame, qui sont donc séparées par une ligne de l'autre trame, entraîne une perte de résolution verticale, et donc une mauvaise reproduction des transitions obliques. De plus cette structure nécessite une ligne à retard.

L'invention a pour objet une nouvelle caméra de télévision en couleur à imageur solide qui permet de supprimer les inconvénients indiqués ci-dessus sans affecter les autres caractéristiques de la caméra, à savoir sa sensibilité et sa résolution horizontale.

Cette caméra met en oeuvre un imageur à transfert de ligne particulier dans lequel les éléments photosensibles de la matrice, et les colonnes conductrices qui les relient aux mémoires, sont organisés en deux structures indépendantes dans lesquelles les éléments photosensibles sont agencés en quinconce. A cette structure particulière, qui sera décrite en détails ci-après, et qui permet de transférer les points pairs d'une ligne et les points impairs de la ligne consécutive dans la même mémoire de ligne, et associé un filtre chromatique particulièrement adapté, et des circuits de traitement associés particulièrement simples.

Suivant l'invention une caméra de télévision en couleur, à imageur solide à transfert de lignes, est caractérisée en ce que:
- l'imageur à transfert de lignes comporte une matrice de photosites associée à des moyens de sélection des lignes successives de la matrice pour le transfert des charges stockées, les photosites de rangs pairs et de rangs impairs d'une ligne de la matrice étant reliés par des colonnes conductrices respectivement à l'une et l'autre de deux mémoires, ces mémoires étant associées chacune à un registre à décalage de sortie ayant une capacité de stockage égale à une ligne de la matrice, les colonnes conductrices associées aux points pairs d'une ligne étant également celles associées aux points impairs de la ligne suivante, pour transférer dans chacun des deux registres de sortie les charges provenant d'un ensemble de photosites en quinconce, ces charges stockées dans les photosites de rangs pairs d'une ligne et dans les photosites de rangs impairs d'une ligne adjacente, précédente ou suivante, étant transférées durant un même intervalle de suppression ligne et intercalées dans les étages du registre de sortie correspondant,
- en ce qu'une matrice de filtres colorés en couleurs complémentaires, Jaune, Cyan et Magenta est placée sur la matrice de photosites, les photosites d'un premier ensemble en quinconce étant recouverts de filtres jaunes, et les photosites de l'autre ensemble en quinconce étant recouverts de filtres alternativement Cyan sur une ligne et Magenta sur la ligne suivante,
- en ce que la voie de traitement combine directement les signaux issus des deux registres de sorties, résultant de l'entrelacement de deux lignes successives de la matrice, pour en extraire les signaux de couleur et de luminance.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées.

La figure 1 est un schéma synoptique d'une caméra couleur à imageur solide;
La figure 2 est un schéma synoptique de l'imageur solide à structure en quinconce mis en oeuvre dans la caméra suivant l'invention;
La figure 3 est le schéma de la mosaïque de filtres colorés utilisée dans la caméra suivant l'invention;
La figure 4 est un chronogramme des signaux de commande
appliqués à l'imageur;
La figure 5 donne le contenu des registres à décalage de sortie après transfert de deux lignes successives;
La figure 6 est un schéma synoptique des circuits de traitement;
La figure 7 est un chronogramme de signaux caractéristiques du fonctionnement des circuits de traitement.

La figure 1 représente très schématiquement une caméra à imageur solide. Une telle caméra comporte un filtre chromatique 10 placé sur la face avant d'un imageur monosenseur à transfert de ligne 20.

L'imageur à transfert de ligne utilisé dans la caméra suivant l'invention comporte deux mémoires de ligne associées à la matrice photosensible, chacune de ces mémoires étant associée à un registre de sortie. En conséquence, l'imageur à transfert de ligne représenté a deux sorties délivrant les signaux S1 et S2 ces signaux sont appliqués aux entrées des circuits de traitement 30 qui restituent les trois composantes d'un signal de télévision en couleur, soient sa luminance Y et les composantes de différence de couleur DR et DB
La figure 2 représente un schéma synoptique de l'imageur à transfert de ligne utilisé dans la caméra suivant l'invention.Cet imageur comporte une zone photosensible 1 formant une matrice de m lignes, m = 576 par exemple de p photosites d'indices i = 1 à p, p = 462 par exemple, commandée par deux registres à décalage de sélection ligne, 2 et 3, le premier relatif aux lignes de la matrice de rangs impairs et le second aux lignes de la matrice de rangs pairs. Les charges accumulées dans ces photosites sont transférées par des colonnes conductrices définies de la manière suivante: une colonne conductrice Ci relie d'une part les photosites relatifs aux lignes impaires de la matrice situés dans la colonne de la matrice de rang i, et d'autre part les photosites des lignes paires situés dans la colonne de rang i+l de la matrice. Une colonne conductrice sur deux est reliée à une première mémoire de ligne 4, les autres colonnes conductrices étant reliées à la seconde mémoire de ligne 5. Ces mémoires 4 et 5 ont chacune 2 éléments mémoires. Les sorties
2 parallèles des mémoires 4 et 5 sont reliées à 2 entrées parallèles de
2 paralièles registres à décalage de sortie, à transfert de charge, respectivement 6 et 7. Ainsi sont définies les structures A et B indépendantes dans lesquelles les pixels ou éléments d'image sont agencés en quinconce. La sélection d'une ligne complète par l'un ou l'autre des registres 2 et 3 conduit à sélectionner simultanément des pixels relatifs à une structure et des pixels relatifs à l'autre structure en quinconce. Bien que le nombre de colonnes conductrices reliées à chaque mémoire ligne soit égal à la moitié du nombre p de pixels dans une ligne, la sortie complète des informations des registres à décalage 6 et 7 a la durée d'une ligne, les registres à décalage comportant par exemple p étages.Dans ces structures, les registres de sélection 2 et 3 sont actifs tous les deux durant la lecture d'une trame, et pour chaque trame, tout l'imageur est lu. C'est-à-dire que l'imageur est lu dans sa totalité toutes les vingt millisecondes, les lignes impaires et paires de la matrice In et In, étant combinées pour former une ligne Ln de la trame impaire de l'image tandis que les lignes paires et impaires In, et 1n+l de la matrice sont combinées pour former une ligne
Ln, de la trame paire de l'image.

La durée de stockage dans les photosites est donc diminuée de moitié par rapport à la durée de stockage des photosites dans une structure classique du type de celle présentée au début. Ainsi, si la structure de filtres colorés et les circuits de traitement associés étaient semblables à ceux décrits précédemment, une caméra utilisant un tel imageur aurait une sensibilité deux fois plus faible.

Pour éviter un tel inconvénient, le filtre chromatique 10 associé à cet imageur à transfert de ligne est spécialement adapté. Il est formé d'une mosaïque de filtres en couleurs complémentaires. Ce filtre chromatique est représenté sur la figure 3. il comporte pour les lignes impaires de la matrice par exemple l'alternance de filtres jaune, J, et cyan (turquoise), C. Cette alternance est reproduite à l'identique sur toutes les lignes impaires. Sur les lignes paires les filtres sont alternativement
Magenta, M, et jaune, J, cette structure étant reproduite à l'identique sur toutes les lignes paires. Les filtres jaunes J recouvrent donc des photosites disposés en quinconce, c'est-à-dire que tous les échantillons de jaune correspondent à l'une des deux structures en quinconce de l'imageur.

I1 n'est pas fait de décomposition de cette mosalque en trames puisque pour l'élaboration d'une trame TV tout l'imageur est lu. Ce mode de lecture peut être expliqué à partir du chronogramme des signaux de commande représenté sur la figure 4. Durant un intervalle de suppression ligne du signal vidéo, la lecture de deux lignes successives est commandée. Pour cela les signaux de commande de sélection C52 et C53 appliqués aux registres de sélection, respectivement 2 et 3, sont ceux représentés sur ce chronogramme.Une impulsion de CS2 permet le transfert dans les deux mémoires de ligne 4 et 5 des charges stockées dans les photosites de la ligne n; puis une impulsion de C53 commande la lecture des charges stockées dans les photosites appartenant à la ligne de la matrice de rang n'. Ces deux impulsions se produisent toutes deux durant un même intervalle de suppression ligne. Le changement d'état de la tension appliquée à l'entrée de commande de transfert 4c C des mémoires de ligne 4 et 5 permet de transférer le contenu de ces mémoires dans les registres de sortie respectivement 6 et 7, avant chaque nouveau transfert de charge.Comme indiqué ci-dessus, chaque registre de sortie a une longueur égale à une ligne vidéo, et le contenu d'une ligne est donc chargé dans chaque registre de sortie en deux temps, une demi-ligne appartenant à la ligne n de la matrice et l'autre demi-ligne comportant les photosites en quinconce appartenant à la ligne n' suivante de la matrice de photosites.

Les signaux d'horloges HT et HD de transfert et de décalage dans les registres de sortie commandent la sortie des charges sur les sorties S1 et de de ces registres de sortie.

Ainsi, avec les échantillons obtenus par suite du filtrage réalisé par le filtre chromatique représenté sur la figure 3, les registres 6 et 7, après la lecture de deux lignes successives d'indices n et n' auront les contenus représentés sur la figure 5. Le signal S1 est formé d'une suite d'échantillons correspondant tous à la composante de jaune de l'image, les échantillons de jaune de deux lignes successives n et n', en quinconce dans la matrice, étant transmis successivement et entrelacés à la sortie du registre à décalage 6. Le signal S2 est formé d'une suite d'échantillons correspondant alternativement à la composante de Magenta et la composante de Cyan de l'image, ces deux composantes, respectivement prélevées sur des échantillons en quinconce de deux lignes successives de la matrice de photosites, étant entrelacées.

Les circuits de traitement représentés sur la figure 6 permettent d'obtenir simultanément à partir de ces deux signaux S1 et S2 les composantes du signal vidéo. La sortie du registre 6 est reliée à l'entrée d'un échantillonneur-bloqueur 31 commandé par un signal d'horloge H1. La sortie du registre à décalage 7 fournissant le signal S2 est reliée aux entrées de deux échantillonneurs-bloqueurs 32 et 33 respectivement commandés par les signaux d'horloge H2 et H3. Les signaux d'horloge H1,
H2, H3 ainsi que les signaux de sortie des échantillonneurs-bloqueurs 31, 32 et 33, respectivement SJ, SC et SM sont représentés sur la figure 7.

Les sorties de ces trois échantillonneurs-bloqueurs sont reliées à un circuit de filtrage et de matriçage 34 qui délivre à partir des trois signaux de couleur correspondant aux composantes jaune, Cyan et Magenta, le signal de pseudo luminance SHF, et les composantes de couleur R, V et B.

Ces signaux sont obtenus de la manière suivante: SJ + Shrl SC 2R
aSJ + bSC + cSM = SHF (a, b, c étant des coefficients de pondération).

SJ + SC - SM = 2V
5M + SC - SJ = ÇB.

Les signaux R, V, B résultant de ces combinaisons sont alors filtrés dans des filtres passe bas à fréquence de coupure F C= 750 KHz, 35, 36, 37.

Le signal de luminance à basse fréquence, YBF est alors obtenu par une combinaison linéaire de ces trois signaux.

Par ailleurs, le signal de pseudo luminance 5HF est filtré dans un filtre passe haut 38 de fréquence de coupure FC = 750 KHz puis appliqué à un filtre rejecteur 39 coupant la fréquence de Nyquist FH/2, pour supprimer les parasites résultant du multiplexage de deux lignes successives n et n'. Les sorties des filtres 35, 36, 37 et 39 sont reliées aux entrées correspondantes d'un circuit 40 de matriçage, codage et traitement vidéo classique qui à partir des composantes R, B, YBF délivre les composantes de différence de couleur DR et DB et la luminance Y, DR = R - YBF,
DB = B - YBF et Y = YBF + KYHF, après les traitements habituels c'està-dire l'écrêtage des blancs et des noirs, I'alignement du niveau des noirs, la correction de g etc...

Le traitement indiqué ci-dessus n'est pas le seul que l'on puisse envisager à partir des composantes Sj, 5c et SM.

En effet, on favorise dans ce premier cas la sensibilité de la caméra au détriment de la résolution horizontale (grâce à un moyennage spatial sur plusieurs pixels pour obtenir le signal SHF). Par contre, dans la première variante décrite ci-après on privilégie la résolution horizontale aux dépends de la sensibilité puisque la pseudoluminance est obtenue uniquement à partir des échantillons jaunes.

Dans cette première variante, un signal de luminance haute fréquence HF peut être obtenu uniquement à partir d'un signal SHF dérivé uniquement de la succession des échantillons de jaune, par filtrage passe haut avec une fréquence de coupure FC= 750 KHz; le reste des traitements est inchangé.

Dans une seconde variante, l'obtention de la composante verte est obtenue par dématriçage de YBF, R et B, YBF étant obtenu par filtrage passe bas à 750 KHZ du signal Y de pseudo luminance. Le signal YHF est obtenu comme dans le premier cas décrit en détails ci-dessus par filtrage passe haut à 750 KHz du signal Y de pseudo luminance.

L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation précisément décrit. En particulier deux registres de sélection 2 et 3 ont été représentés, l'un associé aux lignes pairs de la matrice, I'autre aux lignes impaires.

En pratique du fait que la mosaïque est lue en entier pour chaque trame de l'image, les moyens de sélection des lignes successives de la matrice peuvent comporter un seul registre à décalage commandé par un signal Cs équivalent à la réunion des signaux Cs2 et Cs3 comportant deux impulsions de décalage pendant chaque intervalle de suppression ligne.

La caméra décrite ci-dessus assure un bon compromis entre résolution et sensibilité et comme indiqué ci-dessus permet d'utiliser une voie de traitement particulièrement simple puisqu'elle ne nécessite pas de ligne à retard.

Par ailleurs, le principe adopté pour lire l'imageur (lecture en quinconce des échantillons de deux lignes consécutives) permet de corriger simplement les défauts tels que le bruit à structure fixe FPN et le "smearing".

La procédure qui est généralement adoptée pour réduire ces défauts consiste à mémoriser une ligne pendant la suppression trame, puis à retrancher les informations recueillies sur cette ligne au signal utile.

Il faut donc que l'on soit capable de réaliser cette opération de neutrodynage à la fréquence point, ce qui nécessite la mise en oeuvre de technologies très rapides, par exemple bipolaire. Or ces technologies présentent l'inconvénient de consommer beaucoup, ce qui rend très difficile l'intégration de telles corrections du moins en bipolaire. Par contre il est tout à fait envisageable de corriger ces défauts au moyen de circuits intégrés réalisés en technologie MOS si la récurrence de ces corrections est moins rapide que la fréquence point F2 Fsc = 8,86 MHz).

On constate qu'il est possible d'effectuer ces corrections à une fréquence (fisc = 4s43 MHz) deux fois plus faible que la fréquence point, avec le mode de lecture adopté. En effet, on peut remarquer que les échantillons peuvent se grouper deux par deux en sortie de l'imageur (S1 et S2)' puisque chacun des deux échantillons transite par le même trajet et subit de ce fait les mêmes dégradations que son homologue de la même colonne (mais appartenant à l'autre ligne sélectionnée).

Claims (3)

REVENDICATIONS

1. Caméra de télévision en couleur, à imageur solide à transfert de lignes, caractérisée en ce que:

- I'imageur à transfert de lignes comporte une matrice de photosites (1) associée à des moyens de sélection (2, 3) des lignes successives de la matrice pour le transfert des charges stockées, les photosites de rangs pairs et de rangs impairs d'une ligne de la matrice étant reliés par des colonnes conductrices respectivement à l'une et l'autre de deux mémoires, ces mémoires étant associées chacune à un registre à décalage de sortie ayant une capacité de stockage égale à une ligne de la matrice, les colonnes conductrices associées aux points pairs d'une ligne étant également celles associées aux points impairs de la ligne suivante, pour transférer dans chacun des deux registres de sortie les charges provenant d'un ensemble de photosites en quinconce, ces charges stockées dans les photosites de rangs pairs d'une ligne et dans les photosites de rangs impairs d'une ligne adjacente, précédente ou suivante, étant transférées durant un même intervalle de suppression ligne et intercalées dans les étages du registre de sortie correspondant,

- en ce qu'une matrice de filtres colorés en couleurs complémentaires, Jaune, Cyan et Magenta est placée sur la matrice de photosites, les photosites d'un premier ensemble en quinconce étant recouverts de filtres jaunes, et les photosites de l'autre ensemble en quinconce étant recouverts de filtres alternativement Cyan sur une ligne et Magenta sur la ligne suivante,

- et en ce que la voie de traitement combine directement les signaux issus des deux registres de sortie, résultant de l'entrelacement de deux lignes successives de la matrice, pour en extraire les signaux de couleur et de luminance.

2. Caméra selon la revendication 1, caractérisée en ce que pour former une image constituée de deux trames entrelacées, les paires de lignes successives (ln, ln,) dont les charges sont combinées pour former une première trame de l'image sont décalées d'une ligne (in, 1n+î > 1,,1) pour former la seconde trame, les moyens de sélection (2, 3) provoquant ce décalage d'une ligne à chaque début de trame-image.

3. Caméra selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les circuits de traitement comportent un échantillonneur-bloqueur (31) relié à la sortie (S1) du registre associé à l'ensemble des photosites recouverts de filtres jaunes, cet échantillonneur étant commandé à la fréquence des échantillons d'une ligne et deux échantillonneurs-bloqueurs (32 et 33) reliés à la sortie (S2) du registre de sortie associé à l'autre ensemble de photosites, commandés à une fréquence moitié de la fréquence des échantillons, les sorties de ces échantillonneurs étant reliées aux entrées d'un circuit de matriçage, filtrage et traitement (34 à 40) fournissant les composantes de différences de couleur (DR et DB) et la composante de luminance (Y).