<Desc/Clms Page number 1>
Niet-lineaire signaalverwerking.
EMI1.1
De uitvinding heeft betrekking op een niet-lineaire signaalverwerking met een van de amplitude van een ingangssignaal instelbaar afhankelijke overdracht.
In een digitale schakeling kan een dergelijke niet-lineaire signaalverwerking op zeer eenvoudige wijze gerealiseerd worden met behulp van een als opzoektabel (look-up table) fungerend geheugen. In een analoge schakeling is een niet-lineaire schakeling met een van de amplitude van een ingangssignaal instelbaar afhankelijke overdracht echter niet op voor de hand liggende wijze te realiseren.
Het is onder meer een doel van de uitvinding om een analoge niet-lineaire signaalverwerking te bieden met een van de amplitude van een ingangssignaal instelbaar afhankelijke overdracht. Daartoe biedt een eerste aspect van de uitvinding een nietlineaire schakeling met een per amplitude-segment van een ingangssignaal instelbare overdracht als gedefinieerd in conclusie 1. Een tweede aspect van de uitvinding biedt een werkwijze als gedefinieerd in conclusie 6. Voordelige uitvoeringsvormen zijn in de onderconclusies aangegeven.
Een dergelijke schakeling kan met voordeel worden toegepast als nietlineaire versterker in een analoge beeldverbeteringsschakeling die op basis van een gemeten histogram de versterking van de niet-lineaire versterker per histogram-segment instelt afhankelijk van een gemeten histogramsegmentwaarde. Andere niet-lineaire bewerkingen, zoals een lidmaatschapsfunctie voor echter ook mogelijk.
Deze en andere aspecten van de uitvinding zullen blijken uit en toegelicht worden aan de hand van de hierna beschreven uitvoeringsvormen.
In de tekeningen toont
<Desc/Clms Page number 2>
Fig. 1 een eerste uitvoeringsvorm van een niet-lineaire versterker volgens de uitvinding ;
Fig. 2 een uitvoeringsvoorbeeld van een poortschakeling voor toepassing in de niet-lineaire versterker volgens Fig. 1 ;
Fig. 3 een tweede uitvoeringsvorm van een niet-lineaire versterker volgens de uitvinding ;
Fig. 4 enige diagrammen ter toelichting van de werking van de nietlineaire versterker van Fig. 3 ; en
Fig. 5 een uitvoeringsvorm van een niet-lineaire schakeling volgens de uitvinding voor toepassing als een "fuzzy 10gic" lidmaatschapsfunctie.
In de uitvoeringsvorm van Fig. 1 wordt een ingangssignaal Yi (bijvoorbeeld een luminantiesignaal) toegevoerd aan een vijftal segment-poortschakelingen 11- 15. Een ander aantal segmenten is mogelijk ; het aantal 5 bleek goede resultaten op te leveren voor analoge beeldverbetering met histogramconversie. De segmenten kunnen van gelijke grootte of willekeurig verdeeld zijn ; in het laatste geval moeten echter ten opzichte van de onderstaande beschrijving bepaalde modificaties worden aangebracht.
Poortgrensingangen van de segment-poortschakelingen 11-15 ontvangen spanningen V0-V5 van aansluitingen van een weerstandsladder 21-25 waaraan een stroom I wordt toegevoerd en waarvan de laagste spanning VO een zwartniveaureferentiespanning Ybref en de hoogste spanning V5 gelijk aan V0 + 1 * (R21+R22+R23+R24+R25) is. De poortschakeling Ix geeft een signaal Yx af dat gelijk is aan V (x-l) als Yi < V (x-l), dat gelijk is aan Yi als V(x-l)LYi . Vx, en dat gelijk is aan Vx als Yi 2. Vx, met x = 1.. 5. De signalen Y1-Y5 worden toegevoerd aan eerste ingangen 1 van verschilversterkers 31-35 die aan tweede ingangen 2 de spanningen V0-V4 krijgen toegevoerd.
Derde ingangen 3 van de verschilversterkers (vermenigvuldigers) 31-35 krijgen instelspanningen HM1-HM5 toegevoerd, die afkomstig kunnen zijn van gemeten histogramsegmentwaarden in een voorkeurstoepassing van de niet-lineaire versterker
EMI2.1
volgens de uitvinding. Vierde ingangen 4 van de verschilversterkers 31-35 krijgen het b gemiddelde HMa van de instelspanningen HMl- HM5 toegevoerd ; bij willekeurig verdeelde segmenten biedt bij de bepaling van HMa elke instelspanning gewogen worden met een factor die afhangt van de relatieve lengte van het segment. De produc-
<Desc/Clms Page number 3>
ten Y"1-Y"5 aan de uitgangen van de verschilversterkers (vermenigvuldigers) 31-35 zijn verkregen volgens de formule
EMI3.1
Uitgang = * * K.
Het signaal Y"5 wordt dus verkregen volgens Y"5 = (Y5-V4) Hierin is K een constante, bij voorkeur gelijk aan 0. 6. De verschilterm Vx aan de tweede ingangen 2 van de verschilversterkers 31-35 zorgt ervoor dat de amplitudes Y (x+l) die gelijk aan de ondergrens Vx van het onderhavige segment zijn (dit is het geval als de amplitude Yi van het ingangssignaal kleiner dan of gelijk aan deze ondergrens Vx is) niet tot een bijdrage in het uitgangssignaal van de verschilversterker 3x leiden. Verschilversterkers (vermenigvuldigers) 31-35 als hiervoor beschreven zijn bekend onder de naam Gilbert-cell en in de handel verkrijgbaar (bijvoorbeeld Motorola IC MC1495L).
De uitgangssignalen Y"1-Y"5 van de verschilversterkers 31-35 worden opgeteld tot een somsignaal Y"s door de uitgangen van de verschilversterkers met elkaar te verbinden. Het somsignaal Y"s wordt toegevoerd aan een verschilversterker 37 voor het verkrijgen van een term Y"volgens Y"= (Y"s-VO) * (VO-Y"ctrl), waarin Y"ctrl een instelspanning is. De term Y" wordt opgeteld bij het ingangssignaal Yi in een opteller 39 voor het verkrijgen van een uitgangssignaal Yhm dat aldus door nietlineaire versterking met per amplitude-segment VO-V1.. V4-V5 van het ingangssignaal Yi instelbare versterkingsfactoren HM1.. HM5 verkregen is uit het ingangssignaal Yi.
Door de segmentsgewijze vermenigvuldiging met factoren HMx-HMa (x = l.. 5) wordt bereikt dat de versterkingskarakteristiek onafhankelijk van de instelspanningen HM1-HM5 altijd door de punten (0,0) en (Vmax, Vmax) gaat, waarbij Vmax de maximaal toegestane waarde van het ingangssignaal Yi is. Tevens wordt hierdoor bereikt dat de niet-lineaire versterking wordt verkregen door middel van een optelling van een correctieterm Y"bij het ingangssignaal Yi, zodat de hoofdmoot Yi van Het uitgangssignaal Yhm aan zo min mogelijk ruis-introducerende schakelingselementen onderworpen is.
Fig. 2 toont een uitvoeringsvoorbeeld van een poortschakeling Ix (x = l.. 5) voor toepassing in de niet-lineaire versterker volgens Fig. 1. De ondergrensspanning V (x-l) wordt toegevoerd aan een basis van een transistor T l van een NPN verschilversterkerpaar Tl, T2 waarvan de collectoren aan een positieve voedingsspanning +V en de met elkaar verbonden emitters via een weerstand Rl aan een negatieve
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
voedingsspanning-V liggen. De ingangsspanning Yi wordt toegevoerd aan de basis van de transistor T2. De spanning Ym aan de emitters van de transistoren Tl, T2 is het maximum van de ondergrensspanning V en het ingangssignaal Yi.
De emitters van de transistoren Tl, T2 zijn verbonden met de basis van een transistor T3 van een PNP verschilversterkerpaar T3, T4 waarvan de collectoren aan de negatieve voedingsspanning-V en de met elkaar verbonden emitters via een weerstand R2 aan de positieve voedingsspanning +V liggen. De bovengrensspanning Vx wordt toegevoerd aan de basis van de transistor T4. Aan de emitters van de transistoren T3, T4 kan de uitgangsspanning Yx afgenomen worden, welke gelijk is aan het minimum van de bovengrensspanning Vx en de spanning Ym.
Fig. 3 toont een tweede uitvoeringsvorm van een niet-lineaire versterker volgens de uitvinding, welke in het bijzonder geschikt is voor een realisatie in CMOS.
Voor het bepalen van binnen welk van vijf amplitude-segmenten (met gelijke of willekeurig verdeelde grootte) het ingangssignaal Yi ligt, wordt het ingangssignaal Yi toegevoerd aan eerste ingangen van een aantal n (bijvoorbeeld vijf) comparatoren 51.. Tweede ingangen van de comparatoren 51.. via bufferversterkers 41.. verbonden met een weerstandsladder 21.. waardoor een door een aan een eind van de weerstandsladder gekoppelde stroombron I geleverde stroom loopt. Het laagste referentiespanningsniveau Vbref (bijvoorbeeld een zwartniveaureferentiespanning) wordt aan het andere eind van de weerstandsladder 21.. de overige aansluitingen van de weerstandsladder voeren telkens hogere spanningen VI..
Uitgangen van de comparatoren 21.. verbonden met eerste ingangen van logische niet-of (NOR) schakelingen 61.. waarvan tweede ingangen verbonden met massa respectievelijk de uitgangen van de comparatoren 61.. Uitgangssignalen Sl.. van de NORschakelingen 61.. geven aan binnen welk amplitudesegment het momentele ingangssignaal Yi ligt.
De amplitudesegment-indicatiesignalen Sl.. kunnen toegevoerd worden aan een histogrammeetschakeling 67 voor het verkrijgen van instelspanningen HML. alsmede het gemiddelde HMa daarvan, voor het instellen van de versterkingskarakteristiek van de niet-lineaire versterker. Voor het functioneren van de niet- 0 lineaire versterker is het echter irrelevant of de instelspanningen HML. door middel van een histogrammeting zijn verkregen of op andere wijze. De instelspanningen
<Desc/Clms Page number 5>
(x-l)HM1.. HMn worden toegevoerd aan een somschakeling 69 voor het bepalen van somsignalen EM1.. EMn volgens de formules EM1 = 0, EM2 = HM1-HMa en
EMx = (HMl-HMa) + (HM2-HMa) +... + (HM ;. i-HMa) voor i > 3.
Om een juiste werking door CMOS schakelaars mogelijk te maken, wordt vervolgens bij elk van de signalen EMx de gemiddelde histogramwaarde HMa opgeteld ter verkrijging van positieve waarden EMx'= EMx + HMa, met EMF = HMa, EM2' = HM1, EM3'= HM1 + HM2 - HMa, etc.
Indien de segmenten willekeurige lengtes hebben moeten de formules voor EMx zodanig aangepast worden, dat elk verschil HMx-HMa gewogen wordt met de verhouding tussen de lengte van het onderhavige segment en de kortste segmentlengte.
Stel dat er 5 segmenten zijn waarvan de lengten li tot elkaar in de verhoudingen 1 : 2 : 4 : 2 : 1 staan. De factoren HM2-HMa en HM4-HMA moeten dan met 2/1 vermenigvuldigd worden, en de factor HM3-HMA moet met 4/1 vermenigvuldigd worden.
Verder geldt voor de gemiddelde histogramwaarde HMa dat als de histogramwaarden HM1.. HM5 achtereenvolgens bijvoorbeeld 0, 1, 3, 1, 0 zijn, dan de gemiddelde histogramwaarde HMa gelijk is aan E [li * HMi]/E li ofwel [ (1*0) + (2*1) + (4*3) + (2*1) + (1*0)]/10 = 1. 6, zodat ook bij de bepaling van de gemiddelde histogramwaarde HMa de lengten van de segmenten meegenomen worden.
Het ingangssignaal Yi wordt verder toegevoerd aan een eerste ingang 1 van een verschilversterker 71 die van hetzelfde type kan zijn als de in Fig. 1 getoonde verschilversterkers 31.. 3n. Aan een tweede ingang 2 van de verschilversterker 71 wordt
EMI5.1
een van de spanningen VO.. toegevoerd via schakelaars die bestuurd worden door de amplitudesegment-indicatiesignalen S1.. geldt dat als het momentane ingangssignaal Yi in het bij het amplitudesegment-indicatiesignaal Sx horende amplitudesegment valt, via de door het amplitudesegment-indicatiesignaal Sx gestuurde schakelaar de spanning V (x-l) toegevoerd wordt aan de tweede ingang 2 van de verschilversterker 71, met x = 1.. n.
Aan een derde ingang 3 van de verschilversterker
EMI5.2
71 wordt een van de instelspanningen HML. toegevoerd via schakelaars die bestuurd worden door de amplitudesegment-indicatiesignalen S1.. waarbij geldt dat als het momentane ingangssignaal Yi in het bij het amplitudesegment-indicatiesignaal Sx horende amplitudesegment valt, via de door het amplitudesegment-indicatiesignaal Sx gestuurde schakelaar de instelspanning HMx toegevoerd aan de derde ingang 3 van de
<Desc/Clms Page number 6>
verschilversterker 71, met x = l.. n. Aan een vierde ingang 4 van de verschilversterker 71 wordt het gemiddelde HMa van de instelspanningen HMl.. HMn toegevoerd. De enkele verschilversterker 71 met de door de amplitudesegment-indicatiesignalen Sl.. Sn gestuurde reeksen schakelaars aan de ingangen 2 en 3 is equivalent aan de aparte verschilversterkers 31-35 in Fig. 1.
De verschilversterker 71 versterkt het verschilsignaal Yi-Vx van een segment als functie van HMx-HMa, waarbij de bij het amplitudesegment x waar het momentane ingangssignaal Yi in valt behorende stuursignaal-waarde HMx en spanning Vx via de door het amplitudesegment-indicatiesignaal Sx bestuurde schakelaars aan de-verschilversterker 71 worden toegevoerd.
Via door de signalen Sl.. Sn gestuurde schakelaars worden aan een eerste ingang 1 van een verschilversterker 73 telkens het bij het huidige amplitudesegment behorende signaal EMl'.. EMn' toegevoerd. Het signaal HMa wordt tevens aan de tweede ingang 2 van de verschilversterker 73 toegevoerd. De referentiespanning Vbref wordt aan een derde ingang 3 van de verschilversterker 73 toegevoerd. Een met behulp van een potentiometer R3 verkregen instelspanning wordt aan een vierde ingang 4 van de verschilversterker 73 toegevoerd. De verschilversterker 73 vermenigvuldigt EMx'-HMa = EMx met een instelbare, van Ybref en de weerstand R3 afhankelijke factor.
Een uitgangssignaal YM2 van de verschilversterker 73 wordt door een opteller 75 bij een uitgangssignaal YM1 van de verschilversterker 71 opgeteld. Het uitgangssignaal Y" van de opteller 75 wordt via een regelbare versterker 77 door de opteller 39 bij het ingangssignaal Yi opgeteld, waarbij het niet-lineair bewerkte uitgangssignaal Yhm verkregen wordt.
Fig. 4 geeft enige diagrammen ter toelichting van de niet-lineaire versterker van Fig. 3.
Diagram A toont een mogelijk uit het videosignaal verkregen histogram. Diagram D toont met een dunne lijn een ingangssignaal Yi (dat buiten het meetvenster van de histogrammeting valt).
Diagram B toont het uitgangssignaal YM1 van de versterker 71 als functie van enerzijds het verschil tussen het ingangssignaal Yi en de ondergrens Vx van het huidige histogramsegment en anderzijds het verschil tussen de huidige histogramwaarde HMx en de
EMI6.1
gemiddelde histogramwaarde HMa waar de histogramwaarde HMx nul is, heeft de 0
<Desc/Clms Page number 7>
versterker 71 een negatieve overdracht met helling 1 ; waar de histogramwaarde HMx gelijk aan de gemiddelde waarde HMa is, heeft de versterker 71 een uitgangssignaal gelijk aan nul ; en waar de histogramwaarde HMx twee maal de gemiddelde waarde HMa boven deze gemiddelde waarde HMa ligt, heeft de versterker 71 een positieve overdracht met helling twee.
Diagram C toont met een getrokken lijn het gewenste correctiesignaal Y" dat bij het ingangssignaal Yi moet worden opgeteld om het niet-lineair versterkte uitgangssignaal Yhm te verkrijgen, en met een streeplijn het uitgangssignaal YM2 van de versterker 73 dat bij het uitgangssignaal YM1 van de versterker 71 opgeteld moet worden om het gewenste correctiesignaal Y" te verkrijgen. Dit uitgangssignaal YM2 van de versterker 73 is gelijk aan de som van de voorafgaande histogramwaarden beschouwd ten opzichte van de gemiddelde histogramwaarde HMa.
Diagram D toont tenslotte met een dikke lijn het uitgangssignaal Yhm = Yi + Y" van de niet-lineaire versterker van Fig. 3.
In andere woorden, de in Fig. 3 getoonde uitvoeringsvorm van de nietlineaire versterker met een per amplitude-segment van een ingangssignaal Yi instelbare versterking volgens de uitvinding omvat een segmenteringsschakeling 21.. 6n voor het uit het ingangssignaal Yi verkrijgen van een aantal amplitude-segmentsignalen Sl.. Sn, een met de segmenteringsschakeling 21..6n gekoppelde niet-lineaire segmentversterkingsschakeling 71.. 77 voor het vermenigvuldigen van het ingangssignaal Yi met respectievelijke segment-versterkingsfactoren HM1.. HM5 op basis van de amplitudesegmentsignalen SI..
S5 voor het leveren van een per amplitude-segment van het ingangssignaal Yi instelbaar signaal Y", en een met de niet-lineaire segment-versterkingsschakeling 71..77 gekoppelde uitgangsschakeling 39 voor het leveren van een per amplitude-segment van het ingangssignaal Yi instelbaar versterkt uitgangssignaal Yhm.
Hierbij dient te worden opgemerkt dat in de uitvoeringsvorm van Fig. 3 de amplitudesegmentsignalen Sx een indicatie zijn van in welk amplitudesegment het momentane ingangssignaal Yi valt, terwijl in de uitvoeringsvorm van Fig. 1 de amplitudesegmentsignalen Yx gelijk zijn aan dat deel van het ingangssignaal Yi dat binnen het door het getal x aangegeven amplitudesegment valt.
Voor beide in Fig. 1, 3 getoonde uitvoeringsvormen geldt dat met de (eventueel extern toegevoerde) segment-versterkingsfactoren HM1.. HM5 in principe
<Desc/Clms Page number 8>
elke niet-lineaire overdracht te realiseren is. Verder kan door de segmentlengten ongelijk te kiezen ook bij een zeer gering aantal segmenten een gewenste overdrachtskarakteristiek van de niet-lineaire versterker verkregen worden. De in Fig. 3 getoonde niet-lineaire versterker is door het geringe aantal vermenigvuldigers ook geschikt bij een groot aantal histogramsegmenten, daar de in de schakeling van Fig. 3 ten opzichte van de schakeling van Fig. 1 extra benodigde schakelaars slechts weinig plaats op een geintegreerde schakeling innemen.
Fig. 5 toont een uitvoeringsvorm van een niet-lineaire schakeling volgens de uitvinding voor toepassing als een "fuzzy logic" lidmaatschapsfunctie, die verwant is aan de in Fig. 1 getoonde niet-lineaire versterker. In afwijking van Fig. 1, is de weerstandsladder 21-25 gekoppeld tussen spanningsaansluitingen van-6V en +8V. Er zijn slechts twee segment-poortschakelingen 12 en 14 en slechts twee vermenigvuldigers (verschilversterkers) 32 en 34. De vermenigvuldigers 32 en 34 kunnen zijn uitgevoerd als het Motorola IC MC1495L, in welk geval de in Fig. 5 aangegeven weerstanden Rxl en Rx2 zijn geplaatst tussen de aansluitingen 10 en 11 van dat IC.
Bij een uitvoering van de vermenigvuldigers 32 en 34 met elk twee NPN transistoren waarvan de bases verbonden zijn met de aansluitingen 1 en 2, de collectoren met de uitgangsaansluitingen verbonden zijn, en de emitters elk via een stroombron aan een negatieve voedingsaansluiting verbonden zijn, zijn de weerstanden Rxl respectievelijk Rx2 gekoppeld tussen de emitters van de NPN transistoren. Met de weerstanden Rxl en Rx2 wordt de
EMI8.1
vermenigvuldigingsfactor van de vermenigvuldigers 32 en 34, en daarmee de helling 0 van de lidmaatschapsfunctie, ingesteld. Een dergelijke uitvoering kan bijvoorbeeld een Gilbert-cell zijn. De vermenigvuldigers 32 en 34 zijn in Fig. 5 voorzien van positieve en negatieve uitgangsaansluitingen.
De positieve uitgangsaansluiting van de vermenig- vuldiger32 en de negatieve uitgangsaansluiting van de vermenigvuldiger 34 zijn met elkaar verbonden en leveren de uitgangsspanning Vout. Een weerstand RL is gekoppeld tussen een positieve voedingsaansluiting en de zojuist genoemde uitgangsaansluitingen van de vermenigvuldigers 32 en 34.
Zoals in Fig. 5 bij de uitgangsklem voor Vout al schematisch is aangegeven, is de overdracht van de niet-lineaire schakeling 0 voor ingangsspanningen kleiner
EMI8.2
dan VI of groter dan V4, vertoont de overdracht een stijgende voor ingangsspani ningen tussen VI en V2, is de overdracht 1 voor ingangsspanningen tussen V2 en V3, 0
<Desc/Clms Page number 9>
en vertoont de overdracht een dalende flank voor ingangsspanningen tussen V3 en V4, hetgeen overeenkomt met een"fuzzy logic"lidmaatschapsfÜnctie die"fuzzy"is in de intervallen [VI, V2] en [V3, V4], en "harde" uitgangswaarden heeft voor de overige intervallen.
Door het uitgangssignaal Vout toe te voeren aan een niet-getekende mengschakeling kan afhankelijk van de amplitude van het ingangssignaal een zachte beslissing worden genomen tussen bijvoorbeeld een eerste bewerking geschikt voor beelden met beweging en een tweede bewerking geschikt voor beelden zonder beweging.
Opgemerkt zij dat de hiervoor beschreven uitvoeringsvormen de uitvinding toelichten maar niet beperken, en dat ervaren vaklieden in staat zullen zijn om vele alternatieve uitvoeringsvormen te ontwerpen zonder het bereik van de onderstaande conclusies te verlaten. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om de niet-lineariteit van de nietlineaire versterker af te laten hangen van de statistische afwijking (standaard-deviatie) van de histogramwaarden HM1.. HM5, door de correctieterm Y" voordat deze bij het ingangssignaal Yi wordt opgeteld te vermenigvuldigen met of op te tellen bij een van de statistische afwijking afhankelijke waarde. Hierdoor kan worden voorkomen dat een te grote niet-lineariteit optreedt bij een hoge statistische afwijking, en kan een extra versterking van de correctieterm Y" worden verkregen bij een lage statistische afwijking.
Een betere aanpassing aan de gevoeligheid van het menselijk oog kan hierbij worden verkregen door in de berekening van de statistische afwijking het histogramsegment HM5 van de grootste amplitudewaarden niet mee te nemen. Deze op de standaarddeviatie gebaseerde aanpassing van de correctieterm kan trouwens ook in een digitale niet-lineaire schakeling toegepast worden.