DE3418787C2

DE3418787C2 -

Info

Publication number: DE3418787C2
Application number: DE3418787A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Peter Dipl.-Ing. 3305 Evessen De Buchwald
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1984-05-19
Filing date: 1984-05-19
Publication date: 1991-04-11
Also published as: US4725881A; WO1985005526A1; JPS61502229A; JPH0575235B2; DE3418787A1; NL8520112A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Erhöhung der Auflösung von Farbfernsehkameras mit drei Halbleiter-Bildsensoren nach der Gattung des Hauptan spruchs.

Im Gegensatz zu Bildaufnahmeröhren stellen Halbleiter- Bildsensoren Abtastsysteme dar, bei denen die aufbelichtete optische Information in zwei Dimensionen durch diskrete Bildpunkte abgetastet wird. Die Auflösung des erzeugten Videosignals errechnet sich daher nach dem Abtasttheorem direkt aus der auf dem Bildsensor realisierten Bildpunktzahl.

Eine Erhöhung der Auflösung ist daher nur durch technologisch außerordentlich problematische Vergrößerung der Bildpunktzahl des Halbleiter-Bildsensors möglich.

Nach genauer Untersuchung des Signalspektrums am Ausgang eines Halbleiter-Bildsensors haben sich jedoch Möglichkeiten ergeben, die Auflösung durch eine geeignete Signalverarbeitung auch ohne technologische Maßnahmen zu vergrößern. Das Spektrum ist das eines pulsamplitudenmodulierten Signales, das aus einem Anteil im Basisband sowie aus Anteilen besteht, die sich um Vielfache einer Trägerfrequenz gruppieren. Die eigentliche Begrenzung der Auflösung nach dem Abtasttheorem resultiert nun daher, daß die trägerfrequenten Signalanteile Anteile im Basisband erzeugen, die das Basisbandsignal verfälschen. Gelingt es jedoch, die trägerfrequenten Anteile zu eliminieren, so steht auch bei begrenzter Bildpunktzahl eine höhere Auflösung zur Verfügung.

Aus der DE-OS 28 46 869 ist bereits eine Fest körper-Fernsehkamera mit mehreren Halbleiter- Bildsensoren gemäß der Gattung des Hauptanspruchs bekannt, bei welcher durch geeignete geometrische Anordnung der Halbleiter-Bildsensoren und entsprechende Signalverarbeitung ebenfalls die Auflösung der Fernsehkamera verbessert werden kann. Die dabei vorgesehene Signalverarbeitung dient jedoch in erster Linie der Phasenverschiebung der Ausgangssignale der Bildsensoren entsprechend deren horizontalen Versetzung gegeneinander und ist dabei relativ aufwendig.

Weiterhin ist aus der DE-OS 32 11 68 ebenfalls ein Verfahren zur Erhöhung der Auflösung einer Farbfernsehkamera mit drei Halbleiter-Bildsensoren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bekannt. Hierbei werden zu dem einen als Bezugssignal dienenden Ausgangssignal eines der drei Halbleiter-Bildsensoren nur die frequenzmäßig üger 3 MHz liegenden Anteile der beiden Ausgangssignale von den beiden anderen der drei Halbleiter-Bildsensoren zur Bildung eines weiteren Signals addiert, während die beiden Ausgangssignale der beiden anderen Halbleiter-Bildsensoren durch jeweils einen Tiefpaß mit einer Grenzfrequenz von 3 MHz in ihrer Frequenzbandbreite begrenzt werden. Die so gebildeten beiden Signale und das aus dem Bezugssignal gebildete weitere Signal werden danach für die folgende Signalverarbeitung getrennt abgegeben. Über diese weitere Signalverarbeitung, insbesondere nach der normgerechten Matrizierung, ist bei dem bekannten Verfahren jedoch nichts angegeben.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der Auflösung von Farbfernsehkameras mit drei Halbleiter-Bildsensoren anzugeben, bei welchem insbesondere die weitere Signalverarbeitung noch wirkungsvoller durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß auf weniger aufwendige Weise noch vorhandene Störanteile praktisch vollständig eliminiert werden können.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Synchrondemodulators zur Ableitung eines Steuersignals aus dem hochpaßgefilterten weiteren Lumi nanzsignal, wodurch sichergestellt wird, daß bei hohen Luminanzfrequenzen real vorhandene Farbe nicht unterdrückt wird, während bei einer Schwarz/Weiß- Schwingung falsche Chrominanz aus Aliasfrequenzen vermieden wird.

Ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei nur die für die Erfindung wichtigen Teile eingezeichnet sind. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Durchführung des er findungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 1a ein Blockschaltbild eines Teils der in Fig. 1 dargestellten Farbmatrix,

Fig. 2 einige Frequenzspektren der in Fig. 1 vorkommenden Videosignale,

Fig. 3 Spektren und Zeitverläufe der Signale bei farbiger bzw. schwarz/weißer Vorlage.

In Fig. 1 ist ein Teil einer Farbfernsehkamera mit drei Halbleiter-Bildsensoren 1, 2, 3 und entsprechenden (in Fig. 1 nicht sichtbaren) Farbfiltern zur Erzeugung eines Grünsignals G, eines Rotsignals R und eines Blausignals B eines einzigen auf den Bildsensoren 1, 2, 3 fokussierten Bildes dargestellt. Die drei Bildsensoren 1, 2, 3 weisen jeweils eine beliebige Anzahl diskreter Bildpunkte auf, deren Periode τ_H beträgt. Durch einen horizontalen Versatz der einzelnen Bildsensoren 1, 2, 3 gegeneinander um ein Drittel der Bildpunktperiode (τ_H/3) werden drei Ausgangssignale G, R, B erzeugt, bei denen neben den phasengleichen Basisbändern die trägerfrequenten Anteile erster und zweiter Ordnung gegeneinandert um 120° phasenverschoben an den Klemmen 4, 5, 6 abnehmbar sind. Die Aus lesetaktansteuerung erfolgt hierbei mit den von einem Taktgeber 7 erzeugten drei um 120° gegeneinander phasenverschobenen Auslesetaktfrequenzen, welche den Bildsensoren 1, 2, 3 bei 8, 9, 10 zugeführt werden.

Die an den Klemmen 4, 5, 6 abnehmbaren Farb- Signale G, R, B werden einer Farbmatrix 11 zugeführt, mit welcher in bekannter Weise ein normgerechtes Luminanzsignal Y=0,3R+0,59G+0,11B sowie normgerechte Farbdifferenzsignale R-Y und B-Y erzeugt werden. Diese Signale Y und R-Y bzw. B-Y, deren Abtastspektren a und d in Fig. 2a und 2d dargestellt sind, werden nun über je einen Tiefpaß 12, 13, 14 geleitet.

Die beschriebene Offsetstellung der drei Halbleiter-Bildsensoren 1, 2, 3 durch die bekanntlich die erreichbare Auflösung das Dreifache des einzelnen Bildsensors beträgt, kann ausgenutzt werden, um den Luminanzanteil des Farbsignals mit höherer Auflösung zu wandeln. Dies setzt voraus, daß zur Erzeugung dieses Luminanzanteils die Ausgangssignale R, G, B der drei Halbleiter-Bildsensoren gleichgewichtig addiert werden müssen gemäß Y′=0,33R+ 0,33G+0,33B. Diese Addition wird mit der in Fig. 1a dargestellten Schaltung in der Farbmatrix 11 durchgeführt. Die an den Eingangsklemmen 4, 5, 6 anliegenden Farbsignale G, R, B werden über je eine Emitterfolgerstufe 24, 25, 26 an je einen Widerstand 27, 28, 29 gleichen Wertes (z. B. 1 kΩ) geführt. Die miteinander verbundenen zweiten Anschlüsse der Widerstände 27, 28, 29 sind an dem einen Eingang eines Differenzverstärkers 30 angeschlossen, dessen anderer Eingang über einen Widerstand 31 mit Masse verbunden ist. Am Ausgang 32 ist dann das Luminanzsignal Y′ abnehmbar. Die durch Pfeile 34, 35, 36 bzw. 37, 38, 39 angedeutete Weiterleitung der Eingangssignale bezieht sich auf die bekannte Weiterverarbeitung zu normgerechten Farbdifferenzsignalen R-Y, B-Y bzw. zum normgerechten Luminanzsignal Y. Dieses in der Farbmatrix 11 zusätzlich erzeugte Luminanzsignal Y′ steht nun allerdings im Widerspruch zur Farbmetrik, welche eine Luminanzmatrizierung gemäß Y=0,3R+ 0,59G+0,11B fordert. Um nun einerseits der höheren Auflösung und andererseits der Farbmetrik zu genügen, wird die Luminanzkomponente Y′ über einen Hochpaß 15 geleitet und mit der normgerechten, über den Tiefpaß 12 geleiteten Luminanzkomponente Y in einer Addierstufe 16 zu einem resultierenden Luminanzsignal Y_s zusammengefügt.

Die Frequenzspektren der drei Signale Y, Y′ und Y_s sind in Fig. 2a, b, c dargestellt. Durch die ungleiche Wichtung von R, G, B tritt für Y eine sogenannte Signalfaltung im Frequenzbereich um alle Vielfachen der Auslesefrequenz f_A herum auf und überlagert sich dem Nutzsignal (0 bis f_A). Bei gleicher Wichtung von R, G, B ergibt sich dagegen für Y′ die dreifache Auslesefrequenz mit entsprechend entzerrten Teilspektren. Die Kombination von Y und Y′ über eine Tiefpaß/Hochpaß-Weiche 12, 15, 16 ergibt nur noch einen restlichen Faltungsfehler (gekreuzt schraffierter Teil in Fig. 2c), der vom Signal bis zur Grenzfrequenz f_P₁ des verwendeten Tiefpasses 12 in das Y_s-Signal gelangt.

Bei der Aufnahme reiner Schwarz/Weiß-Bildvorlagen tritt nun der Effekt auf, daß mit Ansteigen der geometrischen Ortsfrequenz durch die Offsetabtastung eine Farbinterferenz als Aliasfrequenz zur jeweiligen optischen Frequenz gefaltet um die Auslesefrequenz f_A erzeugt wird (siehe Fig. 2d). Dabei faltet sich das Luminanzspektrum im Chrominanzbereich um f_A und 2f_A, während um 0 und 3f_A keine Aliaskomponenten entstehen. Um diese Chrominanzstörungen möglichst klein zu halten, werden für die beiden Farbdifferenzsignale R-Y und B-Y die Tiefpässe 13 und 14 benötigt. Aus farbmetrischen Gründen ist nur eine identische Grenzfrequenz f_P₁ der Tiefpässe 12 und 13, 14 sinnvoll. Dies erübrigt zusätzlich die Notwendigkeit der Laufzeitanpassung zwischen Luminanz- und Chrominanzsignal.

Die Grenzfrequenz f_P₁ der Tiefpässe 12, 13, 14 muß nun unbedingt kleiner als die Hälfte der Aulesefrequenz f_N (Nyquistfrequenz) sein, da ein Luminanzsignal Y dieser Frequenz eine niederfrequente Schwebung mit der im Luminanzkanal sowie im Chrominanzkanal um die Auslesefrequenz f_A erzeugten Aliaskomponente ergibt. Besonders die Chrominanzfaltung läßt eine Luminanzkomponente mit Nyquistfrequenz f_N (0,5f_A) auf falschem farbigen Hintergrund stark gestört erscheinen.

Nach wie vor können aber noch niederfrequente Chrominanzfrequenzen durch die beschriebenen Tiefpässe 13, 14 der Farbdifferenzsignale R-Y, B-Y gelangen, beispielsweise bei einem Luminanzsignal Y in der Nähe der Auslesefrequenz f_A. Solange die Differenzfrequenz von Luminanzsignal und Abtastrate kleiner ist als die Tiefpaß-Grenzfrequenz f_P₁, treten starke Farbmuster im Bild auf, die im Chrominanzkanal nicht von der echten Farbinformation unterschieden werden können. Nur eine Information aus dem weiteren Luminanzsignal Y′ hinter dem Hochpaß 15 gibt eine Entscheidungsmöglichkeit über das Auftreten von echter oder gefalteter Chrominanz. Es wird daher hinter dem Hochpaß 15 aus der auftretenden Signalamplitude eine Steuerspannung abgeleitet, die über jeweils einen geregelten Verstärker 17 bzw. 18 in den Farbdifferenzkanälen bei Auftreten von Luminanzkomponenten oberhalb der Tiefpaß-Grenzfrequenz f_P₁ die möglicherweise entstehenden Aliasfrequenzen im Chrominanzsignal unterdrückt.

Durch die Verwendung eines mit der Frequenz f_A betriebenen Synchrondemodulators 19 zur Ableitung der Steuerspannung aus dem weiteren Luminanzsignal Y′ wird sichergestellt, daß bei hohen Luminanzfrequenzen, die eine zusätzliche niederfrequente Farbhintergrundstruktur aufweisen, diese in der realen Szene enthaltene Farbe nicht unterdrückt wird, während bei einer Schwarz/Weiß-Schwingung gleicher Frequenz aus Aliasfrequenzen entstandene falsche Chrominanz vermieden wird.

Dies sei mit Hilfe der Fig. 3 am Beispiel einer optischen Vorlage erläutert, die nur den Sensor für Rot mit einer Frequenz f₀ in der Nähe der Auslesefrequenz f_A aktiviert. Da nur ein Bildsensor 2 an der Signalabtastung beteiligt ist, versagt hier natürlich das Offsetverfahren, so daß das weitere Luminanzsignal Y′ genau wie sonst das genormte Luminanzsignal Y ein sich mit Auslesefrequenzen f_A reproduzierendes Spektrum aufweist (Fig. 3a). Das weitere Luminanzsignal Y′ enthält hier hinter dem Hochpaß 15 die spektralen Anteile f₀ und 2f_A-f₀, die miteinander eine Schwebung f_S darstellen. Nach der Synchrondemodulation entsteht eine Differenzschwingung f=f_A-f₀ in der gleichen Frequenz wie die entstehende niederfrequente Luminanzkomponente. Ein zusätzlicher Chrominanzgleichwert, der aus der realen Szene abgeleitet wurde, kann nun die geregelten Verstärker 17, 18 passieren, zwar mit einer Sättigungsmodulation, die allerdings von der ohnehin vorhandenen Luminanzstörung überlagert ist. Wichtig ist, daß die störenden Luminanzstrukturen nicht zusätzlich durch fehlende Farbe noch unangenehmer auffallen. In einem beispielsweise roten Bild würden sonst alle Bilddetails, die höhere Signalfrequenzen repräsentieren, entfärbt und hell hervortreten.

Tritt dagegen die gleiche Frequenz f₀ als reines Schwarz/Weiß-Signal auf (Fig. 3b), so sind jetzt alle drei Halbleiter-Bildsensoren 1, 2, 3 an der optoelektronischen Wandlung und Abtastung beteiligt und können zu einem aliasverbesserten Y′-Signal beitragen. Statt zweier Frequenzen f₀ und 2f_A-f₀ im vorher beschriebenen Fall ist nur noch ein Anteil bei f₀ enthalten. Diese Komponente ergibt nach der Synchrondemodulation ebenfalls eine Schwingung der Frequenz f_A-f₀, jedoch nur mit halber Amplitude. Diese Amplitudendifferenz kann als Entscheidungsschwelle für die regelbaren Verstärker 17, 18 benutzt werden, um gemäß diesem Beispiel im ersten Fall die Chrominanz passieren zu lassen, während sie im zweiten Fall als Aliasstruktur erkannt und unterdrückt wird.

Das beschriebene Verfahren kann auch in modifizierter Form beschrieben werden, indem nur zwei der drei vorhandenen Bildsensoren, vorzugsweise für Rot und Grün, in einen 2-Phasen-Offset gebracht werden. Hier ergibt sich dann für das weitere Luminanzsignal Y′ eine Auflösungserhöhung um den Faktor 2. Diese Lösung ist aus Störabstandsgründen interessant, da der Bildsensor 3 für Blau im allgemeinen den unempfindlichsten Bildsensor darstellt, der dann nicht zur Erzeugung des weiteren Luminanzsignals Y′ herangezogen wird.

Claims

1. Verfahren zur Erhöhung der Auflösung einer Farbfernsehkamera, in der dasselbe Bild gleichzeitig auf drei Haltleiter-Bildsensoren, die jeweils die gleiche in horizontaler und vertikaler Richtung äquidistante Anordnung von in horizontaler Richtung zeilenweise ausgelesenen optoelektrischen Sensorelementen aufweisen, projiziert wird, wobei einer der drei Halbleiter-Bildsensoren gegenüber dem Bild um ein Drittel und ein anderer um zwei Drittel des horizontalen Abstandes benachbarter optoelektrischer Sensorelemente in horizontaler Richtung versetzt ist und wobei der Auslesetakt für einen zweiten der drei Halbleiter-Bildsensoren um 120° und der Auslesetakt für einen dritten um 240° gegenüber dem Auslesetakt für einen ersten der drei Halbleiter-Bildsensoren bezüglich der durch die Anzahl der je Zeiteinheit ausgelesenen optoelektrischen Sensorelemente gegebenen Auslesefrequenz jedes der drei Halbleiter-Bildsensoren in der Phase verschoben ist und wobei die Ausgangssignale der drei Halbleiter-Bildsensoren normgerecht in ein Luminanz- und zwei Farbdifferenzsignale matriziert und tiefpaßgefiltert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines weiteren Luminanzsignals (Y′) die Ausgangssignale (G, R bzw. G, R, B) der Halbleiter-Bildsensoren (1, 2 bzw. 1, 2, 3) gleichgewichtig addiert werden, daß das weitere Luminanzsignal (Y′) hochpaßgefiltert und mit dem tiefpaßgefilterten normgerechten Luminanzsignal (Y) zu einem resultierenden Luminanzsignal (Y_s) zusammengefügt wird und daß vom hochpaßgefilterten weiteren Luminanzsignal (Y′) ein Steuersignal abgeleitet wird, mit welchem die Signalamplituden der Farbdifferenzsignale (R-Y, B-Y) gesteuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal mit Hilfe eines Synchrondemodulators, welchem die Auslesefrequenz zugeführt wird, vom hochpaßgefilterten weiteren Luminanzsignal (Y′) abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tiefpaßgefilterten Luminanz- und Farbdifferenzsignale jeweils die gleiche Grenzfrequenz (f_P₁) aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz (f_P₁) kleiner als die halbe Auslesefrequenz (f_N) ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die 6-dB-Grenzfrequenz (f_P₂) des hochpaßgefilterten weiteren Luminanzsignals (Y′) gleich der 6-dB-Grenzfrequenz (f_P₁) des tiefpaßgefilterten Luminanzsignals (Y) ist.