DE3835976A1 - Digitale bildsignalverarbeitungseinrichtung, insbesondere fuer eine videokamera - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildsignalverarbeitungseinrichtung mit einer Festkörper-Bildabtasteinrichtung und einem Verarbei­ tungsmittel, das dazu dient, das Frequenzband des Ausgangs­ signals zu begrenzen. Eine derartige Bildsignalverarbeitungs­ einrichtung dient insbesondere zur Verwendung in Farbvideo­ kameras.

Die Bildsignalverarbeitungseinrichtung einer bekannten Farb­ videokamera weist drei Festkörper-Bildabtastmittel auf. Beim Abtasten wird so verfahren, daß das Farbsignal für Grün in horizontaler Richtung verschoben wird. Die Verschiebung ent­ spricht üblicherweise dem halben gegenseitigen Abstand der Bildelemente bezogen auf das Bild, wie es durch die Farbsig­ nale für Rot und Grün gegeben ist. Das Verschieben dient dazu, die Auflösung der Kamera zu erhöhen. Die Technik wird als "special offset" oder "special displacement" bezeichnet. Kame­ ras, die diese Technik ausnutzen, sind in den US-Patenten 39 75 760 und 46 72 430 beschrieben.

In Fig. 1 ist das Frequenzspektrum des Ausgangssignales aufge­ zeichnet, wie es von einer bekannten Kamera mit "special off­ set"-Technik erhalten wird. Als Bildelement wird ein CCD ver­ wendet. Die in Fig. 1 angegebene Frequenz f 1 ist die Abtast­ frequenz des CCDs. Wie im US-Patent 39 75 760 beschrieben, wird das Frequenzband des Ausgangssignals vom CCD dadurch eingeengt, daß ein optisches Tiefpaßfilter verwendet wird.

Die Grundbandkomponente des Ausgangssignales der Festkörper- Bildabtasteinrichtung ist in Fig. 1 als durchgezogene Linie 31 dargestellt. Die Primär-Seitenbandkomponente für Grün ist durch eine gestrichelte Linie 32 G gegeben. Die Primär-Seiten­ bandkomponenten für Rot und Blau fallen zusammen, was durch eine gestrichelte gemeinsame Linie 32 RB dargestellt ist. Da­ durch, daß das Signal für Grün einerseits und die Signale für Rot und Blau andererseits gegenphasig sind, kommt es zu keinem Überlappungsrauschen.

Wenn dagegen die digitale Signalverarbeitung für farbige oder auch monochromatische Bildverarbeitung verwendet wird, wird in der Regel gleichphasiges Abtasten ausgeführt, da die oben genannte "special offset"-Technik schwierig ist.

In Fig. 2 sind Frequenzgänge für gleichphasiges Abtasten dar­ gestellt. Die Seitenbandkomponente gemäß der gestrichelten Linie 33 ist gleichphasig mit den Ausgangssignalen für die drei Farben. Die Seitenbandkomponente 33 erstreckt sich daher in das Gebiet des Grundbandsignales gemäß der durchgezogenen Linie 31. Dieses Überlappen zwischen der Seitenbandkomponente und dem Grundbandsignal führt in dem in Fig. 2 schraffiert eingezeichneten Bereich zu Überlappungsrauschen.

Um Probleme in bezug auf das Überlappungsrauschen zu vermei­ den, wird ein optisches Tiefpaßfilter verwendet, um die hoch­ frequente Komponente des Grundbandsignales zu unterdrücken, wie dies durch die durchgezogene Linie 34 A in Fig. 3A darge­ stellt ist. Ein solches optisches Tiefpaßfilter verhindert das Erzeugen von Überlappungsrauschen, da die Frequenzband­ komponente der Seitenbandkomponente zwischen 0 und 1/2 f 1 un­ terdrückt wird, wie dies durch die gestrichtelte Linie 34 B in Fig. 3A dargestellt ist. Im Fall digitaler Signalverarbeitung wird ein als Vorfilter bezeichnetes Tiefpaßfilter verwendet, das eine Frequenzcharakteristik aufweisen kann, wie sie durch die durchgezogene Linie 35 in Fig. 3B dargestellt ist.

Durch die eben beschriebene Maßnahme kann das Erzeugen von Überlappungsrauschen zufriedenstellend unterdrückt werden. Es besteht jedoch der Nachteil, daß die Modulationsübertra­ gungsfunktion sich im Hochfrequenzband aufgrund von Schwächung des Bandes mit effektiven Frequenzen zwischen 0 und 1/2 f 1 verschlechtern kann. Dies, weil optische Tiefpaßfilter übli­ cherweise keine scharf begrenzten Filtercharakteristiken ha­ ben. Die Modulationsübertragungsfunktion ist bei Festkörper­ oder Dioden-Videokameras die Amplitudenweite der optischen Übertragungsfunktion und weist im allgemeinen sinusförmigen Verlauf auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bildsignalver­ arbeitungseinrichtung mit Festkörper-Bildabtasteinrichtung und digitaler Signalverarbeitung anzugeben, die nur geringes Überlappungsrauschen aufweist.

Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Bildsignalverarbeitungseinrichtung zeich­ net sich dadurch aus, daß sie nicht nur ein optisches, sondern auch ein elektrisches Tiefpaßfilter aufweist, das mit einer zweiten Frequenz angesteuert wird, während die Festkörper- Bildabtasteinrichtung mit einer ersten, höheren Abtastfrequenz betrieben wird. Das optische Tiefpaßfilter unterdrückt Fre­ quenzen in der Nähe der ersten Frequenz, unterhalb derselben, und das elektrische Tiefpaßfilter unterdrückt Frequenzen ober­ halb in etwa der halben zweiten Frequenz.

Die erfindungsgemäße Bildsignalverarbeitungseinrichtung führt nicht nur zu sehr geringem Überlappungsrauschen, sondern sie führt auch zu einer verbesserten Modulationsübertragungsfunk­ tion im oberen Frequenzband.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Fig. 4-8 veranschaulichen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Fig. 1-3 betreffen den Stand der Technik. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, das das Frequenzspektrum von Signalen darstellt, wie sie mit der "special offset"-Technik erhalten werden;

Fig. 2 ein Diagramm gemäß Fig. 1, jedoch für Signale, die durch gleichphasiges Abtasten erhalten werden;

Fig. 3A ein Diagramm ähnlich dem von Fig. 2, wie es auf­ tritt, wenn ein optisches Tiefpaßfilter verwendet wird;

Fig. 3B ein Diagramm betreffend den Frequenzverlauf eines optischen Tiefpaßfilters;

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm zum Erläutern einer ersten Ausführungsform eines Bildsignalverarbei­ tungseinrichtung mit einem optischen und einem elek­ trischen Tiefpaßfilter;

Fig. 5 ein Diagramm betreffend den Frequenzverlauf von Sig­ nalen, wie sie mit der Einrichtung gem. Fig. 4 er­ halten werden;

Fig. 6A-6D Diagramme entsprechend dem von Fig. 5, je­ doch für unterschiedliche Frequenzen von Abtastsig­ nalen;

Fig. 7 ein schematisches Blockdiagramm eines Signalverar­ beitungsmittels mit einem digitalen Tiefpaßfilter als elektrischem Tiefpaßfilter; und

Fig. 8A-8D Diagramme betreffend den Frequenzverlauf von Signalen, wie sie mit einer Bildsignalverarbeitungs­ einrichtung mit einem Signalverarbeitungsmittel gemäß Fig. 7 erhalten werden.

Die in Fig. 4 dargestellte Bildsignalverarbeitungseinrichtung zur Verwendung in einer Videokamera weist eingangsseitig eine Linse 1, ein optisches Tiefpaßfilter 2 und ein dichroitisches Spiegelprisma 3 auf. Das über die Linse 1 eingetretene und durch das optische Tiefpaßfilter 2 gelangte Bild wird durch das Prisma 3 in drei Farbsignale für Rot, Grün und Blau auf­ geteilt. Das Licht fällt jeweils auf einen von drei CCD-Chips 4 R, 4 G bzw. 4 B. Die CCD-Chips werden mit einem Taktsignal einer Frequenz f 1 von z. B. 20, 25 MHz getrieben, welches Sig­ nal von einem CCD-Treiber 5 abgegeben wird. Dieser erzeugt das Taktsignal auf Grundlage des Ausgangssignales eines Taktgene­ rators 6. An das CCD-Chip 4 R für Rot schließt sich ein Signal­ verarbeitungsmittel 7 R mit A/D-Wandler an. Entsprechend folgt auf den CCD-Chip 4 G ein Signalverarbeitungsmittel 7 G und auf den Chip 4 B ein Signalverarbeitungsmittel 7 B. Alle drei Sig­ nalverarbeitungsmittel mit A/D-Wandler sind identisch, wes­ wegen in Fig. 4 nur derjenige für Grün im Detail dargestellt ist. Dieses wird nun näher erläutert.

Das Ausgangssignal vom CCD-Bilddetektor 4 G gelangt an einen Vorverstärker 8, dessen Ausgangssignal einem elektrischen Tiefpaßfilter 9 zugeführt wird, dessen Ausgang mit einem Ana­ logprozessormittel 10 verbunden ist. Das Analogprozessormit­ tel 10 weist einen Verstärkungsregler und eine Vor-Knieschal­ tung auf. Eine Knieschaltung ist eine Schaltung, die über ihren gesamten Bereich nichtlinear arbeitet und im allgemei­ nen dazu dient, vorgegebene Schaltungseigenschaften innerhalb einem vorgegebenen Betriebsbereich einzustellen. Im vorliegen­ den Fall arbeitet die Knieschaltung so, daß sie zwei im we­ sentlichen gerade Abschnitte der Charakteristik geknickt mit­ einander verbindet. Die Schaltung wird Vor-Knieschaltung ge­ nannt, da an späterer Stelle der Gesamtschaltung typischer­ weise eine Knieschaltung verwendet wird. Das Ausgangssignal des Analogprozessormittels 10 wird an den A/D-Wandler 11 ge­ geben. Dessen paralleles digitales Ausgangssignal wird in einem Digitalprozessormittel 12 weiterverarbeitet. Dorthin gelangen auch die verarbeiteten Farbsignale aus den Signal­ verarbeitungsmitteln 7 R und 7 B. Das Digitalprozessormittel 12 weist typischerweise eine Gammakonvergenzschaltung, einen Bildverstärker und einen Farbcoder auf. Darüber hinaus ent­ hält es eine Knieschaltung mit nichtlinearer Charakteristik. Weiterhin können ein digital arbeitendes Videobandgerät und eine digitale Schalteinrichtung vorhanden sein, die für Spe­ zialeffekte dient, z. B. zum gleichzeitigen Anzeigen zweier verschiedener Bilder.

Der Taktgenerator 6 erzeugt nicht nur das Abtastsignal für den CCD-Treiber 5, sondern auch ein Abtastsignal der Frequenz f 2 von z. B. 13,5 MHz für den A/D-Wandler 11 und das Digital­ prozessormittel 12.

Das Tiefpaßfilter 9 weist eine Grenzfrequenz von f 2/2 auf, so daß es also nur Signale im Frequenzband zwischen 0 und f 2/2 durchläßt. Das optische Tiefpaßfilter 2 läßt Frequenzen zwi­ schen 0 und f 2 durch und unterdrückt zumindest teilweise Sig­ nale mit einer größeren Frequenz als f 2, wie dies in Fig. 5 durch die durchgezogene Linie 21 dargestellt ist. Die Abtast­ frequenz f 1 der CCD-Chips wird zu 1,5 × f 2 gewählt, d. h. die Frequenz im Beispielsfall ist 20,25 MHz. Eine Seitenbandkom­ ponente des Ausgangssignales des A/D-Wandlers 11 weist ein Frequenzspektrum auf, wie es durch die gestrichelte Linie 22 in Fig. 5 dargestellt ist. Der Anteil gemäß dem Abschnitt 23 unterhalb von f 2/2, der Überlappungsrauschen erzeugen könnte, ist erheblich geschwächt. Da das optische Tiefpaßfilter 2 den Hochfrequenzanteil im effektiven Frequenzband nicht schwächt, bleibt die Modulationsübertragungsfunktion für das Hochfre­ quenzband zufriedenstellend erhalten.

Das Tiefpaßfilter 9 wird mit scharf begrenzten Dämpfungseigen­ schaften ausgebildet, damit es Überlappungsrauschen unter­ drückt, das durch A/D-Wandlung erzeugt ist. Dies, weil es nicht möglich ist, ein optisches Tiefpaßfilter mit scharfer Begrenzung des Frequenzbandes zu erzeugen. Aufgrund der in Fig. 5 durch die Linie 24 dargestellten Durchlaßeigenschaft des Tiefpaßfilters ist das Frequenzband des Bildsignales auf den Bereich zwischen 0 und f 2/2 begrenzt. Die durch den schraf­ fierten Bereich 25 in Fig. 5 dargestellte Grundbandkomponente des Bildsignales wird mit Hilfe des Taktsignales der Frequenz f 2, d. h. 13,5 MHz durch den A/D-Wandler 11 in digitale Form gewandelt. Der A/D-Wandler 11 erzeugt eine Seitenbandkompo­ nente außerhalb dem schraffierten Bereich 25 der effektiven Bandbreite, welche Komponente in Fig. 5 als strichpunktierte Linie 26 eingezeichnet ist. Da diese Linie außerhalb dem ef­ fektiven Bandbreitenbereich liegt, tritt kein Überlappungs­ rauschen aufgrund dieses Seitenbandes auf.

Weitere Beispiele zum Veranschaulichen des Zusammenhangs zwi­ schen der CCD-Abtastfrequenz f 1 und der A/D-Abtastfrequenz f 2 sind in den Fig. 6A-6D dargestellt. Beim Beispiel gemäß Fig. 6A ist die Abtastfrequenz f 1 21,5 MHz, also das 6-fache von fsc, d. h. der Farb-Hilfsträgerfrequenz f 2 ist 13,5 MHz. Für die in Fig. 6B dargestellten Verhältnisse ist eine CCD- Abtastfrequenz f 1 von 20,25 MHz und eine A/D-Abtastfrequenz f 2 von 14,32 MHz zugrundegelegt, entsprechend 4 fsc. In Fig. 6C ist die Frequenz f 1 27 MHz und die Frequenz f 2 13,5 MHz. In Fig. 6D schließlich ist die Frequenz f 1 28,6 MHz, entsprechend dem 8-fachen der Farb-Hilfsträgerfrequenz fsc, und die Fre­ quenz f 2 ist 13,5 MHz. Aus den Beispielen gemäß den Fig. 6A- 6D geht hervor, daß die Frequenzen so gewählt werden, daß die CCD-Abtastfrequenz f 1 in etwa das 1 1/2-fache der A/D-Abtast­ frequenz f 2 ist. Das optische Tiefpaßfilter mit seiner Fre­ quenzcharakteristik gemäß der Linie 21 unterdrückt dann wir­ kungsvoll die Komponente im Frequenzband zwischen f 1-f 2/2 und f 1+f 2/2.

In Fig. 7 ist eine andere Ausführungsform des Signalverarbei­ tungsmittels für Grün dargestellt. Die Mittel für Rot und Blau arbeiten entsprechend. Im Unterschied zum Signalverarbeitungs­ mittel 7 G gemäß Fig. 4 wird beim Signalverarbeitungsmittel 17 G gemäß Fig. 7 das Ausgangssignal vom Verstärker 8 nicht in ein analoges Tiefpaßfilter 9, sondern unmittelbar in das Analog­ prozessormittel 10 geleitet. Dessen Ausgangssignal gelangt wiederum an den A/D-Wandler 11. An diesen schließen sich ein digitales Tiefpaßfilter 13 und ein Abtastreduziermittel 14 an. Das digitale Tiefpaßfilter 13 begrenzt das Frequenzband des Ausgangssignales vom A/D-Wandler 11. Das Signal vom Ab­ tastreduziermittel 14 gelangt an das Digitalprozessormit­ tel 12. An dieses gelangen auch die Ausgangssignale von den beiden anderen entsprechend aufgebauten Signalverarbeitungs­ mitteln für Rot und Blau. Ein Taktsignal der Frequenz f 3 wird dem A/D-Wandler 11 und dem digitalen Tiefpaßfilter 13 zuge­ führt. Ein anderes Taktsignal der Frequenz f 4 gelangt zum Ab­ tastreduziermittel 14 und zum Digitalprozessormittel 12.

Das Abtastreduziermittel 14 dient zum Erniedrigen der Abtast­ frequenz f 3 auf die niedrigere Abtastfrequenz f 4. Das digita­ le Ausgangssignal des Abtastreduziermittels 14 weist also die Abtastfrequenz f 4 auf. Die CCD-Abtastfrequenz f 1 ist im we­ sentlichen n × f 4 (n=ganze Zahl). f 1 entspricht f 3. Z. B. gilt: f 1=f 3=27 MHz und f 4=13 MHz.

Mit dem Signalverarbeitungsmittel gemäß Fig. 7 werden Fre­ quenzspektren erhalten, wie sie in den Fig. 8A-8C darge­ stellt sind. In Fig. 8 ist die Frequenzcharakteristik des optischen Tiefpaßfilters wiederum als durchgezogene und mit 21 bezeichnete Linie dargestellt und die Seitenbandkomponente ist als gestrichelte Linie 22 eingezeichnet. Wie bei der Aus­ führungsform gemäß Fig. 4 unterdrückt das optische Tiefpaß­ filter recht wirkungsvoll Komponenten im Frequenzband zwischen f 1-1/2 f 4 und f 1+1/2 f 4. In Fig. 8B ist die Tiefpaßcharak­ teristik des digitalen Tiefpaßfilters 13 durch eine durchge­ zogene Linie 27 dargestellt. Da f 1=f 3=27 MHz, wird die bereits oben genannte Verzerrungskomponente 23 im Grundband­ bereich 25 wirkungsvoll unterdrückt. Da ein digitales Signal mit dem Spektrum gemäß Fig. 8C an das Abtastreduziermittel 14 geliefert wird, weist das von diesem gebildete digitale Bild­ signal das in Fig. 8C dargestellte Spektrum auf. Dieses digi­ tale Bildsignal enthält keine Überlappungsrauschkomponente.

Claims (7)

1. Bildsignalverarbeitungseinrichtung mit

• - einem optischen Tiefpaßfilter (2),
• - einer Festkörper-Bildabtasteinrichtung (4 R, 4 G, 4 B), die ein Bild durch das optische Tiefpaßfilter hindurch auf­ nimmt,
• - einem Signalverarbeitungsmittel (7 R, 7 G, 7 B, 17 R, 17 G, 17 B), das mit der Festkörper-Bildabtasteinrichtung ver­ bunden ist und einen A/D-Wandler (11) aufweist,
• - einem Digitalprozessormittel (12), das mit dem Signal­ verarbeitungsmittel verbunden ist und dessen Ausgangs­ signal digital verarbeitet, und
• - einem Impulsgenerator (6)

dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Signalverarbeitungsmittel (7 R, 7 G, 7 B; 17 R, 17 G, 17 B) ein elektrisches Tiefpaßfilter (9; 13+14) aufweist und
• - der Impulsgenerator (6) ein erstes und ein zweites Im­ pulssignal abgibt, wobei das erste eine erste Frequenz (f 1) aufweist und die Festkörper-Bildabtasteinrichtung (4 R, 4 G, 4 B) treibt und das zweite eine zweite Frequenz (f 2; f 4) aufweist und das Digitalprozessormittel (12) treibt, wobei
  • - die erste Frequenz größer ist als die zweite,
  • - das optische Tiefpaßfilter (2) eine solche Frequenzcharakteristik aufweist, das es diejenigen Frequenzen im Bildsignal, die zwischen der ersten Frequenz und der um die Hälfte der zweiten Frequenz verminderten ersten Frequenz liegen, unterdrückt, und
  • - das elektrische Tiefpaßfilter (9; 13+14) eine solche Frequenzcharakteristik aufweist, daß es diejenigen Frequenzen im Bildsignal unterdrückt, die größer sind als die Hälfte der zweiten Frequenz.

2. Bildsignalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Festkörper-Bild­ abtasteinrichtung mehrere CCD-Bildsensoren (4 R, 4 G, 4 B) aufweist.

3. Bildsignalverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Tiefpaßfilter (9) das Ausgangssignal von der Festkörper-Bildabtasteinrichtung (4 G) erhält und sein Aus­ gangssignal über ein Analogprozessormittel (10) an den A/D-Wandler (11) abgibt, der mit Impulsen der zweiten Frequenz (f 2) angesteuert wird.

4. Bildsignalverarbeitungseinrichtung nach einem der An­ sprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der A/D-Wandler (11) das Bildausgangssignal der Festkör­ per-Bildabtasteinrichtung (4 G) erhält,
• - das elektrische Tiefpaßfilter ein digitales Tiefpaß­ filter (13) ist, das das Ausgangssignal vom A/D-Wandler (11) erhält,
• - der A/D-Wandler und das digitale Tiefpaßfilter die ersten Impulse mit der ersten Frequenz (f 3=f 1) erhalten und
• - das Signalverarbeitungsmittel (17 R, 17 G, 17 B) einen Ab­ tastreduzierer (14) aufweist, der mit dem digitalen Tief­ paßfilter verbunden ist und mit den zweiten Impulsen der zweiten Frequenz (f 4) angesteuert wird, um die Abtast­ rate des Ausgangssignales vom digitalen Tiefpaßfilter zu erniedrigen.

5. Bildsignalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste Frequenz (f 1) im wesentlichen das 1,5-fache der zweiten Frequenz (f 2) ist.

6. Bildsignalverarbeitungseinrichtung nach einem der vorstehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Farbvideokamera verwendet wird.