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