DE69028237T2 - Digitale Farbkorrektur - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht betrifft die digitale Farbkorrektur in Farbvideosystemen.
• In Farbkorrekturvorrichtungen zur Justierung der Primärfarben, beispielsweise für den Einsatz in Video-Rundfunkapplikationen, umfassen die Steuerungsoperationen in der Regel getrennte Justierungen für Verstärkungsgrad Schwarzpegel und den (weiter unten ausführlicher beschriebenen) Gammawert für jede der drei Primärfarben, nämlich Rot (R), Grün (G) und Blau (B). Es können auch weitere Steuerungsoperationen vorgesehen sein, z.B. für den Verstärkungsgrad des Eingangs-Luminanzsignals (Y), den Verstärkungsgrad des Eingangs- Chrominanzsignals und für den Verstärkungsgrad des Gesamtausgangssignals. Die derzeit vorhandenen Farbkorrekturvorrichtungen arbeiten in der Regel im analogen Bereich. Um eine solche Vorrichtung digital zu realisieren, wäre es vergleichsweise einfach, die Justierungen von Verstärkungsgrad und Schwarzpegel mit Hilfe digitaler Hardware vorzunehmen, da die Justierung des Verstärkungsgrads eine Multiplikation mit einem Faktor und die Justierung des Schwarzpegels die Addition einer Konstanten beinhaltet und beide Operationen ohne große Probleme digital durchgeführt werden können. Wie im folgenden erläutert wird, beinhaltet die Gamma-Korrektur jedoch eine nichtlineare Funktion, und dieser Umstand bringt Probleme bei der digitalen Implementierung mit sich.
• Die Kennlinie einer Bildanzeigevorrichtung, z.B. einer Kathodenstrahlröhre, hat einen nichtlinearen Verlauf. Diese Nichtlinearität muß in einem Fernsehübertragungssystem im Sender kompensiert werden. Fig. 1 zeigt eine typische Eingangs/Ausgangs-Kennlinie einer Kathodenstrahlröhre. Die dargestellte Kennlinie zeigt die Licht-Ausgangsgröße (LO) über der Signalspannung (VS). Die dargestellte Kurve läßt sich folgendermaßen durch ein exponentielles Gesetz beschreiben:
• (1) L = K Eγ
• worin L die Licht-Ausgangsgröße (LO) der Kathodenstrahlröhre
• K eine Konstante
• E die Signalspannung (VS) und
• γ (Gamma) eine Konstante
• bedeuten. Wie Fig. 1 zeigt und aus Gleichung (1) hervorgeht, wächst die Licht-Ausgangsgröße rascher an als die Signalspannung.
• Wenn eine monochrome Kamera mit linearer Eingangs/Ausgangs-Kennlinie als Videosignalquelle angenommen wird, bewirkt die Kathodenstrahlröhre, daß Luminanzänderungen im Bereich hoher Lichtstärken expandiert und im Bereich niedrigerer Lichtstärken komprimiert werden. Um diese Effekte zu kompensieren, muß der Sender nach einem Gesetz arbeiten, das zu demjenigen der Kathodenstrahlröhre invers ist. Man bezeichnet den Prozeß, durch den dieses inverse Gesetzt erzeugt wird, als "Gamma-Korrektur" Ein Beispiel für die kombinierte Wirkung einer Kamera und einer Gamma-Korrekturschaltung ist in Fig. 2 dargestellt, in der die Beziehung zwischen der Lichtstärke auf der Kameraröhre (LC) und dem Sender- Ausgangssignal (TO) gezeigt ist. Man erkennt, daß die Kennlinie von Fig. 2 die Kennlinie von Fig. 1 kompensiert, so daß insgesamt ein lineares System entsteht.
• In einem speziellen System ist Gamma eine Konstante, die üblicherweise zwischen 2,2 und 2,5 liegt. Infolge unkorrekter Beleuchtungsbedingungen oder dgl. kann es jedoch notwendig sein, den Wert der anzuwendenden Gamma-Korrektur zu variieren.
• Theoretisch würde ein Verfahren zur Gamma-Korrektur eine Hardware-Implementierung von Gleichung (1) bedingen. Im analogen Bereich kann dies dadurch erreicht werden, daß man logarithmische und antilogarithmische Verstärker verwendet, zwischen die ein Verstärker eingefügt ist, dessen Verstärkungsgrad variiert werden kann. Fig. 3 zeigt die Blockschaltung einer entsprechenden Anordnung. Ein Eingangssignal x liegt an einem logarithmischen Wandler 10 an, dessen Ausgangssignal a einem Gamma-Justierverstärker 12 zugeführt wird. Die Gamma-Justierung wird durch den Verstärkungsgrad des Verstärkers 12 eingestellt. Deshalb wird der Verstärkungsgrad des Verstärkers 1 2 geändert, wenn die Gamma- Justierung geändert werden soll. Das Ausgangssignal b des Verstärkers 1 2 wird einem antilogarithmischen Verstärker 14 zugeführt, der ein Ausgangssignal y erzeugt.
• Es gelten folgende Beziehungen:
• y = eb = eγ.a = eγ.logx
• log y = γ log x.log e
• log y = log xγ
• y = xγ
• Um die Schaltung von Fig. 3 in Hardwareform zu realisieren, benötigt man beispielsweise Dioden-Arrays zur Erzeugung der geforderten logarithmischen und antilogarithmischen Kennlinien. Es ist jedoch schwierig, die Dioden-Arrays für die Farbkorrektur in den drei RGB- Kanälen abzugleichen. Außerdem stellt die Temperaturstabilität ein Problem dar. In einem digitalen Farbkorrigierer könnte die Schaltung von Fig. 3 durch die Verwendung programmierbarer Nureseverstärker (PROMs) realisiert werden, in denen die logarithmischen und antilogarithmischen Kennlinien tabellarisch aufgelistet sind. Bei dieser Methode tritt jedoch das Problem auf, daß die Kennlinie beschnitten wird, um eine vernünftige Wortgröße verwenden zu können.
• Gemäß vorliegender Erfindung ist eine Farbkorrekturvorrichtung vorgesehen mit
• einer ersten Multipliziereinrichtung zur Aufnahme eines Farbkomponentensignals eines Videosignals und zum Multiplizieren dieses Komponentensignals mit einem eine gewünschte Gamma-Korrektur kennzeichnenden ersten Faktor, um ein erstes Produktsignal zu erzeugen,
• einer ersten Addiereinrichtung zum Addieren eines zweiten Faktors zu dem ersten Produktsignal, um ein erstes Summensignal zu erzeugen, wobei der zweite Faktor die gewünschte Gamma-Korrektur, ferner einen gewünschten Verstärkungsgrad sowie einen gewünschten Schwarzpegel kennzeichnet,
• einer zweiten Multipliziereinrichtung zum Multiplizieren des ersten Summensignals mit dem Farbkomponentensignal, um ein zweites Produktsignal zu erzeugen, und
• einer zweiten Addiereinrichtung zum Addieren eines den gewünschten Schwarzpegel kennzeichnenden dritten Faktors, um ein zu dem Farbkomponentensignal zu addierendes Offset-Korrektursignal zu erzeugen.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das weiter unten näher beschrieben wird, ist ein digitaler Farbkorrigierer für eine Farbkomponente eines Videosignals vorgesehen, der so betrieben werden kann, daß eine Gamma-, Verstärkungs und Schwarzpegelkorrektur durchgeführt werden. Der Gamma-Korrekturfaktor k wird einem Multiplizierer zugeführt, der das Eingangssignal E aufnimmt. Die Schwarzpegelkorrektur B wird einem Addierer zugeführt. Zusammen mit der Verstärkungskorrektur A sind weitere Rechenschaltungen vorgesehen, um folgende Gleichung zu realisieren:
• δE = [k E + (A - B - k)] E + B,
• die eine gute Näherung für die Gamma-Korrektur enthält, ohne daß logarithmische und antilogarithmische Schaltungen verwendet werden müssen. Das Ausgangssignal δE stellt ein Offset-Korrektursignal dar, das zu dem originalen Farbkomponentensignal addiert werden muß.
• In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Farbkorrekturvorrichtung erzeugt das Gerät ein Offset-Korrektursignal, das zu dem originalen Signal addiert wird. Dadurch wird das resultierende farbkorrigierte Ausgangssignal erzeugt. Es ist deshalb nicht notwendig, daß das ursprüngliche Signal die Farbkorrekturvorrichtung durchläuft, so daß die Verzerrung minimiert wird.
• Die bevorzugte Farbkorrekturvorrichtung kann sowohl in einem 4:2:2-Komponentensystem verwendet werden (wie es in der CCIR-Empfehlung 601 spezifiziert ist) als auch in dem 4Fsc-Signalgemisch-System. Bei dem 4Fsc-Signalgemisch-System muß das Eingangssignalgemisch in R-, G- und B-Komponenten dekodiert werden, die dann der Farbkorrekturvorrichtung zuzuführen sind. Der von dem Gerät erzeugte Korrektur-Offset wird anschließend in die Signalgemischform zurückkodiert und zu dem originalen Signagemisch addiert.
• Im folgenden sei die Erfindung an einem Beispiel näher beschrieben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen gleiche Teile durchgehend mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
• Fig. 1 zeigt eine Eingangs/Ausgangs-Kennlinie einer Kathodenstrahlröhre,
• Fig. 2 zeigt eine Eingangs/Ausgangs-Kennlinie einer Kamera und eines Senders,
• Fig. 3 zeigt eine Schaltung, die nach einem Verfahren zur Gamma-Korrektur betrieben werden kann,
• Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Farbkorrekturvorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild, das dem Blockschaltbild von Fig. 4 ähnelt, jedoch weitere Einzelheiten enthält,
• Fig. 6 zeigt ein ausführlicheres Blockschaltbild der Farbkorrekturvorrichtung gemäß der Erfindung.
• Wie oben anhand von Fig. 3 bereits diskutiert wurde, bereitet die Farbkorrektur durch Implementierung von Gleichung (1) sowohl im analogen als auch im digitalen Bereich Probleme. Die Farbkorrekturvorrichtung gemäß der Erfindung arbeitet nach einem anderen Lösungsweg, bei dem keine logarithmischen und antilogarithmischen Funktionen implementiert werden müssen. Im folgenden werde die Theorie diskutiert, die diesem Lösungsweg zugrunde liegt.
• Die gamma-korrigierte Signalspannung sei E
• E = Uγ
• Hierin bedeutet U die unkorrigierte Signalspannung.
• Nun werde Gamma um den Wert a geändert
• V = Uγ+a
• = Uγ + Ua
• = E (E(1/γ))a
• = E1+a/γ
• Wenn a als prozentualer Anteil von Gamma definiert wird, d.h. a = x γ ist, gilt
• V = E1+x
• Die Änderung der Signalspannung V bei einer Änderung von Gamma ist also
• ΔV = E1+x - E.
• Wenn man für die durch die Änderung von Gamma verursachte Änderung der Signalspannung eine quadratische Näherung benutzt, erhält man
• ΔV' = k E² + m E,
• worin k und m die oben angegebene Bedeutung haben.
• Der Näherungsfehler beträgt
• e = ΔV' - ΔV = (k E² + m E) - (E1+x - E)
• Um bei dem Schwarzpegel und dem Weiß-Spitzenwert (d.h. 0 und 1) einen minimalen Fehler zu erhalten, werde E = 1 und e = 0 gesetzt. Man erhält damit
• 0 = [k + m] - [1 - 1] und
• k = - m.
• Der Näherungsfehler kann durch Integration von e über den Bereich 0 bis 1 gefunden werden, um k zu bestimmen.
• Man setzt
• Damit wird
• (2) δV = k (E² - E)
• Hierin bedeuten
• δV ein Näherungswert für die Änderung der Signalspannung aufgrund einer Änderung des Werts γ,
• E die Eingangsspannung
• k eine variable Größe.
• Somit tiefert Gleichung (2) eine Näherung der durch eine Gamma-Änderung verursachten Signalspannungsänderung, ohne daß logarithmische und antilogarithmische Funktionen verwendet werden müssen.
• Zur Korrektur des Schwarzpegels und der Verstärkung zusätzlich zu dem Gamma-Wert muß der Schwarzpegel-Offset B addiert werden, um den korrigierten Offset-Ausgangswert zu erzeugen, wie dies durch einen weiteren Ausdruck auf der Basis des Verstärkungskoeffizienten A geschieht. Da der Schwarzpegel mit dem Verstärkungskoeffizienten A zusammenhängt, muß der Schwarzpegel-Offset B vor der Multiplikation des Eingangssignals E von dem Verstärkungskoeffizienten A subtrahiert werden. Der weitere Ausdruck, der zur Bildung des Offset-Ausgangswerts addiert werden muß, ist somit (A - B) E, und der Gesamt- Offset-Korrekturfaktor, der zu dem Eingangssignal E addiert werden muß, um das farbkorrigierte Ausgangssignal zu erzeugen, läßt sich folgendermaßen ausdrücken:
• (3) δE = k (E² - E) + (A - B) E + B
• δE = k E² - kE + (A - B) E + B
• δE = [k E + (A - B - k)] E + B
• Wenn α = A - B - k gesetzt wird, läßt sich Gleichung (3) folgendermaßen vereinfachen:
• (4) δE = (k E + α) E + B.
• Fig. 4 zeigt eine Schaltung gemäß der Erfindung zur digitalen Implementierung der Gleichung (4). Ein erster Multiplizierer 20 nimmt das Eingangssignal auf und multipliziert es mit dem Faktor k, so daß ein Signal k E erzeugt wird, das einem Addierer 22 zugeführt wird. Der erste Addierer 22 addiert den Faktor α zu dem Signal k E und erzeugt ein Summen- Ausgangssignal k E + α. Ein zweiter Multiplizierer 24 multipliziert dieses Signal noch einmal mit dem Eingangssignal E und erzeugt ein Ausgangssignal (k E + α) E, das einem zweiten Addierer 26 zugeführt wird. Der zweite Addierer 26 addiert den Schwarzpegelfaktor B und vervollständigt dadurch die Gleichung (4), so daß der Offset-Korrekturfaktor δE erzeugt wird, der zu dem Eingangssignal E addiert wird.
• Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung ist effektiv, falls die Anordnung Mikroprozessorfähigkeiten zur Ableitung des Faktors α aus den Faktoren A, B und k besitzt. Alternativ kann die in Fig. 5 dargestellte Schaltung verwendet werden, die die Gleichung (3) direkt implementiert, so daß der Faktor α nicht separat abgeleitet werden muß. Die in Fig. 5 dargestellte Schaltung entspricht der Schaltung von Fig. 4 mit der Ausnahme, daß ein erster und ein zweiter Subtrahierer 28, 30 vorgesehen sind, wobei der erste Subtrahierer 28 aus den Faktoren A und B ein Signal A - B und der zweite Subtrahierer 30 aus dem Ausgangssignal A - B des ersten Subtrahierers 28 und dem Faktor k ein Signal A - B - k ableitet. Das Signal A - B - k wird dann dem ersten Addierer 22 zugeführt und in diesem zu dem Signal k E aus dem ersten Multiplizierer 20 addiert.
• Fig. 6 zeigt eine weiterentwickelte Schaltung gemäß der Erfindung. Diese Schaltung eignet sich speziell für die Realisierung in Gate-Array-Technologie. Die Schaltung enthält neben dem ersten und dem zweiten Multiplizierer 20, 24 und dem ersten und zweiten Addierer 22, 26 fünf synchron ladbare Register (SLRs) 32 bis 36 für das Eingangssignal E und die Faktoren k, α und B. Zwischen den arithmetischen Komponenten sind weitere Register 38 bis 42 angeordnet. Am Ausgang des zweiten Addierers 26 ist eine selektive Austastschaltung in Form eines Registers 44, eines Pufferverstärkers 46 und eines Inverters 48 angeordnet. Einem Eingang des Pufferverstärkers 46 wird ein Austastpegelsignal BL zugeführt. Die selektive Austastschaltung dient dazu, das Ausgangssignal auf einen voreingestellten Pegel auszutasten, wenn sie aktiviert ist, und verhindert so, daß Teile des Videosignals, wie Synchronisierimpulse, von der Farbkorrekturschaltung in unerwünschter Weise beeinträchtigt werden. Wenn an einem Austastfreigabeeingang 50 ein Freigabesignal anliegt, wird das Register 44 deaktiviert und der Pufferverstärker 46 aktiviert, so daß an dem Ausgang das Austastpegelsignal BL anstelle des Offset-Korrektursignals δE auftritt. Die anderen Teile der Schaltung von Fig. 6 arbeiten in ähnlicher Weise wie die entsprechenden Teile der Schaltung von Fig. 4, wobei die Register 38 bis 42 die Ausgangssignale der vorhergehenden Komponenten halten. Die Register 41 und 42 bewirken eine Verzögerung, die der Verzögerung in den Registern 38 und 39 entspricht.
• Unabhängig davon welche der oben beschriebenen Farbkorrekturschaltungen verwendet wird, benötigt man drei Schaltungen für die Verarbeitung von digitalen Farbkomponentensignalen, nämlich eine Schaltung für jede Komponente.
• Die vorangehende Beschreibung zeigt, daß jede der erfindungsgemäß ausgestalteten Farbkorrekturschaltungen so ausgebildet ist, daß die Schaltung ein Offset-Signal erzeugt, das zu dem originalen Signal addiert wird, so daß das resultierende farbkorrigierte Ausgangssignal entsteht. Somit braucht das originale Signal die Schaltung nicht zu durchlaufen, so daß nur sehr geringe Verzerrungen, wie Quantisierungsrauschen, aufgrund der Beschneidung an Multipliziererausgängen, z.B. in RGB- und YCbCr-Matrizen auftreten, die in anderen Teilen der Gerätschaft vorgesehen sind. Falls keine Farbkorrektur erforderlich ist, kanndie Schaltung ohne nachteilige Auswirkungen auf das originale Signal ausgeschaltet werden.
• Die Farbkorrekturschaltungen können sowohl in Videosystemen mit Komponentensignalen als auch in solchen mit Signalgemisch eingesetzt werden, wie z.B. in den der CCIR- Empfehlung 601 entsprechenden 4:2:2-Komponenten- und 4Fsc-Signalgemisch-Systemen. Bei der Verwendung in Signalgemisch-Systemen muß das Eingangssignalgemisch in drei Komponenten dekodiert werden, die den drei entsprechenden Korrekturschaltungen zugeführt werden. Die von diesen Schaltungen erzeugten Korrektur-Offsets werden dann in die Signalgemischform zurückkodiert und zu dem originalen Signalgemisch addiert.

Claims (5)

1. Farbkorrekturvorrichtung mit

einer ersten Multipliziereinrichtung (20) zur Aufnahme eines Farbkomponentensignals (E) eines Videosignals und zum Multiplizieren dieses Komponentensignals (E) mit einem eine gewünschte Gamma-Korrektur kennzeichnenden ersten Faktor (k), um ein erstes Produktsignal zu erzeugen,

einer ersten Addiereinrichtung (22) zum Addieren eines zweiten Faktors (α) zu dem ersten Produktsignal, um ein erstes Summensignal zu erzeugen, wobei der zweite Faktor (α) die gewünschte Gamma-Korrektur, ferner einen gewünschten Verstärkungsgrad sowie einen gewünschten Schwarzpegel kennzeichnet,

einer zweiten Multipliziereinrichtung (24) zum Multiplizieren des ersten Summensignals mit dem Farbkomponentensignal (E), um ein zweites Produktsignal zu erzeugen, und

einer zweiten Addiereinrichtung (26) zum Addieren eines den gewünschten Schwarzpegel kennzeichnenden dritten Faktors (B), um ein zu dem Farbkomponentensignal (E) zu addierendes Offset-Korrektursignal (δE) zu erzeugen.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem der zweite Faktor (α) einen vierten Faktor (A) enthält, der für den gewünschten Verstärkungsgrad abzüglich des ersten und dritten Faktors (k, B) kennzeichnend ist.

3. Gerät nach Anspruch 2 mit einer ersten Subtrahiereinrichtung (28) zum Subtrahieren des dritten Faktors (B) von dem vierten Faktor (A), um ein erstes Differenzsignal (A-B) zu erzeugen, sowie mit einer zweiten Subtrahiereinrichtung (30) zum Subtrahieren des ersten Faktors (k) von dem ersten Differenzsignal (A-B), um ein zweites Differenzsignal (A-B-k) zu erzeugen, wobei das zweite Differenzsignal den von der ersten Addiereinrichtung (22) zu addierenden zweiten Faktor (α) darstellt.

4. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit Registern (SLR), die jeweils den Eingängen der ersten und zweiten Multipliziereinrichtung (20, 24) und jeweils der Eingängen der ersten und zweiten Addiereinrichtung (22, 26) zugeordnet sind.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Austastschaltung (44, 46, 48), mittels derer das Offset-Korrektursignal (δE) in ausgewählten Zeiten selektiv auf einen vorbestimmten Austastpegel (BL) austastbar ist.