DE3418787A1

DE3418787A1 - Verfahren zur erhoehung der aufloesung von farbfernsehkameras

Info

Publication number: DE3418787A1
Application number: DE19843418787
Authority: DE
Inventors: Wolf-Peter Dipl.-Ing. 3305 Evessen 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: 1985-11-21
Also published as: DE3418787C2; WO1985005526A1; JPS61502229A; NL8520112A; US4725881A; JPH0575235B2

Description

Rl.-Nr. 2108/84

15..5-1984 PAT-Da/Rz/Kn

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Verfahren zur Erhöhung der Auflösung von ffarbfernsehtcamexas
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Stand der Technik

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

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 Abtasthtoorem direkt aus der auf dem Bildsensor realisierten Bildpunktzahl.

Eine Erhöhung der Auflösung ist daher nur durch tech nologisch außerordentlich problematische Vergrößerung der Bildpunktzahl des Halbleiter-Bildsensors möglich.
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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 tx'ägerfrequenten Anteile zu eliminie— ren, so steht auch bei begrenzter Bildpunktzahl eine höhere Auflösung zur Verfugung.

Aus der DE-OS 28 46 869 ist bereits eine Pestkörper-Fernsehkamera mit mehreren Halbleiter-Bildoensoren 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.
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Ri..«r. 2108/84

Der Erfindung ließt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Erhöhung der Auflösung von Fernsehkameras mit· Halbleibei·-Bildsensoren anzugeben, bei
welchem die Signalverarbeitung wesentlich einfacher
und auch wirkungsvoller durchführbar ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß es nicht nur weniger aufwendig ist, sondern daß damit auch 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 Luminanzsignal, 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.

Zeichnung '. 30 '

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:

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Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Durchführung des er-

findungsgemäßen Verfahrens, Fig. 1a ein Blockschaltbild eines Teils der in Fig.

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'^-rr beträgt. Durch einen horizontalen Versatz der einzelnen Bildsensoren 1, 2, 3 gegeneinander um ein Drittel der Bildpunktperiode

werden drei Ausgangssignale G, R, B erzeugt, bei denen neben den phasengleichen Basisbändern die trägerfrequenten Anteile erster und zweiter Ordnung gegeneinander um 120 phasenverschoben an den Klemmen 4, 5» 6 abnehmbar sind. Die Auslesetaktansteuerung 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.
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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 = O,3R+O,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, I3, 14 geleitet.
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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' * O,33R + O,33G + O,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 Emitterfolger stufe 24, 25, 26 an je einen Widerstand 27, 28, 29 gleichen Wertes (z.B. 1 ki2) 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 Widersatnd 31 mit Masse verbunden ist. Am Ausgang 32 ist dann das Luminanzsignal y'abnehmbar. Die durch Pfeile J4, 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 V steht nun allerdings im Widerspruch zur Farbmetrik, welche eine Luminanzmatrizierung gemäß y =» 0,3R+ O,59G+O,11B fordert. Um nun einerseits der höheren Auflösung und andererseits der Farbmetrik zu genügen,

Rl.-Nr.P108/B4

wird die LumLnanzkomponente Y über einen Hochpaß geleitet und mit der normgerechten, über den Tiefpaß 12 geleiteten Luminanzkomponente γ in einer Addierstufe 16 zu einem resultierendem Luminanz^r> signal ys zusammengefügt.

Die Frequenzspektren der drei Signale Y, Y' und Y 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. herum auf und überlagert sich dem Nutzsignal (# bis f») · 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 Grenz-0 frequenz f„^ des verwendeten Tiefpasses 12 in das Y -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 Freqnez gefaltet um die Auslesefrequenz f. erzeugt wird (siehe Fig. 2d). Dabei faltet sich das Luminanzspektrum im Chrominanzbereich um f. und 2f«, während um 0 und J>£. keine Aliaskomponenten entstehen. Um diese .Chrominanzstörungen möglichst klein zu halten, werden für die beiden Fa.rbdi f f er enz si gna le R-Y und B-Y die Tiefpässe 13 und 14 benötigt. Aus farbmetrischen Gründen ist nur eine identische Grenzfrequenz fp,.

der Tiefpässe' 12 und 1.3, 1·'+ sinnvoll. Dies erübrigt zusätzlich die Notwendigkeit der Laufzeitanpassung zwischen Luminanz- und Chrominanzsignal.

Die Grenzfrequenz f_p^ der Tiefpässe 12, 13, 1'+ muß nun unbedingt kleiner als die Hälfte der Auslesefrequenz fj, (Nyquistfrequenz) sein, da ein Luminanzsignal Y dieser Frequenz eine niederfrequente Schwebung mit der im Luminanzkanal sowie im Chrorainanzkanal um die Auslesefrequenz f. erzeugten Aliaskomponente ergibt. Besonders die Chrominanzfaltung läßt eine Luminanzkomponente mit Nyquistfrequenz fjr (0,5^a) auf falschem farbigen Hintergrund stark gestört erscheinen.

Nach wie vor können aber noch niederfrequente Chrominanzfrequenzen durch die beschriebenen Tiefpässe 13, 14 der Parbdifferenzsignnle R-Y, B-Y gelangen, beispielsweise bei einem Luminanzsignal Y in der Nähe der Auslesefrequenz f^. Solange die Differenzfrequenz von Luminansignal und Abtastrate kleiner ist als die Tiefpaß-G-renzf requenz fp^, treten starke Farbmuster im Bild auf, die im Chrominanzkanal nicht von der echten Farbinformation unterschieden v/erden können. Nur eine Information aus dem weiteren Luminanzsignal Y¹ 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 ategeleitet, die über jeweils einen geregelten Verstärker 17 bzw. 18 in den Forbdifferenzkanälen bei Auftreten von Luminanzkomponenten oberhalb der Tiefpaß-Grenzfrequenz fp. die möglicherweise ontsbehenden Aliasfrequenzen im Chrominanzsignal unterdrückt.

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Durch die Verwendung einen mit der Frequenz f. betriebenen Synchrondemodulator 19 zur Ableitung der Steuerspannung aus dem weiteren Luminanzsignal Y¹ wird sichergestellt, daß bei hohen Lumi'nanzfrequenzen, 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. 5 am Beispiel einer optischen Vorlage erläutert, die nur den Sensor für Rot mit einer Frequenz f~ in der Nähe der Auslesefrequenz

1^C> f_A aktiviert. Da nur ein Bildsensor 2 an der Signalabtontung beteiligt ist, versagt hier natürlich das Offöetverfahren, so daß das weitere Luminanzsignal Y' Renan wie sonst das genormte Luminanzsignal Y ein sich mit Auslesefrequenzen f. reproduzierendes

■^:-0 Soektrum aufweist (Fig. 3a). Das weitere Luminanzsignal Y¹ enthält hier hinter dem Hochpaß 15 die spektralen Anteile fQ und 2f.-fQ, die miteinander eine Schwebung f„ darstellen. Nach der Synchrondemodulation entsteht eine Differenzschwingung

<?'■> f = ftr-i'rs in der gleichen Frequenz wie die entstehende niederfrequente Luminanzkomponente. Ein zusätzlicher Chrominanzgleichwert, der aus der realen Szene abgeleitet wurde, kann nun die geregelten Verstärker 171 18 passieren, zwar mit einer Sättigungsmodulation, die allerdings von der ohnehin vorhandenen Luminanzstörung überlagert ist. Wichtig ist, daß die ntörenden Luminanzstrukturen nicht zusätzlich durch fehlende Farbe noch unangenehmer auffallen. In einem beispielsweise roten Bild

3^ würden eonrafc alle Bilddetails, die höhere Signalfre-

queri/'.en repräsentieren, enfcfärbt und hell hervortreten.

Tritt dagegen die gleiche Frequenz f~ als reines Schwarz/Weiß-Signal auf (Fig. 3"b), so sind jetzt alle drei Halbleiter-Bildsensoren 1, 2, 3 an der opto-elektronischen Wandlung und Abtastung beteiligt und können zu einem aliasverbesserten Y¹-Signal beitragen. Statt zweier Frequenzen f und 2f.-f im vorher beschriebenen Fall ist nur noch ein Anteil bei f enthalten. Diese Komponente ergibt nach der Synchronderaodulation ebenfalls eine Schwingung der Frequenz f.-f , jedoch nur

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mit halber Amplitude. Diese Amplitudendifferenz kann als Entscheidungsschwelle für die regelbaren Verstärker 171 18 benutzt werden, um gemäß diesem Beispiel im ersten Fall die Chrominanz passieren au lassen, während sie im zweiten Fall als Aliasstruktur erkannt und unterdrückt wird.

Das beschriebene Verfahren kann auch in modifizierter Form betrieben 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 linempf indlichsten Bildsensor darstellt, der dann nicht zur Erzeugung des weiteren LuminanzsignaIs Y' herangezogen wird.

- Leerseite -

Claims

17 .'j . 1 9HJl 1'AT-Da /Hz /Ho ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1 Ansprüche

1. Verfahren zur Erhöhung der Auflösung einer Farbfernsehkamera, in der dasselbe Bild gleichzeitig auf dre.i Halbleiter-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 Hälbleiter-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 drie Halbleiter-Bildsensoren normgerecht in ein Luminanz- und zwei Farbdifferenzsignale matriziert und tiefpaßgefiltert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines weiteren Luminanzsignals (Y¹) die AusgangssignaleCG, R bzw. G, R, B) der Halbleiter-Bildsensoren (1, 2 bzw. 1, 2, 3) gleichgewichtig addiert werden, daß das weitere Luminanzsignal (Y¹) hochpaßgefiltert und mit dem tiefpaßgefilterten normgerechten Luminanzsignal (Y) zu einem resultierenden Luminanzsignal (Y ) zusammengefügt wird, und daß vom' hochpaßgefilterten weiteren Luminanz-

Rl. -Nr. 2 1 "8 /84

signal (Y') ein Steuersignal abgeleitet wird, mit welchem die Signalamplituden der Farbdifferenzsignale (R-Y, B-Y) gesteuertwerden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Steuersignal mit Hilfe eines Synchrondemodulator, welchem die Auslesefrequenz zugeführt wird, vom hochpaßgefilterten weiteren Luminanzsignal (Y') abgeleitet wird.
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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn ζ e j c h η e t , daß die tiefpaßgefilterten Luminanz- und Farbdifferenzsignale jeweils die gleiche Grenzfrequenz (fpj aufweisen .

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

5 . Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß die 6dB-Grenzfrequenz (f_p?\ des hochpaßgefilterten weiteren Luminanzsignals (Y¹) gleich der 6dB-Grenzfrequenz (f_pi) des tiefpaßgefilterten Luminanzsignals()y ist.