DE3854446T2 - Videokamera. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Videokamera (oder eine Fernsehkamera) zum Umwandeln eines aufgenommenen optischen Bildes in Video- (oder Fernseh)-Signale.
• Im Stand der Technik wurden kommerzielle Videokameras meist als sogenannte Einzelplattenkameras ausgebildet, bei welchen ein Farbbild unter Verwendung einer Platte einer Festkörperbildaufnahmevorrichtung erhalten wird. Fig. 2 zeigt den grundlegenden Schaltungsaufbau einer Einzelplattenkamera. Ein Bild eines Gegenstands 1 wird auf eine Bildaufnahmevorrichtung 21 über ein Kameraobjektiv 2 fokussiert. Das Bildaufnahmeelement 21 wird durch ein Bildaufnahmegerät-Treiberteil 22 so getrieben, daß es eine photoelektrische Umwandlung des Bildes in elektrische Ladungen durchführt, und ein elektrisches Signal nach Ansammeln der Ladungen für einen vorbestimmten Zeitraum ausgibt. Dieses Ausgangssignal wird durch einen Vorverstärker 23 verstärkt, und erfährt die notwendige Verarbeitung wie beispielsweise eine gamma-Korrektur, Abtrennung und Synthese des Luminanzsignals und des Chrominanzsignals, und Hinzufügung eines Synchronisiersignals in einer Bearbeitungsschaltung 24, so daß es zu einem Videosignal EVIDEO wird, geeignet für ein Sendesystem. Ein Steuerschaltungsteil 25 legt einen Taktimpuls Pt zum Steuern des Speichertakts und des Auslesetakts (des Ausgabetakts) der Bildaufnahmevorrichtung 21 an den Treiberteil 22 an, sowie ein Synchronisiersignal PSYNC an die Bearbeitungsschaltung 24. Im Falle des NTSC-Systems beträgt die vertikale Synchronisierfrequenz (Halbbildfrequenz) 60 Hz, und die horizontale Synchronisierfrequenz ist annähernd 15,75 kHz.
• Die Bildqualität einer derartigen kommerziellen Videokamera ist nicht zufriedenstellend. Insbesondere wird das SN-Verhältnis (Signal/Rausch-Verhältnis) der Bildaufnahmevorrichtung durch den Aufbau und die Rauscheigenschaften der Bildaufnahmevorrichtung bestimmt, und kann nur schwierig ausreichend verbessert werden. Weiterhin hat der Dynamikbereich der Bildaufnahmevorrichtung, der durch den gesättigten Beleuchtungsenergiepegel und den Rauschpegel bestimmt wird, einen großen Einfluß auf den Belichtungsspielraum der Videokamera. Der Belichtungsspielraum einer Videokamera, in welcher ein Festkörper-Bildaufnahmeelement verwendet wird, ist so niedrig wie annähernd ±1 EV (Belichtungswert). Für einen Gegenstand mit einem großen Kontrastunterschied ist daher das Videosignal teilweise gesättigt, oder es werden ein Schwarzzusammenbruch, ein Fehlen des Chrominanzsignals und dergleichen erzeugt, wodurch die Bildqualität stark beeinträchtigt wird.
• Derartige Umstände werden unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert. Ein Gegenstand A mit hohem Kontrast weist einen hellleuchtenden Abschnitt B auf (die Luminanz weist einen Gradienten in Vertikalrichtung auf), in Form horizontaler Streifen im zentralen Abschnitt gemäß Fig. 3(a), und Abschnitte C, D mit geringer Leuchtkraft oberhalb und unterhalb des Abschnitts B. Es wird angenommen, einfach zur Erleichterung, daß nur ein Luminanzsignal das Videosignal bildet, und es wird auch nur eine Halbbildperiode, die in dem Sendesystem vorgeschrieben ist betrachtet. In Fig. 3(b) ist ein Profil des Luminanzpegels zum Zeitpunkt der vertikalen Abtastung des Gegenstands A gezeigt. Die Abszisse zeigt die der vertikalen Abtastung (tv: effektive Periode der Vertikalabtastung) der Videokamera entsprechende Zeit, die Koordinate zeigt die Luminanzamplitude des Gegenstands, und Smax, Smin und Sav zeigen den Maximalwert, den Minimalwert bzw. den Durchschnittswert der Luminanzamplitude.
• Nunmehr wird angenommen, daß der Blendenwert des Kameraobjektivs auf der Grundlage eines durchschnittlichen Luminanzpegels (in Fig. 3(b): Sav) in einem Halbbild bestimmt wird. Wenn der Kontrast des aufzunehmenden Gegenstands A groß ist, und ein Teil des Luminanzpegels des Abschnitts B mit hoher Leuchtkraft den Belichtungsspielraum der Bildaufnahmevorrichtung der Videokamera übersteigt, so gibt die Bildaufnahmevorrichtung ein teilweise gesättigtes Luminanzsignal gemäß Fig. 3(c) aus (E: Sättigungspegel des Bildaufnahmeelements).
• Falls der Blendenwert des Kameraobjektivs auf der Grundlage des Maximalwerts (in Fig. 3(b): Smax) des Luminanzpegels in einem Halbbild bestimmt wird, so wird keine Signalsättigung hervorgerufen, wie in Fig. 3(d) gezeigt, sondern die Pegel der Abschnitte C, D mit geringer Leuchtkraft, die einen großen Teil des Bildes einnehmen, werden sehr niedrig unter dem Einfluß des Abschnitts B mit hoher Leuchtkraft, und die Helligkeitsabstufung des Abschnitts mit niedriger Leuchtkraft wird nicht reproduziert (Schwarzzusammenbruch).
• Die Sättigung und der Schwarzzusammenbruch des Videosignals, die voranstehend beschrieben wurden, beeinträchtigen auf extreme Weise die Bildqualität, treten jedoch häufig auf, infolge des engen Dynamikbereichs der Bildaufnahmevorrichtung. Dies stellt ein schwerwiegendes Problem in bezug auf die Erzielung einer hohen Bildqualität der Videokamera dar. Allerdings ist es äußerst schwierig, den Dynamikbereich der Bildaufnahmevorrichtung unter den gegebenen Umständen ausreichend zu verbessern.
• Es hat bislang keinen Versuch gegeben, den Dynamikbereich einer Videokamera vom Gesichtspunkt des Treiberverfahrens und des Signalbearbeitungsverfahrens für eine Bildaufnahmevorrichtung aus zu verbessern.
• Die vorliegende Erfindung stellt eine Videokamera zur Verfügung, welche aufweist:
• zumindest eine Bildaufnahmevorrichtung, welche optische Signale von einem Gegenstand über ein Kameraobjektiv empfängt;
• ein Bildaufnahmeelement-Treiberteil, welches die Bildaufnahmevorrichtung bei modifizierten Synchronisierfrequenzen treibt, die durch Multiplizieren einer Horizontal-Synchronisierfrequenz und einer Vertikal-Synchronisierfrequenz, die in einem Standardsendesystem vorgeschrieben sind, mit einem bestimmten, ganzzahligen Wert N größer als 1 erhalten werden, und welches die Vorrichtung zur Durchführung einer Speicherung und eines Auslesens der optischen Signale veranlaßt;
• ein Blendensteuerteil zum Steuern eines Blendenmechanismus, der in dem Kameraobjektiv vorgesehen ist, auf der Grundlage von Videosignalen, die durch Treiben der Bildaufnahmevorrichtung erhalten werden, welches bei den modifizierten Synchronisierfrequenzen durchgeführt wird, so daß die Videosignale, die von der Bildaufnahmevorrichtung bei den modifizierten Synchronisierfrequenzen ausgelesen werden, nicht gesättigt sind;
• einen Analog/Digital-Wandler, welcher eine Analog/Digital- Wandlung der Videosignale durchführt, die von der Bildaufnahmevorrichtung ausgegeben werden, und digitale Videosignale entsprechend N Feldern oder Halbbildern von Videosignalen innerhalb des Zeitraums der Vertikal-Synchronisierfrequenz ausgibt, die in dem Standardsendesystem vorgeschrieben ist;
• ein Arithmetik-Bearbeitungsteil, welches eine arithmetische Bearbeitung der digitalen Videosignale entsprechend den N Feldern oder Halbbildern durchführt, durch Addieren dieser aufeinanderfolgenden Signale an jedem Bildort synchronisiert mit den N Feldern oder Halbbildern, und ein entsprechend bearbeitetes, digitales Videosignal ausgibt; und
• Eine Zeitbasis-Wiederherstellvorrichtung, welche die modifizierte Horizontal-Synchronisierfrequenz und Vertikal-Synchronisierfrequenz des bearbeiteten, digitalen Videosignals mit 1/N multipliziert, wodurch bei diesen Signalen die Synchronisierfrequenzen wieder hergestellt werden, die in dem Standdardsendesystem vorgeschrieben sind.
• Wie voranstehend beschrieben wird bei der vorliegenden Erfindung das Treiben eines Bildaufnahmeelements bei einer Synchronisierfrequenz durchgeführt, die um ein ganzzahliges Vielfaches höher ist als jene, die in dem Sendesystem vorgeschrieben ist (nachstehend als Nf-Treiben bezeichnet), und die Bildabtastung wird mehrfach in einer normalen Abtastperiode durchgeführt (einer Halbbild- oder Einzelbild-Periode). Weiterhin wird der Blendenwert des Kameraobjektivs so gesteuert, daß der Pegel des Videosignals zum Zeitpunkt des Nf-Treibens ein fester Wert wird, wodurch jeweilige Ausgangssignale ohne Sättigung erhalten werden. Nach der A/D-Wandlung dieser Ausgangssignale werden entsprechende Signale in einem Speicher gespeichert. Dann wird eine bestimmte Arithmetikbearbeitung synchronisiert mit jeder Bildposition durchgeführt, und die Signale werden synchron zu den Takten der Vertikalsynchronisation ausgegeben, die in dem Sendesystem vorgeschrieben ist, als ein digitales Videosignal mit einem vorbestimmten Pegel. Daraufhin wird das Videosignal erneut mit der Synchronisierfrequenz wieder hergestellt, die in dem Sendesystem vorgeschrieben ist.
• Das digitale Videosignal, welches auf diese Weise erhalten wurde, weist ein S/N-Verhältnis auf, welches erheblich besser ist als jenes des Videosignals, das von der Bildaufnahmevorrichtung ausgegeben wird, und daher wird auch der Dynamikbereich verbessert. Nimmt man an, daß es um eine digitale Videokamera geht, so ist der Aufbau auch vergleichsweise einfach. Wie voranstehend erläutert erzielt die vorliegende Erfindung hervorragende Ergebnisse bei einer Videokamera, welche eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung verwendet.
• Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, welches eine Ausführungsform in einem solchen Falle zeigt, bei welchem die vorliegende Erfindung bei einer Einzelplatten-Videokamera verwendet wird;
• Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, welches eine konventionelle Einzelplatten-Videokamera zeigt;
• Fig. 3 ist eine erläuternde Darstellung zum Verdeutlichen von Schwierigkeiten der konventionellen Videokamera;
• Fig. 4 ist eine typische Ansicht zur Erläuterung des Betriebsablaufs jedes Teils bei einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 5 ist ein Diagramm der Eingangs/Ausgangs-Charakteristik eines nichtlinearen Bearbeitungsteils 11, welches bei einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist;
• Fig. 6 ist ein Blockschaltbild, welches ein digitales Arithmetikbearbeitungsteil zeigt, das ein Bauteil einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet;
• Fig. 7 und Fig. 8 sind Blockdiagramme, welche eine Ausführungsform eines Speicherabschnitts zeigen, die ein Bauteil eines digitalen Arithmetikbearbeitungsteils bildet, welches bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bzw. ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung des zugehörigen Betriebs ablaufs; und
• Fig. 9 ist ein Blockschaltbild, welches eine zweite Ausführungsform des Speicherteils zeigt.
• Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, welches den grundlegenden Aufbau in einem solchen Fall zeigt, in welchem die vorliegende Erfindung bei einer Einzelplatten-Farbvideokamera eingesetzt wird, welche ein Signal auf der Grundlage des NTSC-Systems ausgibt.
• Ein Bild eines Gegenstandes 1 wird auf eine CCD 4 (ladungsgekoppelte Vorrichtung) über ein Kameraobjektiv 2 und einen Blendenmechanismus 3 fokussiert. Sowohl das Kameraobjektiv 2 als auch der Blendenmechanismus 3 sind schematisch dargestellt, jedoch weist das Kameraobjektiv 2 normalerweise eine Kombination mehrerer Konvex- und Konkavlinsen auf, und ist der Blendenmechanismus 3 in das Kameraobjektiv 2 eingebaut. Die CCD 4 wird durch ein CCD-Treiberteil 5 mit einer modifizierten Synchronisierfrequenz getrieben, die viermal so hoch ist wie eine Synchronisierfrequenz, die in dem NTSC-System vorgeschrieben ist (anders ausgedrückt erfolgt die Abtastung mit einer Abtastgeschwindigkeit, die viermal so hoch ist wie in dem normalen NTSC-System, und dies wird als 4f-Treiben bezeichnet). Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Horizontal-Synchronisierfreguenz nach der Änderung 15,75 x 4 kHz, und die Vertikal-Synchronisierfrequenz (Halbbildfrequenz) nach der Änderung 60 x 4 Hz. Die CCD 4 gibt photoelektrisch gewandelte Signale entsprechend der Synchronisierfrequenz nach der Änderung aus. Nunmehr wird angenommen, daß diese photoelektrisch umgewandelten Videosignale als en(i) (i = 1, 2, 3, ...) in einer Einzelbild-Bildeinheit ausgedrückt werden. Diese Videosignale en(i) werden in digitale Videosignale ed(i) durch einen A/D-Wandler 7 nach der Verstärkung durch einen Vorverstärker 6 umgewandelt.
• Ein digitales Arithmetikbearbeitungsteil 8 besteht aus einem Speicherteil 9, einem Addierer 10 und einem nichtlinearen Bearbeitungsteil 11. Das Speicherteil 9 empfängt das Ausgangsteil der CCD 4 während eines Einzelbildes, das in dem Sendesystem vorgeschrieben ist, und speichert und hält zeitweilig digitale Videosignale (welche durch ed(4i - 3), ed(4i - 2), ed(4i - 1) bzw. ed(4i) bezeichnet werden), entsprechend einem Wert von vier Halbbildern von Bildern beim 4f-Treiben, die von dem A/D-Wandler 7 ausgegeben werden. Der Addierer 10 addiert digital digitale Videosignale, die jedem der vier Bilder in jeder Halbbildperiode des normalen Treibens entsprechen, und gibt als digital addierte Signale ed&spplus;(4i) aus.
• Das nichtlineare Bearbeitungsteil 11 wandelt die Amplitude oberhalb eines bestimmten Wertes des Luminanzsignals unter digital addierten Signalen ed&spplus;(4i) um, auf der Grundlage einer nichtlinearen Beziehung, und gibt als bearbeitete Signale eop(4i) nach Komprimieren von deren Maximalamplitude auf einen vorbestimmten Wert aus. In diesem Fall bleibt die Amplitude des Chrominanzsignals unverändert.
• Eine Zeitbasis-Wiederherstellvorrichtung 12 in der nächsten Stufe verringert die Horizontal-Synchronisierfrequenz und die Vertikal-Synchronisierfrequenz nach Änderung der verarbeiteten Signale eop(4i) auf ein Viertel, und gibt Signale Eop- (n) aus (n = 4i; i = 1, 2, 3 ...), die auf die Synchronisierfrequenz zurückgeführt wurden, die in dem NTSC-System vorgeschrieben ist. Diese wiederhergestellten, verarbeiteten Signale Eop(n) erfahren digital eine gamma-Korrektur, eine Abtrennung und Synthese des Luminanzsignals und des Chrominanzsignals, eine Addition des Synchronisiersignals, usw. Nach einer Digital/Analog-Wandlung durch einen D/A-Wandler 14 werden die Signale als NTSC-Signale ENTSC(n) durch ein Tiefpaßfilter (LPF) 15 und einen Verstärker 16 ausgegeben.
• Ein digitales Steuerteil 17 liefert Taktimpulse und Synchronisiersignale, welche jeweilige Betriebstakte vorgeben, an das CCD-Treiberteil 5, den A/D-Wandler 7, das digitale Arithmetikbearbeitungsteil 8. die Zeitbasis-Wiederherstellvorrichtung 12, die digitale Bearbeitungsschaltung 13 und den D/A- Wandler 14.
• Ein Blendensteuerteil 18 besteht aus einem Videoamplituden- Berechnungselement 19 und einem Blendenwert-Berechnungselement 20. Das Videoamplituden-Berechnungselement 19 berechnet den Maximalwert (bezeichnet als ydm&spplus;) einer Luminanzsignalamplitude in den digital addierten Signalen ed&spplus;(4i), die von dem Addierer 10 berechnet werden. Das Blendenwert-Berechnungselement 20 stellt den Blendenwert des Blendenmechanismus 3 ein, um die auftreffende Beleuchtungsenergie für die CCD 4 zu variieren, so daß der Maximalwert (ydm&spplus;) der Luminanzsignalamplitude einem Luminanzsignalamplituden-Bezugswert (ys&spplus;) entspricht, der vorher in dem Blendenwert-Berechnungselement 20 bereitgestellt wird. Der Luminanzsignalamplituden-Bezugs wert ys&spplus; ist so eingestellt, daß der Maximalwert jeweiliger Luminanzsignalamplituden von ed(4i - 3), ed(4i - 2), ed(4i - 1) und ed(4i) annähernd gleich dem Signalsättigungspegel der CCD 4 werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Fläche des Öffnungsteils des Blendenmechanismus 3 so gesteuert, daß sie viermal so groß wird wie zum Zeitpunkt des CCD-Treibens des normalen NTSC-Systems.
• Als nächstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 und Fig. 5 die Anordnung zur Vergrößerung des Dynamikbereiches einer Videokamera gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
• Der Dynamikbereich einer Videokamera hängt von dem Dynamikbereich der verwendeten Bildaufnahmevorrichtung ab, und wird durch den Rauschpegel und den Sättigungspegel in bezug auf die einfallende Beleuchtungsenergie bestimmt. Der normale Betriebszustand der Vorrichtung muß innerhalb dieses Dynamikbereiches eingestellt sein.
• Es wird ein solcher Fall betrachtet, in welchem der Kontrast eines Gegenstandes hoch ist. und bei einer konventionellen Videokamera eine Signalsättigung erzeugt wird. Fig. 4(a) zeigt einen Gegenstand A ähnlich wie dem, der in Fig. 3(a) gezeigt ist, der einen Abschnitt B mit hoher Leuchtkraft aufweist (die Leuchtkraft weist einen Gradienten in der Vertikalrichtung auf). in horizontaler Streifenform am zentralen Teil, und Abschnitte C, D mit geringer Leuchtkraft oberhalb und unterhalb davon. Erneut wird hier nur das Luminanzsignal zuerst als das Videosignal angesehen, und es wird nur eine Halbbildperiode, die in dem Sendesystem vorgeschrieben ist, betrachtet. Fig. 4(b) zeigt ein Profil der Luminanzamplitude zum Zeitpunkt der Vertikalabtastung in Fig. 4(a). In der Figur zeigt die Abszisse die Zeit entsprechend der Vertikalabtastung der Videokamera (tv: Wert der Vertikalabtastung) und die Ordinate zeigt die Luminanzamplitude des Gegenstands (Smax: Maximalwert der Luminanzamplitude).
• Fig. 4(c) zeigt ein Profil des Luminanzsignals des Gegenstands A, welches von der Bildaufnahmevorrichtung ausgegeben wird, wenn die Blendeneinstellung des Kameraobjektivs auf der Grundlage des Mittelwerts der Luminanzsignalamplituden vorgenommen wird, und das Bild mit einer konventionellen Videokamera aufgenommen wird, die einen konventionellen Schaltungsaufbau aufweist. In diesem Fall wird das Signal durch den Dynamikbereich des Bildaufnahmeelements gesattigt, und das Profil des Abschnitts mit hoher Leuchtkraft wird nicht reproduziert (E*: Sättigungspegel des Bildaufnahmeelements). In diesem Fall ist beispielsweise der ursprüngliche Spitzenwert des Luminanzsignals gleich 4E*.
• Nachstehend wird der Betriebsablauf bei der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Wie voranstehend geschildert stellt das Blendensteuerteil 18 den Blendenwert des Blendenmechanismus 3 so ein, daß der Maximalwert (ydm&spplus;) der Luminanzsignalamplituden in digital addierten Signale ed*(4i) dem Luminanzsignalamplituden-Bezugswert ys&spplus; der auf das Vierfache (4E*) des Sättigungspegels der Bildaufnahmevorrichtung eingestellt ist. Zu diesem Zeitpunkt zeigen die Luminanzsignalamplituden von Videosignalen en(4i - 3), en(4i - 2), en(4i - 1), und en(4i) entsprechend dem zu photographierenden Gegenstand A, welche von der CCD 4 in einer Halbbildperiode ausgegeben werden, die in dem Sendesystem vorgesehen ist, allgemein ein Profil, wie es in Fig. 4(d) dargestellt ist. Damit mit anderen Worten im Falle der vorliegenden Ausführungsform die Synchronisierfrequenz auf das Vierfache mit einem 4f-Treiben geändert ist, beträgt jede vertikale Abtastzeit ein Viertel der Abtastperiode bei der normalen Abtastung. Die Zeit, welche der vertikalen Abtastung der Videokamera entspricht, die der Abszisse in Fig. 4(d) entspricht, ist daher ein Viertel der normalen Abtastung (tv': Wert der Vertikalabtastung, wenn die Synchronisierfrequenz auf das Vierfache erhöht ist). In diesem Fall wird der Spitzenwert des Luminanzsignals, welches von der CCD 4 ausgegeben wird. so durch den Blendenmechanismus 3 gesteuert, daß er gleich dem Sättigungspegel (E*) der CCD 4 zum Zeitpunkt der normalen Abtastung ist. Zu diesem Zeitpunkt wird keine Sättigung des Signals erzeugt.
• Wie voranstehend geschildert ist im Falle der vorliegenden Ausführungsform die Signalgröße, die durch das 4f-Treiben verwendet werden kann, viermal so groß wie jene einer Videokamera mit konventionellem Aufbau. Andererseits gibt es den Dunkelstrom und die Rauschkomponente des Elements als Faktoren zur Festlegung des Rauschpegels. Allerdings ist der Dunkelstrom proportional zur Speicherzeit des Elements, und entspricht im Falle der vorliegenden Erfindung beinahe jenem einer Videokamera mit konventionellem Aufbau. Darüber hinaus wird die Rauschkomponente, die nicht zeitlich korreliert ist, durch den Addierer addiert, und nimmt daher den Wert 41/2 an, also das Zweifache. Dies führt dazu, wenn der Dunkelstrom als entscheidender Faktor für den Rauschpegel dominiert, daß der Dynamikbereich der Videokamera etwa auf das Vierfache erhöht wird. Wenn die Rauschkomponente dominiert, so wird er etwa auf das Doppelte verbessert. Daher wird im Falle der vorliegenden Ausführungsform keine Sättigung des Signals bei einem Gegenstand erzielt, der einen zwei- bis viermal so großen Kontrast aufweist, verglichen mit einer Videokamera konventioneller Konstruktion.
• Wenn man annimmt, daß der Signalverstärkungsfaktor des Verstärkers 6 gleich g ist, und daß der Signalverstärkungsfaktor des A/D-Wandlers 7 und des digitalen Arithmetikbearbeitungsteils 8 gleich 1 ist, so zeigt das Ausgangssignal des Addierers 10 den Spitzenwert des Luminanzsignals bei (4 g E*), wie in Fig. 4(e) gezeigt ist, und es wird keine Sättigung des Signals erzeugt wenn der Dynamikbereich der Schaltung des Addierers 10 auf mehr als (4 g E*) eingestellt ist. Dies ist dadurch zu ermöglichen, daß die arithmetische Wortlänge (Bitanzahl) des von dem Addierer 10 behandelten Signals erhöht wird (im Falle der vorliegenden Erfindung ist es nur erforderlich, eine Erhöhung um 2 Bits durchzuführen), und es ist nicht erforderlich, erneut den Versorgungsspannungswert und so weiter zu berücksichtigen, die dann erforderlich sind, wenn der Dynamikbereich einer analogen Schaltung vergrößert wird.
• Das nichtlineare Bearbeitungsteil 11 in der nächsten Stufe komprimiert den Dynamikbereich des Luminanzsignals, welches von dem Addierer 10 ausgegeben wird, während das Profil des Abschnitts mit hoher Leuchtkraft des Gegenstands A beibehalten wird. Das nichtlineare Bearbeitungsteil 11 weist die in Fig. 5 gezeigte Eingangs/Ausgangs-Charakteristik auf, und sein Ausgangssignal weist ein Luminanzamplitudenprofil auf, welches in Fig. 4(f) gezeigt ist. Das nichtlineare Bearbeitungsteil 11 multipliziert nämlich das Eingangssignal g E*) mit einer Größe bis zum Sättigungspegel (E*) der CCD 4 zum Zeitpunkt des normalen Treibens mit einem bestimmten Faktor p (p < 1), und führt eine Umwandlung auf nichtlineare Weise für ein Eingangssignal durch, welches den Sättigungspegel (E*) überschreitet, wodurch der Pegel des Eingangssignals auf (g E*) kompromiert wird. Auf diese Weise wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Signalkompression mit Nichtlinearität bei dem Abschnitt mit hoher Leuchtkraft oberhalb eines bestimmten Wertes durchgeführt, und andererseits wird die Linearität in dem Abschnitt beibehalten, der eine mittlere Leuchtkraft aufweist, und den größeren Teil des Gegenstands einnimmt, um so nicht die Wiedergabe der Helligkeitsabstufung zu beeinträchtigen.
• Das das nichtlineare Bearbeitungsteil 11 so ausgebildet ist, daß für ein Chrominanzsignal keine nichtlineare Berechnung durchgeführt wird, wird keine Beeinträchtigung der Chrominanzsignals durch die Sättigung des Signals beim Photographieren eines Gegenstands mit hoher Leuchtkraft erzeugt.
• Auf diese Weise wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform das S/N-Verhältnis, also der Dynamikbereich, um das Zwei- bis Vierfache verbessert, verglichen mit einer Videokamera mit konventionellem Aufbau, und es ist selbst das Photographieren eines Gegenstands mit einem Zwei- bis Vierfachen Kontrast im Vergleich zum konventionellen Fall möglich, ohne die Wiedergabe sowohl des Luminanzsignals als auch des Chrominanzsignals zu beeinträchtigen, nämlich mittels Durchführung einer nichtlinearen Bearbeitung, welche ihr Augenmerk auf Abschnitte mit niedriger Leuchtkraft und mittlerer Leuchtkraft richtet, die normalerweise den größeren Teil eines Gegenstands einnehmen.
• Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist den digitalen Arithmetik-Bearbeitungsteil 8 auf, der gemäß Fig. 6 aufgebaut ist. Da andere Teile der Konstruktion ähnlich wie bei der voranstehend geschilderten ersten Ausführungsform sein können, beschränkt sich die Beschreibung auf das digitale Arithmetik-Bearbeitungsteil. Das digitale Arithmetik-Bearbeitungsteil 8 besteht aus einem Speicherteil 9, einem Addierer 10 und einem digitalen Koeffizientenmultiplizierer 26. Der Speicherteil 9 empfängt das Ausgangssignal der CCD 4, welches viermal in einer Halbbildperiode der normalen Abtastung abgetastet wird, und führt eine temporäre Speicherung und ein Halten digitaler Videosignale durch (bezeichnet durch ed(4i - 3) ed(4i - 2), ed(4i - 1) bzw. ed(4i)), welche einer Anzahl entsprechend vier Halbbildern an Bildern entsprechen, die von dem A/D-Wandler 7 auf ähnliche Weise wie bei der ersten Ausführungsform ausgegeben werden. Der Addierer 10 addiert digital digitale Videosignale entsprechend den vier Bildern in jeder Halbbildperiode. die in dem NTSC-System vorgeschrieben ist, und gibt digital addierte Signale ed&spplus;(4i) aus. Der digitale Koeffizientenmultiplizierer 26 multipliziert den Ausgangswert des Addierers 10 mit dem Faktor 1/4. Im Ergebnis gibt das digitale Arithmetikteil 7 ein geglättetes Signal eda aus, welches sich folgendermaßen darstellen läßt:
• eda = [ed(4i - 3) + ed(4i - 2) + ed(4i - 1) + ed(4i)]/4 (2)
• Im Falle der zweiten Ausführungsform ist der Amplitudenpegel des geglätteten Signals eda ebenso wie bei einer Videokamera mit konventioneller Konstruktion. Auch der Dunkelstrom der CCD bei der modifizierten Synchronisierfrequenz wird etwa ein Viertel, da die Speicherzeit für den Dunkelstrom etwa ein Viertel der Zeit bei dem konventionellen NTSC-System beträgt, und die Rauschkomponente, die keine Zeitbeziehung aufweist, wird auf etwa die Hälfte verbessert, mit Hilfe der voranstehend angegebenen Glättungsbearbeitung. Wenn der Dunkelstrom daher den entscheidenden Faktor beim Rauschpegel bildet, so wird der Dynamikbereich der Videokamera etwa um das Vierfache verbessert, und wenn die Rauschkomponente überwiegt, so wird der Dynamikbereich etwa um das Doppelte verbessert.
• Als dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es ebenfalls möglich, daß das digitale Arithmetik-Bearbeitungsteil 8 nur aus einem Speicherteil und einem Addierer besteht. Der Aufbau des Speicherteils und des Addierers und die Konstruktion der Videokamera abgesehen von dem digitalen Bearbeitungsteil kann ebenso sein wie bei den voranstehend geschilderten ersten und zweiten Ausführungsformen, und daher wird auf eine erneute Beschreibung verzichtet. Bei dieser Ausführungsform ist der Dynamikbereich des Ausgangssignals des digitalen Arithmetik-Bearbeitungsteils 8 viermal so breit wie bei der Videokamera mit konventioneller Konstruktion, und die Dynamikbereiche jeweiliger Teile hinter dem digitalen Arithmetik-Bearbeitungsteil 8 werden auf das Vierfache eingestellt, verglichen mit denen bei der ersten bzw. zweiten Ausführungsform.
• Nachstehend wird unter Bezugnahme auf Fig. 7 ein Konstruktionsbeispiel für ein Speicherteil beschrieben, welches bei den jeweiligen voranstehend geschilderten Ausführungsformen vorgesehen ist. Das Speicherteil 9 besteht aus vier Stücken von Halbbildspeichern 27 bis 30, welche eine Speicherung und ein Halten digitaler Videosignale ed(4i - 3), ed(4i - 2), ed(4i - 1) und ed(4i) durchführen, entsprechend Halbbildbildern nach der Modifizierung. Das Einschreiben in und Auslesen von jedem Halbbildspeicher wird gleichzeitig mit Taktimpulsen PW, PR durchgeführt, die von einem digitalen Steuerteil 17 ausgegeben werden.
• Der Betriebsablauf in diesem Zeitraum wird mit mehr Einzelheiten unter Bezugnahme auf Fig. 8 geschildert. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird durch das 4f-Treiben die CCD 4 viermal in einer Halbbildperiode des normalen Treibens abgetastet, und Videosignale ed(i), wie in Fig. 8(a) gezeigt, werden bei jeder Abtastung von dem A/D-Wandler 7 ausgegeben. Fig. 8(b) zeigt einen Schreibimpuls PW, der einen Schreibtakt für jeweilige Halbbildspeicher 27 bis 30 vorgibt. Wenn der Schreibimpuls PW den Pegel H erreicht, so geben die jeweiligen Halbbildspeicher 27 bis 30 in ihnen gespeicherte, digitale Videosignale an den Speicher in der nächsten Stufe aus, und überschreiben ihre eigenen Speicherinhalte mit Videosignalen entsprechend den Ausgangssignalen des A/D-Wandlers 7, die neu ausgegeben werden, oder den Bildern, die in den Halbbildspeichern in der vorherigen Stufe gespeichert sind. Es wird beispielsweise angenommen, daß zum Zeitpunkt t = 0 in Fig. 8 Videosignale ed(4i - 3), ed(4i - 2), ed(4i - 1) und ed(4i) entsprechend den Bildern von einem Halbbild bis herauf zu vier Halbbildern mit dem Takt des 4f-Treibens aufeinanderfolgend in Halbbildspeichern 27 bis 30 gespeichert werden. Wenn dann der Schreibimpuls PW den Pegel H zum Zeitpunkt t = t&sub0; annimmt, so werden die Speicherinhalte der Halbbildspeicher 27 bis 30 aufeinanderfolgend mit ed(4i - 2), ed(4i - 1), ed(4i) und ed(4i + 1) überschrieben. Dann wird dieser Vorgang immer dann wiederholt, wenn der Schreibimpuls den Pegel H erreicht.
• Fig. 8(c) zeigt einen Leseimpuls PR, der den Zeitpunkt zum Lesen der Inhalte der Halbbildspeicher und zur Ausgabe an den Addierer 10 vorschreibt. Wenn dieser Leseimpuls PR angelegt wird, so lesen die Halbbildspeicher 27 bis 30 ihre eigenen Speicherinhalte und geben sie in den Addierer 10 ein, und der Addierer 10 führt den Addiervorgang von Videosignalen (bei t = 0 folgende Signale: ed(4i - 3), ed(4i - 2), ed(4i - 1) und ed(4i)) durch, entsprechend einer Anzahl an Bildern für vier Abtastzeiten, die aufeinanderfolgend in den jeweiligen Halbbildspeichern 26 bis 29 gespeichert sind.
• Eine zweite Ausführungsform eines Speicherteils wird unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben. Das Speicherteil 9 besteht aus vier Stücken von Halbbildspeichern 31, 32, 33 und 34, und aus einer Speicheradressen-Umschalteinheit 35. Wenn das in Fig. 1 gezeigte, digitale Steuerteil 17 einen vertikalen Synchronisierimpuls Pv entsprechend dem vertikalen Synchronisiertakt zum Zeitpunkt des normalen Treibens in jeweilige Halbbildspeicher 31 bis 34 eingibt, so werden die Speicherinhalte der jeweiligen Halbbildspeicher 31 bis 34 sämtlich zurückgesetzt. Dann werden digitale Videosignale ed(4i - 3), ed(4i - 2), ed(4i - 1) und ed(4i), die von dem A/D-Wandler 7 durch 4f-Treiben ausgegeben werden, aufeinanderfolgend in die Speicheradressen-Umschalteinheit 35 eingegeben, und das Schreiben erfolgt durch Empfangen des Schreibimpulses PW, der von dem digitalen Steuerteil 17 ausgegeben wird, an der Speicheradressen-Umschalteinheit 35 zusammen mit der Festlegung von Speichern an jeweiligen Halbbildspeichern 31 bis 34. Wenn dann der Schreibimpuls PR an die Speicheradressen-Umschalteinheit 35 von dem digitalen Steuerteil 17 angelegt wird, so lesen die Halbbildspeicher 31 bis 34 ihre Speicherinhalte und geben sie in den Addierer 10 ein.
• Bei der vorliegenden Ausführungsform ist es für die vier Stücke von Halbbildspeichern nur erforderlich, einmal einen Einschreibvorgang während des Halbbildes N bei einem 4f-Treiben durchzuführen, und ist es nicht erforderlich, vergangene Speicherinhalte auf die nächste Stufe zu übertragen, wodurch der Aufbau einfach wird.
• Als eine dritte und eine vierte Ausführungsform des Speicherteils ist auch eine solche Konstruktion möglich, bei welcher drei Stücke von Halbbildspeichern vorgesehen sind, die einmal drei Videosignale speichern und halten, welche Bildern entsprechen, die von dem A/D-Wandler bei jeder Synchronisierfreguenz zum Zeitpunkt des 4f-Treibens ausgegeben werden, anstelle von vier Stücken von Halbbildspeichern, die bei der ersten und zweiten Ausführungsform des Speicherteils verwendet werden. In diesem Fall ist der Addierer 10 so ausgebildet, daß drei Videosignale in jeweiligen Halbbildspeichern gespeichert werden, und ein Videosignal entsprechend dem vierten Bild, welches durch die letzte Abtastung der CCD erhalten wird, hinzugefügt wird. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, Videosignale aus drei Stücken von Halbbildspeichern synchronisiert mit der Zeit auszulesen, wenn der Addierer 10 das Videosignal entsprechend dem vierten Bild liest, und eine Addition der Videosignale entsprechend diesen vier Bildern durchzuführen.
• Weiterhin ist bei der ersten und zweiten Ausführungsform des Speicherteils auch eine derartige Speicherkonstruktion möglich, bei welcher ein Einzelbildspeicher vorgesehen ist, der Videosignale entsprechend einem Einzelbild von Bildern zum Zeitpunkt eines 4f-Treibens speichert, anstelle von Halbbildspeichern, welche digital Videosignale entsprechend der Menge eines Halbbilds an Bildern zum Zeitpunkt des 4f-Treibens speichern und digital halten.

Claims (11)

1. Videokamera mit:

zumindest einer Bildaufnahmevorrichtung (4), welche optische Signale von einem Objekt (1) über ein Kameraobjektiv (2) empfängt;

einem Bildaufnahmeelement-Treiberteil (5), welches die Bildaufnahmevorrichtung bei modifizierten Synchronisierfrequenzen treibt, die durch Multiplizieren einer Horizontal-Synchronisierfrequenz und einer Vertikal-Synchronisierfrequenz, die in einem Standardsendesystem vorgeschrieben sind, mit einem bestimmten, ganzzahligen Wert N größer 1 erhalten werden, und welches die Vorrichtung zur Durchführung einer Speicherung und eines Auslesens der optischen Signale veranlaßt;

einem Blendensteuerteil (18) zum Steuern eines Blendenmechanismus (3), der in dem Kameraobjektiv vorgesehen ist, auf der Grundlage von Videosignalen, die durch Treiben der Bildaufnahmevorrichtung (4) erhalten werden, welches bei den modifizierten Synchronisierfrequenzen durchgeführt wird, so daß die Videosignale, die von der Bildaufnahmevorrichtung (4) bei den modifizierten Synchronisierfrequenzen ausgelesen werden, nicht gesättigt sind;

einem Analog/Digital-Wandler (7), welcher eine Analog/Digital-Wandlung der Videosignale durchführt, die von der Bildaufnahmevorrichtung (4) ausgegeben werden, und digitale Videosignale entsprechend N Feldern von Videosignalen innerhalb des Zeitraums der Vertikal-Synchronisierfrequenz ausgibt, die in dem Standardsendesystem vorgeschrieben ist;

einem Arithmetikbearbeitungsteil (8), welches eine arithmetische Bearbeitung der digitalen Videosignale entsprechend den N Feldern durchführt, durch Addieren dieser aufeinanderfolgenden Signale an jedem Bildort synchronisiert mit den N Feldern, und ein entsprechend bearbeitetes, digitales Videosignal ausgibt; und

einer Zeitbasiswiederherstellvorrichtung (12), welche die modifizierte Horizontal-Synchronisierfrequenz und Vertikal- Synchronisierfrequenz des bearbeiteten, digitalen Videosignals mit 1/N multipliziert, wodurch bei diesen Signalen die Synchronisierfrequenzen wieder hergestellt werden, die in dem Standardsendesystem vorgeschrieben sind.

2. Videokamera nach Anspruch 1, bei welcher das Arithmetikbearbeitungsteil (8) zusätzlich eine nichtlineare Arithmetikvorrichtung (11) aufweist, welche die Umwandlungen der addierten, digitalen Videosignale auf der Grundlage einer nichtlinearen Beziehung umwandelt, um die Maximalamplitude herunter auf einen vorbestimmten Wert zusammenzudrücken.

3. Videokamera nach Anspruch 2, bei welcher die nichtlineare Arithmetikvorrichtung (11) die Amplitude über einen bestimmten Wert zusammendrückt, auf der Grundlage einer vorbestimmten Eingangs/Ausgangs-Charakteristik für Luminanzsignalkomponenten der addierten, digitalen Videosignale, jedoch keine nichtlineare Bearbeitung für Chrominanzsignalkomponenten durchführt.

4. Videokamera nach Anspruch 1, bei welcher das Arithmetikbearbeitungsteil (8) zusätzlich eine Vorrichtung (26) zum Multiplizieren des Ergebnisses der Addition mit einem vorbestimmten Faktor aufweist, um den Signalpegel zu steuern.

5. Videokamera nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welcher das Blendensteuerteil (18) eine Detektorvorrichtung (19) zur Erfassung eines Videosignalpegels aufweist, der von dem Arithmetikbearbeitungsteil (8) ausgegeben oder innerhalb des Arithmetikbearbeitungsteils erzeugt wird, und eine Steuervorrichtung (20) zum Steuern des Blendenmechanismus (3), der in dem Kameraobjektiv (2) angebracht ist, so daß Videosignalpegel in jeder Feldperiode nach der Modifizierung der Synchronisierfrequenzen jeweils vorbestimmte Werte annehmen, welche nicht den Sättigungspegel der Bildaufnahmevorrichtung (4) überschreiten.

6. Videokamera nach Anspruch 5, bei welcher die Detektorvorrichtung ein Videoamplitudenberechnungselement (19) ist, zur Berechnung zumindest eines Wertes unter dem Maximalwert, dem Minimalwert und dem Mittelwert von Amplitudenwerten digitaler Videosignale, die von dem Arithmetikbearbeitungsteil (8) ausgegeben oder innerhalb des Arithmetikbearbeitungsteils erzeugt werden, und die Steuervorrichtung ein Blendenwertberechnungselement (20) ist, welches den Blendenwert des Blendenmechanismus (3) berechnet und steuert, der in dem Kameraobjektiv eingebaut ist, unter Verwendung des Ausgangswertes des Videoamplitudenberechnungselementes (19).

7. Videokamera nach Anspruch 6, bei welcher das Blendenwertberechnungselement (20) einen Bezugswert, der in ihm vorgesehen ist, mit dem Ausgangswert des Videoamplitudenberechnungselements (19) vergleicht, und den Blendenwert des Blendenmechanismus (3) so einstellt, daß beide Vergleichswerte miteinander übereinstimmen.

8. Videokamera nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welcher das Arithmetikbearbeitungsteil (8) ein Speicherteil (9) aufweist, welches die digitalen Videosignale entsprechend N-1 Feldern der Videosignalbilder speichert und hält, sowie eine Vorrichtung (10) zum Addieren der gespeicherten N-1 Felder digitaler Videosignale zu dem N-ten Feld, welches neu von der Bildaufnahmevorrichtung (4) ausgegeben wird, und ebenfalls nach der A/D-Wandlung an die Addiervorrichtung (10) synchronisiert mit jeder Bildposition angelegt wird.

9. Videokamera nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher das Arithmetikbearbeitungsteil (8) ein Speicherteil (9) aufweist, welches die digitalen Videosignale entsprechend N Feldern der Videosignalbilder speichert und hält, und eine Vorrichtung (10) zum Addieren der gespeicherten N Felder von digitalen Videosignalen synchronisiert mit jeder Bildposition.

10. Videokamera nach Anspruch 9, bei welcher das Speicherteil (9) mehrere Speicher (27-30) in Kaskadenschaltung aufweist, und jeder Speicher ein gespeichertes Feld an einen darauffolgenden Speicher in der nächsten Stufe synchron zur modifizierten Vertikalsynchronisierfreguenz überträgt.

11. Videokamera nach Anspruch 9, bei welcher das Speicherteil (9) mehrere Speicher (31-34) aufweist, deren Eingänge parallelgeschaltet sind, und die über eine Speicheradressen-Umschalteinheit (35) auf solche Weise betrieben werden, daß N Felder von Videosignalbildern bei jeder Abtastung der Bildaufnahmevorrichtung (4) aufeinanderfolgend in einen anderen der mehreren Speicher (31-34) eingegeben werden, wobei die Speicher gleichzeitig synchron zur Vertikal-Synchronisierfrequenz zurückgesetzt werden. die in dem Standardsendesystem vorgeschrieben ist.