УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ ВИДЕОСИГНАЛА Российский патент 2000 года по МПК H04N5/205 

Настоящее изобретение касается обработки нелинейного видеосигнала.

Фиг. 1 показывает гамму различных кривых системы передачи видеосигнала, где кривая 1а показывает передаточную характеристику передающей части устройства, кривая 1б - передаточную характеристику электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и кривая 1в - совокупность этих передаточных характеристик.

Переданные видеосигналы систем цветного телевидения NTSC, Пал и Секам имеют "гамму" от 0,45 до 0,5, в то время как телевизионные трубки цветных телеприемников имеют "гамму" от 2,8 до 3,1. В результате общая передаточная кривая (отношение света, падающего на камеру, к свету, излучаемому ЭЛТ) нелинейная, и суммарная "гамма" на практике примерно равна 1,35 вместо единицы. Это означает, что экспонента передаточной характеристики ЭЛТ полностью не компенсируется, что ведет к сжатию черных участков изображения на экране. Такое сжатие вызывает потерю элементов изображения около черных участков, а цветные участки чернеют. Одновременно белые участки существенно усиливаются относительно темных участков до момента насыщения ЭЛТ и расплывания изображения. Общая линейная передаточная характеристика позволяет избежать этой "черной компрессии" и может быть получена добавочной коррекцией "гаммы" от 0,8 на каждом из трех цветных (R, g и B) видеоусилителей в телевизионном приемнике. Однако ЭЛТ имеют относительно маленький динамический диапазон светоотдачи, который не может быть увеличен без насыщения ЭЛТ, вызывающего расплывание изображения. Поэтому коррекция "гаммы" для увеличения усиления темных участков изображения вызывает сжатие сигнала на высоком сигнальном уровне белого. Это проиллюстрировано на фиг. 2а, показывающей скорректированный по "гамме" пилообразный импульс. Максимальный уровень белого должен сохраняться на том же уровне, что и нескорректированный; пунктирная линия ограничивает расплывчатость изображения ЭЛТ. В результате верхняя часть пилообразного импульса имеет уменьшенную крутизну, как показано на фиг. 2б. Зритель воспринимает это как недостаток контраста в серо-белых участках изображения, приводящий к размытости картинки. В таком случае улучшение контраста участков низкой яркости изображения получается за счет ухудшения контраста высокой яркости.

Краткое изложение сущности изобретения.

Согласно характеру изобретения, наблюдаемый контраст изображения улучшается с помощью нелинейной обработки видеосигнала. Более точно, видеосигнал разделяется на часть сигнала с низким уровнем амплитуды (около черного) и часть сигнала с высоким уровнем амплитуды (около белого) для отдельной нелинейной обработки каждой части сигнала. Часть сигнала с низким уровнем амплитуды обрабатывается нелинейно и смешивается с исходным линейным сигналом. В соответствии с дальнейшим характером изобретения, часть сигнала с высоким уровнем амплитуды обработана нелинейно, отфильтрована с помощью высокочастотного фильтра и смешиваются с исходным линейным сигналом. В соответствии с последующим характером изобретения нелинейно обработанная часть сигнала с низким уровнем амплитуды и нелинейно обработанная и высокочастотно отфильтрованная часть сигнала с высоким уровнем амплитуды смешивается с исходным линейным сигналом для обеспечения "гамма"-откорректированного видеосигнала с усиленным контрастом подробного сигнала в серо-белой части изображения.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - передаточные характериcтики передатчика, телевизионного приемника и всей телевизионной системы, включающей передатчик с приемником;
на фиг. 2 - графическое представление "гамма"- откорректированного пилообразного импульса, необходимое для лучшего понимания преимущества устройства, описанного фиг. 3 и 4;
на фиг. 3 - блок-схема примерного устройства согласно характеру настоящего изобретения;
на фиг. 4 - более подробная блок-схема устройства фиг. 3, согласно характеру настоящего изобретения;
на фиг. 5 и 6 - временные и частотные области соответственно, необходимые для лучшего понимания действия устройства фигур 3 и 4;
на фиг. 7 - подробная схема устройства, изображенная на фиг. 4, согласно другой характеристике настоящего изобретения;
на фиг. 8 - подробный чертеж предпочтительного схемного решения, изображенного на фиг. 4, согласно другой стороне настоящего изобретения.

На фиг. 1-8 соответствующие элементы обозначены теми же цифрами.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения.

Фиг. 3 показывает блок-схему устройства между цветолюминисцентным процессором 10 и выходным видеоусилителем 12 телевизионного приемника. Поскольку сходные устройства применяются и в зеленом (g), и в синем (B) каналах, показано только устройство канала для красного (R) цвета. Выходной видеосигнал от процессора 10 изображен для примера пилообразным импульсом 14 с наложенным на него подробным сигналом 16, показанным короткими вертикальными линиями. Подробные сигналы 16 являются видеосигналами с частотой более 0,5 МГц и соответствуют деталям изображения менее 1,2 см в горизонтальном направлении на 28-дюймовом экране цветного телевизионного приемника.

Сигнал R подается на нелинейный или мягкий разделитель сигнала 18, который "постепенно" разделяет сигнал на часть низкого уровня (область изображения от черного до серого) и на часть высокого уровня (участки изображения от серого до белого). Часть сигнала с высоким уровнем отфильтровывается фильтром (20) высокой частоты, который может содержать конденсатор C. Сигнал низкого уровня связан по постоянной составляющей со смесителем 22. Высокочастотно отфильтрованная часть сигнала высокого уровня связана по переменной составляющей со смесителем 22 через конденсатор C. Исходный сигнал R, часть сигнала низкого уровня и высокочастотно отфильтрованная часть сигнала высокого уровня смешиваются с помощью смесителя 22 для получения выходного сигнала, подающего на усилитель 12. Добавление части низкого уровня (черно-серой) к R сигналу обеспечивает коррекцию "гаммы". Дальнейшее смешивание высокочастотно отфильтрованной части приводит к усилению контраста высокого уровня (серо-белого) подробного видеосигнала.

Фиг. 4 показывает более детально структурную схему устройства, изображенного на фиг. 3. Кривые на фиг. 5 и 6 помогают представить принцип действия устройства, изображенного на фиг. 4. Кривая 5а показывает входной сигнал V1, состоящий из лестничного сигнала 15 и наложенного подробного сигнала 16 частотой около 2 МГц. Кривые 5б и 5в показывают разделение "мягкого" сигнала, производимого нелинейным разделителем сигналов 18. Отметим, что разностная амплитуда сигнала V2 постепенно уменьшается, а сигнал V3 постепенно возрастает. Сумма V2 и V3 уравнивает входное напряжение V1. Частотный отклик разделения сигнала плоский, как показано на соответствующих амплитудно-частотных характеристиках фиг. 5а - 5в. На выходной видеоусилитель 12 подается напряжение V1 и V2 через соответствующие резисторы R1 и R2, причем номинал R2 равен номиналу R1. Уменьшающаяся разностная амплитуда сигнала V2 представляет постепенное изменение усиления выходного видеоусилителя 12 с 60 до 30, соответствующее "гамме"0,8. Это проиллюстрировано на фиг. 6а и а', показывающих сумму сигналов V1 и V2. Разностная амплитуда (контраст) постепенно уменьшается по направлению к высоким сигнальным уровням. Высокочастотный подробный сигнал V4 образуется путем прохождения сигнала V3 через фильтр высокой частоты 20. Выходное напряжение и частотный отклик сигнала V4 показаны на фиг. 5г и 5г'. Напряжение V4 связано с видеоусилителем 12 емкостной связью (через емкость C₂) для получения суммы сигналов V1 + V4, показанной на фиг. 6б и 6б'. Подъем в 6 дБ частотного сигнала получается с помощью относительно низкого значения резистора R4 (значение = R 1/2). Конденсатор связи C₂ предотвращает любой яркостный сигнал (постоянную составляющую) от подачи на вход видеоусилителя 12. Фиг. 6в и 6в' показывают ток возбуждения 15, который сходен с инвертированным выходным напряжением усилителя 12. Низкочастотный лестничный сигнал на фиг. 6в сходен с аналогичным сигналом на фиг. 6а, но подробный сигнал значительно усиливается для достижения большего контраста деталей изображения на ярких участках. Средний лучевой поток существенно не возрастает благодаря связи по переменной составляющей. Незначительная часть сигнала V3 также проходит через связующий конденсатор C₁ и резистор R3 (величина = 5R1) для избежания обесцвечивания в больших ярких участках изображения.

Фиг. 7 показывает схему примерного устройства обработки сигнала согласно настоящему изобретению. RgB процессор 10, представляющий собой интегральную микросхему ТДА 3506, изготовленную, например, компанией ФИЛИПС (Голландия), питает выходной видеоусилитель 12 через резистор 30. Резистор обратной связи 32 определяет коэффициент усиления усилителя 12. Напряжение отсечки ЭЛТ устанавливается на 150 В резистором смещения 34 при условии, что ток I возбуждения 5 равен 0. Это условие требует настройки сетки номер 2 соответствующей ЭЛТ (не показано). Схема автоматического смещения кинескопа 36 устанавливает уровни черного на выходных процессорах 10, так что ток I 5 равен 0 для черного сигнала. Ток смещения транзистора Q3 течет через резистор 30 в процессор 10 и вызывает уровень черного 2 вольта, как указано на эпюре V1.

Транзистор Q1 является усиливающим инвертором и устройством сдвига уровня постоянного тока. Дифференциальный усилитель Q1, Q3 и Q4 обеспечивает разделение сигнала, как показано на кривых фиг. 5б и 5в. Базы транзисторов Q3 и Q4 смещены так, что для сигнала, соответствующего черному изображению, транзистор Q3 является открытым, а Q4 закрытым. Источник тока Q2 инвертирует сигнал так, что ток I 2 совпадает по фазе с напряжением V1.

Возрастающее пилообразное напряжение V1 генерирует возрастающий пилообразный ток i 2, который добавляется к току I возбуждения 5, поступает на усилитель 12 и обеспечивает "гамма" - коррекцию. Ток I 2 имеет ту же форму, что и напряжение V2 на фиг. 5б. Напряжение эмиттера транзистора Q2 связано с базой транзистора Q4 через резистор 38. Возрастающее напряжение V1 вызывает падение напряжения эмиттера транзистора Q2, и базовое напряжение транзистора Q4 уменьшается до тех пор, пока Q4 не открывается. В результате напряжение V3 на фиг. 5в постепенно возрастает, и крутизна сигнала V3 постепенно падает. Резистор обратной связи 40 обеспечивает обратную связь потока коллектора транзистора Q2 между Q и Q4, как показано кривыми на фиг. 5б и 5в. При дальнейшем увеличении V1 ток 12 остается постоянным и V3 возрастает пропорционально V1. Это происходит потому, что Q4 имеет коэффициент усиления = 1 благодаря величинам резисторов 38, 40, 42.

Разделенный сигнал V3 от среднего до высокого уровня, проходящий через резистор 42, является питающим для эмиттерного повторителя Q5, который возбуждает фильтр высокой частоты, включающий резистор 44 и конденсатор 46. Небольшая часть сигнала V3 поступает на выходной усилитель 12 через конденсатор 48 и резистор 50. Как отмечалось ранее, этот связанный по переменной составляющей широкополосный сигнал улучшает цветовое насыщение на ярких участках изображения, которые иначе были бы слегка обесцвечены благодаря сжатию сигнала, вызываемого "гамма"-коррекцией. Напряжение V4 подробного сигнала от среднего до высокого уровня усиливается усилителем, включающим транзистор Q6 для получения подъема характеристики частного сигнала на 6 дБ. Частный сигнал проходит к выходному усилителю 12 через конденсатор 54 и резистор 52. Как уже ранее отмечалось, преимуществом связи по переменной составляющей является улучшенная яркость (контраст деталей) без увеличения среднего лучевого потока и без изменения уровня черного.

Фиг. 8 показывает схему предпочтительного варианта осуществления нелинейного видеопроцессора согласно настоящему изобретению, использующего интегральную микросхему ТДА 3552 (10) как источник сигнала. Схема использует выходной видеоусилитель с активной нагрузкой в качестве усилителя 12. Напряжение обратной связи обеспечивается через резистор 64 для обеспечения низкого суммарного сопротивления на выходе 66.

Входной эмиттерный повторитель Q10 действует как низкое сопротивление для видеонапряжения V1. Дифференциальная пара Q12, Q 13 разделяет видеонапряжение V1 соответственно на низкие и высокие яркостные сигналы i 2 и V3. Транзистор Q12 полностью открыт для уровней сигнала, соответствующих очень низкой яркости изображения. Таким образом, резисторы 68 и 70 параллельно связаны, что заставляет выходной усилитель 12 обеспечивать усиление порядка 60. Разделение сигнала этой схемы обеспечивает ток возбуждения J2 в месте напряжения V2, показанном на фиг. 4.

Транзистор Q12 начинает запираться, когда возрастает V1 и при полном запирании Q12 достигается коэффициент усиления, равный 30. Постепенное изменение усиления выходного усилителя при воздействии на него J2, обеспечивает желаемую "гамма"-коррекцию. Транзистор Q13 начинает открываться прежде, чем транзистор Q12 перейдет в режим отсечки при среднем уровне яркостного сигнала, и обеспечивает напряжение V3 на своем коллекторе. Напряжение V3 дает информацию об изображении, содержащую яркостные уровни между серым и пиком белого. Напряжение сигнала V3 приложено к эмиттерному повторителю Q14, нагруженному на фильтр высокой частоты, включающему резистор 72 и конденсатор 74. Этот фильтр высокой частоты разделяет сигнал V4, соответствующий частному сигналу участка от серого до белого, используемого для усиления контраста. Сигнал V4 усиливается транзистором Q15 для получения частного сигнала, который подается на усилитель 12 через конденсатор 82 и резистор 84. Как упоминалось ранее, малая часть сигнала V3 подается переменной составляющей на выходной усилитель 12 через конденсатор 76 и резистор 79.

Базы транзисторов Q12 и Q13 являются смещенными постоянными относительными потенциалами, устанавливаемыми диодами D1 и D2. Резистор 78 обеспечивает ток покоя через транзистор Q13 порядка 0,3 мА, ограничивающий запирание транзистора Q13 пиковыми уровнями серого.

Напряжение отсечки ЭЛТ (не показано) установлено приблизительно на 160 В на катоде 80 путем установки напряжения уровня черного на эмиттере транзистора Q10 порядка 3,5 В и путем настройки напряжения сетки номер 2 электронно-лучевой трубки.

Настоящая схема не использует регулировки между каналами RgB для избежания ошибок наладки благодаря постепенному разделению сигнала.

Настоящее устройство использует тот факт, что глаз оказывается более чувствителен к изменениям контраста на небольшом участке экрана, чем на всем экране. Частоты, обеспечивающиеся деталями изображения от средней до высокой яркости, усиливаются и связываются по переменной составляющей с главным видеосигналом. В результате имеем значительное улучшение яркости без увеличения среднего лучевого потока. Связь по переменной составляющей увеличивает только так называемый частный контраст, в то время как постоянная составляющая яркостного сигнала и общий контраст не изменяется. ЭЛТ может возбуждаться более высокими лучевыми потоками через малые участки изображения, чем через сигналы на больших участках, прежде чем появляется свечение ЭЛТ. Это улучшение яркости особо важно для широкоэкранных ЭЛТ, которые оказываются более тусклыми и менее контрастными, чем трубки с малым экраном, потому что при этом же типовом уровне светового потока, что и в малых ЭЛТ возможности широкоэкранных ЭЛТ ограничены размерами пушки, теневой маски и качеством люминофора, т. к. изображение распределяется на значительно большей поверхности.

Изобретение относится к устройствам обработки видеосигнала. Система обработки нелинейного видеосигнала обеспечивает гамма-коррекцию для улучшения воспроизведения деталей изображения около черного. Кроме того, яркость изображения улучшается при использовании схемы яркостно-частотно-зависимого усиления, обеспечивающей усиление контраста частного сигнала в ярких участках изображения. В каждом канале цвета соответствующий цветовой сигнал (R, g В) постепенно разделяется (18) на часть сигнала с низким уровнем амплитуды (V2) и часть сигнала с более высоким уровнем амплитуды (V3). Часть с более высоким уровнем амплитуды (V3) является высокочастотно отфильтрованным (20). Часть сигнала с низким уровнем (V2) и часть высокочастотно отфильтрованного сигнала с более высоким уровнем амплитуды (V4) смешиваются (R1, R2, R4) с начальным линейным видеосигналом (V1 или R) для получения суммарного сигнала (i5), приложенного (12) к кинескопу. Часть сигнала с низким уровнем (V2) связана по постоянной составляющей (R2) с линейным сигналом (V1) и часть сигнала с высоким уровнем связана по переменной составляющей (С2) с линейным сигналом (V1). Техническим результатом изобретения является улучшение контраста изображения с помощью нелинейной обработки видеосигнала. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство обработки видеосигналов, содержащее источник входного видеосигнала, имеющего части с относительно низкой и высокой амплитудами, соединенный с нелинейным разделителем сигналов для обработки входного видеосигнала нелинейным образом и для создания выходного видеосигнала, отличающееся тем, что содержит нелинейный видеопроцессор. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нелинейный видеопроцессор содержит средство для деления входного видеосигнала на первый и второй сигналы, где первый сигнал соответствует имеющим низкую амплитуду частям входного видеосигнала, а второй сигнал соответствует имеющим высокую амплитуду частям входного сигнала, средства, связанные со средством для деления, для фильтрации верхних частот второго сигнала, средство, связанное со средством для деления и со средством для фильтрации верхних частот для суммирования видеосигнала, первого сигнала и высокочастотного отфильтрованного второго сигнала для получения суммарного сигнала. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство для деления включает в себя блок деления сигнала на черно-серые и серо-белые участки яркости. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что второй сигнал с отфильтрованными верхними частями связан по переменному току со средством для суммирования. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что первый сигнал связан по постоянному току со средством для суммирования. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство для суммирования содержит сумматор. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник входного видеосигнала включает в себя источник видеосигналов красного, зеленого и синего цветов, а входным видеосигналом является, по крайней мере, один из сигналов красного, зеленого и синего цветов. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по крайней мере часть второго сигнала связана по переменному току со средством для суммирования.