DE69609180T2 - Optimale graustufenabbildung in elektronischen kameras - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine verbesserte Graustufenabbildung in elektronischen Kameras, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein verbessertes Verfahren und auf eine verbesserte Vorrichtung zur Erhöhung der Grautondifferenzierung in einem digital aufgezeichneten Bild, ohne daß dadurch eine Zahl verfügbarer diskreter Intervalle vergrößert wird.
• Das menschliche Sehvermögen empfängt hohe räumliche Frequenzen eines Bildes als Schärfe und niedrige räumliche Frequenzen als Graustufen. Das heißt, die Schärfe eines Bildes ist allgemein eine Funktion davon, wie gut die Ränder eines Gegenstandes in einem Bild empfangen werden, während die Graustufe eine Funktion davon ist, wie die Bildfarben und die graduelle Veränderung über die Erstreckung des Bildes empfangen werden. Da das menschliche Sehvermögen scharfe Bilder sehr viel lieber empfängt als unscharfe Bilder, versuchen die meisten elektronischen Bilderzeugungssysteme, die aufgezeichnete Bilder verarbeiten, scharfe Bilder zur menschlichen Betrachtung zu erzeugen.
• In elektronischen Bilderzeugungskameras nehmen ladungsgekoppelte Vorrichtungen (die im folgenden mit CCD bezeichnet werden) das Bild auf und transformieren das Bild in ein analoges Signal. Das analoge Signal wird dann gemäß einer Gamma- Korrektorkurve transformiert. Das transformierte Bild durchläuft einen Analog-Digital-Wandler (A/D), der ein digitales Signal erzeugt, welches repräsentativ ist für das Bild.
• Historisch gesehen wurden Videokamera-Aufzeichnungen auf Kathodenstrahlröhren (CRT) wiedergegeben, die eine charakteristische Gamma-Kurve aufweisen. Eine weitere Gamma-Korrekturkurve wurde in der Videokamera benutzt, um eine Systemgraustufe in der Aufzeichnung zu erzeugen, die für das menschliche Auge angenehm ist, wenn das Bild auf einer CRT betrachtet wird. In der konventionellen Photographie wurden ebenfalls Gamma-Korrekturkurven in Form von Dichte-Belichtungskurven benutzt, die allgemein als D-log-H-Kurven auf diesem Gebiet bekannt sind, und dies geschah, indem die chemische Balance im Film und in der Verarbeitung eingestellt wurde. Dies ist analog der Benutzung von Gamma-Kurven bei Videoaufnahmen, insofern, als der Film nunmehr benutzt wird, um den Graustufenempfang so zu ändern, daß Graustufen erzeugt werden, die für das menschliche Auge bei einer Hartkopie des Bildes angenehmer sind.
• Diese beiden Beispiele von Kameras benutzen Gamma-Kurven, um eine Ausgangsvorrichtung derart zu korrigieren, daß das Bild, welches auf der Ausgangsvorrichtung geliefert wird, für das Auge angenehmer zu betrachten ist. Bei einer elektronischen Standbildkamera kann die Ausgangsvorrichtung sich in einem weiten Bereich ändern von einem Filmaufzeichnungsgerät, wobei ein konventioneller photographischer Film benutzt wird, bis zu einem Laserprinter, wo ein Farbbild auf Papier abgebildet wird, oder das Bild kann einfach einem Computer übertragen werden, wo es unter anderem auf einer Bildröhre wiedergegeben werden kann. Eine Gamma-Kurve für all diese Szenarien muß dann in der Kamera eingebaut sein, um einen Kompromiß für diese verschiedenen Ausgangsvorrichtungen zu liefern.
• Ein zusätzliches Problem ergibt sich bei elektronischen Standbildkameras insofern, als das Bild schließlich über den A/D- Wandler digitalisiert wird. Das Problem besteht hier darin, daß die Graustufenänderungen verlorengehen können, wenn diskrete Intervalle der Digitalisierung zu groß sind. Große Schritte bei der Digitalisierung erzeugen Konturen, die in dem Bild als ungleiche Stufen zwischen Grautönen sichtbar werden, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, wenn sich die Grautöne schnell ändern, dann können die Teilungen zwischen den digitalisierten Worten nicht nahe genug aneinanderliegen, um die großen Änderungen in den Grauwerten ohne Konturen glatt darzustellen. Daher ist das Auge in der Lage, die Änderungen zu sehen, und dies vermindert den Anblick des vom Auge betrachteten Bildes. Dies wird als "Schichtlinien-Zeichnung" (contouring) bezeichnet. Die Größe des diskreten Intervalls kann vermindert werden, indem die Zahl der Bits der Digitalisierung erhöht wird. Wenn sich die Zahl der Bits durchgehend erhöht, so erhöhen sich auch die Kosten für die Schaltung, die die Digitalisierung durchführt.
Übersicht der Erfindung
• Die erwähnte Aufgabe und weitere Aufgaben werden durch die Erfindung gelöst, wie diese in den Ansprüchen 1, 7 und 13 definiert ist. Hierdurch wird eine elektronische Standbildkamera geschaffen, die eine optimale Graustufen-Korrektur gewährleistet. Die optimale Graustufen-Korrektur verhindert ein Auftreten von Konturen bei dem Vorhandensein von Belichtungsfehlern, die normalerweise bei der Aufnahme eines Bildes auftreten. Die elektronische Standbildkamera weist Mittel auf, die eine Bildebene definieren, und sie weist ferner eine Optik, eine lichtempfindliche Einrichtung, eine Videosignal- Verarbeitungseinrichtung, einen Analog-Digital-Wandler und eine Bildverarbeitungseinrichtung auf.
• Die optische Einrichtung richtet die bildführenden Lichtstrahlen von einer Szene nach der Bildebene, um ein optisches Bild der Szene auf der Bildebene zu erzeugen.
• Die lichtempfindliche Einrichtung befindet sich in der Bildebene, um das bildführende Licht zu empfangen und hieraus gemäß einer Übertragungsfunktion innerhalb der lichtempfindlichen Einrichtung analoge Bildsignale zu erzeugen, die für dieses Bild repräsentativ sind. Spannungswerte der analogen Bildsignale sind maßgebend für die Bildintensität.
• Die Videosignal-Verarbeitungseinrichtung überträgt dann die analogen Bildsignale gemäß einer Gamma-Kurve derart, daß die Übertragungsfunktion der lichtempfindlichen Einrichtung kompensiert wird. Die Gamma-Kurve stellt dann eine Grauwert-Skala des Bildes derart ein, daß scharfe Änderungen im Grauwert gestreckt und relativ flache Änderungen des Grauwertes komprimiert werden, so daß ein transformiertes Signal erzeugt wird.
• Der Analog-Digital-Wandler wandelt das transformierte Signal in einen Strom elektronischer Bildsignale um, die repräsentativ sind für das Bild, und dann verarbeitet die Verarbeitungseinrichtung selektiv die elektronischen Bilddaten und speichert sie oder überträgt diese.
• Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren in Übereinstimmung mit der oben beschriebenen Vorrichtung geschaffen. Die erwähnten Merkmale und weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung und der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
• Die vorstehend erwähnte und weitere Aufgaben der Erfindung und verschiedene Merkmale der Erfindung sowie die Erfindung selbst werden verständlich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
• Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer elektronischen Standbildkamera gemäß der Erfindung;
• Fig. 2A zeigt eine D-log-H-Kurve für die Kamera gemäß Fig. 1;
• Fig. 2B zeigt eine Log-V-Log-H-Kurve für eine Kamera gemäß Fig. 1;
• Fig. 2C zeigt eine graphische Darstellung der Szenenreflektivität in Abhängigkeit von der Druckreflektivität für die Kamera gemäß Fig. 1;
• Fig. 3A zeigt eine Begrenzerschaltung zur Benutzung in dem Videosignal-Prozessor der Kamera gemäß Fig. 1;
• Fig. 3B veranschaulicht eine Schaltung, welche die Gamma-Kurve in einem Videosignal- Prozessor für eine elektronische Standbildkamera gemäß Fig. 1 verarbeitet; und
• Fig. 3C zeigt eine Spannungsausgangskurve des Videosignal-Prozessors für die elektronische Standbildkamera gemäß Fig. 1.
Einzelbeschreibung
• Elektronische Kameras, entweder zur Aufzeichnung bewegter Bilder oder zur Aufzeichnung von Standbildern, sind heutzutage üblich. Derartige Kameras weisen, wie aus Fig. 1 ersichtlich, ein zweidimensionales lichtempfindliches Feld auf, das aus hochauflösenden, ladungsgekoppelten Einrichtungen (CCD), einem CID-Element oder anderen lichtempfindlichen Sensoren bestehen kann. Eine ladungsgekoppelte Schaltung 16 ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Art von lichtempfindlichen Feldern dargestellt, jedoch dient dies nur der Illustration und ist nicht als beschränkend anzusehen. Das CCD-Element 16 empfängt Licht 12, welches repräsentativ ist für die Bildszene, und dieses Licht wird in bekannter Weise durch ein Objektiv und einen Verschluß, die kollektiv als "Optik" 14 bezeichnet sind, aufgenommen.
• Das CCD-Element 16 umfaßt im typischen Falle mehrere Bildsensorelemente oder Pixel, die in einem zweidimensionalen Feld angeordnet sind, wobei jedes Bildsensorpixel das bilddefinierende Licht, welches von einer Szene reflektiert wird, in einen Analog-Spannungswert umwandelt. Die Abtastung wird für die drei Primärfarben Rot, Grün und Blau aufeinanderfolgend vorgenommen (im folgenden als "RGB" bezeichnet), und die Bildsensorelemente sind vorzugsweise in mehreren Zeilen und Reihen angeordnet. Beispielsweise umfaßt bei einer Abbildungseinrichtung die Auflösung der elektro-optisch abgetasteten Bilder etwa 1656 Bildpunkte oder Pixel pro Zeile horizontal und 600 Zeilen vertikal. Demgemäß hat jedes Bild insgesamt 1656 · 600 Pixel, wobei jedes Pixel einer der RGB- Farben zugeordnet ist.
• Wenn durch eine elektronische Bildkamera ein Bild aufgenommen wird, dann wird ein ständiger Strom von Analog-Spannungswerten, die den Pixelwerten einer gegebenen Zeile der Bildsensorelemente zugeordnet sind, einem Videosignal-Prozessor VSP 18 zugeführt, der die analogen Spannungswerte komprimiert, welche den hellen Elementen des aufgezeichneten Bildes zugeordnet sind, während die Analogwerte, die den mittleren Tönen des aufgezeichneten Bildes zugeordnet sind, verlängert werden. Im wesentlichen komprimiert der Videosignal-Prozessor die Grautöne der Analogspannungen durch Benutzung einer Grauwertkompressions-Kurve, die eine spezielle Gamma-Funktion hat.
• Dann transformiert der Analog-Digital-Wandler 20 Zeile um Zeile die Analog-Spannungswerte in eine Vielzahl von digitalen elektronischen Bilddatensignalen, die das aufgezeichnete Bild in einem RGB-Farbkoordinatensystem repräsentieren.
• Das digitalisierte Signal wird dann einem Prozessor 22 zugeführt, wo es in einem Speicher 24, z. B. einem elektromagnetischen Speicher, einer Harddisk oder einem elektro-optischen Speicher 24 gespeichert werden kann, oder es wird einfach einem Computer zugeführt, der mit der Kamera über ein Kabel verbunden ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Signal 26 außen dem Computer zugeführt.
• Wenn die Kamera auf einen Gegenstand fokussiert ist, und der Verschluß der Optik 14 geöffnet wird, fallen unterschiedliche Beleuchtungspegel auf die Oberfläche des CCD-Elementes 16. In Schattenbereichen ist der Beleuchtungspegel ziemlich niedrig. Bei Spitzlichten ist der Pegel groß. Tatsächlich ergibt sich für jeden verschiedenen Gegenstands-Grauwert ein unterschiedlicher Beleuchtungspegel, der auf das CCD-Element 16 einfällt. Diese Lichtpegel werden als Beleuchtungsstärke bezeichnet, da sie das Licht behandeln, das auf die Filmebene oder das CCD-Element 16 einfällt. Die Verschlußzeit der Kamera bestimmt die Zeitdauer der Beleuchtung des Bildlichtes, das auf das CCD-Element 16 einfällt.
• In der herkömmlichen Photographie wird ein Negativ mit verschiedenen Beleuchtungsstärken H beleuchtet. Nach der Entwicklung besitzt das resultierende Bild unterschiedliche Dichte gemäß der Belichtung. Die Belichtung ist die Beleuchtungsstärke multipliziert mit der Belichtungszeit.
• E = H · t. Da die Belichtungszeit t für das gesamte Negativ gleich ist, ist die Dichte des Negativs nur eine Funktion der Beleuchtungsstärke H. Durch Auftragen dieser Funktion erhält man eine D-log-H-Kurve. Dabei ist zu berücksichtigen, daß D = -log T, wobei T die Emulsions-Durchlässigkeit ist. Eine log-log-Aufzeichnung wird normalerweise in der Photographie benutzt als zweckmäßiger Weg zum Ausdrucken einer Information über einen weiten Bereich von Beleuchtungen und Durchlässigkeiten des Negativs. Die Reflektivität (und demgemäß die Beleuchtungspegel H auf dem Negativ) ändern sich über Bereiche zwischen 1000 : 1 von Spitzlichtern zu Schatten hin. Ausgedrückt in Logarithmen mit der Basis 10 wird dies komprimiert auf einen Bereich von 3 : 1.
• Die Beleuchtungsstärken auf dem CCD-Element 16 erzeugen linear eine Ladung Q. Die Ladung wird linear in eine Spannung V durch die Kapazität eines Ausgangsverstärkers umgewandelt.
• Eine D-log-H-Kurve, wie beschrieben, ist in Fig. 2A dargestellt. Es ist aus dieser Figur ersichtlich, daß der erste Bereich 28 eine Neigung hat, die sehr flach ist, und wenn die Belichtung ansteigt, erhöht sich die Reflexionsdichte nicht merklich.
• An einem bestimmten Punkt der Kurve erhöht sich die Steigung dramatisch. Dies ist als zweiter Bereich 30 dargestellt, wo beim Ansteigen der Belichtung die Dichte stark zunimmt. In dem dritter. Bereich 32 ist die Dichte wiederum abgeflacht.
• Bei der konventionellen Photographie werden die Einstellungen dieser Kurven in dem photographischen Material auf chemischem Wege vorgenommen, wodurch eingestellt werden kann, wie die Kamera Schärfe und Kontrast in einem reflektierten Bild wiedergibt.
• Im Falle einer elektronischen Standbildkamera 10 würde ein ankommendes Bild mit der log-V-log-H-Kurve gemäß Fig. 2B digitalisiert unter Benutzung so vieler Bytes für die flachen Bereiche 28, 32, wie diese für den zweiten Bereich mit der größeren Steigung benutzt würden. Mit gleichen Schritten zwischen den Bytes würden große Änderungen in den Grautönen zwischen den Digitalstufen als Kontur- oder Grauwertänderungen im Bild eingeführt, wodurch der für ein menschliches Auge ansprechende Effekt verschlechtert würde. Um diese Konturenbildung zu vermeiden, wird eine Gamma-Kurve zwischen dem CCD- Element 16 und dem A/D-Wandler 20 durch den Videosignal- Prozessor 18 eingeführt.
• Der Videosignal-Prozessor 18 transformiert ein Analogsignal, das repräsentativ ist für das Bild und vom CCD-Element 16 geliefert wird, derart, daß gleichförmige Stufen im Analog- Digital-Wandler auf den zweiten Bereich 30 der D-log-H-Kurve konzentriert werden. Diese Transformation ist unter der Bezeichnung "Gamma-Kuve" bekannt. Die Konstruktion muß die Grauwertabstufung G definieren, bevor das Gamma vollendet werden kann. G ist eine Tonwertskala-Abbildungsfunktion eines "Systems". Ein Analogon zu G in der Standardphotographie ist die D-log-H-Kurve, wo eine psychophysikalische Charakteristik des Systems durch die folgende Gleichung definiert wird:
• Rprint = G Rscene
• Nachdem die System-Tonwertskalen-Abbildung G gewählt ist, verteilt der Konstrukteur nunmehr die begrenzte Zahl von Bits im Analog-Digital-Wandler entlang der Tonwertskala derart, daß keine Kontur in der Wiedergabe oder im Ausdruck sichtbar wird. Ein Kriterium für das Fehlen sichtbarer Konturen besteht darin, daß eine Differenz in der Helligkeit zwischen benachbarten Pegeln kleiner sein sollte als der visuelle Schwellwert. CIELab ist ein psychovisuelles Modell eines gleichförmigen Farbraumes. L* ist ein Maß der Helligkeit im CIELab-Raum. Gleiche Zunahmen von L* werden als gleichförmige Änderungen in der Helligkeit über einen weiten Bereich von Leuchtwiedergaben und Druckreflektivitäten wahrgenommen. L* kann als Funktion der Darstellung oder Druckreflektivität wie folgt ausgedrückt werden:
• wobei Rprint = Druckreflektivität
• Rwhite = weiße Reflektivität
• Aus Zweckmäßigkeitsgründen soll angenommen werden, daß Rwhite gleich Eins ist, da der Ausdruck auf weißem Papier vorgenommen wird. Weil CIELab ein visuell gleichförmiger Raum ist, werden gleiche Zunahmen in L* als unterschiedlich aufgenommen. Infolgedessen besteht ein allgemein bekanntes Kriterium für das Fehlen von visuellen Konturen darin, daß die Änderungen in L* zwischen Stufen ΔL* kleiner als ein gegebener Wert sein sollten.
• Danach muß ein geeigneter Stufenpegel für L* gewählt werden. Ein Beispiel besteht darin, das Bild in Stufen mit gleichem Druck L* zu quantisieren. Bei einem richtig belichteten Ausdruck sind die Quantisierungsstufen dann kleiner als 0,4 L* gegeneinander versetzt. Dieser Stufenpegel ist anfällig bezüglich eines Fehlers in der Belichtung, derart, daß die quantisierten Stufen sichtbar werden können. Ein Belichtungsfehler einer Blendenstufe erzeugt Differenzen zwischen Pegeln über 1,5 L*.
• Dieser Stufenpegel kann modifiziert werden, damit er beim Vorhandensein von auftretenden Belichtungsfehlern robust genug ist. Anstatt eine Quantisierung in gleichen Schritten von Druck L* vorzunehmen, wird das Signal in gleichen Stufen für einen weiteren Bereich als gedruckt werden kann von Umweltreflektivitäten quantisiert. Dies erzeugt keine so gleichförmigen Schritte wie bei Benutzung des obigen Schemas, jedoch erzeugen Belichtungsfehler nicht so große Stufen, wie sie bei dem vorherigen Schema vorhanden sind.
• Um ΔL* auf einem Ausdruck zu finden, wird eine Differenzierung durchgeführt:
• Diese Gleichung zeigt, daß gleiche Änderungen in L* durch gleiche Änderungen in der psychophysikalischen Aufnahme im menschlichen Auge repräsentiert werden.
• Damit Änderungen der Reflektivität des Ausdrucks nicht bemerkbar werden, wird ΔL* ≤ 0,4 gesetzt, und dies liegt unter dem Sichtbarkeits-Schwellwert.
• Nach Umformung:
• Diese Gleichung beschreibt die maximale Reflektivitätsänderung des Ausdrucks ΔRprint, der zulässig ist, ohne daß Konturen bemerkbar sind.
• Bei gegebenem, maximal zulässigem ΔRprint-Wertr bei dem keine Konturen feststellbar sind, und mit der System-Tonwert skalen-Abbildung G wird die maximal zulässige ΔRscene wie in Fig. 2C dargestellt, wobei natürlich die ΔRscenen-Werte im Bereich höherer Kurvenabschnitte von G kleiner werden. Unter Benutzung einer Ableitung der vorherigen Gleichung kann nunmehr eine optimale Graustufen-Abbildung wie folgt erhalten werden:
• ΔRscene = ΔG&supmin;¹ΔRprint
• γ = ΔRscene = ΔG&supmin;¹ΔRprintdR
• dabei ist γ die optimale Grauwertstufen-Abbildung. Daher muß zur Vermeidung sichtbarer Fehler oder Konturen ΔRprint zwischen den Quantisierungsschritten kleiner sein als ΔG&supmin;¹ · ΔRscene.
• In der Praxis ist ΔRprint = 0 bei Rscene = 0, und deshalb würde jede Änderung einen Fehler in einem linearen System ergeben. Wenn jedoch Rscene = 0, Rprint (R) = 0, ergibt sich daher keine Verstärkung. Im allgemeinen sollte die Benutzung eines linearen Analog-Digital-Wandlers (A/D) γ die Szenen-Sichtbarkeit derart abbilden, daß jedes Bit eine gleich wahrnehmbare Helligkeitsänderung reproduziert, wenn der Ausdruck betrachtet wird:
• ΔRprint ≤ 0.0072R
• Bei Durchführung des obigen Schemas in einer elektronischen Standbildkamera wird gewährleistet, daß ein Bild, welches von der Kamera aufgenommen wird, derart quantisiert wird, daß die Konturen wenigstens in einem Ausdruck sichtbar werden, der mit einer angenehmen Grauton-Reproduktionskurve ausgedruckt wurde.
• Eine derartige Gamma-Kurve wird in dem Videosignal-Prozessor 18 erzeugt. Der Videosignal-Prozessor 18 enthält eine Schaltung, um das Analogsignal, welches das Bild aus dem CCD-Ele ment 16 repräsentiert und als Eingangsspannung VIN bezeichnet wird, in ein Signal wie oben beschrieben zu transformieren. Ein Unterabschnitt der Gesamtschaltung ist in Fig. 3A dargestellt.
• Dieser Unterabschnitt zeigt eine Begrenzungsschaltung, die einen integralen Teil der Gesamtschaltung gemäß Fig. 3B bildet. Die Begrenzungsschaltung benutzt einen Komparator und einen Puffer. Eine Stromquelle i speist den Komparator über einen Kompensationswiderstand RCOMP, wie dies im einzelnen weiter unten beschrieben wird.
• Der Komparator benutzt zwei verzweigte PNP-Transistoren Q1 und Q2, wobei Q2 durch eine Begrenzungsspannung VC gespeist wird und der Transistor Q1 durch eine Eingangsspannung VIN gespeist wird. Die Begrenzungsspannung bestimmt den Pegel, mit dem die Eingangsspannung VIN verglichen wird. Die Eingangsspannung ist repräsentativ für ein Bild, das durch das CCD- Element aufgenommen wurde. Wenn die Spannung VIN kleiner ist als die Begrenzungsspannung VC, dann wird der Strom durch den Transistor Q3 durch das Verhältnis VIN/RG2 bestimmt. Nachdem VIN gleich oder größer als die Begrenzerspannung VC wird, schaltet der Transistor Q1 ab und bewirkt demgemäß keine Änderungen im Strom durch den Transistor Q3 mehr.
• Der Transistor Q3 ist ein NPN-Transistor, dessen Kollektor an einen Operationsverstärker (op amp) A1 angeschlossen ist. Der Kompensationswiderstand RCOMP wird dann benutzt, um die VBE- Charakteristik des NPN-Transistors Q3 an die Charakteristiken der PNP-Transistoren Q1 und Q2 anzupassen.
• Q3 dient als Puffer und legt VIN an den Widerstand RG2 an. Dies gewährleistet einen Strom, der repräsentativ ist für die Eingangsspannung VIN. Dieser Schritt, der als K&sub1; in Fig. 3A dargestellt ist, wird benutzt, um eine Spannungs/Strom-Wandlung vorzunehmen und um eine Stromverstärkung zu liefern, die fixiert ist durch ein Verhältnis von RG1 zu RG2, wenn VIN < VC ist.
• Die Spannungs-Strom-Wandlung wird dadurch erreicht, daß eine Spannung an der Basis von Q3 in ic &beta; VIN/RG2 konvertiert wird, nachdem VIN > Vc Ic absinkt, wenn VIN ansteigt, d. h. &Delta;VIN/Rsm. Demgemäß ist eine Änderung in der Verstärkung von VIN > VC eine Funktion von Rsm für den Block K1.
• Der Operationsverstärker hat einen nicht-invertierenden Eingang für die Eingangsspannung VIN, erhöht durch 0,7 V über eine Diode D&sub1;. Der Spannungsanstieg wird der Pegelverschiebung VIN gleich jener des invertierenden Eingangs zugeführt. In anderen Worten ausgedrückt: die Diode kompensiert die Spannungserhöhung über der P-N-Verbindung der Basis-Emitter-Verbindung von Q3. Durch Veränderung des Basisstromes an Q3 wird der Strom geändert, der vom Operationsverstärker A&sub1; abgezogen wird, was bewirkt, daß die Ausgangsspannung VOUT sich proportional ändert.
• Es ist außerdem ein Glättungswiderstand Rsm ersichtlich, der mit der Eingangsspannung VIN verbunden ist. Der zwischen VIN und dem Emitter von Q3 liegende Pfad gewährleistet, daß nach Erreichen der Begrenzungsspannung VC durch VIN und dem vom Operationsverstärker infolge von K&sub1; abgezogenen Strom eine Verschiebung um einen konstanten Wert stattfindet und immer noch ein Stromanteil durch Rsm einen glatten Übergang nach dem konstanten Wert erzeugt. Graphisch rundet die Glättung die scharfe Ecke ab, die erzeugt wird, wenn der Strom plötzlich abgeschaltet wird.
• Wenn jedoch die Eingangsspannung VIN ansteigt, dann ziehen weitere Verstärkerblöcke K&sub2;, K&sub3; usw. zusätzlichen Strom vom Operationsverstärker ab, und zwar je nach dem Wert von VIN und wie die Begrenzerspannungen Vc definiert sind, und demgemäß wird weiter die Ausgangsspannung VOUT geändert. Wenn VIN klein ist, dann ziehen alle Verstärkerblöcke Strom vom Operationsverstärker ab, um eine maximale Verstärkung bei kleinen Werten von VIN zu gewährleisten. Wenn VIN ansteigt, dann hört jeder Verstärkerblock auf, einen Anteil an einen ansteigenden Ausgang zu liefern. Demgemäß wird die Gamma-Form durch die immer abfallende Verstärkung als Funktion des Eingangs geformt. Auf diese Weise wirkt der Operationsverstärker wie ein Summierungsblock, indem die Anteile der verschiedenen Verstärkerblöcke zur Erzeugung der Gamma-Kurve addiert werden. Die Stromanteile von jedem Verstärkerblock werden durch die Begrenzungsspannungen und die Verstärkungen der Verstärkerblöcke bestimmt, und so wird die Form der Gamma-Kurve festgelegt. Dann wirkt der Glättungswiderstand Rsm in der Weise, daß schärfere Übergänge an der Gamma-Kurve geglättet werden.
• Der Fachmann wird feststellen, daß die Schaltung gemäß Fig. 3A Gleichstromüberlagerungen in der Eingangsspannung VIN ignoriert. Diese müssen schließlich in einer bekannten Weise berücksichtigt werden.
• Die Begrenzerschaltung gemäß Fig. 3A wird extensiv in dem Videosignal-Prozessor gemäß Fig. 3B benutzt. Der Videosignal- Prozessor besitzt eine Baumstruktur, wobei verschiedene Abzapfungen längs des Baumes benutzt werden. Bei der Beschreibung der Figur werden Beispiels-Spannungswerte benutzt, aber diese Werte müssen für jede Anwendung zur Gestaltung der Gamma-Kurve geändert werden. Der Baum hat eine Bezugsspannung VR von einem Volt. Ein erster Widerstand R&sub1; besitzt einen Widerstand, der einen Spannungsabfall von 0,2 V bewirkt, und hierüber wird eine erste Begrenzerschaltung mit einer Spannung von VC1 = 0,8 V gespeist. Dabei ist zu berücksichtigen, daß verschiedene Zunahmegrößen benutzt werden können, und daß ein unterschiedlicher maximaler Spannungswert benutzt werden kann, ohne den Lehren der Erfindung zu widerlaufen. Eine Spannung von 0,8 V für die erste Begrenzerschaltung C&sub1; repräsentiert die Begrenzerschaltung VC, wie oben beschrieben. Ein Spannungseingang, d. h. die Spannung vom CCD-Element 16, repräsentiert ein Bild, und diese wird der Begrenzerschaltung als VIN zugeführt und mit der Begrenzerschaltung VC = 0,8 V verglichen. Der Ausgang ist ein Strom, der über den N-P-N- Transistor Q3 des Verstärkerblocks K&sub1; läuft. Dieser Ausgang wird dann summiert, und die Strom/Spannungs-Umwandlung wird durchgeführt, um einen Anteil an dem Ausgang VOUT zu liefern.
• Eine zweite Begrenzerschaltung wird von dem Baum unter R&sub2; gespeist, was, wie oben, einen Spannungsabfall von 0,2 V ergibt und eine Begrenzerspannung VC2 = 0,6 V für die zweite Begrenzerschaltung C&sub2; zur Folge hat. Dann wird VIN mit VC in C&sub2; verglichen und wiederum summiert, um den Beitrag zu VOUT zu addieren. In gleicher Weise werden die dritte und vierte Begrenzerschaltung gegen VC3 = 0,4 V und VC4 = 0,2 V verglichen. Diese Ströme werden sämtlich addiert, wobei das kumulative Signal durch einen Strom/Spannungs-Wandler läuft, um einen Ausgang VOUT zu liefern. Fig. 3C zeigt einen typischen VOUT-Ausgang, der dann durch einen A/D-Wandler geleitet wird, und in diesem Falle erfolgt eine Abtastung zwischen 0 und 255, wodurch ein gleichmäßigerer Übergang zwischen Schwarz und Weiß erreicht wird und die Konturen im wesentlichen ausgemerzt sind, indem die Stufen zwischen 0 und 255 längs einer verbesserten graduellen Kurve ausgebreitet sind.
• Die Erfindung kann auch in anderen speziellen Ausführungsformen verwirklicht werden, ohne von den wesentlichen Charakteristiken abzuweichen. Die Ausführungsbeispiele stellen daher nur Erläuterungen dar und sind nicht beschränkend für die Erfindung. Das Wesen der Erfindung wird durch die beiliegenden Ansprüche festgelegt und nicht durch die Beschreibung, und sämtliche Änderungen, die im Rahmen der Äquivalenz der Ansprüche liegen, sollen daher mit der Erfindung umfaßt werden.

Claims (15)

1. Elektronische Standbildkamera mit den folgenden Merkmalen:

Mittel, die eine Bildebene definieren;

optische Mittel, um bildführendes Licht von einer Szene auf die Bildebene zu richten und um ein optisches Bild der Szene auf dieser Bildebene zu entwerfen;

lichtempfindliche Mittel, die in der Bildebene angeordnet sind, um das bildführende Licht zu empfangen und hieraus analoge Bildsignale zu erzeugen, die Pixel des Bildes repräsentieren, wobei die Höhe der Spannungen der analogen Bildsignale die Pixelintensität anzeigen;

Videosignal-Verarbeitungsmittel zur Transformation der analogen Bildsignale gemäß einer Gamma-Kurve derart, daß eine Graustufen- Abbildung des Bildes derart erhalten wird, daß scharfe Änderungen in den Grautönen gestreckt und relativ flache Änderungen der Graustufen komprimiert werden, um so ein transformiertes Signal zu erzeugen;

Analog/Digital-Wandlermittel zur Umwandlung des transformierten Signals in einen Strom digitaler Bildsignale, die repräsentativ sind für das Bild; und

Verarbeitungsmittel zur selektiven Verarbeitung, Speicherung oder Übertragung der Bilddaten, die durch die digitalen Bildsignale repräsentiert sind.

2. Elektronische Standbildkamera nach Anspruch 1, bei welcher die Videosignal-Verarbeitungsmittel die analogen Bildsignale derart übertragen, daß keine Konturen auftreten.

3. Elektronische Standbildkamera nach Anspruch 1, bei welcher die Videosignal-Verarbeitungsmittel die analogen Bildsignale zur Bestimmung einer optimalen Graustufen-Abbildung &gamma; gemäß der folgenden Formel transformieren

&gamma; = &Delta;G&supmin;¹ &Delta;Rdt

wobei G eine Graustufen-Abbildungsfunktion der elektronischen. Standbildkamera ist und R ein Reflexionswert der Szene ist.

4. Elektronische Standbildkamera nach Anspruch 3, bei welcher die Videosignal-Verarbeitungsmittel die analogen Bildsignale derart transformieren, daß &Delta;G eine Kompension für eine beabsichtigte Ausgabeeinrichtung umfaßt.

5. Elektronische Standbildkamera nach Anspruch 3, bei welcher die Analog/Digital-Wandlermittel aus einem linearen Analog/Digital-Wandler bestehen und demgemäß eine gleich empfangene Helligkeitsänderung reproduzieren, wenn das Bild betrachtet wird, wobei die Videosignal-Verarbeitungsmittel &Delta;R gemäß der folgenden Formel festlegen

&Delta;R &le; 0.0072 R2/3

wobei R die Reflektivität des reproduzierten Bildes ist.

6. Elektronische Standbildkamera nach Anspruch 1, bei welcher die lichtempfindlichen Mittel eine Übertragungsfunktion aufweisen und der Videosignal-Prozessor die Übertragungsfunktion der lichtempfindlichen Mittel derart kompensiert, daß eine bessere Definition der analogen Bildsignale zustandekommt,

7. Elektronische Standbildkamera zur Aufnahme von Licht, das von einer Szene reflektiert wurde, und zur Umformung des Lichtes in elektronische Bilddaden hoher photographischer Qualität, wobei die elektronische Standbildkamera folgende Merkmale aufweist:

optische Mittel zur Fokussierung des Lichts in der elektronischen Standbildkamera während einer vorbestimmten Zeitdauer;

lichtempfindliche Mittel, die auf die optischen Mittel ausgerichtet sind und das Licht empfangen und das Licht in eine Matrix von Pixeln umformen, die durch analoge Spannungswerte repräsentiert sind;

Videosignal-Verarbeitungsmittel zur Umformung der analogen Spannungswerte gemäß einer vorbestimmten Kurve derart, daß scharfe Änderungen in den Grautonwerten gestreckt und relativ flache Änderungen in den Grautonwerten komprimiert werden, um ein transformiertes Signal zu erzeugen, welches für eine digitale Umwandlung besser geeignet ist;

Analog/Digital-Wandlermittel zur Umwandlung des transformierten Signals in einen Strom der elektronischen Bilddaten, die die Szene repräsentieren; und

Verarbeitungsmittel zur selektiven Verarbeitung, Speicherung oder Übertragung der elektronischen Bilddaten.

8. Elektronische Standbildkamera nach Anspruch 7, bei welcher die Videosignal-Verarbeitungsmittel den analogen Spannungswert derart transformieren, daß keine Konturbildung auftritt.

9. Elektronische Standbildkamera nach Anspruch 7, bei welcher die Videosignal-Verarbeitungsmittel die Analog-Spannungswerte derart transformieren, daß eine optimale Graustufen-Abbildung &gamma;R gemäß der folgenden Formel erzeugt wird:

&gamma;R = &Delta;G&supmin;¹&Delta;Rdt

wobei G eine Graustufen-Abbildungsfunktion der elektronischen Standbildkamera ist und R eine Reflektivität der Szene darstellt.

10. Elektronische Standbildkamera nach Anspruch 9, bei welcher die Videosignal-Verarbeitungsmittel den Analog-Spannungswert derart transformieren, daß &Delta;G eine Kompensation für eine Ausgangseinrichtung umfaßt.

11. Elektronische Standbildkamera nach Anspruch 9, bei welcher die Analog/Digital-Wandlermittel aus einem linearen Analog/Digital-Wandler bestehen und demgemäß eine gleich wahrnehmbare Helligkeitsänderung reproduzieren, wenn das Bild beobachtet wird, wobei die Videosignal-Verarbeitungsmittel AR gemäß der folgenden Formel festlegen:

&Delta;R &le; 0.0072R2/3

wobei R die Reflektivität des reproduzierten Bildes ist.

12. Elektronische Standbildkamera nach Anspruch 7, bei welcher die lichtempfindlichen Mittel eine Übertragungsfunktion aufweisen und der Videosignal-Prozessor die Übertragungsfunktion der lichtempfindlichen Mittel derart kompensiert, daß die analogen Bildsignale besser definiert werden.

13. Verfahren zur Aufnahme von Licht, welches von einer Szene reflektiert wurde und zur Übertragung des Lichtes in elektronische Bilddaten hoher photographischer Qualität, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

es wird das Licht in einer elektronischen Standbildkamera während einer vorbestimmten Zeitdauer fokussiert;

es wird das Licht empfangen und in eine Matrix von Pixeln übertragen, die durch analoge Spannungswerte repräsentiert sind;

es werden die analogen Spannungswerte gemäß einer vorbestimmten Kurve derart transformiert, daß scharfe Änderungen in der Grauton-Abstufung gestreckt und relativ flache Änderungen in der Grauton-Abstufung komprimiert werden, um ein transformiertes Signal zu erzeugen, das besser für eine digitale Umwandlung geeignet ist;

es wird das transformierte Signal in einen Strom elektronischer Bilddaten transformiert, die für die Szene repräsentativ sind; und

es werden die elektronischen Bilddaten selektiv verarbeitet, gespeichert oder übertragen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, welches weiter den Schritt umfaßt, die Analog-Spannungswerte derart gemäß der folgenden Formel zu transformieren, daß eine optimale Graustufen-Abbildung &gamma;R erhalten wird

&gamma;R = &Delta;G&supmin;¹ &Delta;Rdt

wobei G eine Graustufen-Abbildungsfunktion der elektronischen Standbildkamera ist und R eine Reflektivität der Szene darstellt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, welches außerdem den Schritt umfaßt, das Bild in einem Hardcopy-Medium zu reproduzieren, wobei das reproduzierte Bild eine gleich wahrnehmbare Helligkeitsänderung &Delta;R besitzt, wenn das Bild betrachtet wird, wobei &Delta;R gemäß der folgenden Formel festgelegt wird

&Delta;R &le; 0.0072R2/3

wobei R die Reflexionsfähigkeit des reproduzierten Bildes darstellt.