CN1049766A - 包括自动对比度处理部分和“白展宽”处理部分的动态视频系统 - Google Patents

Abstract

一种包括某些对显示设备(直接观看或投影型) 限制白峰驱动且保持较高的主观图像对比度和亮度 部分的电视系统。该系统在“白展宽”控制部分5之 后，包括响应于亮度表示图像分量信号的峰值，用来 控制亮度信号幅度的自动对比度控制部分29、31、 33、9，作为亮度表示图像分量平均值(35)的函数，相 对于较高亮度分量，增强中等亮分量。使光点模糊和 显示器驱动器的饱和最小，且提供主观上鲜明的图 像。

Description

本发明涉及用于电视系统的自动增益控制设备，特别是涉及响应于重现图像的某些特点来影响亮度分量的自动增益控制设备。

在电视系统中，为了防止由于阴极射线管（CRT）显示设备的电子束电流过大所引起的“白点模糊”，以及为了防止阴极射线管驱动及荧光增强剂的饱和，这会引起对转换速率的限制，而减小重现图像对比度和亮度中的一者或两者，是已知的。这可以通过直接检测电子束电流，并且，相应地产生用于系统中对比度控制部分和/或亮度控制部分的控制信号来实现。这种控制信号也可以通过检测耦合到阴极射线管上视频信号的特征来产生。例如，颁发给W.E.哈伦（Harlan）的、题为“响应于多个彩色视频信号，用来对于视频信号进行限幅，以便邦助限制电子束电流的设备”（“Apparatus  Responsive  To  Plural  Color  Video  Signals  For  Amplitude  Limiting  The  Video  Signals  To  Assist  Beam  Current  Limiting”）的第4599643号美国专利公开了把三种耦合到阴极射线管上的基色信号组合起来，把超过预定门限值的、合成信号白向峰值的平均值检测出来，以便产生对比度控制信号的方法。

虽然通过利用例如自动控制重现图像对比来防止光点模糊，是需要的，但是，本发明人认为，对比度的衰减可能会减小重现图像的对比度和主观亮度。更准确地说，就是本发明人认为，虽然提供自动对比度控制设备，使当重现图像包括超过预定电平（例如，相应于字符的电平）的白向峰值时就减小亮度信号的幅度，是需要的，但是，中等的亮度幅度也将被减小。这形成了对比度和主观亮度的衰减。

为了解决这一问题，根据本发明的一个方面，把非线性幅度控制部分与对比度控制设备串联地耦合起来，以便作为对比度控制设备所处理的亮度平均值的函数，相对于大幅度亮度电平而动态地增强中等幅度的亮度电平。对于包括过大的白向峰值但是亮度分量平均电平低的图像，其效果是：减小了白向峰值的幅度，与此同时，提高了中等亮度电平的幅度。这样，能够使“白点模糊”（以及阴极射线管荧光粉和驱动的饱和现象）为最小，同时，提供主观鲜明的图像。

以下将结合附图，详细描述本发明的这些和其它方面。

附图包括：

图1示出本发明优选实施例的原理性方框图;

图1A和图1B示出有利于理解本发明优选实施例工作的增益特性;

图2示出图1以方框图形式所示优选实施例中一个部分的详细原理图;

图3示出一种把图1所示优选实施例改型的详细原理图。

在图1所示电视系统中，把利用例如梳状滤波器（未示出）从复合视频信号得到的、已分离的亮度信号分量（Y_IN）和色度信号分量（C_IN）耦合到相应输入端1和3上，并且对它们进行处理，以便重现图像。

在包括白展宽部分5、峰化部分7、对比度部分9和亮度部分11的串联亮度处理部分中对于输入亮度信号分量（Y_IN）进行处理，以便产生已处理的亮度输出信号（Y_OUT）。以下将详细说明“白展宽”处理部分5的功能和工作。而峰化、对比度和亮度等部分，即7、9和11，是传统设计的，其功能在电视领域中是已知的，即，分别控制：对应于图像转换或边缘清晰度的输出亮度信号（Y_OUT）的高频分量，对应于图像的对比度的Y_OUT的幅度，以及对应于图像亮度的Y_OUT的直流分量。备有峰化、对比度和亮度用户处理单元13、15和17，以便容许用户手动调整图像的相应特性。每一种用户控制单元13、15和17都产生一个用于相应亮度处理部分的直流控制信号，为此目的，可以包括一个相应的电位器。在现代电视系统中更加一般的另一种方法是，每一个用户控制单元可以包括一个相应的、在共用控制微处理器控制下的数一模变换器。这种微处理器接受用户从键盘下达对应于图像特性的指令。

利用包括彩色解调器、饱和度（幅度）处理单元和色调（相位）处理单元（未示出）的彩色处理部分19，对于输入色度分量进行处理，以便产生低电平的红、绿和蓝色差信号r-Y、g-Y和b-Y。另一种方法是，色差信号可以是I和Q类型的。饱和度和色调处理可

是受控于未示出单元的、手动和/或自动控制的。

把色差信号r-Y、b-Y和g-Y，以及已处理的亮度信号Y_OUT耦合到矩阵21上，在21中，把它们组合起来以便产生低电平的红、绿、蓝信号：r、g、b。利用相应的驱动放大器（DR）23r、23g、23b把低电平的r、g、b彩色信号放大，以便产生适于驱动显示设备25的、高电平的R、G、B彩色信号。显示设备25可以是一个直接观看的阴极射线管（CRT），或者是包括单独红、绿、蓝阴极射线管的投影装置、投影透镜和屏幕的投影机构。在直接观看的情况下，把高电平R、G、B彩色信号耦合到共用阴极射线管相应的阴极上。在投影情况下，把高电平R、G、B彩色信号耦合到相应的单独阴极射线管的阴极上。

虽然为了简化起见并未示出，但是，电视系统还包括用来引出在输入亮度信号Y_IN中所包括的水平同步和垂直同步脉冲的同步处理部分。对于这些同步脉冲进行处理，以便引出水平和垂直回扫消隐脉冲，在矩阵21中，在低电平r、g、b信号的相应回扫时间间隔内，插入水平和垂直回扫消隐脉冲，使得显示设备25在相应的回扫期间内将被“消隐”，以避免产生可见的回扫线。还利用偏转信号产生单元来处理同步脉冲，以产生在直接观看情况下用于共用阴极射线管的偏转信号，或者在投影情况下，用于各自单独阴极射线管的偏转信号。

可以把电视系统的某些部分，例如对比度、亮度、彩色处理部分9、11、19，以及矩阵21包括在一个以方框27示出的集成电路（IC）中。每个信号输入端和输出端以小圆圈示出。

如前所述，为了避免“白点模糊”，限制电子束电流是需要的。一般，这是通过检测阴极射线管（或者，在投影情况下，为多个阴极射线管）从有关高压电源引出的电流，并且产生用来减小重现图像对比度和亮度中的一者或两者的控制信号来实现的。除了这种电子束电流的控制设备（未示出）以外，在图1所示电视系统中，把峰值驱动电流限制到预定值，因为当电子束电流的幅度较大时，电子束光点的大小非线性扩大了。具体地讲，这是通过检测峰化、对比度、亮度处理部分7、9、11串联电路所产生的已处理亮度信号（Y_OUT）的峰值，以便产生自动对比度控制信号来实现的。利用的是输出或已处理的亮度信号Y_OUT，而不是输入亮度信号Y_IN，因为Y_OUT受到峰化、对比度和亮度用户控制单元的影响。这种自动对比度控制（它也可以称为“自动图像”，即“auto-pix”，“pix”是图像“picture”的简略语）防止在高亮度（白）区域中，由于模糊所引起的细节清晰度的损失，同时，当信号峰值保持低于模糊门限值时，允许重现高对比度（因而，是主观感觉亮）图像。

参看图1所示原理图，除了对比度处理部分9以外，自动对比度控制设备还包括峰值检波器29，峰值检波器29对于输出亮度信号Yout中白向部分的峰值进行检波。在1989年7月14日以G·A·怀特利奇（Whiteledge）名义提出的、题为“具有反馈的峰值检波器”（Peak Detector With Feedback”）的第380697号美国专利申请书中公开了一种能够响应于很陡峰值信号的理想峰值检波器。把白峰检波器29的直流输出电压耦合到放大器31上，放大器31还接受相应于峰值电平的基准电压V_RP，超过V_RP时，模糊就可能出现。把放大器31的输出通过二极管33耦合到串联连接的电阻15a及并联连接的电容15b的连接点上，15a和15b组成与用户对比度控制单元15相联接的低通滤波器，例如为了对于数-模变换器所产生的脉冲信号进行滤波。电阻15a和电容15b还确定对比度控制环的时间常数。对于所示实施例，假定：输出亮度信号Y_OUT的白向部分为正向的;增益加大时，对应使直流对比度控制信号加大，从而加大对比度，增益减小，对应使对比度控制信号减小，以致对比度减小。依此原理，安置了放大器31并且接入了二极管33，以便当Y_OUT超过模糊门限值（对应于基准电压V_RP）时，作为Y_OUT峰值的函数，来减小对比度控制信号V_C。

这种峰值响应自动对比制度控制设备的工作可以通过下列定量实例更好地加以了解。假定：在自动对比度控制下，可以得到的最大增益减小为3db。在此情况下，当对比度控制的调整位置为最大、亮度控制的调整位置为一般时，只要输出亮度信号Y_OUT的峰值幅度等于或低于700IRE（无线电工程师学会）单位时，就能达到输入信号的最大增益。当峰值幅度在70与100IRE单位之间时，增益减小根据需要、作为输出亮度信号峰值幅度的函数而出现。图1A中，通过与对比度处理部分9有关的增益特性图示出这一点。曲线A表示，当白峰幅度等于或低于70IRE单位时，最大对比度控制的增益特性。曲线B表示，当白峰幅度为100IRE单位时，最大用户对比度控制的增益特性。曲线B还表示，借助于用户对比度控制单元或者借助于自动电子束限制设备（未示出）使对比度控制减小3db时，任何白峰幅度的增益特性。

如上所述，当图像在相应于例如电视演播室或者其它具有“屏幕上”显示特性的源（例如，盒式录像机）所提供信息字符或文本的小面积内包括过大白峰时，白峰响应自动对比度控制设备防止光点模糊。但是，因为对比度处理部分9的增益特性是线性的，所以，当图像包括小面积的过大白峰值时，亮度信号的全部幅度电平都被白峰响度自动对比度控制设备减小了，而与图像其余部分的特征无关。因此，例如当把相应于字符的100IRE单位峰值幅度突然加到只包括70IRE和更低峰值（即一般亮度信号分量）的亮度信号上时，亮度信号的中等幅度电平（例如，30-50IRE）以及大幅度电平均被减小。结果是，观众察觉到在现图像的亮度在主观上减小了，因为与图像小面积有关的100IRE峰值幅度电平使得整个图像的平均亮度只有很小的差别。白展宽处理部分5就是针对这方面和其它方面的。

白展宽处理部分的增益特性图示于图1B。正如图1B所示那样，白展宽增益特性包括一组非线性增益函数，与输入信号幅度电平较大时相比，当输入信号幅度电平为中等或较小时，这些函数具有较大增益。非线性的程度与控制电压V_C的幅度成反比。因此，当控制电压V_C的幅度最大（V_C1）时，呈现出最小程度的非线性（即，线性函数）;当控制电压V_C的幅度最小（V_C2）时，呈现出最大程度的非线性。在本发明的优选实施例中，控制电压V_C表示已处理亮度信号Y_OUT的平均值。利用的是已处理亮度信号Y_OUT而不是输入亮度信号Y_IN，因为在这种方式中，考虑了峰化、对比度和亮度处理部分7、9和11的调整位置。因此，当不论是由于所接收电视信号的图像内容和/或由于用户对比度和亮度的调整位置，使已处理亮度信号的平均值（相对于预定的基准电平V_RS）低时，相对于大幅度电平来说，已处理亮度信号Y_OUT的中等幅度将被提升或增强。相反地，当该平均值较高时，该增益函数将失效，变成为线性函数。

非线性白展宽增益控制处理与线性自动对比度增益控制处理动态地相互作用。结果是，对于包括小面积白偏移的、比较暗的图像来说，由于对比度增益减小，使过大的白峰幅度减小了;但是，中等亮度幅度（否则，由于线性对比度增益减小，中等亮度幅度也将进一步减小）将按照非线性白展光增益特性而补偿地增大。

参考图1所示原理图，白展宽处理部分5的控制电压V_C以下列方式产生。利用可能只包括RC网络的平均值检波器35来检波已处理亮度信号Y_OUT的平均值。把所形成的直流信号耦合到放大器37的一个输入端上。放大器37的另一输入端接受基准电压V_RA。在放大器37的输出端上产生白展宽处理部分5的控制电压V_C。相对于信号极性来安排平均值检波器35和放大器37，使得对于低于V_RA的已处理亮度信号Y_OUT的平均值，控制电压V_C随该平均值减小而正比地减小。

通过实例，白展宽处理部分5可以利用在上面提到的、题为“用来产生对于改善图像主观对比度有用的、可控非线性传输特性的放大器排列”（Amplifier  Arrangement  For  Producing  A  Controllable  Nonlinear  Transfer  Characteristic  Useful  For  Improving  The  Subjective  Contrast  Of  An  Image”）的、同时提交的拉戈尼（Lagoni）专利申请书中所公开的方法来实现。

简单地说，正如图2所示那样，在同时提交的申请书中所公开的排列包括两个射极跟随器放大器201和203，把201和203的输入端并联耦合起来，以便接受输入信号;把201和203的输出端通过电阻205耦合到一起。把偏置电压V_B通过电阻207耦合到射极跟随器203的发射极上，使得射极跟随器203将在射极跟随器201截止以前截止。当低于相应于偏置电压V_B的截止电压时，射极跟随器201和203提供基本相同的输出信号。因此，没有电流流经电阻205。但是，超过截止电压时，射极跟随器203不再提供输出信号且电流流经电阻205。利用电阻205和207的分压作用，把射极跟随器201的输出信号经过衰减以后提供给电阻205和207的连接点，正如图1B所示。因此，在射极跟随器201和203的相应发射极上，产生了线性和非线性输出信号。利用包括“软开关”的电流控制网络209，把这两个输出电压变换成相应的电流，并且，组合成合成电流，作为控制电压V_C的函数。整个增益特性如图1B所示。

如图1所示，最好把白展宽处理部分5设置于其它增益控制部分（例如，对比度处理部分9）之前，因为这样会使其输入信号的幅度范围比较固定和可以预测。这简化了白展宽处理部分5的实现。

通过以下实例，定量说明图1所示电视系统相对于自动对比度和预防白展宽之间相互作用的工作情况。当图像具有适当高亮度值但无对应于70IRE以上信号分量的白向部分时，白峰响应自动对比度控制设备不起作用，而且，白展宽增益函数是线性的（图1B中，V_C＝V_C1）。如果把对应于图像中小面积的白色（例如，字符之类）的，例如100IRE的信号峰值加上去则自动对比度控制设备将趋向于使Y_OUT所有电平的幅度最多减小3dB。结果是，50IRE的中等亮度幅度电平趋向于减小15IRE左右。把基准电压V_RA设置得特大，使得白展宽处理部分5响应于由于在这种情况下整个对比度增益减小所引起的Y_OUT平均值减小，把最大增益（图1B中，V_C＝V_C2）加到Y_IN上。通过使白展宽增益这样变化：在稳态时（即，当白展宽处理部分5与对比度处理部分9已经稳定下来时），Y_IN中50IRE的幅度电平提高15IRE左右，利用非线性白展宽增益的提高来补偿把中等增益减小到线性自动对比度增控制上。

上述定量讨论主要涉及对于中等幅度的白展宽增益特性。对于大幅度，即幅度大于非线性增益函数转折点时，通过对于观众察觉的研究已经发现，理想情况是，增益（斜率）的减小不应低0.5左右。

除了利用上述白展宽与自动对比度控制设备之间的动态相互作用得到了这种优异的结果以外，还发现，在采用相对宽带的阴极射线管驱动器来提供较高的图像分辨率的电视系统中，这种白展宽设备特别有用。与带宽较窄的放大器相比，这种带宽较宽放大器的源阻抗较低。源阻抗较低时，趋向影响电视系统的伽玛特性，以致使中等的亮度输出减小。相对于大幅度来说，增强或放大中等幅度的非线性白展宽增益函数补偿了由于源阻抗低的宽带的阴极射线管驱动器所引起中等幅度信号的减小。

正如前面所指出那样，对于自动对比度和白展宽控制来说，在图象特征被调节（如对比度和亮度）以使控制信号很好地反映重现图象的内容之后，需要分波检波重现图象的亮度分量的峰值和平均值。在图1所示实施例中，为此目的，可以利用已处理的亮度信号本身。如果不能利用已处理的亮度信号，就可以利用表示已处理亮度信息的信号。例如，从日本东芝（Toshiba）公司可以买到的亮度处理集成电路TA7730在其一个输出端上提供通过把已经受到对比度和亮度控制的r、g、b彩色信号组合起来而得到的、表示亮度的信号。遗憾的是，其它集成电路，例如可从瓦尔沃（Valvo）公司买到的TDA4580之类并未提供亮度、或者反映对比度和亮度控制处理的亮度表示信号。

在题为“用于电视系统的控制信号发生器”（“CONTROL  SIGNAL  GENERATOR  FOR  A  TELEVISION  SYSTEM”）的，同时提交的拉戈尼（Lagoni）的美国专利申请书中所公开的设备，通过把集成电路在相应输出端上所产生的r、g、b彩色信号组合起来以便产生至少是近似表示已处理的亮度信息的信号，来解决这一问题。但是，结果的“和亮度”信号包括了对应于在被组合的r、g、b信号中所包括的、高电平（例如，-100到-160IRE范围内）的回扫消隐脉冲的脉冲，不像集成电路TA7730所产生的“和亮度”信号那样，TA7730是在把回扫消隐脉冲加上去之前，就把r、g、b信号组合起来。在“和亮度”信号中所包括的脉冲显著地扩展到消隐电平之下，因此，这种脉冲将严重地影响平均值（以及峰到峰值）。因此通过检波“和信号”平均值所引出的控制信号将不能精确地表示重现图像的亮度。在拉戈尼（Lagoni）申请书中所公开的控制信号发生器也包括解决这一问题的措施。

把在同时提交的申请书中所公开的电路图示于图3，其目的是，公开在不能方便地得到已处理亮度信号或者表示已处理亮度信息的信号的电视系统中，实现本发明的设备。

对应于图3具体地讲，利用包括电阻301、303、305的电阻组合器，把在集成电路相应输出端上产生的r、g、b彩色信号加起来。把在电阻301、303、305公共连接点上产生的结果“和信号”耦合到射极跟随放大器307的基极上。在负载电阻309两端产生了输出信号，309在射极跟随器307的低阻抗发射极输出端上。

耦合到电压源（V_cc）与射极跟随器307发射极之间的电阻311提高了射极跟随器307的导通门限值，使得在发射极输出端上基本上提供了全部超过黑电平的白向“和信号”，但是，已把对应于r、g、b彩色信号中回扫消隐脉冲的脉冲去掉。这样，由于把提高了的偏置加到发射极上，所以，检波的平均值和结果的白展宽控制信号V_CA是重现图像平均亮度分量的、比较可靠的表示。

为了精确地产生亮度信号，虽然电阻301、303、305可以是根据周知的亮度矩阵方程式所确定的比例，但是，已经发现，在实际中，为了提供适合于白展宽处理控制的已处理亮度表示分量，1∶1∶1的比例就足够了。

除了上述改型之外，其它改型也是可能的。例如，虽然在优选的实施例中，通过检测已处理的亮度信号（或者是图3所示的亮度表示信号）来实现自动对比度控制，但是，直接检测电子束电流，也是可能的。虽然在优选的实施例中，由于上述理由，把白展宽处理部分5设置在对比度处理部分9之前，但是，也可能利用不同的串联顺序。根据同一意向，把白展宽与对比度处理部分（7与9）的功能组合起来，也是可能的。在这方面，虽然本发明是通过模拟实现加以描述的，但是，应该了解，本发明也可以采用数字实现。这些和其它改型都被认为是在本发明的，下列权利要求所规定的范围内。

Claims (8)

1、电视系统中的一种设备，这种设备包括：

用来提供输入视频信号(Y_in)的输入装置(1)；

用来利用输出视频信号(Y_out)的输出装置(12)；

串联耦合到所述输入装置(1)与所述输出装置(12)之间，用来控制所述输入视频信号幅度以便产生所述输出视频信号的第一(5)和第二(9)幅度控制装置；所述幅度控制装置具有对应的第一和第二增益特性，第一和第二增益特性可以响应于送到这里的、相应的第一和第二增益控制信号而进行控制；

这种设备的特征在于：

把第一(5)和第二(9)幅度控制装置以指定的顺序串联连接到所述输入与输出装置之间；

所述第一增益特性包括非线性增益函数，该非线性增益函数具有增益比较高的区域，其后为增益比较低的区域；与所述第一增益特性的所述非线性增益函数相比，所述第二增益特性为比较线性的增益函数；

利用第一增益控制装置(35、37)，响应于所述输出视频信号的平均值，产生所述第一增益控制信号；以及利用第二增益控制装置(29、31、33)，响应于所述输出视频信号(Y_out)，产生所述第二增益控制信号。

2、根据权利要求1中所述的那种设备，其特征还在于：所述第二幅度控制装置包括对比度控制部分。

3、根据权利要求2中所述的那种设备，其特征还在于：所述对比度控制级包括用来控制所述第二增益特性的手动控制装置（15）。

4、根据数权利要求3中所述的那种设备，其特征不在于：所述输出装置包括响应于所述视频输出信号而产生图像的显示装置。

5、根据权利要求4中所述的那种设备，其特征还在于：与所述对比度控制装置串联耦合的，用来控制所述输出视频信号直流分量的亮度控制装置（11）。

6、根据权利要求1所述的那种设备，其特征还在于：所述输出视频信号表示亮度信息。

7、根据权利要求6所述的那种设备，其特征还在于：所述第一控制装置包括响应于所述输出亮度信号平均值，用来产生所述第一控制信号的平均值检波器（35）。

8、根据权利要求6中所述的那种设备，其特征还在于：

所述第一控制装置包括响应于所述输出亮度信号的平均值，用来产生所述第一控制信号的平均值检波器（35）;以及所述第二控制装置包括响应于所述输出亮度信号的白向峰值，用来产生所述第二控制信号的峰值检波器装置（29）。

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