CN1183195A - 图象数据噪声滤波 - Google Patents

Abstract

在根据本地图象谱对图象数据噪声进行滤波方法中,对低频的滤波比对高频的滤波强。在一个实施例中,仅将低通滤波器(3a)的输出信号加到减噪滤波器(4),而高频被旁路(3b,6)。

Description

图象数据噪声滤波

本发明涉及一种图象数据噪声滤波的方法和设备，而且涉及包括这样一种设备的显示装置。

在如[1，2]中所建议的运动自适应一阶时域递归滤波器中，对于每个象素位置x＝(x，y)^T(其中T代表转置)以及输入亮度值F(x，t)，滤波器输出F_F(x，t)被定义为：

F_F(x，t)＝kF(x，t)+(l-k)F_F(x，t-T)    (1)这里k是定义滤波器特性的控制参数，而T是视频信号的场周期，在50Hz情况下它等于20ms。在隔行扫描情况下，当前一场中对应象素不存在时，x必须一行增加(x+(0，1)^T)或减少(x-(0，1)^T)。在一种较好的实现例[3]中，垂直位置是按场交替地增加或减少： $F_F(\underset{-}{x},t)=\mathrm{kF}(\underset{-}{x},t)+(1-k)F_F(\underset{-}{x}+\left[\begin{array}{c}0\\ {(-1)}^{N_p}\end{array}\right],t-T)---\left(2\right)$ 这里Np是场号。变量k用所谓运动检测器确定，该处理可以表示为： $k(\underset{-}{x},t)=\mathrm{LUT}\left(\underset{{\underset{-}{n}}_2\∈N_2}{\mathrm{\Σ}}\right[\mathrm{abs}\left(\underset{{\underset{-}{n}}_1\∈N_1}{\mathrm{\Σ}}\right[F(\underset{-}{x}+{\underset{-}{n}}_1+{\underset{-}{n}}_2,t)-F_F(\underset{-}{x}+{\underset{-}{n}}_1+{\underset{-}{n}}_2,t-T)\left]\right)\left]\right)---\left(3\right)$ 这里N1和N2是当前象素附近(通常很小)的邻点，LUT是单调、非线性查找表函数，它将其自变量转换成一般在1/32和1之间的一个值。

参见公式(3)，尽管滤波器适合于在运动情况下进行较弱的滤波，但是一般还是可以看见精细的对比度细节的一些模糊(blurring)。如果公式(3)的运动检测器被设置得更敏感以便防止这种模糊，那么减噪能力就会动态降低，因为噪声本身被视为运动。

所描述的传统的时域滤波器的另一个缺点为：它会引起“脏窗效应”，即滤波器抑制较高的时域频率，将噪声“冻结”在屏幕上。因此在不清晰的运动区域中，噪声看起来象后面有不清晰物体运动的屏幕上的污点。

本发明的目的特别是要提供改进的图象数据噪声滤波技术。为此，本发明的第一方面提供了权利要求1中所限定的方法。本发明的第二方面提供了权利要求6中所限定的设备。本发明的第三方面提供了权利要求12中所限定的显示装置。较好的实施例在有关的权利要求中限定。

本发明的主要方面是提供一种根据本地图象谱的图象数据噪声滤波方法，其特征在于对低频的滤波比对高频率的滤波更强。

参考随后描述的实施例，本发明这些以及其它方面将会被阐述清楚。

在附图中：

图1表示CCIR建议421-1所推荐的噪声加权曲线；

图2说明对隐含高频旁路的期望滤波；

图3表示根据本发明带有显式的高频旁路的噪声滤波器的实施例；

图4表示根据本发明的噪声滤波器的第一更详尽的实施例；

图5表示根据本发明的噪声滤波器的第二更详尽的实施例；

图6表示根据本发明的减噪滤波器的另一个实现；

图7表示根据本发明的垂直递归噪声滤波器的实施例；

图8表示根据本发明的扩展递归噪声滤波器的实施例；

图9表示根据本发明的垂直递归噪声滤波器的另一个实施例；

图10表示根据本发明的扩展递归噪声滤波器的另一个实施例。

本发明基于这样的认识：运动检测器对于低对比度高频的盲点以及脏窗效应这两个问题与对于低对比度高空间频率的滤波有关。本发明还基于这样的认识：高频噪声比低频噪声对人的打扰程度要小得多。这就意味着对抑制高空间频率的滤波器设计的吸引力比低空间频率要低。

还存在另一个寻求对高空间频率滤波较少的选择方案的原因。让我们考虑在水平方向上移动的水平空间域中的正弦图形。它可以被描述为：

F(x，t+T)＝F(x+ D(x，t)，t)          (4)这里D(x，t)是位移或运动矢量，而且

F(x，t)＝sin(ωx)                   (5)或合并式(4)及(5)：

F(x，t+T)＝sin((x，+ D( x，t))ω)     (6)利用： $\sin \mathrm{\α}-\mathrm{isn\β}=2\cos \left(\frac{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}{2}\right)\sin \left(\frac{\mathrm{\α}-\mathrm{\β}}{2}\right)---\left(7\right)$ 我们发现在一阶近似和较小位移(速度)时，由于运动，所产生的场差别FD的大小，即式(4)和(6)之间的差别总计为： $\left|\right|\mathrm{FD}\left|\right|=2\sin \left(\left(\frac{\underset{-}{D}(\underset{-}{x},t)\mathrm{\ω}}{2}\right)\right)\≈\underset{-}{D}(\underset{-}{x},t)\mathrm{\ω}---\left(8\right)$

这意味着，对于正弦图形的给定速度，一阶递归噪声滤波器的模糊会随频率而线性增加。

因此，随着空间频率增加，减少时域递归滤波的作用就很有意义。对于高频中给定的可接受程度的滤波，这就意味着对低空间频率更强的滤波，因此得到在(加权)信噪比上的较高增益。或者相反，对于噪声滤波器信噪比的足够增加，会出现低对比度细节的较小的模糊，同时噪声冻结就也会消失。

对高频的较少滤波不会引起S/N增益中的陡降，因为这个增益(加权的)主要由低频噪声减少决定的，如图1中所看到的，它表示了CCIR建议421-4[4]所推荐的PAL/SECAM噪声加权曲线。水平轴表示以MHz为单位的频率Fr，垂直轴表示相对灵敏度RS。图2说明了包含隐含高频旁路的期望的减噪滤波。水平轴表示频率Fr，垂直轴表示滤波器传递函数|H(f)|。或者，可以提供噪声滤波器附近高频信号分量的显式旁路。

在这样的显式高频旁路噪声滤波器中，现有技术的时域递归滤波器中的运动检测器由2-D(二维)空间高通滤波器来代替。因此，高频信号分量通过递归滤波器而不被衰减，而较低空间频率则被时域滤波。在z域可以对此这样描述： $F_F(z_x,z_y,z_t)=H_{\mathrm{HP}}(z_x,z_y)F(z_x,z_y,z_t)+(1-H_{\mathrm{HP}}(z_x,z_y))\·z_t^{-1}\·F_F(z_x,z_y,z_t)---\left(9\right)$

图3表示根据本发明的带显式高频旁路的噪声滤波器的简单实施例。噪声滤波器是连接到显示设备D的视频信号处理路径的一部分；视频信号处理路径的其它部件没有显示出。输入信号F被加到2-D低通滤波器3a。由减法器3b从输入信号F中减去LPF 3a的输出信号，得到旁路的高频信号分量。来自LPF 3a的低频信号分量被加到减噪滤波器4，其输出由加法器6加到旁路的高频信号分量上，得到输出信号FF，该信号被加到显示设备D。优选地，二维低通滤波器3a具有的带宽比噪声加权函数的带宽大。图3中所示的旁路滤波器电路看起来会得到比只有减噪滤波器4时好的性能。这种改善的性能可以由如下原因给出：—噪声滤波器4的输入缺少高频。因此，在噪声滤波器4的实现中，其中从多个可用抽样中选出用于实际滤波操作的抽样，用于减噪滤波的抽样选择在整个图象中会更一致，给出更平滑的画面。而且，在噪声滤波器4的递归实现中，由图象中的垂直瞬态过程中断递归的可能性被降低了。

—整个滤波器装置的输出中保留了更多的高频；它们不会受到减噪滤波的影响。特别是，残留的高频噪声掩盖了滤波器在较高频率所会具有的任何人为痕迹(例如，相移)，并使图象增加了主观的清晰度。高频噪声的存在可以表现出对人视觉***更一致而且更好看的画面。

高通滤波器输入以及输出之间信号差可以用于控制滤波器。当这种差别在由噪声的标准偏差σ_n所控制的间隔之外时，滤波器被关掉。在这种情况下，滤波器的传递函数成为： $F_F(z_x,z_y,z_t)=H_m(z_x,z_y)F(z_x,z_y,z_t)+(1-H_m(z_x,z_y))\·z_t^{-1}\·F_F(z_x,z_y,z_t)---\left(10\right)$ 这里H_m是修正的高通滤波器(HPF)传递函数，被定义为：

这里α是实验可优化的常数，a和b分别是高通滤波器的输入信号和输出信号。这个实现例示于图4。

在图4中，输入信号F被加到减法器1的非倒相输入端，减法器的倒相输入端接收延迟的滤波信号Z_t ^-1·F_F。减法器1的输出信号被加到2-D高通滤波器3，由减法器5从高通滤波器3的输入信号中减去高通滤波器3的输出信号b。减法器5的输出信号(a-b)被加到由噪声的标准偏差σ_n所控制的对核(coring)电路7。加法器9将取核电路7的输出信号加到高通滤波器3的输出信号b和延迟的滤波信号Z_t ^-1·F_F上，该加法器提供滤波的输出信号F_F。这个滤波的输出信号F_F被加到场延迟电路11，得到延迟的滤波信号Z_t ^-1·F_F。

图5给出另一个更复杂的实现。不是通过组件5和7来使高通滤波器3不工作，而是可以通过使用由系数k控制的混频器13来减少它的滤波作用，该系数k根据高通滤波器3输入端处的信号a与其输出端处的信号b之间的绝对差值|a-b|而计算如下：

H_m(z_x，z_y)＝(1-k)·H_HP(z_x，z_y)+k        (12)而： $k=\min (\frac{|a-b|}{2{\mathrm{\σ}}_n},1)---\left(13\right)$ 电路7a根据信号a和b以及噪声的标准偏差σ_n计算混频器系数k和1-k。加法器9’对混频器13的输出信号和延迟的滤波信号Z_t ^-1·F_F求和，得到滤波的输出信号F_F。因此，2-D高通滤波器3被用来得到在较高空间频率上的较少滤波，而混频器13被用来减少该滤波。

图6也是表示了根据本发明的减噪滤波器的另一个实现例。输入信号F被加到一个(2-D)低通滤波器3a，得到低频信号LF。减法器3b从输入信号F中减去信号LF，得到高频信号HF。信号LF被加到混频器13a，13a的输出信号通过加法器9a加到信号HF上，得到滤波输出信号F_F。混频器13a的输出信号也被加到场延迟装置11’，该装置包括计算一用于块象素块值平均值的块加法器11a、用于只需对每块存储一个平均值而不是每块的所有象素值的块场延迟11b、以及双线性插值器11c，以得到对于所有象素位置的延迟的象素值。低频信号LF以及场延迟装置11’的输出信号被加到运动检测器7b，以得到混频器13a的混频器系数k和1-k。在这个实施例中，高频信号HF不受场延迟装置11’和混频器13a所实行的噪声滤波操作的影响。

如上所述，当空间高频不被滤波时，时域递归噪声滤波器的性能可以被改善。高频不必滤波，因为它们是不易察觉的。不对高频滤波也意味着图象运动的情况下滤波器行为的改善。在传统的递归减噪滤波器中(其中新信号和延迟信号之间衰减的差值被加到延迟信号上)，(隐含的)高旁路可以通过用二维空间高通滤波器替换差值的衰减而被引入。这种滤波器可被看作为控制滤波器，它根据空间频率的内含物来改变递归大小。

同样的递归滤波思想可以扩展到空间域。场延迟由空间方向(例如，水平、垂直、或对角线方向)中的延迟代替。新的以及延迟的信息之间差值的衰减可以如下地适配于图象内容：

—适配于高频：使用高通控制滤波器(与滤波方向正交)取代固定的衰减因子。这样在高频上衰减因子增加，以提供对高频的隐含旁路。

—适配于瞬态过程：对图象内容具有选择性的噪声滤波器应该在图象急剧升降的跳变处减少它的滤波作用。高通滤波器输入和输出之间的绝对差可用做滤波方向中瞬态的检测器。瞬态的自适应通过使用绝对差来减弱在高通滤波器输入和输出之间的第二求和节点的输入而实现，见图7-10中的减弱控制器79。—适配于噪声电平：减弱控制器的效果受到图象中当前噪声电平的控制。这样，可以防止几乎没有噪声的图象的变差。例如，较高的噪声电平增加图7的减弱控制器电路77的非线性减弱函数中的门限值Th1和Th2。

图7表示根据本发明的垂直递归噪声滤波器的实施例。延迟部件83是一个行延迟，高通滤波器73是带有滤波器系数-1/4、1/2和-1/4的非递归水平高通控制滤波器。因此该滤波器是一个其滤波使用随空间频率在与递归环路方向(垂直)不同的方向(水平)上的增加而减少的递归滤波器。替换地，在递归环路中象素延迟被用作为延迟部件83，并且高通滤波器73是具有行延迟的垂直滤波器。但是，为了得到好的滤波效果，高通滤波器73应该包括至少两个延迟部件，因此这种替代方式比递归环路包括单个行延迟83以及高通滤波器73包括两个象素延迟的实施例更昂贵(因为它需要2个行延迟)。

在图7中，输入信号F被加到减法器71的非倒相输入端，减法器的倒相输入端接收来自行延迟83的递归象素输入Rec-pix-in，滤波的输出信号FF被加到行延迟83。减法器71的输出信号x被加到水平高通滤波器73。高通滤波器73的输出信号y和输入信号x被加到绝对差计算电路75，其输出被加到非线性减弱电路77，以得到减弱控制信号p。高通滤波器73的输出信号y和输入信号x也被加到减弱电路79，在其中根据减弱控制信号p将它们合并起来。减弱电路79的输出信号被加到来自行延迟83的递归象素输入Rec-pix-in上，以得到滤波输出信号F_F。

图8表示根据本发明的扩展递归噪声滤波器的实施例。这个滤波器可被看作为并联的几个递归噪声滤波器。这样，用一点额外花费就可以构造比图7的递归噪声滤波器在更多方向滤波的滤波器，因为附加的象素不需要额外的行延迟，只需要额外的水平延迟和额外的水平控制滤波器。并联递归噪声滤波器的输出的组合通过并行分支的加权求和来实现。通过这种形式的求和，当前具有最强递归滤波的分支在整个滤波器的输出处具有最大的权重。这就允许滤波器改变滤波的方向，而不需要滤波器递归强度作很大改变。更详细地，其每个延迟了n个象素周期τp的多个象素延迟85_1..85_(n-1)将被连接到行延迟83的输出。在每个象素延迟83-i的输出处，可以得到递归的象素输入Rec-pix-i，而递归的象素输入Rec-pix-n从行延迟83的输出得到。在图8中，只有第一并行分支做了详细说明。因此分支对应于图7的部件71..81；每个部件的参考号增加了后缀“-1”。加法器81-1的输出Out₁不加到行延迟83，而是加到加权平均器87，后者也从非线性减弱电路77-1接收减弱控制信号p₁作为加权系数。类似地，来自其它分支73-i..81-i的输出Out_i与它们各自的减弱控制信号p_i一起被加到加权平均器87。减弱控制信号p_i表示各个并行分支的滤波强度。加权平均器87提供输出信号F_F给电路输出以及行延迟83。

图9表示根据本发明的垂直递归噪声滤波器的另一个实施例。这个实施例对应于图7中的那个，但是图7的高通滤波器73由带通滤波器73a代替，而且图7的绝对差计算电路75由减法器75a、第一低通滤波器75b、绝对值电路75c以及第二低通滤波器75d的级联代替。例如，带有抽头系数-1、0、2、0、-1的带通滤波器可在16MHz的抽样频率下被使用。

图10表示根据本发明的扩展递归噪声滤波器的另一个实施例。这个实施例对应于图8中的那个，但是图8的高通滤波器73-i由带通滤波器73a-i代替，而且图7中的绝对差计算电路75-i由减法器75a-i、第一低通滤波器75b-i、绝对值电路75c-i以及第二低通滤波器75d-i的相应的级联代替。

显然，在时域递归滤波器的反馈环路中可以包括运动补偿。尽管如上所述，滤波器对于运动模糊是不太关键的，但是实验证明运动补偿仍然是有用的技巧。

本发明的主要方面可以总结如下。运动自适应一阶递归时域滤波器是电视噪声滤波中常见的，但是在运动场景中引入了彗尾并引起成为最苦恼缺陷的噪声冻结。本发明建议对这种经典滤波器做一改进，大大排除了它的缺点，简化了运动检测器设计，并减少了对运动补偿的需要。本发明的主要实施例提供了图象数据的时域递归(一阶)噪声滤波器，其中，时域滤波取决于本地空间图象谱，以便对于低空间频率，时域滤波是最强的，而对于较高的空间频率，时域滤波是较弱的。优选地，如果滤波器作用相对于噪声幅度来说是很大的，那么可以对所有频谱成分减少滤波。最好是在反馈环路中包括运动补偿。

应该注意的是上述实施例是说明本发明的，而不是限制本发明，而且那些本领域的技术人员将能够在不背离所附权利要求范围的情况下设计很多其它的实施例。所示的是递归的实施例，非递归(即横向)实现也是可以的。在权利要求中，放在括弧中的任何参考符号不应理解为限制该权利要求。本发明可以通过包括多个不同部件的硬件来实现，也可以通过适当编程的计算机来实现。

参考文献：

[1]R.N.Jackson和M.J.J.C.Annegarn，“Compatible Systems forHigh-Quality Television”(高质量电视的兼容***)，SMPTE Journal，1983年7月。

[2]T.Grafe和G.Scheffler，“Interfield Noise and Cross ColorReduction IC for Flicker Free TV Receivers”(用于闪烁电视接收的场间噪声和交叉彩色减低集成电路)，IEEE transacitons on ConsumerElectronics，Vol.34，No.3，1998年8月，pp.402-408。

[3]J.G.Raven，“Noise suppression circuit for a video signal”(视频信号的噪声抑制电路)，英国专利申请号GB 2083317A，1981年8月，(PHN 9822)。

[4]“CCIR recommendation 421-1，annex III”(CCIR建议421-1，附件III)，Documents de la Xie assemblee pleniere，oslo，1966，Vol.V，Geneve，1967，pp.81-82。

Claims (12)

1.一种根据本地图象谱的图象数据噪声滤波方法，其特征在于对低频的滤波比对高频的滤波强。

2.权利要求1中要求的方法，其特征在于，滤波取决于在给定的水平及/或垂直方向上的空间频率，而且所述滤波是在不同于所述空间频率的时空方向上的滤波。

3.权利要求2中要求的方法，其特征在于，滤波在时域方向上的并取决于水平和垂直空间频率。

4.权利要求2中要求的方法，其特征在于，滤波在垂直方向上的并取决于水平空间频率。

5.权利要求1中要求的方法，其特征在于，对所有频谱成分滤波均降低，以防止滤波器的作用比噪声幅度大。

6.一种根据本地图象谱的图象数据滤波设备，其特征在于对低频的滤波比对高频的滤波强。

7.权利要求6中要求的设备，包括：

用于从输入信号(F)中得到高频分量的装置(3a，3b)；

用于对所述输入信号(F)中的低频分量减噪滤波以得到滤波的低频分量的装置(4)；以及

用于将所述高频分量和所述滤波的低频分量合并以得到滤波的输出信号(F_F)的装置(6)。

8.权利要求6中要求的设备，包括：

用于从输入信号(F)中减去延迟信号以得到差值信号的装置(1；71)；

用于从所述差值信号得到高频分量的装置(3；73)；

用于响应所述差值信号和所述延迟信号、并根据所述高频分量得到滤波的输出信号(F_F)的滤波装置(5-11；75-81)；

用于延迟所述滤波的输出信号(F_F)以得到所述延迟信号的装置(11；83)。

9.权利要求8中要求的设备，其特征在于所述滤波装置(5-11；75-81)包括：

用于得到所述差值信号和所述高频分量之间绝对差的装置(7a；75)；

用于根据所述绝对差来合并所述高频分量与所述差值信号以得到控制信号的装置(13；77，79)；以及

用于合并所述控制信号和所述延迟信号以得到所述滤波的输出信号(F_F)的装置(9’；81)。

10.权利要求6中要求的设备，其特征在于，包括多个并行滤波分支，用于根据与多个第一空间方向不同的各个第二空间方向中的空间频率在多个所述第一空间方向中进行滤波。

11.权利要求10中要求的设备，其特征在于并行滤波分支的输出(Out₁，Out₂，Oout₃)根据各个并行分支的滤波强度(p₁，p₂，p₃)被加权(87)。

12.一种显示装置，包括显示设备(D)以及权利要求6中要求的、在连接到所述显示设备(D)的视频信号处理路径中的图象数据噪声滤波的设备。

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