DE10017083A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Störungsunterdrückung bei der Bildverarbeitung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Störungsunterdrückung bei der Bildverarbeitung, wobei jeweils zwei Ausgangssignalwerte unmittelbar benachbarter Pixel miteinander verglichen und durch aufgrund des Vergleichs berechnete Zielsignalwerte ersetzt werden. Um für beliebige zu verarbeitende Bilder ein Minimum an Artefaktbildung zu gewährleisten, umfasst die Berechnung der Zielsignalewerte jeweils sowohl eine Mittelwertbildung als auch eine Maximumbildung der beiden Ausgangssignalwerte, wobei die relative Gewichtung von Mittelwertbildung und Maximumbildung in Abhängigkeit von den Signalhöhen der Ausgangssignalwerte adaptiv gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Störungsunterdrückung bei der Bildverarbeitung nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 und eine Vorrichtung zur Störungsunterdrückung bei der Bildverarbeitung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Bekannte Verfahren beziehungsweise Vorrichtungen zur Stö­ rungsunterdrückung werden beispielsweise bei der Bearbeitung von Bildern eingesetzt, die mittels CCD-Sensoren gewonnen wurden. In solchen Bildern ist die Nutzinformation häufig mit periodischen und zufälligen Störmustern überlagert, wobei die periodischen Störmuster im wesentlichen durch die Struktur des Sensors und die zufälligen Störmuster durch den Bildge­ winnungsvorgang selbst, zum Beispiel einem Rauschen aufgrund von Rekombinationsvorgängen hervorgerufen werden. Zu erwähnen sind insbesondere die bei zweikanaligen CCD-Zeilensensoren auftretenden Offsetfehler. Bei diesen Sensoren sind die lichtempfindlichen Schichten zwei unabhängigen Verarbeitungs­ kanälen zugeordnet. Die lichtempfindlichen Zellen sind in ei­ ner Linie angeordnet. Numeriert man diese aufsteigend durch, sind die geradzahligen Zellen im einen und die ungeradzahli­ gen dem anderen Kanal zugeordnet. Infolge von Toleranzen in Ansteuerungs- und Verarbeitungszweig ruft die in die gerad­ zahligen und die ungeradzahligen Zellen einfallende Lichte­ nergie jeweils leicht unterschiedliche Signalspannungen her­ vor. Infolgedessen ergeben sich im digitalisierten Bild feine Störstreifen, die in Verbindung mit verlustbehafteten Kom­ pressionsverfahren nach der Dekompression sogar verstärkt werden.

Es sind Verfahren beziehungsweise Vorrichtungen zur Störungs­ unterdrückung solcher Störmuster bekannt, die ein lineares Filter in Form eines Tiefpassfilters einsetzen. Da die ge­ nannten Störungsmuster mit der höchstmöglichen Frequenz (nyquist) auftreten, können sie durch eine Tiefpassfilterung beseitigt werden. Die Tiefpassfilterung besteht im einfach­ sten Fall aus einer Mittelung unmittelbar benachbarter Pixel. Durch diese Mittelung werden zwar die Offsetfehler unter­ drückt, sie ist jedoch auch mit eine Verlust an Auflösung verbunden.

Es sind ferner Verfahren beziehungsweise Vorrichtungen zur Störungsunterdrückung bekannt, die zur Unterdrückung von Offsetfehlern ein sogenanntes Rangordnungsfilter einsetzen, wozu eine eindimensionale Filtermaske der Ausdehnung von zwei Pixeln in Richtung der Störung erforderlich ist. Bei dieser Filterung werden die Signalwerte unmittelbar benachbarter Pi­ xel miteinander verglichen und der jeweils niedrigere durch den höheren ersetzt, so dass Signalwerte eines zu niedrigeren Werten abweichenden Kanals unterdrückt werden. Diese Unter­ drückung ist ebenfalls mit einem Verlust an Auflösung verbun­ den. Vor allem ist sie jedoch in dunklen Bildregionen mit schlechtem Signal-Rausch-Verhältnis ungeeignet, da sie zu ei­ ner "Aufrauhung" des Bildes führt, wobei das Rauschen im Bild deutlicher wahrgenommen wird.

Die bekannten Verfahren beziehungsweise Vorrichtungen haben somit den Nachteil, dass sie je nach Art der zu verarbeitenden Bilder unterschiedlich starke Artefakte hervorrufen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Störungsunterdrückung bei der Bildverarbeitung nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 9 zu schaffen, bei denen für beliebige zu verarbeitende Bilder ein Minimum an Artefaktbildung gewähr­ leistet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur Störungsun­ terdrückung bei der Bildverarbeitung, wobei jeweils zwei Aus­ gangssignalwerte unmittelbar benachbarter Pixel miteinander verglichen und durch aufgrund des Vergleichs berechnete Ziel­ signalwerte ersetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Zielsignalwerte jeweils sowohl eine Mittel­ wertbildung als auch eine Maximumbildung der beiden Ausgangs­ signalwerte umfasst, wobei die relative Gewichtung von Mit­ telwertbildung und Maximumbildung in Abhängigkeit von den Si­ gnalhöhen der Ausgangssignalwerte adaptiv gesteuert wird. Da­ durch, dass zur Berechnung der Zielsignalwerte sowohl eine Mittelwertbildung als auch eine Maximumbildung eingesetzt und je nach Signalhöhe der Ausgangssignalwerte gewichtet werden, wird eine Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens an un­ terschiedliche Bereiche des zu verarbeitenden Bildes er­ reicht, wobei durch stärkere Gewichtung der jeweils günstige­ ren Methode zur Berechnung der Zielsignalwerte eine Artefakt­ bildung minimiert wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Steuerung der relativen Gewichtung von Mittelwertbildung und Maximumbil­ dung in Abhängigkeit vom Minimum der beiden Ausgangssignal­ werte erfolgt. Insbesondere kann die Mittelwertbildung gemäß einem Gewichtungsfaktor gewichtet werden, der proportional zum Minimum der beiden Ausgangssignalwerte ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Mittelwertbildung nur in dunklen Bereichen und nicht in Übergangsbereichen des zu ver­ arbeiteten Bildes erfolgt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Zielsignalwerte die Ausgangssignalwerte mit einer Gewichtung miteinbezogen werden, die in Abhängigkeit von der Betragsdif­ ferenz der Ausgangssignalwerte adaptiv gesteuert wird. Hier­ durch kann erreicht werden, dass Ausgangssignalwerte größerer Betragsdifferenz in geringerem Maße verändert werden, was deshalb sinnvoll ist, weil bei größeren Betragsdifferenzen der Ausgangssignalwerte die Ursache möglicherweise nicht in einer Offsetstörung, sondern im Bildinhalt liegt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Steuerung von Mittelwertbildung und Maximumbildung und der Miteinbezie­ hung der Ausgangssignalwerte mittels einer Fuzzy-Logik durch­ geführt wird. Die Verwendung der Fuzzy-Logik zur adaptiven Steuerung ist besonders geeignet, zumal sich nicht lineare Filtertechniken, wie sie bei der Maximumfilterung eingesetzt werden, allgemein in einer rein analytischen Optimierung ent­ ziehen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zielsignalwerte gleich den Ausgangssignalwerten gesetzt werden, wenn die Be­ tragsdifferenz der Ausgangssignalwerte einen vorbestimmten Grenzwert überschreiten. Hierdurch wird sichergestellt, dass solche Ausgangssignalwerte unverändert bleiben, deren Abwei­ chung mit bestimmter Wahrscheinlichkeit auf dem Bildinhalt beruht. Dies ist außerdem deshalb sinnvoll, weil bei hohen Betragsdifferenzen der Ausgangssignalwerte eine eventuell überlagerte Offsetstörung keine signifikante Auswirkung hat.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist dadurch gekennzeichnet, dass als Grenzwert ein Wert in Höhe von 10% des Maximalwerts der Ausgangssignalwerte ge­ wählt wird. Bei einer Betragsdifferenz von weniger als 10% der Ausgangssignalwerte liegt vermutlich eine signifikante Offsetstörung vor, bei einer größeren Betragsdifferenz hinge­ gen liegt die Ursache vermutlich im Bildinhalt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist dadurch gekennzeichnet, dass die zur adaptiven Steuerung benötigten Größen aus einer vorbereiteten Tabelle mit möglichen Kombinationen von Ausgangssignalwerten abgele­ sen werden. Hierdurch läßt sich die Verarbeitungsgeschwindig­ keit zur Schaffung schneller Software- und Hardwareimplemen­ tationen erhöhen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Störungsunterdrückung bei der Bildverarbeitung, welche eine Einrichtung zum Ver­ gleich jeweils zweier Ausgangssignalwerte unmittelbar benach­ barter Pixel und zum Ersetzen der Ausgangssignalwerte durch aufgrund des Vergleichs neu berechnete Zielsignalwerte ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit zur Mittelwertbil­ dung der beiden Ausgangssignalwerte und eine Einheit zur Ma­ ximumbildung der beiden Ausgangssignalwerte zur Berechnung der Zielsignalwerte vorgesehen sind, wobei die relative Ge­ wichtung von Mittelwertbildung und Maximumbildung in Abhän­ gigkeit von den Signalhöhen der Ausgangssignalwerte adaptiv steuerbar ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der beigefüg­ ten Abbildung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläu­ tert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aus jeweils zwei Ausgangssignalwerten P_n-1, P_n zweier unmittelbar benachbarter Pixel eines zu verarbeitenden Bildes gemäß der beigefügten Abbildung ein neuer Zielsignalwert P_n berechnet, woraufhin dieser den Ausgangssignalwert P_n ersetzt. Bei dem zu verar­ beitenden Bild kann es sich beispielsweise um ein Bild han­ deln, welches mittels CCD-Sensoren, insbesondere zweikanali­ gen CCD-Zeilensensoren, gewonnen wurde und infolgedessen mit Offsetfehlern aufgrund von Toleranzen im Ansteuerungs- und Verarbeitungszweig der beiden unabhängigen Verarbeitungskanä­ le überlagert ist.

Aus den Ausgangssignalwerten P_n-1 und P_n wird sowohl ein Mit­ telwertbildung (Schritt 1) als auch eine Maximumbildung (Schritt 2) durchgeführt. Während die Mittelwertbildung bei relativ niedrigen Ausgangssignalwerten vorteilhaft ist, da dort ein erheblicher Rauschanteil vorliegt, ist die Maximum­ bildung bei relativ hohen Ausgangssignalwerten vorzuziehen, da dort ein relativ gutes Signal-Rausch-Verhältnis vorliegt.

Weist das zu verarbeitende Bild in den betrachteten unmittel­ bar benachbarten Pixeln eine Offsetstörung auf, so wird diese Störung entweder durch die Mittelwertbildung (gemäß Schritt 1) oder durch die Maximumbildung (gemäß Schritt 2) unter­ drückt, wobei im letzteren Falle die Pixelwerte des zu nied­ rigeren Werten abweichenden Kanals unterdrückt werden, indem der jeweils höhere Ausgangssignalwert gewählt wird.

Desweiteren wird aus den beiden Ausgangssignalwerten P_n-1, P_n das Minimum bestimmt (gemäß Schritt 3), wobei aus diesem Mi­ nimum gemäß Schritt 4 ein Gewichtungsfaktor µ_dunkel aufgrund einer vorbestimmten Zuordnungsfunktion ermittelt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die besagte Zuordnungs­ funktion linear gewählt, es können jedoch je nach Problem­ stellung beliebige andere Zuordnungsfunktionen gewählt wer­ den.

Nachfolgend werden die aus der Mittelwertbildung (Schritt 1) und der Maximumbildung (Schritt 2) sich ergebenden Werte ad­ diert, wobei die Minimumbildung durch den Gewichtungsfaktor µ_dunkel und die Maximumbildung entsprechend mit dem Faktor 1-µ_dunkel gewichtet werden. Hieraus ergibt sich, dass die rela­ tive Gewichtung von Minimumbildung und Maximumbildung in Ab­ hängigkeit vom Minimum der beiden Ausgangssignalwerte adaptiv gesteuert wird, wobei die Mittelwertbildung umso stärker be­ rücksichtigt wird, je kleiner das Minimum der beiden Aus­ gangssignalwerte ist. Infolgedessen wird bei dem erfindungs­ gemäßen Verfahren eine durch die Mittelwertbildung bewirkte lineare Filterung zur Unterdrückung von Störmustern bevorzugt in dunklen Bildbereichen angewandt, wohingegen eine durch die Maximumbildung bewirkte nicht lineare Filterung nach Art ei­ nes Rangordnungsfilters bevorzugt in hellen Bildbereichen an­ gewandt wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass für belie­ bige zu verarbeitende Bilder je nach Dunkelheitsgrad der je­ weils verarbeitenden Pixel die jeweils günstigere Filterung verstärkt eingesetzt wird. Hierdurch wird für beliebige zu verarbeitende Bilder ein Minimum an Artefaktbildung gewähr­ leistet.

Zusätzlich wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Schritt 5 die Betragsdifferenz der beiden Ausgangssignalwerte P_n-1, P_n berechnet (Schritt 5) und anhand einer vorbestimmten Zuordnungsfunktion aus dieser ein weiterer Gewichtungsfaktor µ_Offsetfehler bestimmt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zuordnungsfunktion so gewählt, dass der Gewichtungsfaktor µ_Offsetfehler bei niedrigen Betragsdifferenzen gleich 1 ist und nach einem linear abfallenden Übergangsbereich bei höheren Betragsdifferenzen den Wert 0 annimmt. Der Gewichtungsfaktor µ_Offsetfehler bestimmt die Gewichtung, in der der nach der oben beschriebenen, durch relativ zueinander gewichtete Mittel­ wertbildung beziehungsweise Maximumbildung ermittelte Zwi­ schenwert in die Berechnung des Zielsignalwertes P_n mitein­ bezogen wird. Hierzu wird der besagte Zwischensignalwert mit dem Gewichtungsfaktor µ_Offsetfehler gewichtet und zu dem Aus­ gangssignalwert P_n addiert, wobei dieser entsprechend mit dem Faktor 1-µ_Offsetfehler gewichtet wird. Bei der im vorliegen­ den Ausführungsbeispiel gewählten Zuordnungsfunktion bedeutet dies, dass oberhalb eines vorbestimmten Grenzwerts der Ge­ wichtungsfaktor µ_Offsetfehler gleich 0 gewählt wird, so dass der Ausgangssignalwert P_n unverändert bleibt. Vorzugsweise wird als besagter Grenzwert ein Wert in Höhe 10% des Maximalwerts der Ausgangssignalwerte gewählt.

Auf diese Weise wird bei der Berechnung des Zielsignalwerts P_n der jeweilige Ausgangssignalwert P_n umso stärker mitein­ bezogen (und im Grenzfall unverändert gelassen), je größer die Betragsdifferenz der Ausgangssignalwerte P_n-1, P_n ist. Dies ist deshalb sinnvoll, als bei größeren Betragsdifferen­ zen die Ursache für die Differenz zwischen den Ausgangssig­ nalwerten der betrachteten Pixel mit hoher Wahrscheinlichkeit im Bildinhalt liegt, so dass in diesem Falle die Pixel unver­ ändert sollen. Zudem hat in diesem Falle eine eventuell über­ lagerte Offsetstörung keine signifikanten Auswirkungen.

Anschließend wird der Ausgangssignalwert P_n durch den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren berechneten Zielsignalwert P_n ersetzt. Wird das erfindungsgemäße Verfahren auf sämtli­ che Pixel des zu verarbeitenden Bildes angewandt, so werden zum einen eventuell vorhandene Störmuster wirksam unter­ drückt, wobei gleichzeitig sowohl in dunklen als auch in hel­ len Bildbereichen ein Minimum an Artefaktbildung gewährlei­ stet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einfacher Weise in ei­ ner entsprechenden Vorrichtung realisiert werden. Eine solche Vorrichtung umfasst sowohl einen Mittelwertfilter als auch einen Maximumfilter sowie Einheiten zur Berechnung des Mini­ mums und der Betragsdifferenz der Ausgangssignalwerte benach­ barter Pixel, wobei mittels einer Fuzzy-Logik eine adaptive Steuerung der Stärke der Filterwirkung über die Betragsdiffe­ renz und eine adaptive Steuerung der relativen Gewichtung der beiden Filterverfahren über das ermittelte Minimum der Aus­ gangssignalwerte erreicht wird. Durch eine Tabellierung mög­ licher Kombinationen der Ausgangssignalwerte kann zudem die Bearbeitungsgeschwindigkeit zum Erreichen schneller Software- und Hardwareimplementationen noch vergrößert werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Störungsunterdrückung bei der Bildverar­ beitung, wobei jeweils zwei Ausgangssignalwerte unmittelbar benachbarter Pixel miteinander verglichen und durch aufgrund des Vergleichs berechnete Zielsignalwerte ersetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Be­ rechnung der Zielsignalwerte jeweils sowohl eine Mittelwert­ bildung als auch eine Maximumbildung der beiden Ausgangssig­ nalwerte umfasst, wobei die relative Gewichtung von Mittel­ wertbildung und Maximumbildung in Abhängigkeit von den Si­ gnalhöhen der Ausgangssignalwerte adaptiv gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die adaptive Steuerung der relati­ ven Gewichtung von Mittelwertbildung und Maximumbildung in Abhängigkeit vom Minimum der beiden Ausgangssignalwerte er­ folgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Mittelwertbildung gemäß einem Gewichtungsfaktor gewichtet wird, der proportional zum Mini­ mum der Ausgangssignalwerte ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, dass bei der Be­ rechnung der Zielsignalwerte die Ausgangssignalwerte mit ei­ ner Gewichtung miteinbezogen werden, die in Abhängigkeit von der Betragsdifferenz der Ausgangssignalwerte adaptiv gesteu­ ert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die adaptive Steuerung der Gewich­ tung von Mittelwertbildung und Maximumbildung und der Gewich­ tung der Miteinbeziehung der Ausgangssignalwerte mittels ei­ ner Fuzzy-Logik durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, dass die Ziel­ signalwerte gleich den Ausgangssignalwerten gesetzt werden, wenn die Betragsdifferenz der Ausgangssignalwerte einen vor­ bestimmten Grenzwert überschreitet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass als Grenzwert ein Wert in Höhe von 10% des Maximalwerts der Ausgangssignalwerte gewählt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass die zur ad­ aptiven Steuerung benötigten Größen auf einer vorbereiteten Tabelle mit möglichen Kombinationen von Ausgangssignalwerten abgelesen werden.

9. Vorrichtung zur Störungsunterdrückung bei der Bildverar­ beitung, umfassend eine Einrichtung zum Vergleich von jeweils zwei Ausgangssignalwerten unmittelbar benachbarter Pixel und einer Einrichtung zur Ersetzung der Ausgangssignalwerte durch aufgrund des Vergleichs berechnete Zielsignalwerte, da­ durch gekennzeichnet, dass eine Ein­ heit zur Mittelwertbildung der beiden Ausgangssignalwerte und eine Einheit zur Maximumbildung der beiden Ausgangssignalwer­ te vorgesehen sind, wobei die relative Gewichtung von Mittel­ wertbildung und Maximumbildung in Abhängigkeit von den Si­ gnalhöhen der Ausgangssignalwerte adaptiv steuerbar ist.