DE3617827C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Schaltungsanordnung zur Rauschreduktion digitalisierter Fernsehsignale.

Der bekannte Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist insbesondere der DE 33 09 715 A1, in ähnlicher Weise auch den DE 31 21 597 A1 und DE 33 07 687 A1 zu entnehmen. Derartige Systeme beruhen auf dem Prinzip des sogenannten Bild-zu-Bild-Vergleichs, wobei zur Durchführung rekursiver Operationen in ihrem Rauschanteil bereits reduzierte Fernsehsignale gegenüber noch unvermindert verrauschten Eingangssignalen um die Dauer einer Vollbildperiode zu verzögern sind und für jeden Bildpunkt zwischen unverzögerten und verzögerten Fernsehsignalen die zur Erzeugung eines den Rauschanteil vermindernden Korrektursignals heranzuziehende Differenz zu bilden ist.

Aus der GB-Zeitschrift "IEE Proc.", Bd. 127, Pt. G. Nr. 2, April 1980, 52-56 (T. J. Dennis) und der GB-Zeitschrift "Television Journal of the Royal Television Society", Mai - Juni 1980, 29-33 (J. R. Sanders) ist es bereits bekannt gewesen, Rauschreduktionssysteme vorzusehen, die große Ähnlichkeit mit sogenannten "Interframe DPCM"-Schaltungen zeigen. Insbesondere können dabei rekursive digitale Filter und Bildspeicher eingesetzt werden.

Im Zuge der Weiterentwicklung zu Bildkommunikationsformen der Zukunft sind also Verbesserungen der Bildqualität durch Maßnahmen bei der digitalen Signalverarbeitung zu erzielen. Weitere Fortschritte sind zu erwarten, die das gesamte Übermittlungssystem betreffen, d. h. von der Aufnahme über die Übertragung bis zur Wiedergabe. Dabei wird Kompatibilität zum bestehenden System gefordert.

Ein Evolutionsschritt besonderer Art ist mit einer gesichtsfeldfüllenden, hochauflösenden Bildwiedergabe durch ein hochzeiliges System (HDTV=High Definition Television) mit digitaler Signalverarbeitung bei Aufnahme und Wiedergabe verbunden.

Ein Überblick hierzu wurde anläßlich der "Internationalen Funkausstellung Berlin", 30. August bis 8. Septemer 1985 (vgl. Sonderdruck aus dem "Messe-Service": Technisch-wissenschaftliches Programm) gegeben.

Die Rauschreduktion zielt darauf ab, die Bildqualität entweder schon unmittelbar hinter der Fernsehkamera oder spätestens in einem digitalen Empfänger zu verbessern. Kameras der ersten Generationen für HDTV führen infolge der hohen erforderlichen Bandbreite zu besonders hohen Rauschanteilen im Fernsehsignal.

Ein erhebliches Problem bei einer Reduktion des Rauschens besteht darin, daß es nur soweit ausgefiltert werden kann, ohne zusätzliche örtliche Verzerrungen herbeizuführen, als im Bildinhalt keine oder nur geringfügige Bewegungen auftreten.

Für die Detektion von Bewegungen im Bildinhalt und deren Berücksichtigung bei der Rauschreduktion ist weiterer technischer Aufwand erforderlich. Beispielsweise - vgl. insbesondere die eingangs genannte DE 33 09 715 A1 - werden nichtlineare Schaltungen eingesetzt oder Szenen in bewegte und nichtbewegte Bereiche unterteilt und bezüglich der Rauschreduktion nur Bildbereiche ohne bewegte Inhalte unterzogen. Mit Maßnahmen zur Bewältigung solcher und ähnlicher Probleme befassen sich - neben den zuvor bereits erwähnten Druckschriften - z. B. auch die DE 33 19 438 A1 (=US 45 49 213), die DE 29 17 022 A1, die DE 26 58 676 A1, insbesondere auch die US 40 90 221, die EP 00 64 192 A2 und die DE 33 09 717 A1.

Obwohl Rauschen in Bildbereichen mit bewegten Inhalten und die Bewegung selbst sich teilweise überlagern, ist insbesondere bei langsam bewegten Bildinhalten das Rauschen als störend wahrnehmbar. Außerdem führt eine nichtlineare Filterung zu einer Art mehrfacher Pseudo­ konturen am Rand größerer, sich bewegender Bildinhalte.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung besteht nun darin, das Rauschen so zu reduzieren, daß auch bei Bewegungen des Bildinhalts keine zusätzliche Unschärfe im Bild erzeugt wird.

Gelöst wird dies gemäß der Erfindung durch die techni­ sche Lehre, die im Patentanspruch 1 für das Verfahren und im Patentanspruch 9 für die Schaltungsanordnung angegeben ist. Dabei handelt es sich zwar auch um eine Art DPCM-System. Der für die Erfindung wesentliche Ge­ danke besteht dabei darin, für den Rauschanteil eine Schätzwertberechnung vorzunehmen und diese Schätzwerte von dem verrauschten Eingangssignal abzuziehen. Eine derartige Rauschreduktion läßt sich bei digitalisierten Fernsehsignalen in Komponentendarstellung, also bei TV mit herkömmlicher Auflösung, bei HDTV, bei Studiosyste­ men, für Fernsehsysteme im medizinischen Bereich und dergleichen durchführen.

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der erfin­ dungsgemäßen technischen Lehre sind in den Ansprüchen 2 bis 8 bzw. 10 bis 22 angegeben. Diese sowie deren Vorzüge und Unterschiede im Vergleich zum vorbekannten Stand der Technik werden im Zusammenhang mit den nach­ folgenden Erläuterungen zu den Zeichnungen beschrieben.

Die schematischen Darstellungen zeigen:

Fig. 1: ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Rauschreduktionssy­ stems;

Fig. 2: ein Blockschaltbild mit den Grundformen der Einrichtungen in den einzelnen Zwei­ gen;

Fig. 3: ein detaillierteres Blockschaltbild für den Zweig, der zur Erzeugung eines Schätz­ wertsignals für den Rauschanteil dient;

Fig. 4: eine Charakteristik für die unterschiedli­ che Bewertung höher- und niederfrequente­ rer Anteile bei der Erzeugung des Schätz­ wertsignals;

Fig. 5: ein Blockschaltbild für eine maximale Aus­ stattung des Zweiges, der zur Erzeugung eines Schätzwertsignals für den Rausch­ anteil dient;

Fig. 6: ein Blockschaltbild für eine optimierte Ausbildung entsprechend Fig. 5;

Fig. 7: ein Schaubild zur Verdeutlichung des Prin­ zips einer Mittelwertbildung für einen Bildpunkt;

Fig. 8: eine allgemeine Struktur einer Schaltung für eine Mittelwertbildung gemäß Fig. 7;

Fig. 9: eine spezielle Struktur einer Schaltung für eine Mittelwertbildung gemäß Fig. 7;

Fig. 10: eine allgemeine Struktur für einen digi­ talen Hochpaß;

Fig. 11: eine spezielle Struktur einer Schaltung für einen digitalen Hochpaß;

Fig. 12: eine spezielle Struktur für eine weitere optimierte Ausbildung einer Schaltung ge­ mäß Fig. 5 und

Fig. 13: ein Schaubild nach Art eines Blockschalt­ bildes für ein stark vereinfachtes Bei­ spiel der zeitlichen Abläufe im erfin­ dungsgemäßen Rauschreduktionssystem.

Das in Fig. 1 gezeigte Blockschaltbild läßt erkennen, daß von einem dem Eingang 1 der Schaltungsanordnung zugeführten verrauschten Eingangssignal an einem Sub­ trahierer 4 etwas abgezogen wird, bevor an den Ausgang 2 der Schaltungsanordnung ein rauschreduziertes Aus­ gangssignal gelangt. Dazu wird zunächst das zuletzt ausgegebene Ausgangssignal in einem Vollbildspeicher 5 abgespeichert. An einem weiteren Subtrahierer 3 wird für jeden Bildpunkt ein Bild-zu-Bild-Vergleich durchge­ führt, d.h. die Differenz gebildet zwischen dem aktuell angelieferten Signal und dem Signal für diesen örtlich identischen Bildpunkt, das jedoch eine Vollbildperiode zuvor abgegeben worden ist. Diese Differenz kann theo­ retisch jeden Wert, einschließlich Null, zwischen den möglichen Extrema annehmen.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt nun das Prinzip zu­ grunde, das Signal, das sich als Ergebnis des Bild-zu- Bild-Vergleichs ergibt, zu verarbeiten, nämlich daraus mit Mitteln 6 einen Schätzwert für den Rauschanteil zu erzeugen, der von dem verrauschten, ansonsten in kei­ ner Weise veränderten Eingangssignal abgezogen wird, um ein rauschreduziertes Ausgangssignal bereitzustel­ len. In einem ungünstigen Fall, d.h. bei - aus welchen Gründen auch immer - fehlendem Schätzwertsi­ gnal, gelangt das verrauschte Eingangssignal völlig unverändert zum Ausgang.

Die Kriterien, nach denen eine Rauschreduktion erfol­ gen soll, können unterschiedlicher Art sein. Eines der schwer zu lösenden Probleme ist - wie bereits eingangs erwähnt - die Berücksichtigung von Bewegungen im Bild­ inhalt. Die weiteren Ausführungen befassen sich des­ halb beispielhaft mit Maßnahmen und Vorkehrungen, die in erster Linie zu diesem Zweck ergriffen werden kön­ nen.

Hinsichtlich der Unterscheidbarkeit zwischen hochfre­ quentem Rauschen und höher- und niederfrequenterer, auf Bewegungen des Bildinhalts zurückzuführender Signalan­ teile läßt sich zunächst feststellen, daß schnelle Bewe­ gungen niederfrequentere zeitliche Änderungen bewirken als langsame Bewegungen und daß scharfe Konturen bei schnellen Bewegungen ohnehin nicht erwartet werden und wahrnehmbar sind. Als Erklärung hierzu kann die Vor­ stellung dienen, daß sich bei einer langsamen Bewegung ein großer Unterschied zwischen den Signalen zweier benachbarter Bildpunkte ergibt, bei schnellen Bewegun­ gen hingegen sich ein solcher Unterschied über eine Reihe von Bildpunkten verteilt. Hieraus läßt sich nun der Schluß ziehen, daß eine lineare Filterung vorteil­ haft ist. Dadurch lassen sich zwar schnelle Bewegungen einerseits und Rauschen sowie langsame Bewegungen an­ dererseits im Übergangsbereich nicht scharf voneinander trennen, was aber ohnehin nicht genau möglich ist. Um hier die Auswirkungen zu verbessern, kommt eine weitere Maßnahme, nämlich eine unterschiedliche, d.h. nichtli­ neare Bewertung der ausgefilterten Signalanteile zur Anwendung, für die eine Steuerung erforderlich ist.

Gemäß Fig. 2 erfolgt die Steuerung 6.90 auf der Grund­ lage derselben Ergebnisse, die zur Erzeugung des Schätzwertsignals in der Schleife 6.00 dienen, nämlich dem Differenzsignal aus dem Bild-zu-Bild-Vergleich, der im Subtrahierer 3 vorgenommen wird.

Anhand von Fig. 3 und Fig. 4 soll die Erzeugung eines bewegungsadaptierten Schätzwertsignals näher erläutert werden: Das vom Ausgang des Subtrahierers 3 bereitge­ stellte Differenzsignal kann positiv oder negativ sein. Deshalb wird für die Steuerung 6.90 zunächst mittels eines Betragsbildners 6.91 der Betrag dieser Differenz ermittelt und sodann einer zweidimensionalen Filterung 6.92 unterzogen. Das Filter 6.92 liefert entsprechend der Richtung - horizontal und vertikal - einer detek­ tierten Bewegung und deren Ausmaß zwischen den Signalen örtlich identischer, zeitlich um eine Vollbildperiode auseinanderliegender Bildpunkte eine Adresse für einen Tabellenspeicher 6.93, der für die einzelnen Adressen i unterschiedliche Koeffizienten x₁ und x₂ enthält.

In zwei Signalpfaden, die ebenfalls vom Ausgang des Subtrahierers 3 abgehen, werden höher- und niederfre­ quentere Signalanteile unterschiedlich belassen, im vorliegenden Beispiel in einem Pfad mittels eines Hoch­ passes 6.11 nur die dort durchgelassenen Signalanteile, im anderen Pfad alle Signalanteile unverändert. Mittels der Multiplikatoren x₁ und x₂ aus dem Tabellenspeicher 6.93 werden diese Signale jedoch unterschiedlich in Multiplizierern 6.12 bzw. 6.22 bewertet.

Dies geschieht z.B. im Falle eines sich langsam bewe­ genden Objektes im Bild, d.h. kleiner Werte für i, hinter dem Tiefpaß 6.29 für eine hochfrequente Ände­ rung in der Weise, daß das ungefilterte Signal im Mul­ tiplizierer 6.22 mit einem großen Multiplikator x₂, das gefilterte Signal im Multiplizierer 6.12 mit einem kleinen Multiplikator x₁ - vgl. Kennlinien für x₁ und x₂ in Abhängigkeit von i in Fig. 4 - bewertet wird. Das aus diesen beiden Anteilen im Addierer 6.30 zusammenge­ setzte Schätzwertsignal, das im Subtrahierer 4 vom ver­ rauschten Eingangssignal abgezogen wird, besteht in diesem Fall also aus der Summe der Produkte eines klei­ nen Multiplikators x₁ mit dem vom Hochpaß 6.11 gefil­ terten Signal und eines großen Multiplikators x₂ für das ungefilterte Differenzsignal aus dem Bild-zu-Bild- Vergleich. Das bedeutet, in dem am Ausgang 2 abzugeben­ den Ausgangssignal, das auch in den Vollbildspeicher 5 einzuschreiben ist, werden hauptsächlich die hochfre­ quenten zeitlichen Änderungen reduziert, also Rauschen. Die örtliche Auflösung bleibt in diesen Bildbereichen unbeeinflußt.

Im Falle eines sich schnell bewegenden Objekts im Bild werden die auf diese niederfrequenten zeitlichen Ände­ rungen des Differenzsignals zurückzuführenden Anteile vom Hochpaß 6.11 zurückgehalten und die hochfrequenten Anteile in diesem Pfad mit einem großen Multiplikator x₁ im Multiplizierer 6.12 bewertet. Dafür erfolgt eine Bewertung des ungefiltert belassenen Signals im ande­ ren Pfad mit einem kleinen Multiplikator x₂ im Multipli­ zierer 6.22. Das Schätzwertsignal hinter dem Addierer 6.30 reduziert beim verrauschten Eingangssignal im Sub­ trahierer 4 wiederum hochfrequente Anteile, also Rau­ schen. Scharfe Konturen sind bei schnellen Bewegungen infolge der Kameraintegration ohnehin nicht vorhanden. Der wesentliche Vorzug dieser Maßnahmen wird jedoch deutlich für den mittleren Bereich. Hier erfolgt ein weiches Umblenden zwischen den oben erläuterten extre­ men Fällen. Da diese Maßnahmen für jeden einzelnen Bildpunkt individuell durchgeführt werden, ergibt sich über die gesamte Bildfläche auf diese Weise eine wohl optimale Rauschreduktion. Die Steuerung hierbei kann insbesondere in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Bewegung des betreffenden Bildinhalts erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, z.B. die Richtung und den Richtungssinn solcher Bewegungsgeschwindigkeiten in die Steuerung mit einzubeziehen.

Zunächst wird noch auf die etwas weiter oben schon er­ wähnte Möglichkeit eingegangen, auch Konturunschärfen zu verringern. Hierzu ist es erforderlich, höherfre­ quente Anteile von einer gewissen Grenze ab in gewissem Umfang zu begrenzen. Dies kann durch nichtlineare Signal­ umwandler 6.13, 6.23, 6.31 - vgl. Fig. 5 - erreicht werden. Werden individuelle nichtlineare Kennlinien ge­ wünscht, sind derartige Signalumwandler 6.13 und/oder 6.23 mit oder ohne einen nichtlinearen Signalumwandler 6.31 für das zusammengesetzte, fertige Schätzwertsignal vorzusehen. In vielen Fällen dürfte allein ein solcher Signalumwandler 6.31 ausreichen.

Außerdem zeigt Fig. 5 auch noch einen Tiefpaß 6.21 in einem der beiden Signalpfade. Dessen Einsatz empfiehlt sich z.B. dann, wenn eine Quelle, z.B. ein Filmabtaster, vorwiegend niederfrequentes Rauschen enthält, also ver­ hältnismäßig leicht vorausgesetzt werden kann, daß hö­ herfrequentere Anteile hauptsächlich von langsam beweg­ ten Objekten hervorgerufen sein können.

In diesem Zusammenhang ergeben sich schaltungstechni­ sche Vereinfachungen insoweit, als sich ein nichtlinea­ rer Signalwandler - in Fig. 5 die Signalwandler 6.13 bzw. 6.23 - mit den jeweiligen Multiplizierern 6.12 bzw. 6.22 vereinigen lassen, indem die Multipli­ zierer mit unterschiedlichen Multiplikatoren, entspre­ chend der gewünschten nichtlinearen Kennlinie des Signalwandlers 6.13 bzw. 6.23 arbeiten. Hierzu können beispielsweise ROM- oder (E)PROM-Bauelemente verwen­ det werden.

In ähnlicher Weise lassen sich - wie Fig. 6 zeigt - auch der Betragsbildner 6.91 und der Tabellenspeicher 6.93 vereinigen. Weiterhin können im Tabellenspeicher 6.93 auch noch die Nichtlinearitäten 6.13 und/oder 6.23 berücksichtigt sein. Voraussetzung dabei ist, daß ge­ genüber der in Fig. 3 gezeigten Anordnung der Tiefpaß 6.92 vor dem Betragsbildner 6.91 angeordnet ist, d.h. zwischen Betragsbildner 6.91 und Tabellenspeicher 6.93 sich keine weitere Schaltungseinheit befindet. In die­ sem Falle läßt sich zudem der zweidimensionale Tiefpaß 6.92 unter der Voraussetzung, daß sich sein Frequenz­ gang und der des Hochpasses 6.11 zu 1 ergänzen, mehr­ fach nutzen: An die Stelle des Hochpasses 6.11 kann dann ein Subtrahierer 6.19 treten, dessen zweiter Ein­ gang mit dem Ausgangssignal des Tiefpasses 6.92 aus dem Steuer-Abzweig gespeist wird.

Anhand der Fig. 7 läßt sich die Funktion eines zweidi­ mensionalen Filters 6.92 verdeutlichen. Im gewählten Beispiel soll der Mittelwert für das Signal des Bild­ punktes 517 gebildet werden. Der Wert für dieses Si­ gnal soll die Werte der Signale benachbarter Bildpunkte berücksichtigen, hier jeweils die in den Halbbild- Zeilen darüber und darunter und dort jeweils in fünf Spalten. Das sind die Bildpunkte 3 bis 7, 515 bis 519 und 1027 bis 1031. Da für den Bildpunkt 517 die Mittel­ wertbildung erst dann vorgenommen werden kann, wenn auch das Signal für den Bildpunkt 1031 vorliegt, ergibt sich eine Grundverzögerung für das gesamte System, die der Dauer entspricht, die für 1 Zeile + 2 Bildpunkte benötigt wird (vgl. Laufzeitausgleich 6.17; 6.27; 6.70).

Hierauf begründet sich übrigens die Notwendigkeit, im Signalzweig für das verrauschte Eingangssignal - vgl. Fig. 2 - den entsprechenden, bislang noch nicht erwähn­ ten Laufzeitausgleich 7 vorzusehen.

Die Fig. 8 zeigt eine allgemeine Struktur für eine Schaltung eines Mittelwertbildners als Sonderform ei­ nes zweidimensionalen Tiefpasses 6.92. Am Eingang soll sich das Signal für den Bildpunkt 1031 befinden. Es ge­ langt unmittelbar an den Summenbildner. Dieser erhält außerdem zum selben Zeitpunkt die Signale der übrigen, zur Mittelwertbildung heranzuziehenden Bildpunkte über mehrere Verzögerungsglieder, für Bildzeilen mit 512 Punkten sind das z.B. Schieberegister zu 512 τ, sowie über je fünf Schieberegister zu je 1 τ (mit τ ist der zeitliche Abstand zweier Bildpunkte bezeichnet).

Die Signale der betreffenden Bildpunkte befinden sich in dieser Schaltung an den mit den laufenden Nummern gekennzeichneten Stellen. Der Summenbild­ ner kann also zum Zeitpunkt des Signals 1031 den gewünschten Mittelwert des Signals für den Punkt 517 ausgeben.

In den einzelnen Zuleitungen zum Summenbildner können die Signale noch einzeln - mittels hier nicht darge­ stellter Mittel - gewichtet, somit ein zweidimensio­ naler Frequenzgang festgelegt werden.

Für den Summenbildner wird hierbei eine verhältnismäßig aufwendige Gatterschaltung benötigt. Die Fig. 9 zeigt eine spezielle, weniger aufwendige Struktur. Deren Funktionsweise besteht darin, daß zunächst drei Punkte am linken Bildrand zusammengefaßt werden und so weiter, bis der Mittelwert einer 5×3-Matrix von Bildpunkten entstanden ist. Dieser Mittelwert befindet sich dann am Eingang des einzigen Subtrahierers in der Gatterschal­ tung. Hernach fallen bei jedem Bildpunkttakt die Mit­ telwerte des linken Randes L der 5×3-Matrix weg, und es kommt der Mittelwert des neuen rechten Randes R hinzu. Zum Zeitpunkt des Signals für den Bildpunkt 1031 am Eingang befindet sich am letzten Addierer der Gatter­ schaltung einerseits der Mittelwert des Signals für den Punkt 516, und andererseits erhält er den Mittelwert des bisherigen linken Randes L (1026/514/2) als Subtra­ hend und den des neuen rechten Randes R (1031/519/7) als Minuend. Hieraus wird der neue Mittelwert für das Signal des Bildpunktes 517 gebildet, ausgegeben und im letzten Schieberegister für den nächsten Takt abgespei­ chert.

Die Fig. 10 zeigt die Struktur für einen eindimensiona­ len Hochpaß, z.B. für einen Hochpaß 6.11. Auch hier ist mit τ die Dauer eines Bildpunkttaktes bezeichnet. Diese Schaltung arbeitet z.B. mit einer 10 bit-Auflösung und besteht aus jeweils zwei entsprechenden Registern und Addierern. Üblicherweise werden dabei allerdings die Signale unterschiedlich gewichtet.

In Fig. 11 ist eine spezielle Struktur gezeigt, bei der die Koeffizienten -1/4, +1/2, -1/4 durch schal­ tungstechnische Maßnahmen realisiert sind. Das erste Bit MSB eines Signals soll hier zur Kennzeichnung des Vorzeichens dienen. Eine Invertierung INVERT und eine Verschiebung des eigentlichen Signals um zwei Stellen an einem Addierer ADD führt zum Koeffizienten -1/4, eine Verschiebung des Signals um eine Stelle zum Koef­ fizienten +1/2.

In Fig. 12 ist ein Aufbau mit PROM-Speichern für Multi­ plizierer 6.12, 6.22 - gegebenenfalls vereinigt mit nichtlinearen Signalwandlern 6.13, 6.23 - und Tabellen­ speicher 6.93 - gegebenenfalls vereinigt mit dem Be­ tragsbildner 6.91 - dargestellt. Für die Multiplizierer 6.12, 6.22 ist eine Auflösung von 12 bit oder mehr, z.B. 8 bis 10 bit für die Eingangssignale und 4 bit für die Multiplikatoren x₁, x₂ vorgesehen. Aus den Angaben zur Auflösung der Signale an den Eingängen des Subtra­ hierers 3 und am Ausgang des Addierers 6.30 ist zu er­ kennen, daß innerhalb des Rauschreduktionssystems die Verarbeitung und Speicherung von Signalen mit höherer Genauigkeit erfolgen sollte, als durch die Auflösung der Eingangs- und Ausgangssignale vorgegeben ist. Die Größe bzw. Kapazität der Speicherelemente ergibt sich aus den Angaben zur Auflösung der Signale.

Anhand der Fig. 13 werden für ein stark vereinfachtes Beispiel nunmehr noch die prinzipiellen Vorgänge im Bildspeicher 5 und im Zweig für das verrauschte Ein­ gangssignal zwischen dem Eingang 1 der Schaltungsanord­ nung und dem ersten Eingang (+) des zweiten Subtra­ hierers 4 erläutert. Hierbei soll - ähnlich dem Bei­ spiel im Zusammenhang mit Fig. 7 - eine Mittelwertbil­ dung bei der Berechnung des Schätzwertes für den Rausch­ anteil durchgeführt werden. Sämtliche Verarbeitungsvor­ gänge sollen - der Einfachheit halber angenommen - in­ nerhalb der Dauer eines Bildpunkttaktes erfolgen.

Die im Vollbildspeicher 5 befindlichen Signale werden mit jedem Bildpunkttakt aktualisiert; sie entstammen also teils der aktuellen, teils der vorangegangenen Vollbildperiode und sind in zwei Halbbilder 1.H und 2.H - im stark vereinfachten Beispiel zu je 3 Zeilen à 4 Punkte - untergliedert.

Befindet sich am Eingang 1 das Signal für den Bildpunkt P 12, wird aus dem Speicher 5 das Signal P 12m gelesen und aus diesen beiden vom Subtrahierer 3 die Differenz Δ 12 gebildet. Die Berechnung eines Rauschschätzwertes erfolgt für den Bildpunkt P 6. Dazu erhält die Steue­ rung 6.90, in der die Mittelwerte gebildet werden, das Signal Δ 12; dieses wird außerdem einem Laufzeitaus­ gleich 6.70 zugeführt, der eine Verzögerungszeit lie­ fert, die zur Mittelwertbildung in 6.90 benötigt wird. Entsprechend dem Beispiel gemäß Fig. 7 ist das die Zeit, die für 1 Zeile + 2 Bildpunkte erforderlich ist. Vom Laufzeitausgleich 6.70 gelangt an den Berechnungs­ teil 6.00 also das Signal Δ 6, aus dem Δ 6m berechnet wird. Damit der Subtrahierer 4 die Differenz P 6m bil­ den kann, muß das verrauschte Eingangssignal im Lauf­ zeitausgleich 7 ebenfalls um die Dauer verzögert wer­ den, die für 1 Zeile + 2 Bildpunkte erforderlich ist. P6m gelangt nun an den Ausgang 2 sowie zum Bildspei­ cher 5.

In Fig. 13 ist vor dem Eingang des Vollbildspeichers 5 noch ein Laufzeitausgleich 1 τ angegeben. Dies soll verdeutlichen, daß ein neues Signal Pi_m erst dann in den Vollbildspeicher 5 eingeschrieben werden soll, wenn die Verarbeitung für ein Signal Δi_m vollständig abge­ schlossen ist.

Unter dieser Voraussetzung ist es beispielsweise mög­ lich, anstelle des Laufzeitausgleichs 6.70 einen weite­ ren Subtrahierer vorzusehen, dem einerseits das vom Laufzeitausgleich 7 verzögerte verrauschte Eingangssi­ gnal sowie von einem zweiten Leseausgang am Bildspei­ cher 5 das für den örtlich entsprechenden Bildpunkt der vorangegangenen Vollbildperiode abgelegte Signal zuge­ führt wird.

Entgegen der oben gemachten Annahme benötigt die Signal­ verarbeitung in den einzelnen Elementen der Schaltungs­ anordnung unterschiedliche Dauer, insbesondere auch mehr als jeweils einem Bildpunkttakt entspricht. Es ist deshalb sinnvoller, in jedem Zweig oder Pfad - wie in Fig. 3, 5 und 6 dargestellt - individuell eingestellte Laufzeitglieder 6.17; 6.27 vorzusehen und dort die Si­ gnallaufzeiten in den zugehörigen Schalteinrichtungen sogleich mit zu berücksichtigen.

Für den hardwaremäßigen Aufbau von Ausführungsformen der Erfindung sind, jedenfalls für TV-Signale entspre­ chend der derzeit herkömmlichen Norm, handelsübliche Schalteinrichtungen ausreichend. So werden z.B. für einen eindimensionalen Hochpaß zwei Register sowie zwei Addierer mit 10 bit-Auflösung, für einen Betrags­ bildner - je nach Zahlendarstellung - ein Chip, für ein zweidimensionales Tiefpaßfilter (5×3-Matrix) zwei 8 bit Zeilenspeicher und drei Addierer sowie vier 8 bit Register und fünf Addierer, für einen Tabellen­ speicher - 6.93 - ein bipolares PROM und für Multipli­ zierer - 6.12; 6.22 - 8×8 bit Produktbildner benötigt. Addierer bzw. Subtrahierer sollten für 10 bit-Auflösung ausgelegt sein. Für den Vollbildspeicher werden in der Regel zwei Halbbildspeicher verwendet. Die Speichergrö­ ßen ergeben sich für herkömmliche TV-Norm - 576 Zeilen, 512 Punkte/Zeile, 10 bit Auflösung - zu 2,9 Mbit, bei HDTV - 1250 Zeilen, 1750 Punkte/Zeile, 10 bit Auflö­ sung - zu 21,8 Mbit.

Die Bauteile müssen bei TV-Norm (herkömmlich) für eine Geschwindigkeit von ca. 75 ns, für HDTV für ca. 20 ns ausgelegt sein. Bei HDTV können Multiplizierer durch Schieberegister und Addierer ersetzt werden. Dabei kön­ nen die Steuersignale weniger als 8 bit genau sein.

Für empfängerseitige Rauschreduktion kann es ausrei­ chen, lediglich das Luminanzsignal entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung zu behandeln. Für die beiden Chrominanzsignale brauchen die Schaltungsanord­ nungen nicht so komfortabel ausgestattet zu sein, wie dies für die Behandlung des Luminanz- oder von R-, G-, B-Signalen und insbesondere für die senderseitige Rauschreduktion zu empfehlen ist. Für die Rauschreduk­ tion von Signalen für Chrominanz und Luminanz bzw. R-, G-, B-Komponenten kann auch jeweils nur eine Schal­ tungsanordnung vorgesehen und diese im Zeitmultiplex betrieben werden, insbesondere dann, wenn HDTV geeignete Schaltungen für herkömmliche TV-Norm einsetzbar sind.

Claims (22)

1. Verfahren zur Rauschreduktion digitalisierter Fernsehsignale, bei welchem zur Durchführung rekursiver Operationen in ihrem Rauschanteil reduzierte Fernsehsignale gegenüber noch unvermindert verrauschten Eingangssignalen um die Dauer einer Vollbildperiode zu verzögern sind und für jeden Bildpunkt zwischen unverzögerten und verzögerten Fernsehsignalen die zur Erzeugung eines den Rauschanteil vermindernden Korrektursignals heranzuziehende Differenz zu bilden ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - rauschreduzierte Fernsehsignale zeitgleich mit ihrer Bildung als Ausgangssignale bereitgestellt sowie zur Verzögerung um die Dauer einer Vollbildperiode abgespeichert werden,
• - als Korrektursignal für jeden Bildpunkt ein Schätzwertsignal in einem Verarbeitungsprozeß erzeugt wird, bei dem das Signal der heranzuziehenden momentanen Differenz, gesteuert durch unterschiedlich bezüglich ihrer Frequenzlagen bewertete Anteile von für örtlich benachbarte Bildpunkte vorliegenden Differenzsignalen, adaptiert wird, und
• - rauschreduzierte Ausgangssignale jeweils aus der Differenz zwischen aktuell angelieferten Fernsehsignalen und bildpunktmäßig zugehörigen Schätzwertsignalen bestehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des Schätzwertsignals mittels einer kom­ binierten linearen Filterung und einer nichtlinearen Beeinflussung des Differenzsignals erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein bewegungsadaptiertes Schätzwertsignal erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des bewegungsadaptierten Schätzwertsi­ gnals für den Rauschanteil eine weiche Umblendung zwi­ schen zwei Signalen vorgenommen wird, die beide vom Differenzsignal des Bild-zu-Bild-Vergleichs abgeleitet werden, in denen jedoch höher- und niederfrequentere Anteile unterschiedlich belassen und bewertet werden, wobei die Steuerung dieser Bewertungen in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des betreffenden Bild­ inhalts erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsgeschwindigkeit des Bildinhalts durch Tiefpaßfilterung detektiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsgeschwindigkeit des Bildinhalts durch eine Mittelwertbildung detektiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine nichtlineare Beeinflussung bei der Er­ zeugung des Schätzwertsignals für den Rauschanteil er­ folgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich das Luminanzsignal der Rauschreduktion unter­ zogen wird.

9. Schaltungsanordnung zur Rauschreduktion digitali­ sierter Fernsehsignale, gekennzeichnet durch

• - einen Signalzweig für das verrauschte Eingangssignal zwischen dem Eingang (1) der Schaltungsanordnung, an dem auch ein erster Eingang (+) eines ersten Subtrahierers (3) angeschlossen ist, und einem er­ sten Eingang (+) eines zweiten Subtrahierers (4),
• - einen Rekursionszweig mit einem Vollbildspeicher (5), dessen Eingang am Ausgang des zweiten Subtra­ hierers (4) liegt, an dem sich auch der Ausgang (2) der Schaltungsanordnung befindet, und mit dem Ausgang des Vollbildspeichers (5) am zweiten Eingang (-) des ersten Subtrahierers (3),
• und
• - einen Zweig zwischen dem Ausgang des ersten Subtra­ hierers (3) und dem zweiten Eingang (-) des zweiten Subtrahierers (4) mit Einrichtungen (6) für die Be­ rechnung eines Schätzwertsignals für den Rauschanteil.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen als Schleife (6.00) ausgebildeten Zweig mit Ein­ richtungen (6) und einem Abzweig mit Einrichtungen (6.90) zu deren Steuerung sowie durch einen Laufzeit­ ausgleich (7) im Signalzweig für das verrauschte Ein­ gangsignal, dessen Verzögerungszeit der Dauer ent­ spricht, die für die Erzeugung des Schätzwertsignals für den Rauschanteil benötigt wird.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch zwei Signalpfade in der Schleife, von denen zumindest einer ein Filter (6.11; 6.21), insbesondere einen Hochpaß (6.11) enthält, und die beide je einen Multi­ plizierer (6.12; 6.22) enthalten, welche an einen Ad­ dierer (6.30) führen.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen Steuer-Abzweig mit einem Betragsbildner (6.91), einem zweidimensionalen Tiefpaß (6.92) und einem Ta­ bellenspeicher (6.93), dessen Ausgänge (x₁, x₂) an die Multiplizierer (6.12; 6.22) in den Signalpfaden führen.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch einen Tiefpaß (6.21) im anderen Signalpfad.

14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch mindestens einen nichtlinearen Signalwandler (6.13; 6.23; 6.31) in der Schleife.

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14 und einem der Ansprüche 11 und 12, gekennzeichnet durch eine Vereinigung eines nichtlinearen Signalwandlers (6.13; 6.23) mit einem Multiplizierer (6.12; 6.22).

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Ausbildung eines mit einem nichtlinearen Signal­ wandler (6.13; 6.12) vereinigten Multiplizierers (6.12; 6.22) als Tabellenspeicher (ROM, (E) PROM).

17. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, gekennzeichnet durch eine Anordnung des zweidimensionalen Tiefpasses (6.92) vor dem Betragsbildner (6.91) und einen Subtrahierer (6.19) anstelle des Hochpasses (6.11).

18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Vereinigung des Betragbildners (6.91) und des Ta­ bellenspeichers (6.93) in einem adressierbaren Spei­ cher (ROM, (E) PROM).

19. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, gekennzeichnet durch eine dreifache Ausbildung für das Luminanz- und die beiden Chrominanzsignale bzw. für die R-, G-, B-Signale eines Farbfernsehsignals.

20. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine komfortablere Ausbildung der für das Luminanzsi­ gnal vorgesehenen Schaltungsanordnung und eine einfa­ chere Ausbildung der Schaltungsanordnungen für Chromi­ nanz- Signale.

21. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, gekennzeichnet durch einen Multiplexer vor dem Eingang (1) und einen Demul­ tiplexer hinter dem Ausgang (2) und einen Zeitmulti­ plexbetrieb für das Luminanz- und die Chrominanz- bzw. die R-, G-, B-Signale.

22. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 21, gekennzeichnet durch eine digitale Verarbeitung und Speicherung der Signale in der gesamten Anordnung mit einer höheren Genauig­ keit, als sie durch die Auflösung der Ein- und Aus­ gangssignale vorgegeben ist.