DE4314980C1 - Verfahren zur Verminderung des Rauschens eines Videosignals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Verminderung des Rau­ schens eines Videosignals, insbesondere beim Wiedergeben eines auf einem Videorekorder gespeicherten Videosignals, bei dem um jeden Signalwert P als Ausgangssignalwert herum ein Fenster definiert, eine mittlere Abweichung der Signalwerte in dem Fenster festgestellt und eine Mittelung des Ausgangssignal­ werts mit solchen Nachbarsignalwerten in dem Fenster durchge­ führt wird, die innerhalb von zur festgestellten mittleren Abweichung abhängigen Grenzwerten liegen, wobei die Grenzwerte mit zur festgelegten mittleren Abweichung abhängigen Werten eingestellt werden.

Es ist bekannt, für die Rauschreduzierung von Videosignalen sogenannte Sigma-Filter einzusetzen (vgl. z. B. Jong-Sen Lee "Digital Image Smoothing and the Sigma Filter" in Computer Vision, Graphics, and Image Processing 24, 255 bis 269 (1983)). Das Funktionsprinzip der Sigma-Filter beruht darauf, einen Signalwert eines zu einem Bildpunkt gehörenden Videobil­ des durch einen ermittelten Signalwert zu ersetzen, der durch die Mittlung mit den benachbarten Signalwerten gebildet ist, deren Intensität innerhalb eines festgelegten Standard-Ab­ weichungsbereichs (Sigma-Bereich) um den Intensitätswert des Ausgangssignalwerts herum liegt. Die Grundidee dieser Filte­ rung liegt darin, daß Rauschstörungen etwa mit einer Gauß′schen Verteilung auftreten, so daß eine wirksame Rausch­ unterdrückung innerhalb des Standard-Abweichungsbereichs mög­ lich ist. Wenn ein größerer Intensitätsunterschied eines Nach­ barsignalwerts zu dem Ausgangssignalwert vorliegt, spricht eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, daß dieser Intensitätsun­ terschied nicht durch Rauschen sondern durch einen anderen Bildsignalinhalt bestimmt ist. Dieser Signalwert sollte daher in die Mittelung nicht mit einbezogen werden.

Für jedes definierte Fenster muß daher zunächst die mittlere Abweichung der Signalwerte festgestellt werden. Entsprechend der festgestellten mittleren Abweichung werden Grenzwerte be­ stimmt. Die innerhalb dieser Grenzwerte liegenden Intensitäts­ werte werden in die Mittelung einbezogen.

Ein derartiges Verfahren ist auch durch Jung, Kim "Adaptive Image Restoration of Sigma Filter Using Local Statistics and Human Visual Characteristics", Electronics Letters, 1988, Vol. 24, No. 4, Seiten 201 bis 202 bekannt. Zur Anpassung der Grenzwerte für den Sigma-Bereich werden diese proportional zur Quadratwurzel der Signalvarianz (σ²) für jedes Pixel festge­ legt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rauschunterdrückungsverfahren der eingangs erwähnten Art zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß wenigstens ein Schwellwert für die mittlere Abweichung festgelegt wird und daß für eine oberhalb des wenigstens einen Schwellwertes lie­ gende mittlere Abweichung die Grenzwerte mit einem im wesent­ lichen konstanten, vorgewählten Maximalwert bestimmt werden.

Erfindungsgemäß wird ein modifiziertes Sigma-Filter benutzt, um die für die Mittelung herangezogenen Signalwerte zu selek­ tieren. Bei großen mittleren Abweichungen der Signalwerte er­ höht sich die Gefahr, daß in die Mittelung nicht nur durch Rauschen veränderte Signalwerte eingezogen werden, die zum im wesentlichen selben Signalinhalt gehören, sondern auch zu ei­ nem anderen Signalinhalt gehörende Signalwerte. Erfindungsge­ mäß werden daher für große mittlere Abweichungen im wesentli­ chen feste Grenzwerte eingesetzt, innerhalb derer Nachbar­ signalwerte zur Mittelung herangezogen werden. Es hat sich gezeigt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine deutli­ che Verbesserung des Verhältnisses von Rauschunterdrückung und Erhaltung der Signaldetails erzielt wird.

In einer noch weiter verbesserten Ausführungsform der Erfin­ dung werden ein erster Schwellwert und ein zweiter Schwellwert für die mittlere Abweichung festgelegt und es werden für eine zwischen den beiden Schwellwerten liegende mittlere Abweichung Grenzwerte bestimmt, die zwischen den zu den beiden Schwell­ werten gehörenden Grenzwerten liegen. Durch diese Einführung eines Übergangsbereichs zwischen den in Abhängigkeit von der mittleren Abweichung bestimmten Grenzwerten und den mit einem Maximalwert für die mittlere Abweichung bestimmten Grenzwerten führt zu einer weiteren erheblichen Verbesserung der Qualität des Videobildes, insbesondere während der Wiedergabe eines ge­ speicherten Videobildes.

Die erfindungsgemäßen Qualitätsverbesserungen ergeben sich in der Vermeidung bisher auftretender unnatürlich und plastisch wirkender feiner Signaldetails, insbesondere auch bei der Wiedergabe menschlicher Haut.

Die durch die Einführung des Übergangsbereichs erzielte Ver­ besserung mag in der Reduktion bzw. Vermeidung von Knickstel­ len in der Funktion für die Ermittlung der Grenzwerte liegen.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Grenzwerte für mittlere Abweichungen zwischen den beiden Schwellwerten nach einer stetigen Übergangsfunktion bestimmt. Diese kann vorzugs­ weise linear oder logarithmisch sein. Vorzugsweise werden mit der Übergangsfunktion Knickstellen am Übergang zwischen den linearen Teilen der Kennlinie völlig vermieden, beispielsweise durch eine geeignete logarithmische Übergangsfunktion.

Die Festlegung der Abstände zwischen dem ersten und dem zwei­ ten Schwellwert kann im Einzelfall durch Versuche ermittelt werden. Vorzugsweise liegt der zweite Schwellwert zwischen dem 1,3- und dem 5fachen, vorzugsweise zwischen dem 2- und dem 3fachen, des ersten Schwellwertes. Es hat sich bewährt, die Größe der Schwellwerte proportional zum maximalen Signalwert festzulegen. Vorzugsweise beträgt der erste Schwellwert zwischen 2 und 5%, vorzugsweise etwa 3%, des maximalen Signalwerts.

Da in dem Anfangsbereich unterhalb des unteren Schwellwerts a1 a = b gilt, beginnt die Übergangsfunktion bei b1 = a1. Der vorgewählte Maximalwert b2 liegt zwischen a1 und a2 und kann zweckmäßigerweise größenordnungsmäßig bei festge­ legt sein.

Stellt sich bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung her­ aus, daß nicht genügend Signalwerte innerhalb der bestimmten Grenzwerte zur Durchführung der Mittelung liegen, wird der Ausgangssignalwert einer anderen Filterungsart unterworfen, vorzugsweise einer an sich bekannten Medianfilterung.

Zur Erhöhung der Detailschärfe des wiedergegebenen Bildes ist es vorteilhaft, wenn zu dem rauschverminderten Signal hochfre­ quente Signalanteile des Videosignals addiert werden. Dies geschieht durch einen Vergleich des Ausgangssignals mit dem rauschreduzierten Signal in Form einer Subtraktion und einem anschließenden Coring des Ausgangssignals der Subtraktions­ stufe derart, daß nur die hochfrequenten Signalanteile mit einer Mindestamplitude dem rauschreduzierten Signal hinzuge­ fügt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise mit wenig­ stens zweidimensionalen Fenstern ausgeführt, also unter Be­ rücksichtigung der in der Zeile benachbarten Signalwerte sowie der entsprechenden Signalwerte in den benachbarten Zeilen.

Eine weitere Verbesserung läßt sich erzielen, wenn zusätzlich eine Fensterbildung über mehrere Bilder (Halb- oder Vollbil­ der) erfolgt. In diesem Fall wird das bearbeitete Signal um wenigstens ein Halbbild verzögert.

Eine einfache Bearbeitung läßt sich mit diskreten Signalwerten vornehmen. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren daher auf Bildpunkten zuzuordnenden Signalwerten angewendet. Diese können insbesondere digital sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild für eine Signalverbesserung unter Einsatz eines mehrdimensionalen Rauschre­ duktionsoperators, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird;

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Funktion des mehrdimensionalen Rauschreduktionsoperators gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Kennlinie b = f (a) zur Festlegung des die Grenzwerte bestimmenden Parameters.

Das in Fig. 1 dargestellte Eingangssignal S1 kann ein belie­ biges Teilsignal eines Videosignals sein, beispielsweise ein Luminanzsignal oder eins der Chrominanzsignale. Das Eingangs­ signal S1 gelangt auf einen mehrdimensionalen Rauschreduk­ tionsoperator 1, dessen Funktion anhand der Fig. 2 näher er­ läutert werden wird. Am Ausgang des Rauschreduktionsoperators 1 steht ein rauschreduziertes Signal S1′ an, das auf den in­ vertierenden Eingang einer Additionsstufe 2 geleitet wird, auf dessen nicht invertierenden Eingang das Signal S1 gelangt. Da der Rauschreduktionsoperator 1 eine Tiefpaßwirkung hat, stellt das bei der Subtraktion entstehende Differenzsignal ein Hoch­ paßsignal dar. Diese gelangt auf eine Coringstufe 3, deren Kennlinie in Fig. 1 angedeutet ist. Die Coringstufe 3 läßt nur solche Signalanteile durch, die oberhalb einer gewissen Mindestamplitude liegen. Der dahinterstehende Gedanke besteht darin, daß das im Hochpaßsignal befindliche Rauschen innerhalb der kleinen Amplituden liegt und auf diese weise mit dem Co­ ringsignal eliminiert wird, so daß das am Ausgang der Coring­ stufe 3 durchgelassene hochfrequente Signal Nutzsignalinhalte dem rauschreduzierten Signal S1′ in einer Additionsstufe 4 wieder hinzufügt und der Rauschanteil unterdrückt ist. Am Aus­ gang der Additionsstufe 4 steht somit das bearbeitete, quali­ tätsverbesserte Signal S2 an.

Die Hinzufügung der hochfrequenten Signalanteile, die am Aus­ gang der Coringstufe 3 anstehen, beruht auf der Erkenntnis, daß bei der Rauschreduktion mit dem Rauschreduktionsoperator 1 eine Unterdrückung hochfrequenter Anteile erfolgen kann, die zu Details des Fernsehbildes gehören und beispielsweise die Wiedergabe einer scharfen Kante bedingen. Die Coringstufe 3 sorgt dafür, daß die üblicherweise eine kleine Amplitude auf­ weisenden Rauschanteile über diese Hinzufügung nicht wieder in das verarbeitete Signal S1′ hinein gelangen.

Die Funktion des mehrdimensionalen Rauschreduktionsoperators 1 ist in Verfahrensschritten in Fig. 2 dargestellt. Für den ak­ tuellen Signalwert, den Ausgangssignalwert P (0, 0, 0) wird in einem ersten Verfahrensschritt 11 ein Fenster definiert, das im vorliegenden Fall die X-Komponente (Zeile), die Y-Kompo­ nente (Spalte) und die Zeitkomponente (Halbbilder) beinhaltet. Mit den so definierten Signalwerten des Fensters wird die mittlere Abweichung (Varianz oder Standardabweichung σ) be­ rechnet. Hierzu wird zunächst der Mittelwert P mit oberem Querstrich gemäß der in Fig. 2 angegebenen Gleichung aus den Signalwerten des Fensters ermittelt und dann die Standardab­ weichung σ mit der ebenfalls in Fig. 2 angegebenen Gleichung im Verfahrensschritt 12 berechnet. Im nachfolgenden Verfah­ rensschritt 13 wird die ermittelte Standardabweichung σ mit 2 multipliziert und damit eine Variable a = 2 σ definiert.

In einem nachfolgenden Verfahrensschritt 14 wird in Abhängig­ keit von der ermittelten doppelten Standardabweichung (a) Werte b ermittelt, die bis zu einem ersten Schwellwert a1 für die Variable a b = a sind. Oberhalb eines zweiten Schwellwer­ tes a2 wird b = b2 gesetzt, also konstant gewählt. B2 ist da­ bei größer als der Wert b1, der dem Schwellwert a1 entspricht. Für den Bereich zwischen dem ersten Schwellwert a1 und dem zweiten Schwellwert a2 wird b mit einer stetigen Übergangs­ funktion festgelegt, die vorzugsweise linear oder logarithmisch sein kann. Die Funktion b = f (a) ist in Fig. 2 grafisch veranschaulicht. Selbstverständlich ist es daher mög­ lich, oberhalb des zweiten Schwellwertes a2 keinen konstanten wert für b einzusetzen. Ein etwaiger Anstieg von b sollte aber wesentlich schwächer als unterhalb des ersten Schwellwerts a1 liegen, so daß b in diesem Bereich zumindest im wesentlichen konstant ist.

Nachdem der für die ermittelte Standardabweichung (a) zutref­ fende Wert b festgestellt worden ist, wird in einem nächsten Verfahrensschritt 15 ein Wertebereich mit einem oberen Grenz­ wert So = P (0, 0, 0) + b und einem unteren Grenzwert Su = P (0, 0, 0) - b definiert.

In einem weiteren Verfahrensschritt 16 wird ein Addierspeicher für die Signalwertsumme S und ein Zähler für addierte Signal­ werte J auf Null gesetzt.

In einem nächsten Verfahrensschritt 17 werden alle Signalwerte im definierten Fenster daraufhin überprüft, ob sie innerhalb der Schwellwerte So, Su liegen. In diesem Fall werden die je­ weiligen Signalwerte P (x, y, z) zu dem Summenwert S hinzu ad­ diert und für jeden addierten Signalwert der Zählerstand J um 1 erhöht.

Im abschließenden Verfahrensschritt 18 wird überprüft, ob der Zählerstand J < 1 ist. In diesem Fall wird der Signalwert P (0, 0, 0) auf den Mittelwert S/J, also auf den Mittelwert über alle innerhalb der Grenzwerte So, Su liegenden Signalwerte festgesetzt. Liegt kein weiterer Signalwert P (x, y, z) inner­ halb der Grenzwerte So, Su, kann naturgemäß keine Mittelung stattfinden. In diesem Fall wird der Signalwert P (0, 0, 0) mit benachbarten Signalwerten einer Medianfilterung unterzogen. Am Ende des Verfahrensschritts 18 (bzw. nach erfolgter Medianfil­ terung) steht das Signal S1′ zur Verfügung.

Der Rauschreduktionsoperator 1 mit der Funktion, wie sie an­ hand der Fig. 2 beschrieben worden ist, läßt sich als Hard­ wareschaltung realisieren und ist daher in dem benötigten Maße echtzeitfähig.

Fig. 3 zeigt an einem Ausführungsbeispiel eine Funktion b = f (a), in der die Werte a1, a2, b1 und b2 proportional zu dem maximalen Signalwert max festgelegt sind, wobei a1 = 3/100 max, a2 = 7/100 max, b1 = 3/100 max und b2 = σ/100 max ist. Bei einer 8 bit-Digitalisierung der Signalwerte ist der maxi­ male Signalwert max beispielsweise 255.

Fig. 3 verdeutlicht auch, daß eine Übergangsfunktion zwischen a1 und a2 realisierbar ist, die vollständig Knicke in der Kennlinie vermeidet.

Claims (15)

1. Verfahren zur Verminderung des Rauschens eines Video­ signals (S1), insbesondere beim Wiedergeben eines auf einem Videorekorder gespeicherten Videosignals, bei dem um jeden Signalwert P (0, 0, 0) als Ausgangssignalwert herum ein Fenster definiert, eine mittlere Abweichung (σ) der Signalwerte in dem Fenster festgestellt und eine Mittelung des Ausgangssignal­ werts mit solchen Nachbarsignalwerten in dem Fenster durchge­ führt wird, die innerhalb von zur festgestellten mittleren Abweichung (σ) abhängigen Grenzwerten (So, Su) liegen, wobei die Grenzwerte (So, Su) mit zur festgelegten mittleren Abwei­ chung (σ) abhängigen Werten (b) eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Schwellwert (a1, a2) für die mittlere Abweichung (σ = a/2) festgelegt wird und daß für eine oberhalb des wenigstens einen Schwellwertes (a1, a2) lie­ gende mittlere Abweichung (σ) die Grenzwerte (So, Su) mit ei­ nem im wesentlichen konstanten, vorgewählten Maximalwert (b2) bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Schwellwert (a1) und ein zweiter Schwellwert (a2) für die mittlere Abweichungen (σ = a/2) festgelegt wird und daß für eine zwischen den beiden Schwellwerten (a1, a2) liegende mittlere Abweichung (σ) Grenzwerte (So, Su) bestimmt werden, die zwischen den zu den beiden Schwellwerten (a1, a2) gehörenden Grenzwerten liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für mittlere Abweichungen (σ) zwischen den beiden Schwellwerten (a1, a2) die Grenzwerte (So, Su) nach ei­ ner stetigen Übergangsfunktion bestimmt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsfunktion linear ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsfunktion logarithmisch ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ausgangssignalwert P (0, 0, 0) einer anderen Filterungsart unterworfen wird, wenn nicht genü­ gend Signalwerte des Fensters innerhalb der bestimmten Grenzwerte (So, Su) liegen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zweite Schwellwert (a2) zwischen dem 1,3- und dem 5fachen des ersten Schwellwerts (a1) liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schwellwert (a2) zwischen dem 2- und dem 3fachen des ersten Schwellwerts (a1) liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste Schwellwert (a1) zwischen 2 und 5% des maximalen Signalwerts beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schwellwert (a1) etwa 3% des maximalen Signalwerts beträgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der vorgewählte Maximalwert (b2) zwischen den beiden Schwellwerten (a1, a2) liegt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein wenigstens zweidimensionales Fen­ ster benutzt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekenn­ zeichnet durch die Anwendung auf Bildpunkten zugeordne­ ten Signalwerten (P (x, y, z)).

14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die An­ wendung auf digitale Videosignale.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zu dem rauschverminderten Signal (S1′) über einer Minimalamplitude liegende hochfrequente Signalanteile des Videosignals addiert werden.