KR930006669B1 - 디지탈 영상신호에 있어서 동작량 제어에 의한 잡음 감소회로 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

디지탈 영상신호에 있어서 동작량 제어에 의한 잡음 감소회로

제1도는 잡음감소의 원리를 설명하기 위한 설명도.

제2도는 종래의 프레임 순회형 잡음 감소회로.

제3도는 모션팩터의 정형화 그래프.

제4도는 본 발명에 따른 동작 적응형 잡음 감소회로.

제5도는 제4도의 정형기의 상세도.

제6도는 제5도의 압력대 출력 특성도.

제7도는 제5도의 정형기의 또다른 압력대 출력 특성도.

본 발명은 디지탈 영상 신호 처리 시스템의 잡음 감소(Noise Reduction)회로에 관한 것으로, 특히 동작 적응형 잡음 감소회로(Motionadaptive Noise reducer)에 관한 것이다.

통상적으로 텔레비죤(TV)의 중간주파 증폭부로 부터 출력되는 영상신호의 신호 성분을 살피면, 원래의 영상신호 성분 이외에 화이트 노이즈(White Noise)성분을 비롯하여 여러가지 성분의 잡음이 포함되어 있으며, 이러한 현상은 영상 신호를 처리하는 영상기기에서 전체적으로 나타난다. 예를 들면 디지탈 영상 처리를 실행하는 영상 기록 재생기, 화상신호 처리 시스템 등이 이러한 현상을 초래한다.

상기와 같은 영상신호의 잡음 성분은 재생화면의 화상을 열화시키는 원인이 되어 시각적으로 매우 거슬리게 보이게 된다.

이와 같은 잡음 성분을 제거하는 방법은 여러가지가 있다. 예를 들면 기존의 휘도/칼라(Y/C) 분리용 라인콤 필터(Line Comb Filter)이나 프레임콤 필터(Frame Comb Filter)등이 될수 있다. 이와 같은 라인 콤필터 또는 프레임 콤필터 등에서의 잡음 감소(Noise reduction)의 원리는 하기와 같다. 상관 관계가 있는 신호를 가산하면 신호의 크기는 2배로 되지만 잡음은 랜덤(Random)하게 존재함으로 2배로 되지 않는다. 이점이 잡음감소의 원리이며 제1도에 이를 도시하였다.

제1도는 잡음감소의 원리를 설명하는 도면으로서, (a)는 현피일드의 주사선 신호이고, (b)는 현피일드이전 주사선신호, (c)는 상기 (a)와 (b)를 가산한 신호이며, (d)는 (c)의 신호를 1/2로 감소시킨 것이다.

상기 제1도에서 S는 영상신호이며, N1과 N2는 잡음이다. 상기 제1도에 도시한 바와 같이 랜덤 잡음(N1)이 포함된 제1a도의 신호와 잡음(N2)가 포함된 제1b도의 신호를 가산하면 제1c도와 같이 신호(S)의 진폭은 2배도 되지만 잡음(N1)(N2)는 그대로 된다. 상기와 같이 제1c도의 신호를 1/2로 하면 신호 S는 제1d도와 같이 원래대로 복원되지만 잡음의 진폭은 1/2로 감소되고, 잡음 전력(Noise power)는 1/로 된다.

상기와 같은 잡음감소의 결과대로라면 잡음에 대한 개선된 약 3dB정도가 된다. 이러한 잡음 개선 효과는 음성 신호 대역에서는 어느 정도 만족되지만 영상신호에서 큰 개선 효과를 기대하기가 힘들다.

따라서 영상신호 처리 시스템에서의 잡음 감소회로는 프레임 메모리를 사용하여 하기 제2도와 같은 프레임 순회형 잡음 감소회로(Prame recurisve noise reduction)를 사용한다.

제2도는 프레임 순회형 잡음 감소회로도로서, 입력영상신호(YIN)로 부터 검출된 잡음 성분신호(α·ε)을 감산하여 잡음이 감소된 영상신호(YOUT)를 출력하는 제1연산기(14)와, 상기 제1연산기(14)의 출력 영상신호(YOUT)를 프레임 지연하여 프레임 지연 영상신호(YOUT-1)를 출력하는 프레임 메모리(20)와, 상기 입력 영상신호(YIN)으로 부터 상기 프레임 지연 영상신호(YOUT-1)을 감산하여 입력 영상 신호(YIN)로 부터 잡음(ε)을 검출하는 제2연산기(18)와, 내부에 잡음 크기가변 계수(α)가 설정되어 상기 제1, 제2연산기(14)(18) 사이에 접속되어 있으며, 상기 제2연산기(18)로 부터 출력되는 잡음(ε)과 상기 가변계수(α)를 승산하여 잡음 성분신호(α·ε)를 상기 제1연산기(14)로 입력시키는 제3연산기(22)로 구성된다.

상기 제2도의 구성중 제1, 제2연산기(14)(18)는 감산기이며, 제3연산기(22)는 승산기(Multiplier)이다.

제2도와 같은 회로에 영상신호(YIN)가 입력되면, 이는 입력라인(12)를 통해 제1, 제2연산기(14)(18)각각의 제1입력 단자(14a)(18a)에 각각 입력된다. 라인(12)를 통한 영상신호(YIN)를 입력한 상기 제1, 제2연산기(14)(18)들은 각각 제2입력단자(14b)(18b)로 입력되는 신호를 상기 제1입력단자(14a)(18a)로 입력되는 신호에서 감산하여 출력한다. 이때 상기 제1연산기(14)의 출력은 잡음이 감소되어진 영상신호(YOUT)를 출력단자(14c)로 출력하고, 제2연산기(18)은 잡음신호(ε)를 출력단자(18c)로 출력한다.

상기 제1연산기(14)의 출력단자(14c)에 접속된 프레임 메모리(20)는 입력 영상신호 즉 잡음이 감소된 제1연산기(14)의 출력영상신호(YOUT)를 프레임 지연하여 1프레임 지연된 영상신호(YOUT-1)를 제2연산기(18)의 제2입력단자(18b)에 입력시킨다.

따라서 제2연산기(18)는 제1입력단자(18a)로 입력되는 현 프레임의 영상신호 (YIN)에서 잡음이 감소되어 프레임 지연된 프레임 지연 영상신호(YOUT-1)를 감산하여 잡음 신호(ε)만을 제3연산기(22)에 입력시킨다. 상기 제3연산기(22)는 제3연산기(22)로 부터 출력되는 잡음 신호(ε)를 내부에 설정된 잡음 크기 가변계수(α)와 승산하여 잡음 성분 신호(α·ε)를 제1연산기(14)에 입력시킨다.

상기 제1연산기(14)는 전술한 바와 같이 라인(12)으로 입력되는 현 프레임의 영상신호(YIN)에서 잡음 신호 성분(α·ε)를 감산하여 잡음이 감소된 영상신호(YOUT)만을 출력라인(16)으로 출력한다.

위와 같은 제2도의 회로는 입력되는 영상신호에 대해서 정지화에서는 프레임간에 영상신호가 높은 상관성을 가지는 반면 잡음은 거의 상관성이 없다는 성질을 이용하여 잡음 성분만을 검출한후 원 영상신호에서 검출한 잡음 성분을 감산하는 방법을 사용하여 잡음 감소를 함을 알 수 있다. 이때 검출된 잡음 성분의 크기를 가변시킬 수 있게 하며, 그 값을 "α"로 하고 있다.

위 제2도와 같은 회로에 따라서 S/N(신호대 잡음)비를 계산하면 하기와 같다.

*Z-트랜스핌 형태(Z-Transform Type)

YOUT(Z)=YIN-α(YIN-YOUT Z^-1) ……………………………………(1)

=YIN-αYIN+αYOUT Z^-1

상기 식(1)에서 Z^-1프레임 지연 소자임.

상기 식(1)을 출력 YOUT에 대해 정리하면 식(2)와 같다.

입력 출력 관계를 이산 신호 형태로 정리하면 하기 식(3)과 같다.

YOUT(n)=(1-α){YIN(n+αYIN(n-1)+α²YIN(n+2)} ………(3)

영상 신호를 Y라 하고 원신호와 잡음합을 살피면 하기 식(4)와 같다.

Y=S+N ………………………………………………………………………(4)

(S : 원영상신호, N은 잡음)

위 제4식을 제3식에 대입 정리하면 출력 YOUT(n)은

상기 식(5)에서 S(n-1)(여기서 i=0,1,2,…)는 정지화인 겨우 그 값은 모두 같지만 N(n-i)(여기서 i=0,1,2,…)는 랜덤한 관계로 그 값은 모두 다르다.

상기와 같은 성질을 이용해 출력 YOUT(n)을 재정리하면 하기 식(6)과 같다.

상기에서 1+α+α²+… 는이고, 상기 식(6)을 잡음에 대해서 설현치(Root mean square)로 나타내면 하기와 같다.

1-α

이 경우 α·N·N(n-1)+α³N(n-1)·N(n-2)+…=0, 왜냐하면 잡음과 잡음의 곱은 다시 잡음이며, 잡음의 총합은 0(zero)가 된다. 또 각 시점에서의 잡음의 진폭은 비슷함으로 N²=N²(n-1)=N²(n-2)=…이다.

결국 출력YOUT(n)는 하기 식(8)과 같이 된다.

따라서

그러므로 상기 식(9)에서와 같이 S/N비는 "α"에 따라서 변화됨을 알 수 있으며, 전술한 콤필터에 의한 잡음 감소 효과보다 훨씬 크다는 것을 알 수 있다.

그러나 위와 같은 결과는 어디까지나 영상신호의 정치화에 대한 결과이며, 동화인 경우에는 위에서 전계한 식들이 적용되지 않는다. 즉 매 프레임마다 영상신호가 바뀌기 때문에 출력라인(16)으로는 신호 "S"가 나오지 않는다. 이와 같은 경우 화상의 형태는 잔상이 생겨 보이며 매우 심한 화질의 결과를 가져오게 된다. 이러한 결과를 종합하여 보면, 제2도와 같은 화로에서는 동화일때 잡음감소(Noise Reduction)를 하지 않아야 하고, 정지화일때에만 잡음 감소 동작을 해야 함을 알 수 있다.

따라서 제2도와 같은 회로로서는 동화의 영상신호에 포함된 잡음을 감소시킬 수 없는 문제가 있어 왔다.

따라서 본 발명의 목적은 동화에서는 잡음 제거 동작을 억제하면서 잡음 제거 효과를 올리게 하도록 모션팩터(Motion factor)에 대한 정형을 실시하여 잡음 제거 제어를 실행하는 동작량 제어에 의한 잡음 감소 회로를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 모션 팩터를 정형화시키고, 정형화된 모션 팩터값에 의하여 잡음 감소의 정도를 다르게 하여 동화시의 잡음 감소시 발생하는 잔상 효과를 억제하는 회로를 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 모션팩터를 정형화하는 모션팩터 정형기를 제공함에 있다.

이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제4도는 본 발명에 따른 동작량 제어에 의한 잡음 감소회로도로서, 정형된 모션 팩터(Reshaped Motion factor) 즉 정지량에 의해 제어되는 잡음 크기 가변 계수(α)가 설정되어 있으며, 입력되는 잡음신호(ε)를 상기 정지량에 의해 제어되는 가변계수(α)와 승산하여 잡음 성분 신호(α·ε)를 출력하는 승산기(24)의 출력 입력 단자가 상기한 제2도의 제1 제2연산기(14)(18)의 제2입력단자와 출력단자 사이에 접속되며, 입력되는 모션팩터(Motion Factor)를 정형화하여 상기 승산기(24)의 제어신호로 출력하는 정형기(22)가 상기 승산기(24)에 접속 구성되며, 그 이외의 구성 및 부호는 제2도와 동일하다.

제5도는 제4도의 정형기의 상세도로서, 모션팩터를 소정 클럭으로 래치하여 반전 출력하는 래치회로(24)와, 상기 래치회로(24)의 출력을 제1입력단자(27)로 입력하고 상기 제1입력단자(27)로 입력되는 신호중 최상위 비트(MSB)를 캐리 입력단자로 입력하여 가산 출력하는 가산기(30)로 구성된다.

상기 제5도의 구성중 번호 28은 캐리(carry) 입력 단자이고, 34는 제2입력단자로 4비트가 모두 "0"으로 입력된다. 그리고 제5도에서는 모션 팩터를 래치를 이용하여 1의 보수값을 얻었으나 인버트를 사용하여 할 수도 있다.

제6도는 제4도의 정형기의 입력과 출력의 관계를 그래프로 도시한 것으로, 모션 팩터가 크면 클수록 정지량은 적어지고, 적으면 제4도의 승산기(24)에 입력되는 정지량은 커진다.

제7도는 제4도의 정형기의 또다른 실시예로써, 입력대 출력 특성을 나타낸 것이다.

이하 본 발명에 다른 제4도의 동작을 제5도 내지 제7도 및 제3도를 참조하여 설명하기에 앞서 우선 입력 영상 신호의 동화 판단을 설명한다.

입력 영상 신호(YIN)가 동화인지를 판단하는 것은 본원 출원인에 의해 1989년 특허출원된 특허 제11642호에 의해 실행할 수 있다. 또 동작 검출의 오검출을 방지하기 위하여 본원 출원인에 의해 1989년 특허출원 된 특허출원 제876호의 수평방향의 신장회로를 사용하여 동작량을 정형화시킨다.

이와 같이 정형된 동작량(모션팩터)를 본 발명의 잡음 감소 회로에 적용한다.

상기 동작량은 영상신호의 움직임 정도를 나타내며, 동작량이 클수록 화상의 움직임량이 많다고 할 수 있다. 본 발명에서 고려되어야 할 사항은 동작량이 클수록 잡음 감소 동작을 억제하여야 한다는 것이다. 즉 동작량은 잡음 감소는 반비례 관계가 있다는 것이다. 따라서 본 발명에서 필요로 하는 데이타는 동작량이 아니라 정지량이다. 동작량으로 정지량을 원하는 방법은 본원 출원인에 의해 1989년 특허출원된 제11912호에 의해 실행할 수 있다.

단순한 모션 팩터(Motion factor) (운동량 또는 동작량)을 잡음 감소 회로의 효과를 높이기 위해 정형화하는 방법을 그래프로 도시하면 제3도와 같다.

상기 제3a,b,c도는 입력 운동량에 따른 운동량과 정지량을 도시한 것이다. (a)는 입력되는 운동량에 대해서 거의 선형적인 반비례 관계를 갖는 정지량을 도시하고 있는데, 이 정지량을 잡음 감소 회로의 검출된 잡음 성분의 크기를 조절하는 제어량으로 사용하게 된다.

이와 같은 경우 화상의 움직임이 증가할 수록 거의 반비례 관계로 잡음 제거 효과를 반감시키게 된다. 그러나 이 경우 보다는 (b)와 같이 점진적인 변화보다는 어느 정도 임계치를 가지고 변화하는 것이 잡음 감소제어에 있어서 효과적일 수 있다.

왜냐하면 제3a도와 같이 임계치가 없이 점진적으로 변화를 주면 전반적으로 잡음 감소를 억제하는 효과를 가져오게 하고, 임계치가 있으면 잡음 감소가 되는 부분을 명확하게 느끼면서 동시에 잔상을 억제하는 효고를 기대할 수 있기 때문이다.

지금 제4도의 입력라인(12)에 영상신호(YIN)이 입력되고, 정형기(22)에 상기 영상신호(YIN)의 모션 팩터(운동계수 ; 운동량)이 입력되면, 상기 정형기(22)는 입력 모션팩터를 정형화시키여 출력라인(22a)로 출력한다.

상기 정형기(22)의 동작을 제5도와 제6도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

4비트의 모션 팩터(운동계수)가 래치(26)로 입력되면, 래치(26)는 입력 클럭으로 이를 래치하여 출력단자(Qp)(Q positive)와 (QN)(Q Negative)로 출력한다. 이때 QN으로는 입력 모션 팩터의 1'S보수값(반전된 신호)이 출력된다. 상기 래치회로(26)의 출력단자(QN)에서 출력된 신호는 4비트 가산기(30)의 제1입력단자(27)에 입력됨과 동시에 MSB가 상기 가산기(30)의 캐리 입력단자(28)에 입력된다. 따라서 가산기 (30)의 출력단자로는 제6도와 같이 모션 팩터에 대해 0∼7까지는 정지량을 16∼9까지로 변환된 신호가 출력된다.

즉 0∼7까지의 모션 팩터는 래치회로(26)의 반전 출력에 의해 4비트의 데이터 15∼8로 바뀌었다가 4비트의 가산기(30)에서 MSB의 캐리"1"과 가산되어진다. 즉 MSB가 모두 "1"이므로 가산기(30)의 출력은 5비트 데이터인 16∼9로 출력된다.

만약 모션 팩터가 8∼15인 경우의 값은 래치(26)에 의해 1의 보수값으로 반전된 값 7∼0으로 출력되고 이것은 4비트의 가산기(30)를 통하는데 4비트 데티터시에는 MSB가 "0"가 된다. 따라서 모션 팩터가 8∼15인 경우 가산기(30)의 출력은 5비트의 데이터인 7∼0로 그대로 출력된다.

따라서 정형기(22)는 제6도와 같이 모션 팩터가 큰 경우 정지량(Reshaped Motion factor)는 적은값으로 출력하게 하며, 모션 팩터가 적은 경우 정지량은 큰값으로 출력하게 된다.

상기와 같이 모션 팩터를 입력하는 정형기(22)가 제6도와 같이 입력 모션 팩터에 대응한 정지량(Reshaped Motion factor)를 출력하면 승산기(24)내 설정된 잡음 크기 가변 계수 "α"가 가변된다. 즉 입력 영상 신호의 운동량에 따라 잡음크기 가변 계수 "α"가 동작적응형으로 가변된다.

이와 같은 동작에 의해 승산기(24)의 잡음 크기 가변 계수 α가 동작 적응형으로 가변되는 상태에서 제2연산기(18)에서 잡음신호(ε)가 출력되면 이는 제2도에서 전술한 바와 같이 내부의 "α"와 승산되어 제1연산기(14)에 입력되면, 잡음 감소 동작을 실행한다.

이때 상기 승산기(24)의 잡음 크기 가변 계수(α)가 정형기(22)의 출력에 따라 가변됨으로 동화면에 대해서도 잡음 감소 동작이 행하여진다.

예컨대 모션 팩터의 값이 제6도에서와 같이 "15"이면 정지량이 "0"이므로 승산기(24)의 "α"는 "0"가 되어 잡음 감소 효과는 나타나지 않게 되며, 운동량이 감소할수록 잡음 감소 효과는 증대된다.

본 발명의 동작예에서는 모션 팩터가 4비트인 경우의 예를 들어 설명하였으나 모션 팩터의 비트 사이즈는 자유롭게 확대 축소하여 동일 형태로 설계가 가능하다.

그리고 본 발명에서는 정형기(Reshaper)는 단순히 운동량에 대해서 반비례하게 정지량을 구현하였으나 보다 효과적으로 제어를 위해서는 제7a도와 같은 입출력 관계를 갖는 정형기를 구현할 수도 있다.

왜냐하면 단순히 반비례 관계를 갖게 되면 노이즈 감소 효과가 급격히 떨어지며, 잡음 감소장치의 의미가 희박해질 가능성이 있다.

따라서 잡음 감소에 의한 화질 개선의 측면과 잡음 감소에 의한 잔상 발생 및 화질 열화측면을 함께 고려하여 임계점을 설정한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 동화면의 운동량을 정형화시키고, 상기 정형화된 값으로 잡음 감소회로를 동작 적응형으로 제어하여 잡음 감소정도를 운동량에 따라 다르게 함으로써 동화시의 잡음 감소시에 발생되는 잔상을 제거할 수 있다.

Claims (4)

1. 입력영상신호(YIN)로 부터 검출된 잡음 성분신호(α·ε)을 감산하여 잡음이 감소된 영상신호(YOUT)를 출력하는 제1연산기(14)와, 상기 제1연산기(14)의 출력 영상신호(YOUT)를 프레임 지연하여 프레임 지연 영상신호(YOUT-1)를 출력하는 프레임 메모리(20)와, 상기 입력 영상신호(YIN)으로 부터 상기 프레임 지연 영상신호(YOUT-1)을 감산하여 입력 영상신호(YIN)로 부터 잡음(ε)을 검출하는 제2연산기(18)를 구비한 디지탈 영상신호에 있어서 동작량 제어에 의한 잡음 감소회로에 있어서, 입력되는 모션 팩터를 정형화하여 상기 모션 팩터에 거의 반비례되는 정지량을 출력하는 정형기(22)와, 상기 정형기(22)로 부터 출력되는 정지량에 의해 동작 적응적으로 가변되는 잡음 크기 가변계수(α)가 설정되어 상기 제2연산기(18)의 출력단자와 제1연산기(14)의 제2입력단자 사이에 접속되어 있으며, 상기 제2연산기(18)로 부터 출력되는 잡음 신호(ε)를 상기 정지량에 의해 제어되는 가변계수(α)와 승산하여 잡음 성분 신호(α·ε)를 출력하는 승산기(24)로 구성되어 상기 입력 영상신호(YIN)의 모션 팩터에 따라 입력영상신호의 잡음 감소를 적응적으로 함을 특징으로 하는 디지탈 영상신호에 있어서 동작량 제어에 의한 잡음 감소회로.
2. 제1항에 있어서, 정형기(22)가 입력되는 모션 팩터를 1의 보수로 변환 출력하는 보수 변환 수단과, 상기 보수 변환 수단으로 부터 출력되는 데이터를 입력하고, 상기 데이터의 MSB를 캐리단자로 입력하여 두 신호를 가산함으로서 입력 모션 팩터에 대응한 정지량을 출력하는 가산기(30)로 구성함을 특징으로 하는 디지탈 영상신호에 있어서 동작량 제어에 의한 잡음 감소회로.
3. 제2항에 있어서, 보수변환 수단이 모션 팩터를 소정의 클럭에 의해 래치하여 제1출력단자 및 제1출력단자의 출력과 반전된 신호를 가산기(30)로 출력하는 래치회로(26)임을 특징으로 하는 디지탈 영상신호에 있어서 동작량 제어에 의한 잡음 감소회로.
4. 제2항에 있어서, 보수 변환 수단이 소정 비트의 상태로 입력되는 모션 팩터를 반전하여 1의 보수로 출력하는 인버터임을 특징으로 하는 디지탈 영상신호에 있어서 동작량 제어에 의한 잡음 감소회로.