DE69329670T2 - Verfahren und Gerät zur Rauschminderung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur Rauschverminderung.
Hintergrund
• Es sind verschiedene Arten von Rauschfiltern bekannt. Ein Beispiel gibt M. Unser in dem Aufsatz "Improved restoration of noisy images by adaptive least-squares post-filtering", Signal Processing 20 (1990), Seiten 3-14. Normalerweise benötigen solche Filter eine gewisse Menge an Speicherung, z. B. Halbbild- Speicher, oder sie sind nicht für jeden Rauschpegel geeignet, oder sie sind nicht anpassungsfähig an die örtliche Struktur des Bildes.
Erfindung
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Rauschverminderung zu offenbaren, das nur eine einfache Hardware benötigt, und das verschiedene Rauschpegel und Bildstrukturen berücksichtigt. Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 offenbarte Verfahren gelöst.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu offenbaren, die das erfindungsgemäße Verfahren verwendet.
• Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 7 offenbarte Vorrichtung gelöst.
• Für die erfindungsgemäße Rauschverminderung werden die nachfolgend aufgelisteten Haupterfordernisse in Betracht gezogen:
• - Halbbild-Verarbeitung, d. h. ohne Halbbild-Speicher;
• - wenige Speicher und einfache Hardware-Realisierung;
• - Verarbeitung adaptiv an jeden Rauschpegel;
• - Verarbeitung adaptiv an die örtliche Struktur des Bildes, d. h. Feststellung von ebenen Bereichen, Kanten und feinen Einzelheiten, um so die relevante Information des Bildes zu erhalten.
• Es können verschiedene Filter verwendet werden:
• 1. lineares Tiefpaßfilter mit verschiedenen Koeffizienten;
• 2. Median-Filter;
• 3. lineares Filter in der Richtung der Kanten (Richtungsfilter);
• 4. Richtungs-Median-Filter;
• 5. gewichtete Durchschnitte der Filter 1, 2, 3 und 4;
• 6. Filterung mit einem der Filter 1, 2, 3 und 4 mit festem Schwellwert und örtlicher Messung der Bildaktivität durch den Laplace-Operator.
• Diese Filtertypen haben die folgenden Eigenschaften:
• - Median-Filter sind besser geeignet, um Rauschen in ebenen Bereichen zu entfernen als lineare Filter, insbesondere im Fall von Hochfrequenz-Rauschen mit hoher Amplitude;
• - Median-Filter erhalten die Kanten, was lineare Filter nicht tun;
• - Richtungs-Filter sind sehr wirksam für die Erhaltung von Kanten und Bildqualität, während sie nur leicht, aber wirksam genug filtern;
• - Median-Filter verlieren vollständig die feinen Strukturen (z. B. eines Zonen-Platten-Testbildes), und der einzige Weg zu ihrer Erhaltung ist die Verwendung eines Richtungs-Filters;
• - gewichtete Durchschnitte von Filtern ergeben gute Ergebnisse, aber die Wichtungskoeffizienten sind nicht leicht örtlich ohne korrekte Rauschabschätzung anzupassen, und sie können zu harter Umschaltung und zur Einführung von Artefakten führen;
• - Schwellwerte und örtliche Messungen der Aktivität ergeben gute Ergebnisse bei Anpassung an das Bild, aber sie müssen mit Rauschabschätzung für das gesamte Bild kombiniert werden.
• Die erfindungsgemäße Lösung ist global und örtlich adaptiv. Das ausgeführte Filter wird von dem von Unser (oben zitiert) vorgeschlagenen Filter abgeleitet und arbeitet wie folgt: Das rauschbehaftete Eingangssignal x wird mit einem Wiederherstellungs-Filter vom Median-Typ gefiltert, um ein gefiltertes Eingangssignal y zu erzeugen. Die Summe der absoluten Differenzen zwischen gefiltertem und ungefiltertem Signal wird für jede Position eines gleitenden Fensters innerhalb des Eingangssignals berechnet, was eine örtliche Abschätzung des Rauschens darstellt, und wird mit einer globalen Messung des Eingangssignal- Rauschens kombiniert, um durch Regression der kleinsten Quadrate zwei Koeffizienten a und b zu berechnen, die jeweils dem ungefilterten und gefilterten Signal zugeführt werden, um das Ausgangssignal z = a·x + b·y zu erzeugen.
• Vorteilhafterweise ist die einzig erforderliche frühere Information die Rauschvarianz σ², wobei angenommen wird, daß das ursprüngliche Signal u durch zusätzliches stationäres Rauschen n verschlechtert wird. Die Größe des örtlichen Rauschabschätzungs- Fensters kann sich von der Größe der von dem Wiederherstellungs- Filter verwendeten Größe unterscheiden, wobei sie unabhängig für optimale Funktion eingestellt werden können.
• Die Wichtungskoeffizienten a und b werden in dem Sinne optimal gemacht, daß sie den quadratischen Fehler ε² zwischen dem Ausgangssignal z und dem rauschfreien ursprünglichen Signal u minimieren. Es trifft zu, daß das ursprüngliche Signal an einem Empfänger nicht bekannt ist, aber es können an der Empfängerseite globale Rauschstatistiken berechnet (z. B. beschrieben in EP-A- 92400785) und für diese Optimierung verwendet werden. Vorzugsweise ist a + b = 1, so daß durch die Filterung keine Vorspannung eingeführt wird. Diese Lösung funktioniert üblicherweise etwas schlechter, ist aber in der Ausführung ziemlich einfach, und es muß keine rechnerische Kompliziertheit hinzugefügt werden. Wenn die Filterung dazu neigt, das Signal zu verschlechtern, wird dem ungefilterten Signal x ein vorherrschendes Gewicht gegeben. Wenn umgekehrt die Summe der Differenzen klein und nahe einem Bezugswert ist, der dem Rest des Rauschens allein entspricht, wird das Gewicht zu dem gefilterten Signal verschoben.
• Die Wahl der Art des Wiederherstellungs-Filters beeinflußt stark den Vorzug der erfindungsgemäßen Rauschverminderung. Daher können vorteilhafterweise verschiedene Arten von Filtern parallel arbeiten, wobei die Art eines ausgewählten Filters örtlich an die Bildqualität angepaßt werden muß. Der Zweig, in dem sich ein minimaler Fehler zwischen dem gefilterten und dem ungefilterten Signal ergibt, wird ausgewählt.
• Es wird ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine Vorrichtung in den Ansprüchen 1 und 7 vorgeschlagen.
• Vorteilhafte zusätzliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den entsprechenden Unteransprüchen.
Zeichnungen
• Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:
• Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rauschverminderungs-Schaltung;
• Fig. 2 filterbezogene Richtungen in dem Bild;
• Fig. 3 ein Fenster zur Rauschfilterung;
• Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rauschverminderungs-Schaltung;
• Fig. 5 Korrekturbegriffe für den Vergleich der Filter-Fehler.
Bevorzugte Ausführungsformen
• In Fig. 1 wird Rauschen n in einem Kanal, z. B. in einem Fernsehkanal, einem rauschfreien Ursprungssignal u, z. B. einem Fernsehsignal, hinzugefügt. Das resultierende rauschbehaftete Eingangssignal x der erfindungsgemäßen Vorrichtung, z. B. in ei nem Fernsehempfänge oder einem Video-Kassettenrecorder, wird mit einem Wiederherstellungs-Filter MF von Median-Typ gefiltert, um ein gefiltertes Eingangssignal y zu erzeugen. Die Differenz Δ zwischen dem Signal x und dem Signal y wird in einer Subtraktionsschaltung SUB berechnet und einer Steuerschaltung CON zugeführt, die von Δ die Summe der absoluten Differenzen zwischen gefiltertem und ungefiltertem Signal für jede Position eines gleitenden Fensters innerhalb des Eingangssignals x bildet, was eine örtliche Abschätzung des Rauschens darstellt. Die globalen Rauschstatistiken können in einer Rausch-Meßschaltung NM berechnet werden. Die örtliche Rauschabschätzung wird in der Steuerschaltung CON mit der globalen Messung σ² des Eingangssignal- Rauschens kombiniert, um durch Regression der kleinsten Quadrate zwei Koeffizienten a und b zu berechnen, die jeweils dem gefilterten und ungefilterten Signal zugeführt werden, um das Ausgangssignal z = a·x + b·y zu erzeugen. Dies kann durch Multiplizieren des Signals x in einer ersten Multiplikationsschaltung MUL1 mit dem Faktor a und durch Multiplizieren des Signals y in einer zweiten Multiplikationsschaltung MUL2 mit dem Faktor b erfolgen. Die Ausgänge von MUL1 und MUL2 werden in einer Additionsschaltung ADD0 addiert, was zu einem rauschverminderten Ausgangssignal z führt.
• Da die Art des Filters MF die resultierende Rauschverminderung und Bildqualität beeinflußt, können vorteilhafterweise verschiedene Filter-Typen parallel arbeiten. Dann besteht, das Problem, wie der Ausgang des am besten passenden Filters gewählt wird. In Fig. 4 arbeiten drei Filter DMF, MED und AV von unterschiedlicher Art, wobei gewichtete Durchschnitte von jeden zwei aufeinanderfolgenden Filter-Ausgängen berechnet werden.
• Jeder Durchschnitt wird wie in Fig. 1 durch Minimieren des quadratischen Fehlers σ² zwischen dem Ausgangssignal z und dem rauschfreien Signal u erhalten. Ein entsprechendes gefiltertes Ausgangssignal zi, i = 0 bis 2 wird durch Prüfen der jeweiligen Fehler ausgewählt: der ausgewählte Zweig entspricht dann dem minimalen Fehler. Dieses Verfahren erlaubt ein Umschalten zwischen Filtern in Abhängigkeit von den statistischen Eigenschaften der örtlich gefilterten und ungefilterten Bilder.
• Die drei Wiederherstellungs-Filter sind:
• DMF - Richtungs-Median-Filter;
• MED - Median-Filter;
• AV - Durchschnitt.
• Das in Fig. 3 dargestellte gleitende Fenster 30 hat eine Größe von 5 Pixeln mal 3 Zeilen. Da die Verarbeitung nicht auf einer Vollbild-Basis, sondern auf einer Halbbild-Basis (F1; F2) erfolgt, entspricht diese Größe einem Bereich von 5 mal 5 Pixeln für das Zeilensprung-Bild (Zeilen des Halbbildes F1). Das Richtungs-Median-Filter arbeitet wie folgt:
• Es seien die von dem Fenster 30 in Betracht gezogenen Pixel xji, j = 0 bis 2, i = 0 bis 4. Die geprüften Filter-Richtungen in Fig. 2 werden di, i = 0 bis 5 genannt. Die jeweiligen Gradienten werden entsprechend abgeschätzt durch:
• g&sub0; = x&sub0;&sub0;-x&sub1;&sub2; + x&sub2;&sub4;-x&sub1;&sub2; ;
• g&sub1; = x&sub0;&sub1;-x&sub1;&sub2; + x&sub2;&sub3;-x&sub1;&sub2; ;
• g&sub2; = x&sub0;&sub2;-x&sub1;&sub2; + x&sub2;&sub2;-x&sub1;&sub2; ;
• g&sub3; = x&sub0;&sub3;-x&sub1;&sub2; + x&sub2;&sub1;-x&sub1;&sub2; ;
• g&sub4; = x&sub0;&sub4;-x&sub1;&sub2; + x&sub2;&sub0;-x&sub1;&sub2; ;
• g&sub5; = 1/2* ( x&sub1;&sub0;-x&sub1;&sub2; + x&sub1;&sub1;-x&sub1;&sub2; + x&sub1;&sub3;-x&sub1;&sub2; + x&sub1;&sub4;-x&sub1;&sub2; ).
• Die ausgewählte Richtung wird durch den kleinsten Gradienten gegeben. Die entsprechenden Ausgangssignale y&sub1; des Filters DMF sind Median-Werte.
• m&sub0; = median (x&sub0;&sub0;, x&sub1;&sub2;, x&sub2;&sub4;);
• m&sub1; = median (x&sub0;&sub1;, x&sub1;&sub2;, x&sub2;&sub3;);
• m&sub2; = median (x&sub0;&sub2;, x&sub1;&sub2;, x&sub2;&sub2;);
• m&sub3; = median (x&sub0;&sub3;, x&sub1;&sub2;, x&sub2;&sub1;);
• m&sub4; = median (x&sub0;&sub4;, x&sub1;&sub2;, x&sub2;&sub0;);
• m&sub5; = median (x&sub1;&sub1;, x&sub1;&sub2;, x&sub2;&sub1;&sub3;).
• Wenn zwei oder mehr dieser Richtungen zu einem minimalen Gradienten führen, wird der Durchschnitt der entsprechenden Signale genommen, um den Ausgang y&sub1; zu erzeugen. Solche Mehrfach-Minimum- Gradienten erscheinen bei weniger als 1% von Pixeln. Der Ausgang y&sub2; des Filters MED ist:
• Y&sub2; = median (xji)
• 0 ≤ i ≤ 4
• 0 ≤ j ≤ 2
• Der Ausgang y&sub3; des Filters AV ist:
• Y&sub3; = 1/15 · Σ (xji)
• 0 ≤ i ≤ 4
• 0 ≤ j ≤ 2
• In Fig. 4 entsprechen die Schaltungen ADD, DMF, SUB2, CON0, MUL1, MUL2 und ADD0 den Schaltungen ADD, MF, SUB, CON, MUL1, MUL2 und ADD von Fig. 1. Der Eingang des Filters DMF ist auch mit einem zweiten Filter MED und mit einem dritten Filter AV verbunden und kann auch mit einem zusätzlichen Filter AF verbunden werden, das das Ausgangssignal y&sub0; von dem rauschbehafteten Eingangssignal x bildet. Das Eingangssignal x wird auch einer ersten, dritten und fünften Subtraktionsschaltung SUB1, SUB3 und SUB 5 zugeführt. Die Ausgangssignale y&sub1;, y&sub2; bzw. y&sub3; der Filter DMF, MED bzw. AV werden in den Subtraktionsschaltungen SUB1, SUB2 bzw. SUB3 von dem Eingangssignal x subtrahiert. Die Ausgänge D&sub0;, D&sub1; bzw. D&sub2; dieser Subtraktionsschaltungen sind jeweils mit einer entsprechenden Steuerschaltung CON0, CON1 bzw. CON2 verbunden. Die Differenzsignale Δ&sub0;, Δ&sub1; bzw. Δ&sub2;, die in einer zweiten, einer vierten und einer sechsten Subtraktionsschaltung SUB2, SUB4 bzw. SUB6 zwischen Signalen y&sub0; (= x) und y&sub1;, y&sub1; und y&sub2; bzw. y&sub2; und y&sub3; berechnet wurden, werden ebenfalls den entsprechenden Steuerschaltungen CON0, CON1 und CON2 zugeführt. Wenn das Filter AF fortgelassen wird, kann auch SUB1 fortgelassen werden, da D&sub0; = Δ&sub0; ist.
• Die erste Steuerschaltung CON0 steuert den Koeffizienten a&sub0; einer ersten Multiplikationsschaltung MUL1, die das Signal y&sub0; multipliziert, und den Koeffizienten b&sub0; einer zweiten Multiplikationsschaltung MUL2, die das Signal y&sub1; multipliziert. Die Ausgänge dieser Multiplikationsschaltungen werden in der Addierschaltung ADD0 addiert, wodurch das Ausgangssignal z&sub0; gebildet wird.
• Die zweite Steuerschaltung CON1 steuert den Koeffizienten a&sub1; einer dritten Multiplikationsschaltung MUL3, die das Signal y&sub1; multipliziert, und den Koeffizienten b&sub1; einer vierten Multiplikationsschaltung MUL4, die das Signal y&sub2; multipliziert. Die Ausgänge dieser Multiplikationsschaltungen werden in der Addierschaltung ADD1 addiert, wodurch das Ausgangssignal z&sub1; gebildet wird. Die dritte Steuerschaltung CON2 steuert den Koeffizienten a&sub2; einer fünften Multiplikationsschaltung MUL5, die das Signal y&sub2; mul tipliziert, und den Koeffizienten b&sub2; einer sechsten Multiplikationsschaltung MULE, die das Signal y&sub3; multipliziert. Die Ausgänge dieser Multiplikationsschaltungen werden in der Addierschaltung ADD2 addiert, wodurch das Ausgangssignal z&sub2; gebildet wird.
• In einer siebten, achten und neunten Subtraktionsschaltung SUB7, SUB8 bzw. SUB9 werden die Differenzsignale zwischen den entsprechenden Ausgangssignalen z&sub0;, z&sub1; und z&sub2; und dem Eingangssignal x (Fehler im Fenster) berechnet. Diese Ausgangssignale der Subtraktionsschaltungen werden in einer vierten Steuer- und Mischschaltung COM verwendet, um eines der Ausgangssignale z&sub0;, z&sub1; und 22 mit dem Ausgang z entsprechend dem minimalen Fehler zu verbinden.
• Zur Berechnung des minimalen Fehlers in den vier Steuerschaltungen wird die bekannte Rausch-Varianz σ² verwendet, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben. In der Steuerschaltung COM kann eine harte oder weiche Umschaltung durchgeführt werden.
• Die in CON0, CON1 und CON2 zu minimierenden quadratischen Fehler sind für i = 0 bis 2:
• worin NR die Gesamtzahl von Pixeln in dem Bereich R ist, der dem gleitenden Fenster 30 entspricht. Die Bezeichnung Su, V wird ver wendet, um eine Summe von Quadraten über dem Bereich R zu bezeichnen und wird wie folgt definiert:
• Worin k und l Elemente von R sind und u und v für entweder x, yi, zi oder u stehen. u ist nicht bekannt, so daß Syi, u nicht in einer solchen Weise berechnet werden können. Statt dessen wird von einer früheren Kenntnis der Rauschstatistiken Gebrauch gemacht. Es wird der Einfachheit halber angenommen, daß ai und bi über dem Bereich R konstant sind. Dann (Gleichung 1):
• Die Beschränkung ist ai + bi = 1. Die Minimierung mit dieser Beschränkung führt zu dem folgenden System von Gleichungen:
• aiSyi,yi + biSyi,yi+1 + λi = Syi,u aiSy,yi+1 + biSyi+1,yi+1 + λi = Syi+1,u ai + bi = 1
• worin λi ein Lagrange-Multiplikator ist.
• Die Lösung ist:
• ai = (Syi,u - Syi+1,u - Syi,yi+1 + Syi+1,yi+1)/Δi
• bi = (-Syi,u + Syi+1,u - Syi,yi+1 + Syi,yi)/Δi
• worin Δi = Syi,yi - 2Syi,yi+1 + Syi+1, yi+1 = Syi-yi+1,yi-yi+1
• Weil u = x - n,
• Syi,u = Syi,x - Syi,n = Sx,yi - Sui',n - Sni',n Sx,yi - ρiσ² wobei für jedes Filter Fi: ui' das gefilterte rauschfreie Signal ist, ni' ist das gefilterte Rauschen, σ² = E(n²(k, l)) ist die bekannte Rausch-Varianz, und ρi = E (n (k, l)ni'(k, l)) ist der restliche Rausch-Korrelationskoeffizient nach Filterung mit Fi (d. h.. ρ = 1: keine Filterung; ρ = 0: volle Filterung, kein verbleibendes Rauschen).
• Die Annahme von stationärem Rauschen erlaubt hier eine einfache Abschätzung dieser Koeffizienten ρi. Aber wenn sie für eine andere Art von Rauschen bekannt sind, ist es möglich, das Filter auf weniger restriktive Bedingungen auszudehnen. Unter Verwendung dieser Koeffizienten können ai und bi abgeschätzt werden zu:
• ai = (Sx,yi - Sx,yi+1 - Syi,yi+1 + Syi+1,yi+1 - ρiσ² + ρi+1σ²)/Δi
• bi = (-Sx,yi + Sx,yi+1 - Syi,yi+1 + Syi,yi + ρiσ² - ρi+1σ²)/Δi
• oder
• ai = (Sx-yi+1,yi-yi+1 - σ²(ρi-ρi+1))/Syi-yi+1,yi-yi+1
• bi = (Syi-x,yi - yi+1 + σ²(ρi-ρi+1))/Syi-yi+1,yi-yi+1
• Daher sind ai und bi bekannt, sobald der Korrelationsbegriff Sx- yi+1,yi-yi+1 in den Steuerschaltungen CON0, CON1 und CON2 für die gegenwärtige Position des Fensters 30 berechnet worden ist. Die Ausgangssignale D&sub0;, D&sub1; bzw. D&sub2; der entsprechenden Subtraktionsschaltungen SUB1, SUB2 und SUB3 werden für die Berechnung dieser Korrelationsbegriffe verwendet. Für eine gute Stabilität des Systems ist es erforderlich, daß zi immer zwischen yi und yi+1 liegt, d. h. 0 ≤ ai ≤ 1.
• Für die Auswahl des optimalen Filterzweiges in der Steuer- und Mischschaltung COM ist es möglich, von den Werten von a und b die quadratischen Fehler abzuleiten:
• NR εi = Szi-u,zi-u = Szi,zi - 2Szi,u + Su,u
• worin
• Su,u = Sx-n,u = Sx,u -Sn,u = Sx,x -Sx,n = Sx,x -Sn,n -Su,n = Sx,x - σ²
• und
• Szi,u = Saiyi+biyi+1,u = aiSyi,u + biSyi+1,u = aiSx,yi - aiρiσ² + biSx,yi+1 -biρi+1σ² = Sx,zi - σ² (aiρi + biρi+1)
• Daher
• NR εi = Szi,zi - 2Sx,zi + 2σ²(aiρi + biρi+1) + Sx,x - σ² = Szi-x,zi-x + σ²(2aiρi + 2biρi+1-1).
• Der Korrekturbegriff ei = σ² (2aiρi + 2biρi+1-1) kann durch die Tatsache erklärt werden, daß der Begriff Szi-x,zi-x umso höher ist, je mehr ein gegebenes Filter das Bild glättet. Daher müssen die Begriffe, die durch Filter mit unterschiedlichen Wirkungsgraden erzeugt werden, durch eine bestimmte Art von Funktion kompensiert werden, bevor sie verglichen werden können. Der Graph dieser Funktion ist in Fig. 5 dargestellt, um diese Wirkung zu veranschaulichen, wenn die gegenwärtigen Filter-Typ (AV, MED, DMF, AF)-Parameter verwendet werden. Der Korrekturbegriff ei ist in Relation zu dem Koeffizienten ai dargestellt.
• Das Filter AV vom Typ "Durchschnitt" ist für ebene Bereiche gut geeignet. Die beiden Median-Filter DMF und MED erhalten die Kanten und eine gute Auflösung.
• Um den Kontrast zu verbessern, kann nach der Rauschverminderungs-Verarbeitung eine Verbesserungs-Verarbeitung ausgeführt werden.
• Wenn das Fenster 30 vergrößert, wird, können auch andere Bildverschlechterungen vermindert werden, beispielsweise Unschärfen und Streifen.
• Wegen der Halbbild-Verarbeitung werden vorteilhafterweise keine Unschärfen bei sich bewegenden Gegenständen eingeführt.
• Um die Kompliziertheit und die Kosten der Hardware-Ausführung zu vermindern, ist es möglich, die beschriebenen Filter in der folgenden Weise zu modifizieren:
• - die Größe des Fensters für die Fehlerabschätzung kann auf 5 Pixel mal eine Zeile reduziert werden: daher werden keine zusätzlichen Zeilenspeicher benötigt (nur zwei Zeilenspeicher für die Eingangs-Filter);
• - das Filter DMF kann ein Richtungs-Median-Filter mit nur vier Richtungen anstelle von sechs sein: d&sub0;, d&sub2;, d&sub4; und d&sub5;;
• - das Filter MED kann ein Median-Filter mit einem Fenster von drei Pixeln mal drei Zeilen sein;
• - Begrenzung der Anzahl von Bits für die Berechnung der Wichtungs-Koeffizienten (beispielsweise 4 Bits).
• Diese Vereinfachungen haben die folgenden Einflüsse auf die verarbeiteten Bilder:
• - wenn die Größe des Abschätzungs-Fensters kleiner ist, neigt das vereinfachte Filter dazu, mehr als das nicht vereinfachte zu filtern, insbesondere wenn örtliche horizontale Zeilenstrukturen vorhanden sind, weil keine Rücksicht auf die vorhergehenden und folgenden Zeilen genommen wird, selbst wenn sie in ihrer örtlichen Struktur sehr unterschiedlich sind;
• - Vereinfachungen der Eingangsfilter erzeugen nicht zu starke Verschlechterungen des Ausgangssignals, da die Filterung adaptiv ist und immer die beste Lösung zwischen den drei Ausgängen 20, 21 und 22 gewählt wird;
• - die Verminderung der Anzahl von Bits der Wichtungs- Koeffizienten führt zu keinem nennenswerten Verlust an Genauigkeit: ein oder zwei Einheiten für, einen Amplitudenbereich von 256.
• Der große Vorteil dieses neuen Filters besteht darin, daß mit sehr wenigen Speichern und einer einfachen Hardware- Ausführung eine Rauschfilterung möglich wird, die gleichzeitig örtlich und global adaptiv ist. Wegen dieser doppelten Fähigkeit der Adaption wird die Filterung selbst mit einfachen Filtern am Eingang optimiert.
• Die erfindungsgemäße Rauschverminderung kann in allen Video - und Audio-Verarbeitungsvorrichtungen Verwendet werden, z. B. Fernsehempfängern und Video-Kassettenrecordern.

Claims (8)

1. Verfahren zur Rauschverminderung eines digitalen Videosignals, umfassend die folgenden Schritte:

Filtern des rauschbehafteten Video-Eingangssignals (x) parallel in wenigstens drei Zweigen von verschiedenen Filter- Typen (DMF, MED, AV); wobei in einem ersten der Zweige keine Filterung ausgeführt werden muß;

Abschätzen eines örtlichen Rauschwertes für jeden Zweig innerhalb eines gleitenden Fensters (30) in einem gegenwärtigen Bild des digitalen Videosignals durch Minimierung der quadratischen Fehler zwischen den Pixel-Differenzwerten eines berechneten gewichteten Durchschnitts-Signals (Z0, Z1, Z2) der Filter-Ausgangssignale (y&sub0;, y&sub1;, y&sub2;, y&sub3;) von zwei aufeinanderfolgenden Zweigen und dem Eingangs-Videosignal (x) , wobei zur Berechnung der Wichtungen für das gewichtete Durchschnittssignal (20, 21, 22) in jedem Zweig (a0, b0; a1. b1; a2, b2) ein globaler Rauschwert (σ²) und ein örtlicher Rauschwert für den Zweig in Betracht gezogen werden und erste Pixel-Differenzsignale D0, D1, D2, D3) zwischen dem Eingangssignal (x) und den Filter-Ausgangssignalen (y0, y1, y2, y3) berechnet werden und weitere Pixel-Differenzsignale (Δ0, Δ1, Δ2) zwischen den Filter-Ausgangssignalen (y0, y1, y2, y3) von jeden zwei aufeinanderfolgenden Zweigen berechnet werden;

Bilden des endgültigen Rauschverminderungs-Ausgangssignals (Z) aus den gewichteten Durchschnitten der Zweige in Abhängigkeit von dem minimalen Fehler zwischen den gewichteten Durchschnitten der Zweige im Vergleich zu dem Video- Eingangssignal (x).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem beim Vergleich des minimalen Fehlers jedem Zweigfehler ein auf die entsprechende Filter-Charakteristik bezogener Korrekturterm hinzugefügt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Summe der beiden Wichtungsfaktoren (a0, b0; a1, b1; a2, b2) für die gewichteten Durchschnitte gleich 1 ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der entsprechende eine (a0, a1, a2) von jeden zwei Wichtungsfaktoren (a0, b0; a1, b1; a2, b2) für den gewichteten Durchschnitt im Bereich von 0 bis 1 liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem wenigstens zwei der folgenden Filter-Charakteristiken in den Zweigen verwendet werden: Richtungs-Median-Filter (DMF), Median-Filter (MED), Durchschnitt (AV), wobei für das Richtungs-Median-Filter wenigstens vier Richtungen (d0 - d5) in dem gleitenden Fenster (30) abgeschätzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das gleitende Fenster (30) bezogen auf eine Vollbild-Basis eine Größe von fünf Pixeln mal ein bis fünf Zeilen hat.

7. Vorrichtung zur Rauschverminderung eines digitalen Videosignals umfassend:

ein erstes Filter (DMF), ein zweites Filter (MED) und ein drittes Filter (AV) von unterschiedlichem Typ, wobei den Filtern ein gemeinsames Video-Eingangssignal (x) zugeführt wird;

eine erste Steuerschaltung, die die Wichtungswerte (a0, b0) einer ersten Multiplikationsschaltung (MUL1), die auf das Eingangs-Videosignal (x) einwirkt, und einer zweiten Multiplikationsschaltung (MUL2), die auf das Ausgangssignal (y1) des ersten Filters (DMF) einwirkt, steuert, wobei die Ausgänge dieser Multiplikationsschaltungen in ersten Addiermitteln (ADD0) kombiniert werden, um ein erstes gewichtetes Summen-Ausgangssignal zu liefern;

eine zweite Steuerschaltung (CON1), die die Wichtungswerte (a1, b1) einer dritten Multiplikationsschaltung (MUL3), die auf das Ausgangssignal (y1) des ersten Filters (DMF) einwirkt, und einer vierten Multiplikationsschaltung (MUL4), die auf das Ausgangssignal (y2) des zweiten Filters einwirkt, steuert, wobei die Ausgänge der dritten und vierten Multiplikationsschaltung in zweiten Addiermitteln (ADD1) addiert werden, um ein zweites gewichtetes Summen- Ausgangssignal zu liefern;

eine dritte Steuerschaltung (CON2), die die Wichtungswerte (a2, b2) einer fünften Multiplikationsschaltung (MUL5), die auf das Ausgangssignal (y2) des zweiten Filters (MED) einwirkt, und einer sechsten Multiplikationsschaltung (MUL6), die auf das Ausgangssignal (y3) des dritten Filters (AV) einwirkt, steuert, wobei die Ausgänge der fünften und sechsten Multiplikationsschaltung in dritten Addiermitteln (ADD2) kombiniert werden, um ein drittes gewichtetes Summen- Ausgangssignal zu liefern;

erste Subtraktionsmittel (SUB2), die das Differenzsignal (Δ0) zwischen dem Video-Eingangssignal (x) und dem Ausgangssignal (y1) des ersten Filters (DMF) der ersten Steuerschaltung (CON0) zuführen;

zweite Subtraktionsmittel (SUB3), die das Differenzsignal (Δ1) zwischen dem Video-Eingangssignal (x) und dem Ausgangssignal (y1) des zweiten Filters (MED) der zweiten Steuerschaltung (CON1) zuführen;

dritte Subtraktionsmittel (SUB4), die das Differenzsignal (Δ1) zwischen dem Ausgangssignal (y1) des ersten Filters (DMF) und dem Ausgangssignal (y2) des zweiten Filters (MED) der zweiten Steuerschaltung (CON1) zuführen;

vierte Subtraktionsmittel (SUB5), die das Differenzsignal (D2) zwischen dem Video-Eingangssignal (x) und dem Ausgangssignal (y3) des dritten Filters (AV) der dritten Steuerschaltung (CON2) zuführen;

fünfte Subtraktionsmittel (SUB6), die das Differenzsignal (Δ2) zwischen dem Ausgangssignal (y2) des zweiten Filters (MED) und dem Ausgangssignal (y&sub3;) des dritten Filters (AV) der dritten Steuerschaltung (CON2) zuführen;

weitere Subtraktionsmittel (SUB7, SUB8, SUB9), die die entsprechenden Differenzsignale zwischen dem Video- Eingangssignal (x) und den Ausgangssignalen der ersten, zweiten und dritten Addiermittel (ADD0, ADD1, ADD2) einer Steuer- und Mischschaltung (COM) zuführen, die erste, zweite und dritte Summen-Ausgangssignale (z0, z1, z2) aus den er sten, zweiten und dritten Addiermitteln gemäß dem minimalen Fehler auswählen, der von den Ausgangssignalen der weiteren Subtraktionsmittel und gemäß einem globalen Rausch- Varianzwert (σ2) abgeleitet wird;

wobei für jeden der Zweige die Wichtungswerte (a0, b0; a1, b1; a2, b2), die in der ersten, zweiten und dritten Steuerschaltung (CON0, CON1, CON2) berechnet werden, von den Fehlersignalen abgeleitet werden, die in der entsprechenden Steuerschaltung aus den Differenzsignalen (D0, Δ0; D1, Δ1; D2, Δ2) aus dem globalen Rausch-Varianzwert (a2) berechnet werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der das erste Filter (DMF) ein Richtungs-Median-Filter ist, wobei wenigstens vier Richtungen (d0 - d5) abgeschätzt werden, und bei der das zweite Filter (MED) ein Median-Filter und das dritte Filter (AV) ein den Durchschnitt bildendes Filter ist.