CN104735300B - 基于权重滤波的视频去噪装置及方法 - Google Patents
基于权重滤波的视频去噪装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供的基于权重滤波的视频去噪装置及方法，包括：运动检测单元、权重计算单元、权重时域滤波单元、权重空域滤波单元和时域降噪滤波单元；运动检测单元用于计算前一滤波帧与当前帧之间的帧间差异，并且根据帧间差异对当前帧的每个像素的运动水平进行检测得到运动检测结果；权重计算单元用于根据运动检测结果和预设的权重值获取前一滤波帧的权重值；权重时域滤波单元用于将前一滤波帧的权重值进行时域滤波得到权重时域滤波的权重值；权重空域滤波单元用于将权重时域滤波的权重值进行空域滤波得到权重空域滤波的权重值；时域降噪滤波单元用于根据权重空域滤波的权重值对当前帧进行时域降噪滤波得到时域降噪滤波帧。
Description
技术领域
本发明涉及视频处理技术，特别是涉及一种基于权重滤波的视频去噪装置及方法。
背景技术
视频在采集、传输和接收的过程中，通常会有各种噪声夹杂在其中，夹杂的噪声降低了视频的视觉质量。
现有的视频去噪技术包括空域去噪和时域去噪。空域去噪利用图像空间上的相关性以及噪声的高频特性，通常采用低通滤波的方法独立地对每帧图像进行去噪。由于图像中的纹理也具有高频特性，因此，空域去噪的缺点是无法准确区分噪声和纹理，容易造成噪声去除不干净和纹理模糊。另外，由于空域去噪独立地对每帧图像进行去噪，还会造成每帧图像去噪程度的差异，在视频中表现为帧间闪烁。
时域去噪利用图像在时间上的相关性以及噪声在时间上的无关性进行去噪。时域去噪的方法主要有两类：基于运动检测的时域去噪和基于运动补偿的时域去噪。基于运动检测的时域去噪，利用前一滤波帧，对当前像素进行静止或运动的判断，若判断为静止，则使用前一滤波帧对应位置的像素与当前像素加权平均，达到去噪的目的；若判断为运动，则不对当前像素去噪。基于运动检测的时域去噪方法，其缺点是无法准确区分噪声与运动，容易造成运动物体边缘处噪声去除不干净，即噪声拖尾或相邻两帧运动内容的叠加，即运动模糊。基于运动补偿的时域去噪方法，估计出当前像素的运动矢量，沿着运动轨迹找到当前像素在前一滤波帧中的位置，利用该位置处的像素与当前像素进行加权平均，达到去噪的目的。基于运动补偿的时域去噪方法，其性能主要受到运动估计准确性的影响。可以看出，现有的视频时域去噪技术通常是独立地对每个像素进行去噪处理，这样，时域或空域相邻的像素间就可能存在去噪程度的差异，造成去噪视频中孤立噪声的出现以及噪声的闪烁现象，尤其是当视频中存在尺寸较大较多的噪声时，孤立噪声和噪声的闪烁现象更加明显。
发明内容
本发明提供的基于权重滤波的视频去噪装置及方法，可以有效地减小相邻像素去噪程度的差异。
根据本发明的一方面，提供一种基于权重滤波的视频去噪装置，所述装置包括运动检测单元、权重计算单元、权重时域滤波单元、权重空域滤波单元和时域降噪滤波单元；
所述运动检测单元，用于计算前一滤波帧与当前帧之间的帧间差异，并且根据所述帧间差异对所述当前帧的每个像素的运动水平进行检测得到运动检测结果；所述权重计算单元，用于根据所述运动检测结果和预设的权重值获取所述前一滤波帧的权重值；所述权重时域滤波单元，用于将所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波得到权重时域滤波的权重值；所述权重空域滤波单元，用于将所述权重时域滤波的权重值进行空域滤波得到权重空域滤波的权重值；所述时域降噪滤波单元，用于根据所述权重空域滤波的权重值进行对所述当前帧时域降噪滤波得到时域降噪滤波帧。
根据本发明的另一方面，提供一种基于权重滤波的视频去噪方法，包括：
计算前一滤波帧与当前帧之间的帧间差异，并且根据所述帧间差异对所述当前帧的每个像素的运动水平进行检测得到运动检测结果；根据所述运动检测结果和预设的权重值获取所述前一滤波帧的权重值；将所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波得到权重时域滤波的权重值；将所述权重时域滤波的权重值进行空域滤波得到权重空域滤波的权重值；根据所述权重空域滤波的权重值对所述当前帧进行时域降噪滤波得到时域降噪滤波帧。
本发明实施例提供的基于权重滤波的视频去噪装置及方法，通过运动检测结果和预设的权重值获取所述前一滤波帧的权重值，将所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波和空域滤波得到权重空域滤波的权重值，并根据权重空域滤波的权重值对当前帧进行时域降噪滤波，从而有效地减小相邻像素去噪程度的差异。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于权重滤波的视频去噪装置示意图；
图2为本发明实施例提供的基于权重滤波的视频去噪方法流程图；
图3为本发明实施例提供的运动水平与帧间差异的关系示意图；
图4为本发明实施例提供的权重时域滤波过程示意图；
图5为本发明实施例提供的亮度曲线增益示意图；
图6为本发明实施例提供的方差增益曲线示意图；
图7为本发明实施例提供的空域滤波窗口示意图；
图8为本发明实施例提供的加权系数曲线示意图。
具体实施方式
本发明的总体构思是，通过运动检测结果和预设的权重值获取所述前一滤波帧的权重值，将所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波和空域滤波得到权重空域滤波的权重值，并根据权重空域滤波的权重值对当前帧进行时域降噪滤波，从而有效地减小相邻像素去噪程度的差异。
下面结合附图对本发明实施例提供的基于权重滤波的视频去噪装置及方法进行详细描述。
图1为本发明实施例提供的基于权重滤波的视频去噪装置示意图。
参照图1，装置包括运动检测单元10、权重计算单元20、权重时域滤波单元30、权重空域滤波单元40和时域降噪滤波单元50。
运动检测单元10用于计算前一滤波帧与当前帧之间的帧间差异，并且根据所述帧间差异对所述当前帧的每个像素的运动水平进行检测得到运动检测结果。
所述权重计算单元20用于根据所述运动检测结果和预设的权重值获取所述前一滤波帧的权重值。
权重时域滤波单元30用于将所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波得到权重时域滤波的权重值。
权重空域滤波单元40用于将所述权重时域滤波的权重值进行空域滤波得到权重空域滤波的权重值。
时域降噪滤波单元50用于根据所述权重空域滤波的权重值对当前帧进行时域降噪滤波得到时域降噪滤波帧。
根据本发明的示例性实施例，运动检测单元10包括：
根据公式(1)计算帧间差异：
其中，MAE(i,j)为所述帧间差异，(i,j)为当前像素点的坐标，ft为所述当前帧，为所述前一滤波帧。
这里，根据计算出的MAE值对当前像素点进行运动检测，运动检测结果为运动水平R(i,j),其取值范围为[0,1]。具体参照如图3所示的本发明实施例提供的运动水平与帧间差异的关系示意图，其中T1和T2为预先设定的阈值。
根据当前像素的运动检测结果R(i,j)和一预先设定的权重值wt 0，计算前一滤波帧中与当前像素坐标位置相同的像素在时域滤波中占的权重值wt(i,j)，具体由公式(2)可知：
wt(i,j)＝(1-R(i,j))*wt 0 (2)
根据本发明的示例性实施例，权重时域滤波单元30包括以下步骤，具体参照如图4所示的本发明实施例提供的权重时域滤波过程示意图。
根据所述当前帧的像素点和所述前一滤波帧的像素点获取亮度增益；
获取所述当前帧在邻域内的第一方差，并且根据所述第一方差得到第一方差增益；
获取所述前一滤波帧在所述邻域内的第二方差，并且根据所述第二方差得到第二方差增益；
根据所述亮度增益、所述第一方差增益和第二方差增益对所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波得到权重时域滤波的权重值。
具体地，对于当前帧中要进行权重时域滤波的像素点，计算其与前一滤波帧相同位置像素的亮度差异，如公式(3)所示：
参照如图5所示的亮度曲线增益示意图。根据亮度差异diffY(i,j)得到亮度增益gainY(i,j)，其取值范围为[0,1]，Y1，Y2为预先设置的两个阈值。
对于当前帧中要进行权重时域滤波的像素点，计算其在M*N邻域Ω内的第一方差Vt(i,j)，方差计算具体由公式(4)和(5)可知：
参照如图6所示的本发明实施例提供的方差增益曲线示意图。根据第一方差Vt(i,j)得到第一方差增益gainVt(i,j)，其取值范围为[0,1]。V1，V2为预先设置的两个阈值。
对于当前帧中要进行权重时域滤波的像素点，找到其在前一滤波帧中对应位置的像素，计算其在M*N邻域Ω内的第二方差Vt-1(i,j)，方差计算具体由公式(6)和(7)可知：
由图6可知，根据第二方差Vt-1(i,j)得到第二方差增益gainVt-1(i,j)，其取值范围为[0,1]。V1，V2为预先设置的两个阈值。
根据本发明的示例性实施例，权重时域滤波单元30还包括：
根据公式(8)和(9)计算所述权重时域滤波的权重值：
gain(i,j)＝gain Y(i,j)*gainVt(i,j)*gain Vt-1(i,j) (9)
其中，wt'(i,j)为所述权重时域滤波的权重值，wt-1”(i,j)为权重空域滤波单元40上一次进行权重空域滤波时得到的权重空域滤波的权重值，gainY(i,j)为所述亮度增益，gainVt(i,j)为所述第一方差增益，gainVt-1(i,j)为所述第二方差增益。
根据本发明的示例性实施例，权重空域滤波单元40包括：
根据公式(10)计算权重空域滤波的权重值：
其中，wt”(i,j)为所述权重空域滤波的权重值，α(i',j')为加权系数。
具体地，以当前待处理的权重值点(i,j)为中心，选择其P*Q邻域窗口S，其中P、Q为窗口的长和宽，参照如图7所示的本发明实施例提供的空域滤波窗口示意图，其中，选取5*5的空域滤波窗口，可得到如公式(10)所示的权重空域滤波的权重值，并参照如图8所示的本发明实施例提供的加权系数曲线示意图，其中，w1和w2为预先设定的阈值。
权重空域滤波后的结果存入存储器60中，并用于下一帧权重时域滤波。
根据本发明的示例性实施例，时域降噪滤波单元50包括：
根据公式(11)计算时域降噪滤波帧：
其中，为所述时域降噪滤波帧，wt”(i,j)为所述权重空域滤波的权重值。
图2为本发明实施例提供的基于权重滤波的视频去噪方法流程图。
参照图2，在步骤S201，计算前一滤波帧与当前帧之间的帧间差异，并且根据所述帧间差异对所述当前帧的每个像素的运动水平进行检测得到运动检测结果。
在步骤S202，根据所述运动检测结果和预设的权重值获取所述前一滤波帧的权重值。
在步骤S203，将所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波得到权重时域滤波的权重值。
在步骤S204，将所述权重时域滤波的权重值进行空域滤波得到权重空域滤波的权重值。
在步骤S205，根据所述权重空域滤波的权重值对当前帧进行时域降噪滤波得到时域降噪滤波帧。
根据本发明的示例性实施例，所述计算前一滤波帧与当前帧之间的帧间差异包括：根据公式(1)计算帧间差异。
根据本发明的示例性实施例，所述将所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波得到权重时域滤波的权重值包括：
根据所述当前帧的像素点和所述前一滤波帧的像素点获取亮度增益；
获取所述当前帧在邻域内的第一方差，并且根据所述第一方差得到第一方差增益；
获取所述前一滤波帧在所述邻域内的第二方差，并且根据所述第二方差得到第二方差增益；
根据所述亮度增益、所述第一方差增益和第二方差增益对所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波得到权重时域滤波的权重值。
根据本发明的示例性实施例，所述将所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波得到权重时域滤波的权重值还包括：
根据公式(8)和(9)计算所述权重时域滤波的权重值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于权重滤波的视频去噪装置，其特征在于，所述装置包括运动检测单元、权重计算单元、权重时域滤波单元、权重空域滤波单元和时域降噪滤波单元；
所述运动检测单元，用于计算前一滤波帧与当前帧之间的帧间差异，并且根据所述帧间差异对所述当前帧的每个像素的运动水平进行检测得到运动检测结果；
所述权重计算单元，用于根据所述运动检测结果和预设的权重值获取所述前一滤波帧的权重值；
所述权重时域滤波单元，用于将所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波得到权重时域滤波的权重值；所述权重时域滤波单元具体配置为：
根据所述当前帧的像素点和所述前一滤波帧的像素点获取亮度增益；
获取所述当前帧在邻域内的第一方差，并且根据所述第一方差得到第一方差增益；
获取所述前一滤波帧在所述邻域内的第二方差，并且根据所述第二方差得到第二方差增益；
根据所述亮度增益、所述第一方差增益和所述第二方差增益对所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波得到权重时域滤波的权重值；
所述权重空域滤波单元，用于将所述权重时域滤波的权重值进行空域滤波得到权重空域滤波的权重值；所述权重空域滤波单元具体配置为：
根据下式计算所述权重空域滤波的权重值：
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其中，wt”(i,j)为所述权重空域滤波的权重值，α(i',j')为加权系数；
所述时域降噪滤波单元，用于根据所述权重空域滤波的权重值对所述当前帧进行时域降噪滤波得到时域降噪滤波帧；所述时域降噪滤波单元具体配置为：
根据下式计算所述时域降噪滤波帧：
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其中，为所述时域降噪滤波帧，wt”(i,j)为所述权重空域滤波的权重值；ft为所述当前帧，为所述前一滤波帧。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述运动检测单元包括：
根据下式计算所述帧间差异：
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其中，MAE(i,j)为所述帧间差异，(i,j)为当前像素点的坐标，ft为所述当前帧，为所述前一滤波帧。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述权重时域滤波单元还包括：
根据下式计算所述权重时域滤波的权重值：
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gain(i,j)＝gainY(i,j)*gainVt(i,j)*gainVt-1(i,j)
其中，wt'(i,j)为所述权重时域滤波的权重值，wt(i,j)为前一滤波帧中与当前像素坐标位置相同的像素在时域滤波中占的权重值，wt-1”(i,j)为所述权重空域滤波单元上一次进行权重空域滤波时得到的所述权重空域滤波的权重值，gainY(i,j)为所述亮度增益，gainVt(i,j)为所述第一方差增益，gainVt-1(i,j)为所述第二方差增益。
4.一种基于权重滤波的视频去噪方法，其特征在于，所述方法包括：
计算前一滤波帧与当前帧之间的帧间差异，并且根据所述帧间差异对所述当前帧的每个像素的运动水平进行检测得到运动检测结果；
根据所述运动检测结果和预设的权重值获取所述前一滤波帧的权重值；
将所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波得到权重时域滤波的权重值；
将所述权重时域滤波的权重值进行空域滤波得到权重空域滤波的权重值；
根据所述权重空域滤波的权重值对所述当前帧进行时域降噪滤波得到时域降噪滤波帧；
其中，
“将所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波得到权重时域滤波的权重值”，具体包括：
根据所述当前帧的像素点和所述前一滤波帧的像素点获取亮度增益；
获取所述当前帧在邻域内的第一方差，并且根据所述第一方差得到第一方差增益；
获取所述前一滤波帧在所述邻域内的第二方差，并且根据所述第二方差得到第二方差增益；
根据所述亮度增益、所述第一方差增益和第二方差增益对所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波得到权重时域滤波的权重值；
“将所述权重时域滤波的权重值进行空域滤波得到权重空域滤波的权重值”，具体包括：
根据下式计算所述权重空域滤波的权重值：
<mrow>
<msup>
<msub>
<mi>w</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
<mrow>
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<mi>j</mi>
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</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
wt”(i,j)为所述权重空域滤波的权重值，α(i',j')为加权系数；
“根据所述权重空域滤波的权重值对所述当前帧进行时域降噪滤波得到时域降噪滤波帧”，具体包括：
根据下式计算所述时域降噪滤波帧：
<mrow>
<msub>
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<mi>i</mi>
<mo>,</mo>
<mi>j</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
为所述时域降噪滤波帧，wt”(i,j)为所述权重空域滤波的权重值；ft为所述当前帧，为所述前一滤波帧。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算前一滤波帧与当前帧之间的帧间差异包括：
根据下式计算所述帧间差异：
<mrow>
<mi>M</mi>
<mi>A</mi>
<mi>E</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>,</mo>
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<mo>+</mo>
<mi>q</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>|</mo>
</mrow>
其中，MAE(i,j)为所述帧间差异，(i,j)为当前像素点的坐标，ft为所述当前帧，为所述前一滤波帧。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将所述前一滤波帧的权重值进行时域滤波得到权重时域滤波的权重值还包括：
根据下式计算所述权重时域滤波的权重值：
<mrow>
<msup>
<msub>
<mi>w</mi>
<mi>t</mi>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>i</mi>
<mo>,</mo>
<mi>j</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
gain(i,j)＝gainY(i,j)*gainVt(i,j)*gainVt-1(i,j)
其中，wt'(i,j)为所述权重时域滤波的权重值，wt(i,j)为前一滤波帧中与当前像素坐标位置相同的像素在时域滤波中占的权重值，wt-1”(i,j)为上一次进行权重空域滤波时得到的所述权重空域滤波的权重值，gainY(i,j)为所述亮度增益，gainVt(i,j)为所述第一方差增益，gainVt-1(i,j)为所述第二方差增益。
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