CN1065166A - 信号滤波的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本方法用于对信号进行滤波，其中可将信号幅度 赋值于一个量化两维参考平面。为了将有用信号部 分放大，在滤出直流分量和高频分量之后，可将一经 过滤波的信号与未经滤波的输入信号相加。在欲滤 波的信号部分经过频率相关的滤波之后，在至少一轮 廓滤波级中将欲滤波信号部分的具有超过一预定阈 值的幅度的成分去除。此阈值根据输入信号的幅度 作相应调整。此外，为产生总滤波信号将轮廓滤波级 的输出信号由与频率相关的滤波器的输出信号中减 去。

Description

本发明涉及一信号滤波的方法，在此可将信号幅度赋值于一个量化两维参考平面，而为对有用信号成分进行放大，在滤出直流成分和高频成分后，可将一经过滤波的信号加到未经滤波的输入信号。

同时本发明也涉及一个信号滤波装置，其中，信号幅度被赋值于一个量化两维参考平面，在此装置中设置有将输入信号分路的分向滤波器和在一滤波支路中设置的频率相关滤波器。

这样的装置特别适用于电子图象处理仪器中能改善图象质量。这类图象过程特别会在数字图象处理领域出现，而借助这种滤波装置将改善其信息表达力。现有技术一个公知的滤波装置如EP-B-0051068中所述。然而事实表明，这一公知方法和装置在当有用信号的幅度不是显著大于所叠加的干扰信号的幅度时，就不能获得满意的结果。这就使得信噪比很小的信号不能得到充分的滤波，例如在一表面仅有很弱的且有较规律的图纹结构时的图象信号的情况下，使用传统方法在干扰信号存在较弱时，就不能得出足够清晰、结构分明的外形轮廓。

因此本发明的目的是对前述现有技术加以改进，以便能对信噪比小的信号进行有效的滤波。

按照本发明，这一任务是这样解决的，即欲进行滤波的信号成分在经至少一级轮廓滤波作频率滤波之后，将此欲滤波成分中幅度超过予定阀值的分量去除，此阀值随输入信号幅度的大小作相应调整;而在完成全滤波信号前，将为产生此全滤波信号轮廓滤波级的输出信号从频率滤波器的输出信号中减去。

本发明的另一目的是对前述现有技术的装置进行改进，使其能适应本发明的方法。

这一任务按照本发明解决如下：频率相关滤波器至少设有一下限频率，此滤波器的输出信号在一分向滤波器区域内进行分路，使其不仅传送到至少一消除轮廓信号成分的轮廓滤波器，还传送到一个减法级，在其为除去噪音的区域内，把轮廓滤波器的输出信号从滤波器的输出信号中减去。

借助本发明的方法，通过级联的多级轮廓滤波，几乎可以实现对噪音部分进行任何准确程度的检波。与现有的公知技术方法不同，这里不仅々是在滤波支路中消除噪音，而是相反，首先在一附加滤波平面中，从欲滤波的信号中消除轮廓信号部分。这一附加滤波平面的目的是予先准备一个信号，该信号尽可能不含有轮廓信息，并通过这一信号使得能在其与一个基本上是一高通滤波器的输出相减时，不致削弱该轮廓信息。采用这样的滤波方法，就可能实现对在一个包含很大干扰的输入信号中的本身特别弱的轮廓信号加以放大。特别是它可以实现那些轮廓信息的幅度小于与轮廓信号相混的噪音幅度的轮廓信息进行放大。在处理图象信息中，甚至在例如图纹结构影象微弱的背景区域，亦能对模糊的信号中的这些信号加以放大。这种放大可以在不知道输入信号内容信息的情况下进行。与至少必须知道要寻找的是什么的图象识别方法相反，通过这一方法能发现未知的轮廓信息。

按本发明的一最佳实施方案，不同强度的轮廓依次在以下各滤波器区域内消除。这样级联的优点是，每一级滤波元件的设计可以直接针对在信号流向上残余轮廓强度增高的噪音成分。

按本发明的另一最佳实施方案，至少在一轮廓滤波级内至少设置一各向异性低通滤波器，它可以予定的方向和长度对轮廓部分进行检波。应用各向异性具有这样的优点，即为了识别一个轮廓不仅々是求出持定坐标上的信息幅度，而且还在于利用由在该参考平面内一定的变化方向上依次排列的幅度曲线所标明的轮廓。干扰信号则相反，它们基本上是按统计分布形式出现的。因此为了检出弱的轮廓信号，采用各向异性低通滤波器是恰当的，为此就需要应用参考平面内比较多的坐标。

按本发明的又一最佳实施方案，在一个轮廓滤波级内至少设置两个分级部件，它们设置有在参考平面内具有不同定向的各向异性低通滤波器。通过在一轮廓滤波级内安置不同定向的各向异性低通滤波器，就可能较可靠地在每一轮廓滤波级找到可预选强度的轮廓。这使得可能对后续轮廓滤波级作最佳设计，因此超过一定强度的轮廓，很大可能不再出现在后面各级中。

按本发明的又一优选实施方案，可以这样来消除参考平面内被离析出的信号部分，即将对应于相关坐标的信号幅度值设置为零。这种赋值为零的好处在于，在随后的数字处理中，对欲进行的应答过程仅需很少的运算就能实现。因而能实现高速处理，这在图象再生技术领域或通讯领域使用的设备中，能容许很高的传送速度。被离析出的幅度很可能带有较强的干扰。

本发明的进一步细节可以下面详细的说明和附图给出。这些附图列举说明本发明优选实施方案，它们是：

图1为表达本滤波方法原理过程的电路方框图;

图2为一并联连接有分级部件的轮廓滤波级的方框电路图;

图3为具有级联轮廓滤波级装置的部分方框电路图;

图4为具有级联轮廓滤波级装置的另一方面的图示;

图5为具有级联轮廓滤波级装置在输入区域的图示;

图6为输入区域信号变化曲线的简化一维信号图示;

图7为由图6所示信号变化检波得的具有相应大幅度的轮廓信号的图示;

图8为图6中信号在按图7所示进行消除后得到的轮廓的信号曲线的图示;

图9为图8所示信号在采用三个邻接座标的低通滤波器中经低通滤波所得的信号曲线;

图10为在考虑到图9所标出阀值时图9的信号曲线的剩余信号;

图11为借助数字计算机实施本滤波法的算法原理流程图;

图12为说明相应一扫描平面坐标的幅度值的原理图;和

图13给出了消除单个信号成份的流程图。

一信号滤波装置主要由一分向滤波器（1）构成，在（1）中从输入端（2）来的输入信号被分路入一通过支路（3）和一滤波支路（4）。引入滤波支路（4）的输入信号部分首先送入高通滤波器（5），该高通具有两维信号工作方式。基于高通滤波器（5）这种两维信号工作方式，在进行高通滤波时就可以在一数字化的参考平面（6）内对座标轴（7，8）的分布以它们相应的幅度值来考虑可予定位的图象点。不用高通滤波（5）原则上也可以使用带通滤波器。对应参考平面（6）内坐标轴（7，8）的图象点原理布置图如图12所示。从图1给出的装置的方框电路图结构可以明显地看出，在信号流方向上在高通滤波器（5）的后面设置有一滤波器分岔（9），离开高通滤波器（5）的信号在此被分路到一耦合支路（10）和一轮廓滤波支路（11）。在轮廓滤波支路（11）内设置有轮廓滤波级，在其中轮廓成分被检波出，而由此轮廓滤波级出来通过滤波支路（11）继续传送的信号成份被去除。根据欲得到的滤波结果，可以仅采用一个轮廓滤波级（12），或采用多个串联的轮廓滤波级（12）。在使用多个串联轮廓滤波级电路时，应该在信号流向上首先消除强轮廓，随后再消除较模糊的轮廓。

由轮廓滤波支路（11）出来的信号在减法级（13）中，从通过耦合支路（10）继续传送的信号分量中减去。从而在此减法级（13）的输出端（14）出现在很大程度上去除了噪音成分的轮廓信号可供使用。此信号在放大级（15）中放大，随后在合并控制级（16）中与通过支路（3）连续传送的输入信号部分相加。由此在输出端（17）产生一可测定的信号，此信号与输入端（2）的信号相比具有明显提高的信噪比。

在放大级（15）和输出端（14）之间可以接入一个选择器，借助它可以消去对应参考平面内各别的信号幅度。如在参考平面（13）内的一些坐标赋给它们的幅度值不为零，而在紧邻这一工作坐标的周围却没有不为零的幅度赋值坐标，这些幅度值很可能来自干扰，而不相应于任何有用信号成分。使用这一选择器就有可能滤出这样的干扰。这样所发现的坐标将相当于零值，或者至少是与零十分接近的值。

对如图12所示参考平面（6）内的幅度分配进行的这种选择过程的实例如图13所述。首先检查坐标E，看它的值是否不等于零。如果不是，可接着检验最邻近的一个图象点。如果正的坐标赋值幅度不为零，那么就对它周围紧邻的坐标逐个进行检验，直到发现幅度不为零的值。在发现这样一个幅度值时，即对后一个图象点作同样分析。若在E周围紧邻的所有坐标幅值均为零时，就把坐标E所赋的幅度值也置为零。原则上说有可能在检验下一个图象点时，针对一定的坐标的幅度值来考虑在前一个周期所得到的信息。基于费时少的数字化方法对值为零或否进行检测，按图13中的流程也就可以很少时间进行对每个图象点的检测。

图2给出了带有并行连接分级元件（18）的轮廓滤波级（12）的结构图。欲予滤波的信号被引至滤波级输入端（19），并在滤波分支（20）处分别导入分级元件（18）和检波器（21）。每一分级元级（18）由一各向异性低通滤波器（22）和一阀值部件（23）组成。使用阀值部件（23）能将小于予定阀值（24）的信号部分消除，而让大于阀值（24）的信号部分不变地通过，或乘以一放大因子。特别要考虑的是对于正和负的幅度要设置同样的阀值（24）。各向异性低通（22）表明在参考平面（6）内为定向滤波。例如一个简化结构的各向异性低通（22）是在坐标轴（7，8）方向定向，其在参考平面（6）所使用的区域，其宽度基本上为一量化级宽度，而其长度则为予先给定的量化级数。简单低通（22）的长度例如可以取3或5个量化级。除了在坐标轴（7，8）上定向外，为了发现倾斜通过的轮廓，也可以予先确定低通（22）任意其他方向。阀值部件（23）的输出端和逻辑元件（25）相联，它可采用逻辑“或”元件。逻辑元件（25）的输出端与检波器（21）相联，其中将逻辑元件（25）提供的信号减去通过滤波器输入端（19）引入的信号。这样就实现了消去在分级元件（18）区域内得到的轮廓。

图3给出了输入级区域实现级联滤波器的结构元件详细电路图。图3的电路和图4和图5的电路一块形成滤波器的整个电路。图3滤波级的结构元件通过连接端（26、27、28、29）和图4的结构元件相联，图4的结构元件通过连接端（30、31、32、33）和图5的结构元件相联。

通过滤波分岔（9）引入第一轮廓滤波级（12）的信号在阀值部件（23）以一个作电平匹配的阀值特征曲线赋值。为了确定阀值（24）设置了适配元件（34），为其作成了适配特性曲线（35）。借助此适配特性曲线给定欲滤波信号的正负幅度成分的对称的阀值。此外，在输入端（2）施加的输入信号被导入到适配元件（34）上，并根据这一输入信号的实际幅度通过适配特性曲线（35）求得此时的阀值。对应于输入信号幅值等于零时的阀值（24）有一个最小值，而此适配特性曲线由这个最小阀值开始向外延伸成一个参考平面，该参考平面由一阀值轴和一幅度轴限定，并且最好具有减小的梯度。适配特性曲线的变化最好和欲滤波输入信号（2）的信噪比的与电平相关的变化成比例。阀值特性曲线根据欲滤波信号的信噪比，根据所采用的量化单元，或根据欲滤波信号的其它已知信息确定。为了确定不同轮廓滤波级的阀值（24）可以使用不同阀值特性曲线和适配特性曲线（35）。

在一随后的滤波级（12）中阀值部件（23）相串联，它们的各向异性低通（22）总具有不同的定向，这里所用的各向异性低通滤波器（22）总具有一个量化级的滤波宽度和3量化级滤波长度。因此这一低通滤波器特别适用于发现粗轮廓、亦即具有较高信号幅度的轮廓。在构成放大级（15）的分级元件（18）中的阀值元件（23）的阀值（24）最好同样选择。

在图4给出了另外两个构成第二轮廓滤波级（12）的分级元件（18），它们与图3中和前两个分级元件（18）相串联。第4个分级元件（18）的输出信号馈送至下一个轮廓滤波级（12）的输入端。为了发现较细的轮廓，第三个轮廓滤波级（12）具有较长构形的各相异性低通滤波器（22）。图4描述第三个轮廓滤波器级的各向异性低通滤波器，它具有一量化级的滤波器宽度和五量化级的滤波器长度。

根据图4第三个轮廓滤波级（12）还可以连接另外的轮廓滤波级（12）。信号流向上的最后一个轮廓滤波级（12）的输出信号将馈入减法级（13），并从通过耦合支路（10）馈入的信号中减去。放大级（15）根据图5的结构形式装设有一限幅元件（36），其中设置有放大特性曲线（37），并通过一适配元件（39）规定最大输出值（38），此适配器根据输入端（2）输入信号的幅值调整此最大输出值（38）。适配元件（39）例如可以具有线性特性，它使得可为正、负幅值对称地予设最大输出值（38）。适配器（39）的这一特性基本上可作成线性的，因而能将最大输出值（38）与输入信号幅度作线性相关。可适当地对放大特性曲线（37）进行补偿。

限幅元件（36）的输出和汇合级（16）相连，在此将限幅元件（36）的输出信号加到输入信号上。

在图中给出了相对于时间轴（41）和幅度轴（42）的高通（5）输出端的典型信号曲线（40）。图7表示第一轮廓滤波级（12）的阀值元件（23）的输出信号（43），图8则为通过检波器（21）将阀值元件（23）的输出信号（43）从高通（5）的输出信号（40）中减去而得的输出信号（44）。

图9表示借助具有相应放大因子的低通滤波器对图8中信号滤波所得的信号。为此采用了一其滤波宽度为一量化级、滤波长度为三量化级的各向异性低通滤波器（22）。因而由此产生的输出信号（45）具有较之输出信号（43）大的幅值和另一动态特性。在计及图9所示阀值（24）时，在消除轮廓后就得到如图10中那样的输出信号（46）。

将主要过程实现为数字计算机程序的原理流程图如图11所示。这里各软件模块均被给予与图3至5中相对应配置的电路部件相同的标号。输入信号首先经一模拟高通滤波器（5）的软件模块滤波，随后被导送到设置有一适配阀值特性曲线的阀值元件（23）。然后通过一模拟检波器（21）的模块使得在被检波轮廓区域内减少轮廓信号。在后面一滤波级设置如图11所示组成形式的两个各向异性低通滤波器（22），它们例如取坐标轴（7，8）方向的定向。接着此各向异性低通滤波器（22）的输出被再引导送至模拟适配阀值部件（23）的模块。阀值部件（23）的输出值与检波器（21）的输出值被并联连接到逻辑元件（25）以实现它们相互之间的“或”组合。逻辑元件（25）的输出在后面一轮廓滤波级（12）再次经过各相异性低通滤波器（22）和适配阀值部件（23）滤波，而该对应阀值部件（23）的输出值和被串联接入的逻辑部件（25）的输出信号互相关连地送到另一逻辑部件（25）。在信号流通方面最后一个逻辑元件（25）的输出信号被送到减法级（13）以便由带有噪音信号的轮廓信号中消除噪音信号，并在汇合控制（13）区域将此轮廓信号加进图象信号之前，在放大级（15）进行放大和在必要时对此轮廓信号加以限幅。

图11中以相同标号注明的模块，例如说，可以作为子程序来实现，它们将在一流程控制中所规定的时刻被调用。

本方法和装置可以在许多能对分配于一参考平面的信号变化进行滤波的实用场合得到应用。一典型的例子是对图象在再生技术中进行滤波。

但敢可想象到许多其它方面的应用可能性。例如在图象处理方面，由此可以改善通过电视图文设备或传真电话传送的图象信息和质量，但也可以对电视图象、视频装置上显现的图形或卫星图象进行滤波处理，以便加工出图象内消失的轮廓。这种方法和装置一般也可以被应用于除图象加工以外的领域。原则上，在所有利用可将信号变化过程列入一平面内的场合都会出现有用信号成分被干扰信号所叠加的问题。这里仅举测取一平面上的温度分布图为例。在一以多维参数空间表达的参数状态下，亦能采取的或者是以每次三维的部分组成进行滤波处理，或者是按照例如图11和13所述的处理算法进行向量处理，即在各自的作业中，给欲处理的参数均作适应于向量和矩阵运算的多维化配置。

进一步也可以想到，将设有在级（15、16）作进一步处理的输出信号（14）看作是去除了干扰的轮廓信号，从而能被应用于例如图形识别领域的任务中作为特徵提取级的输入信号。

在针对图1所示稍加改变的实施方案中，为了尽可能减少有时可能发生的输出的残余误差，最好在轮廓滤波器（12）中的一个设置一矫正曲线。此矫正曲线的变化最好这样选择，即在附加这一矫正曲线后轮廓信号的变化应基本上不受输入信号的随电平改变的信噪比的改变的影响。由此来近似地实现不随电平变化的信噪比。采用这种工作方式时所考虑的是，减法级（13）作为消隐级工作，此消隐级则受信号流方向上的最后一滤波级（12）的控制。这样即使在经由减法级（13）区域内的耦合支路（10）到达的信号与在信号流向上的最后一滤波级（12）中予置的“零”不一致时，总还是要将其置为“零”。

这样的矫正曲线也可以考虑在图3所示的实施方案中实现。在此，该矫正曲线将适于设置在检波器（21）的输出区域。

Claims (29)

1、一种信号滤波方法，其中信号幅度可赋值于一量化两维参考平面上，而为将有用信号放大，在滤出直流成分和高频成分之后，将经滤波的信号加到未经滤波的输入信号上，其特征是：在欲予滤波的信号部分，在至少一轮廓滤波级(12)中作频率滤波之后，该欲予滤波的信号部分的具有高于一予定阀值(24)的幅值的成份被去除掉，此阀值(24)依据输入信号的幅度被相应调整，和在取得一总滤波信号之前，轮廓滤波级(12)的输出信号为产生该总滤波信号被从频率滤波器的输出信号中减去。

2、按权利要求1的方法，其特征是该欲予滤波的信号被顺序多次滤波，并首先滤出明显的轮廓，然后滤出较弱的轮廓。

3、按权利要求1和2的方法，其特征是总滤波信号在被加到输入信号之前被放大。

4、按权利要求1至3中之一的方法，其特征是在至少一轮廓滤波级（12）区域内，一轮廓变化借助一各向异性低通滤波器（22）检波，该低通滤波器（22）在参考平面（6）内具有予定的定向。

5、按权利要求1至4中之一的方法，其特征是欲予滤波的信号在一具有不同量纲分级元件（18）的轮廓滤波级（12）区域内进行滤波，该分级元件至少设置有在参考平面（6）内部不同定向的各向异性低通滤波器（22）。

6、按权利要求5的方法，其特征是至少两个滤波过程在二分级元件（18）区域内平行进行。

7、按权利要求5的方法，其特征是至少两个滤波过程在二分级元件（18）区域内在时间上依次进行。

8、按权利要求1至7中之一的方法，其特征是欲予滤波的信号在互相依次连接的轮廓滤波级（12）区域内由具有不同低通长度的各向异性低通滤波器（22）进行滤波。

9、按权利要求1至8中之一的方法，其特征是在将总滤波信号加到输入信号前，进行对总滤波信号的限幅处理。

10、按权利要求1至9中之一的方法，其特征是作相应于阀值（24）和限幅按照输入信号的时间上直接分配的幅值大小来进行。

11、按权利要求1至10中之一的方法，其特征是所采用的轮廓滤波级（12）的数量相应地按对输入信号的分析进行。

12、按权利要求1至11中之一的方法，其特征是至少一个各相异性低滤（22）在参考平面（6）内的定向相对应地由对输入信号的分析确定。

13、按权利要求1至12中之一的方法，其特征是在将噪音信号从含有轮廓信息的信号中减去之后，由参考平面内消除各别的幅度信号。

14、按权利要求1至13中之一的方法，其特征是对带有图象信息的信号进行滤波。

15、按权利要求14的方法，其特征是对再生技术范围内的信号进行滤波。

16、按权利要求14的方法，其特征是对在通讯技术领域的信号进行滤波。

17、按权利要求16的方法，其特征是对电视电话通讯装置领域内的图象信号进行滤波。

18、按权利要求1至14的方法，其特征是对图象分析（图形识别）领域内的、特别是在医学图象处理中的信号进行滤波。

19、按权利要求1至18的方法，其特征是频率滤波是作为高通滤波进行的。

20、一信号滤波的装置，其中信号幅度可赋值于一量化两维参考平面上，并设有一将输入信号分流的分向器和在滤波支路设置的频率相关的滤波器，其特征是：该频率相关的滤波器至少设置有一下限频率，该滤波器的输出信号在一滤波分向器（9）的区域内被分向，使其不仅被引导到至少一个消除轮廓信号部分的轮廓滤波级（12），而且被引导一减法级（13），在此减法级区域内，为消除噪音将该轮廓滤波级（12）的输出信号由滤波器的输出信号中减去。

21、按权利要求20的装置，其特征是至少串联连接有两个轮廓滤波级（12）以作不同强度地滤波轮廓。

22、按权利要求20或21的方法，其特征是在至少一轮廓滤波级（12）内设置有至少两个分级元件（18），它们具有为发现不同定向轮廓的在参考平面（6）内不同定向的各向异性低通滤波器。

23、按权利要求20至22中之一的装置，其特征是各向异性低通滤波器（22）具有一予定量化级宽度和一予定量化级长度。

24、按权利要求20至23中之一的装置，其特征是至少该阀值部件（23）或该各向异性低通（22）被开发成为一能于数字计算机上执行的算法。

25、按权利要求20至24中之一的装置，其特征是至少在一个轮廓滤波级（12）区域内为识别轮廓信号成分设置有适应的阀值部件（23），为调节其阀值该阀值部件连接有一估价输入信号的幅值的适配部件（34）。

26、按权利要求20至25中之一的装置，其特征是并行连接的分级元件（18）的输出信号导送到一与其经过一“或”逻辑互相组合的逻辑部件（25）。

27、按权利要求20至26中之一的装置，其特征是为了去消各别的信号成分，将参考平面（6）中该相应坐标规定其幅度值为零。

28、按权利要求20至27中之一的装置，其特征是各别信号成分的消除在一选择器的区域内进行，该选择器至少对那引动赋给在一工作坐标周围坐标的幅度值进行检验，看它们是否等于零，如果发现所有这些幅度均为零，即将此工作坐标的幅值亦置为零。

29、按权利要求20至28中之一的装置，其特征是为了保证轮廓信息，设置有一将经滤波的信号与未滤波的输入信号相加的组合级（9）。

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