CN1073777C - 确定对应于信号中噪声的噪声值的方法和电路 - Google Patents

Abstract

一种方法用于确定对应于信号中噪声的噪声值，该信号在无噪声信号中包含相同的信号。对应于信号中的噪声的噪声值可以用来控制降噪滤波器以及其他数字改进电路，特别是图象改进电路。这对于现代电视接收机中的数字信号处理是特别有意义的。本发明帮助更有效地使用存在于现代数字电视接收机中的图象改进算法。

Description

确定对应于信号中噪声的噪声值的方法和电路

本发明涉及一种方法和电路用于从一个信号，特别是一个数字化的视频信号中抽取对应于信号中噪声的一个数值。

对应于信号中噪声的噪声值能够用于控制降噪滤波器以及其他的数字改进电路，特别是图象改进电路。这对于现代电视接收机中的数字信号处理是特别有意义的。本发明帮助更有效地使用存在于现代数字电视接收机(例如降噪，峰化，CTI，轮廓校正)中的图象改进算法。

为了取得有意义的噪声值所使用的方法和装置必须对噪声和信号进行区分。

如由Qui Zhang和Rabab Ward公布在1995年2月IEEE论文集的消费者电子学第41卷第1号的“电视图象的信号热噪声比的自动估计”中所描述，有线电视提供者在频域上测量防护频带的能量，其中防护频带是在一个连续频率范围内两个相邻频道之间带宽的部分。测量的能量假设对应于图象中的噪声。但是在防护频带的噪声不需要反映图象中的噪声。此外，缺点是应用此方法必须使用的频谱分析仪过高的费用。

现代电视接收机在前端使用一个被称为‘自动增益控制’(AGC)用来测量同步或色同步信号的幅度。这个幅度假设对应于信号中的噪声。但是因为这不是噪声的真正的测量，甚至由不好的摄影机或便宜的录像机记录的噪声图象能够包含正确的同步幅度。

特别由广播工作者和有线电视提供者使用的另外一种方法测试信号被插入在场回扫时间或场的第一行期间。这样，可以提前知道信号并且容易把噪声从信号中分离开。但是这些测试信号不能用在电视接收机中，因为每个有线电视提供者和广播工作者使用不同的测试信号和在CVBS信号中的位置以检查传输的方法(从天线经过空中、有线电视、卫星)。这种技术不能估计图象中的噪声，仅仅是传输期间加上的噪声的量。

本发明的一个总的目的是提供一种方法和电路能够从信号中抽取对应于信号中噪声的数值。

本发明的优选实施例目的在于提供一种噪声测量方法和电路能够从一个数字化视频信号中抽取一个对应于在视频信号中噪声的数值以控制数字化图象改进电路。有了这样的噪声值图象改进算法能够更有效地实现。所述的改进算法可以例如是降噪算法、峰化算法、CTI算法或者轮廓校正算法。

降噪算法能够减少图象中的噪声电平到一个令观看者更喜欢的电平。峰化算法能够突出视频信号高频部分以改进清晰度的印象。但是如果视频信号具有高的噪声电平，高频部分的突出也导致噪声的不希望增加的明显度。通过噪声值的使用能更有效地进行峰化算法的应用。这种情况对于CTI算法的应用也一样。CTI算法(彩色瞬态改进)在彩色过渡产生更清晰的印象。但是为了应用这种算法首先彩色过渡必须被检测到。在视频信号中噪声电平越低，用于检测彩色过渡实现的算法越好，并且检测的彩色过渡越可靠。因为过渡检测的可靠性取决于在信号中噪声电平上高的程度，所以由噪声值控制的CTI应用会更有效地应用。

现代电视接收机通常包含自动搜索调谐装置。因为一个广播电台一般使用不同频率覆盖一个较大的区域，通过自动搜索调谐相同的电台可以在不同的频率上找到。借助于具有视频信号的可视图文服务广播，可能自动地决定在不同频率找到的两个电台是同一个还是不同的。自动地决定对于一个台哪一个找到的频率应该被用于测量噪声电平是一个合适的标准，因为应该选择具有较低噪声电平以及相应的更令观看者愉快的频率。

根据本发明的第一个方面，噪声测量方法和电路仅仅估计在连续的场或帧中相应行之间的绝对差值。在相应行的估计像素在无噪声信号中从帧到帧或场到场具有恒定值。这使得噪声测量可能尽可能接近真正的视频信息进行，因为只要这些信号在时间方面不改变则插入这些行的信号就不敏感。因此，测量的噪声值就能够比现有技术可能测量的更精确。

根据本发明的另一个方面，测量的噪声值被时间滤波。这确保了在信号中特别是在视频信号中短失真，不会导致在控制的特性(例如降噪)中的错误设置。此外，当噪声电平变化时，这能引起控制的特性平稳变化。

根据本发明的再一个方面，测量差值的过高的峰值被限制以使得可能限制硬件的复杂性。

根据本发明的另外一个方面，可靠性测试被引入以可能做出错误测量的自检。因为差值的过高的峰值通常不是由于噪声而是由于其他失真或插入的时变信号，这些数值不是对于噪声值计算的估计。这就确保了一个精确的噪声值，甚至在不可预测的时变信号发生在估计行上的情况下。

根据本发明的噪声测量电路使得可能更有效地使用数字图象处理算法。这样一种电路具有低的硬件复杂性但比现有技术提供更精确的噪声测量。因为所述噪声测量电路要用于数字电视接收机，其工作能用不同的电视标准(例如NTSC、PAL、PALplus、SECAM)，能用不同的源(如经过调谐器的电视信号、录像机、激光视盘、最高级设定盒(set top box))并具有在场消隐中现存的未来的服务。

为了更好地理解本发明，本发明的优选实施例参照附图进行详细描述，其中：

图1示出了本发明的一个简化方框图；

图2示出了本发明的一个总的方框图；

图3示出了一个限幅器装置的特性；以及

图4示出了本发明硬件实现的方框图；

在具有恒定电平的视频信号中两个相邻像素之间的差值是由噪声引起的。信号中噪声的高电平导致了平均的较大差值。这样，所有绝对差值的平均值代表了对信号中噪声的一个好的指示器。

信号噪声失真的出现无论是在空间方面还是在时间方面都是不可预测的。因此，只要初始的无噪声信号在估计方面有一个恒定电平，那么代表信号中噪声的噪声值可以通过在时间上或空间上分布的采样值等效地估计到。如果无噪声信号在空间方面不是恒定的，例如在一个图象上的一行像素，但是在时间方面，例如在视频信号中从场到场或从帧到帧，噪声值仍然能够在空间方面测量到。因此，仅仅是连续场或帧的相应信号值之间的差值必须被估计。

于是，噪声测量，特别是图象中的噪声测量不会受时变信号，即广播工作者或有线电视提供者插入的测试信号的影响。

图1示出了用于解释本发明噪声测量原理的方框图。输入信号11被输入到延迟装置10和绝对差值装置20。

延迟装置10与绝对差值装置20连接并提供给绝对差值装置20最好为一个周期，例如视频信号的一场或一帧的延迟的输入信号。延迟装置最好是由存储装置实现，该存储装置用于存储至少信号部分用于每场或每帧的噪声测量估计的至少信号部分。除了延迟信号12绝对差值装置20连接到输入信号11。延迟装置10确保绝对差值装置20仅仅由连续周期的相应值提供，例如视频信号的连续场或帧的相应行的相应值。

在绝对差值装置20的相应值之间绝对差值的计算最好由两个步骤执行。在第一步，两个提供值(由11和12提供)之间的差值被计算并由23提供给绝对装置24。绝对装置24对于提供的差值数值23计算绝对值27。因为被测量的噪声的平均值假设为零，所以计算的差值23的绝对值27的计算是不可缺少的。

在连续场或帧的相同信号部分的相应值之间的所有计算的绝对差值由绝对差值装置20或绝对装置24提供给累加器装置40。累加器40加上所有每一场或帧计算的绝对差值并且由45提供总和，即噪声值代表在信号的当前场或帧的噪声。

每场或帧用于噪声测量的被估计值的选择由测量窗口装置50的门脉冲55控制，测量窗口装置50连接到差值装置22、绝对装置24和/或者累加器装置40中至少一个，最好是差值装置和累加器装置。连接的装置的计算或相加过程由门脉冲55启动，门脉冲55从例如视频信号的H-Sync51和V-Sync52的被估计值的预定位置导出。

本发明的一个改进的实施例示出在图2。与图1相比有新方框插入到图中。

为了限制硬件复杂性有可能提供限幅器30以限制噪声的过高的峰值。限幅器的特征示出在图3：只要输入信号不超过一定的界限320，限幅器30的输出信号等于输入信号，320是不能被输出信号超过的。超过界限320的输入信号将产生只有最高可能值310的输出信号。界限被设置在正常的甚至高噪声不受限制的范围中。这样限幅器不会影响正确的噪声测量。

在这个限幅器装置30的另一个实施例中，更复杂的计算过程被启动以由超过预定界限320的输入值估计相应的输出值。假设超过预定界限320的绝对差值不能由视频信号中的噪声解释。因此，超过界限320的输入值被忽略并在当前估计的场或帧由另一个计算的绝对差值在限幅器装置30的输出端替代，最好使用先前的绝对差值。也就是在视频信号的一场或一帧的估计行先前计算的相邻像素的绝对差值。

因为当一定数量的绝对差值只是从它的先前值接收过来时，视频信号中的每场或每帧计算的噪声值的可靠性会降低，所以引入执行替代的最大可允许的百分比是有用的。如果有比预定百分比界限允许的更多执行的替代，则计算的噪声值假设为无效。

测量的噪声值的可靠性测试并不是必须取决于完成的替代。上面描述的可靠性测试也能应用到仅仅是限制绝对差值的极值的较少复杂性的限幅器。在这种情况下，只有限定的绝对差值的预定百分比被允许用于有效的噪声值。

这种可靠性测试由图2中单元37执行。每个替代或每次限幅器截止输入信号，一个标志信号36提供给可靠性测试装置37。

如果大于绝对差值的25％被限定或被替代，则可靠性测试装置37设置可靠性标志38到信号，对于这个估计的信号部分的噪声测量，特别在一场或一帧的这一行是不可靠的。

这种可靠性测试的实现具有提供错误噪声测量的自检的优点。在今天不可预见的时变信号或有源视频被引入帧的估计信号部分，特别引入场或帧的估计行的情况下，没有错误的噪声值输出，而只是一个信号38(一个可靠性标志)，它使得可能对于噪声测量电路转换到另一个信号部分用于噪声测量，特别是视频帧的另一行。

归一化装置60通过用累加差值45除以累加差值的数完成由累加器装置40提供的数值45的除法。这样，由归一化装置60提供的噪声值65反映了单独于每一噪声值估计的绝对差值数的噪声电平。

分别由累加器装置40或归一化装置60提供的测量噪声值被滤波器装置70时间滤波用于抑制代表连续测量噪声值的噪声值信号中的高频分量。完成这些以确保在信号中的短失真不会导致在控制特性(例如降噪)中的错误设置以及因为突然的变化对于观看者是可见的，所以在信号中噪声电平的变化仅仅导致控制特性的平滑变化。

本发明的优选实施例是电视接收机，其中视频分量信号(YUV)由多维彩色解码器提供。每个信号由一个8位数值表示。用于亮度分量Y的采样频率是13.5MHz以及用于色度分量U和V的采样频率是6.75MHz。

仅有视频信号的亮度信号Y用于噪声的测量，其中对于PAL、PALplus和SECAM传输标准在行23(场A)的前半部分估计256个像素的位置。对于NTSC传输标准这个测量窗口被放在场B行19的前半部分。

在这些位置(行23、场A对于PAL、PALplus和SECAM；行19、场B对于NTSC)的测量窗口的放置导致了非常相应于图象中真正的噪声的噪声值：估计行不包含任何有源视频信息，但却非常接近它。这一行总是记录在VCR上并且因此测量的噪声值对于再现视频信号中的噪声具有直接的相关性。

为了使PALplus接收机能够完成与标准PAL视频信号兼容的传输的PALplus视频信号的适当的处理，必须传输某些附加的信息以指示PALplus接收机传输的视频信号的条件。被称为宽屏幕信号系统(WSS)的这个信息在PALplus视频信号每一帧的行23执行并通知PALplus接收机被使用的滤波形式和图象宽度以便优化接收机中的互补处理。WSS位从帧到帧是恒定的。因为上面描述的噪声测量仅仅估计了两帧之间的像素差值，所以WSS位在噪声测量中没有任何影响。

图4示出了本发明的硬件实现的方框图。图4中的参考记号编号相应于图1和图2中的编号，不同在于在图4数字的前面加上了一个4。对于图4示出的所有总线的总线宽度通过一行中的一划指示代表由表示并行位数的数值伴随的总线。

每个像素由一个8位数值表示的数字化亮度信号Y411被输入到帧延迟装置410。差值装置422同时被提供当前视频信号411和延迟一帧的相同视频信号412并由延迟装置410提供的8位数值。差值装置422计算两个数值之间的差值，在连续帧中具有相同的场和行位置，并且提供计算的差值423(带有符号位的8位数值)到绝对装置424。绝对装置424计算差值数值423的绝对值427(8位数值)。

通过限幅器装置430，最大绝对差值被限定到数值31。这减少总线435的宽度到5位。

如上所述，因为输入信号超过了预定电平，每当限幅器不通过这个信号限幅器430就提供一个附加的信号到计数器437。完成噪声测量的可靠性测试的计数器437计数有多少输入信号超过了预定电平。如果有大于绝对差值的25％超过了预定电平，那么限定计数器437输出一个‘1’到引线438。如果计数器提供一个‘1’到位于累加器440和时间滤波器470之间的多路复用器480，则这时多路复用器480不会通过累加的绝对差值，而是一个‘FF’信号。这个数值发出信号给控制器测量数值是不可靠的，因此不会前往时间滤波器470。

累加器440累加输入数值435。差值的累加和计算由测量窗口装置450控制。测量窗口装置450产生门脉冲455，这个脉冲提供给连接装置422和440以选择估计用于噪声测量(在行23对于PAL、PALplus和SECAM；在行19场B对于NTSC)的256个预定像素。门脉冲455从视频信号H-Sync451和V-Sync452导出。

用于累加信号的总线具有13位的宽度。但是只有8个最高有效位(MSBs)送到时间滤波器470或多路复用器480。这相应于必须归一化。对于一个正常的归一化，由13位数值的256来除是必须的，因为256个差值在累加器440中累加。但是因为为了精确在小数点后面的某些数字将要保留，所以要除以32。剩余的8位数字可以理解为具有小数点后三位的浮点值。

时间滤波器470由电视控制器的软件实现，使得滤波器的时间常数很容易被改变。

本发明并不限制于上面描述的实施例，特别是信号的类型不限制于视频信号。在周期性的期间，至少在预定的期间包含相同的信号部分的每一种信号都能应用。例如本发明可以修改到用于信息传输的数字信号，它以“包”传输信息，其中这些包的标题包含至少某些相同的信息。

如果噪声值信号的时间精度不是那么重要的话，在每场、帧或周期(取决于相同的信号部分的重复周期)只估计一个值就足以获得噪声值。每场、帧或周期的这样一个噪声值不是非常可靠的，但是通过时间滤波就变得更可靠。这会导致噪声值信号的较低的时间精度但却允许降低的硬件复杂性。

本发明甚至可修改为当静止图象传输时估计一帧中整个有源视频以获得一个噪声值。通过引入一个装置估计在对应场或帧视频信号的相同信号部分，估计的像素(相同的信号部分)的数量和位置就可以被自适应地选择。

Claims (10)

1．一种确定噪声值的方法，该噪声值对应于视频信号中的噪声，所述视频信号包括周期性间隔的场或帧，无噪声视频信号包括在预定周期性间隔处，最好是每场或帧的相同信号部分，每个所述相同信号部分在对应位置处有恒定信号值，该方法包括下列步骤：

输入视频信号，

把所述视频信号分离为两部分，该视频信号分离的部分对应于所述无噪声视频信号的相同信号部分，

为所述视频信号的所述两个分离的部分的对应信号值计算一个绝对差值的值，

把每个计算的绝对差值的值的过度峰值限制为预定的极大值，

累加预定数的计算的绝对差值的值，及

输出表示噪声值的一个累加和。

2．一种用于确定噪声值的噪声测量电路，该噪声值对应于视频信号中的噪声，输入到所述噪声测量电路的所述视频信号包括周期性间隔的场或帧，无噪声视频信号包括在预定周期性间隔处，最好是每场或帧的相同信号部分，其中该相同信号部分在相同信号部分的每一个的对应位置处具有恒定信号值，该噪声测量电路包括：

存储装置(10)，用于存储所述视频信号的至少一个值，

计算装置(20)，用于计算所述视频信号的所述存储的值与由所述视频信号当前提供的一个对应值，用来计算绝对差值的值的所述值是在输入视频信号中的后续相同信号部分的一部分，

限幅器装置(30)，用于把计算出的绝对差值的值的过度峰值限制为预定极大值，及

累加装置(40)，用于累加预定数量的计算出的绝对值差值的值，并且输出表示噪声值的累加的和。

3．根据权利要求2的噪声测量电路，还包括用于抽取噪声值信号的低频分量的滤波器装置(70)，该噪声值信号由连续计算的噪声值组成。

4．根据权利要求2或3的噪声测量电路，其特征在于所述计算装置(20)包括：

差值计算装置(22)，用于在连续场或帧的相同信号部分的两个对应值之间计算差值，其中一个值由当前信号提供，对应值由所述存储装置(10)提供；以及

绝对计算装置(24)，用于计算所述计算的差值的绝对值。

5．根据权利要求2到4中任一个的噪声测量电路，其中所述限幅器装置(30)从绝对差值计算装置(20)或绝对计算装置(24)接收绝对差值。

6．根据权利要求5的噪声测量电路，其特征在于所述限幅器装置(30)认为超过一个预定值的计算的绝对差值的值是无效的，并分别用先前有效的绝对差值的值来替代这些值。

7．根据权利要求5或6的噪声测量电路，其特征在于所述限幅器装置(30)认为如果超过一个预定值的绝对差值的部分超过一个预定的电平-对于一个场或一个帧最好是计算的绝对差值的25％-则对于一个场或一个帧计算的噪声值是无效的。

8．根据权利要求7的噪声测量电路，其特征于所述限幅器装置包括：

一个限幅器(30)，用于限制或替换超过一个预定值的绝对差值的值，并在每次一个绝对差值被限幅或替换时提供一个信号(36)给可靠性测试装置(37)；以及

所述可靠性测试装置(37)计数由所述限幅器(30)提供的所述信号(36)，并当一个预定电平-对于一个场或一个帧最好是计算的绝对差值的25％-被超过时提供一个可靠性信号(38)。

9．根据权利要求2到8之中的至少一个的噪声测量电路，包括一个归一化装置(60)，用于把从累加装置接收的每个值除以对该值累加的绝对差值数。

10．一种电视接收机，包括根据权利要求2至9之一的所述噪声测量电路。

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