DE10011060A1 - Rauschreduzierer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rauschreduzierer für Videosignale mit einem Medianselektor, dessen Eingängen Bildpunktwerte eines Bezugsbildpunktes, und wenigstens Bildpunktwerte vertikal oder horizontal zu dem Bezugsbildpunkt benachbarter Bildpunkte und/oder Bildpunktwerte von Bildpunkten, die dem Bezugsbildpunkt in einem vorangehenden und/oder einem folgenden Bild entsprechen (zeitlich benachbarte Bildpunkte), zugeführt sind. Das Ausgangssignal des Medianfilters ist tiefpassgefiltert. Durch Subtraktion vom laufzeitgleichen Eingangssignal des Medianfilters wird ein komplementäres Hochpasssignal gebildet, welches über eine Coring-Charakteristik dem Tiefpasssignal wieder zugesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rauschreduzierer für Videosignale mit einem Medianselektor, dessen Eingängen Bildpunktwerte eines Bezugsbildpunktes, und wenigstens Bildpunkt­ werte vertikal oder horizontal zu dem Bezugsbildpunkt benachbarter Bildpunkte und/oder Bildpunktwerte von Bildpunkten die dem Bezugsbildpunkt in einem vorangehenden und/oder einem folgenden Bild entsprechen (zeitlich benachbarte Bildpunkte), zugeführt sind.

Ein solcher Rauschreduzierer ist aus DE 40 01 552 bekannt, welcher vorwiegend zur indivi­ duellen Nachbearbeitung von abgetasteten Filmmaterial eingesetzt wird. Bei doppelter Ge­ wichtung von Bildpunkten die einem Bezugsbildpunkt um jeweils genau ein Bild voran­ gehen bzw. folgen und einfacher Gewichtung der unmittelbaren vertikalen und horizon­ talen Nachbarn des aktuellen Bildpunktes bewirkt dieses Filter eine sehr starke Rauschre­ duktion, weil Bildpunktwerte aus allen drei Dimensionen zur Filterung herangezogen werden. Auch kleinerer Filmschmutz und Satelliten Störungen (FM Sparkles) werden mit dieser Anordnung wirkungsvoll unterdrückt. Für statische Bilder tritt kein Auflösungsver­ lust auf. Im Prinzip eignet sich der bekannte Rauschreduzierer auch zur Verbesserung der Qualität bei der MPEG-Codierung, da durch einen der MPEG-Codierung vorgeschalteten Rauschreduktionsprozess eingestreutes Rauschen, welches lediglich eine irrelevante Bildin­ formation darstellt, aber wegen des hohen Frequenzanteils zu erheblichem Codierungs­ aufwand führt, eliminiert werden kann.

Bei der Verteilung von digitalen Broadcast Signalen werden an einen Broadcast-Rauschre­ duzierer jedoch völlig andere Forderungen gestellt. Aufgrund der Tatsache, dass im Broad­ cast Life-Betrieb keine Bedienperson vorhanden ist, die die Parameter des Rauschredu­ zierers szenenweise optimiert, muss sich die Rauschreduktion weitgehend automatisch an das zu verarbeitende Material anpassen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rauschreduzierer anzugeben, der sich speziell für die Verteilung von Viedeosignalen eignet und der insbesondere während des Betriebs keine Bedienungseingriffe erfordert.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Filter so ausgestaltet ist, dass das Ausgangs- Signal des Medianfilters tiefpassgefiltert wird und durch Subtraktion vom laufzeitgleichen Eingangssignal des Medianfilters ein komplementäres Hochpasssignal gebildet wird, welches über eine Coring-Charakteristik dem Tiefpasssignal wieder zugesetzt wird.

Auf diese Weise werden Rauschsignale kleinerer Amplitude weiterhin ausgefiltert, während Bewegungsartefakte größerer Amplitude vermieden werden. Das gewünschte Maß an Rauschreduktion bzw. die damit verbundenen maximal auftretenden Bewegungsartefakte wird hierbei vorzugsweise mit dem Coring-Schwellwert eingestellt werden. Von Vorteil ist, dass diese Schaltungsanordnung mit geringem Hardwareaufwand realisierbar ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rauschreduzierer so ausgestaltet, dass der Coring-Schwellwert einem jeweils gemessenen Eingangsstörabstandes entsprechend nach­ geführt wird. Auf diese Weise erfolgt ein automatischer Übergang von einer zeitlichen Filterung auf eine örtliche Tiefpassfilterung (horizontal und vertikal), und entspricht so dem reduzierten Bewegungsauflösungsvermögen des menschlichen Auges. Unbewegte Szenen werden im wesentlichen einer zeitlichen Medianfilterung unterzogen, während bei Bewegung der Medianwert mit hoher Wahrscheinlichkeit aus den örtlich benachbarten Bildpunktwerten gebildet wird. Somit bleibt die Rauschreduktion auch bei Bewegung erhalten.

Weiterhin sollte der Broadcast-Rauschreduzierer über eine automatische Film/Video Erkennung und über eine 3/2-Pulldown-Detektion verfügen.

Prinzipbedingt haftet der Grundschaltung nach Anspruch 1 jedoch noch der Nachteil an, dass hochfrequente Störungen, sogenannte Satellitenfischchen nicht genügend unterdrückt werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zur Unterdrückung solcher Störungen das Hochpasssignal über ein horizontales Medianfilter mit einstellbarer Apertur geführt.

Mit der Grundschaltung werden exakt horizontal verlaufenden "Fische" und dadurch kurze horizontale und diagonale Strukturen gesperrt, während die längeren Fische über das Hochpasssignal wieder in das Ausgangssignal des Medianfilters gelangen. Mittels des hori­ zontalen Medianfilters im Hochpasszweig können nun auch diese "längeren" Fischchen erkannt und unterdrückt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das horizontale Medianfilter mit einstell­ barer Apertur aus einem horizontalen Medianfilter dessen Ausgangssignal und das Hoch­ passsignal einem Minimumbildner zugeführt sind, wobei ein vorgebbarer Anteil des Aus­ gangssignals des Minimumbildners vom Hochpasssignal subtrahiert wird.

Auf diese Weise erzeugt das horizontale Medianfilter ein Maskensignal, welches mittels der Minimum Funktion ein exaktes Abbild der "Fischchen" erzeugt. Mittels des einstellbaren Anteils des Signals, welches vom Hochpasssignal subtrahiert wird, wird das Maß der ge­ wünschten Unterdrückung bestimmt.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind den Eingängen des Medianselektors der Bild­ punktwert des Bezugsbildpunktes mit dreifacher Gewichtung und die Bildpunktwerte der zum Bezugsbildpunkt vertikal und zeitlich benachbarten Bildpunkte mit einfacher Ge­ wichtung zugeführt.

Auf diese Weise eignet sich dieses Medianfilter besonders gut zur Unterdrückung von sogenannten primären Glitchen, da es nur Störungen ausfiltert, die nicht breiter als eine Zeile sind. Zwar bietet eine gleichmäßige Gewichtung von vertikalen, horizontalen und zeitlich zum Bezugsbildpunkt benachbarten Bildpunktwerten ebenfalls eine gute Glitch­ unterdrückung, jedoch hat es sich gezeigt, dass damit auch ein leichter diagonaler Auf­ lösungsverlust für unbewegte Bilder verbunden ist. Diesen Nachteil vermeidet die dreifache Gewichtung des Bezugsbildpunktwertes.

In zwei anderen Ausführungsformen des Medianfilters ist der Bezugsbildpunktwert, die vertikal und horizontal benachbarten Bildpunktwerte einfach, die zum Bezugsbildpunkt zeitlich benachbarten Bildpunktwerte jeweils doppelt gewichtet, bzw. der Bezugsbildpunkt dreifach, die Bildpunktwerte der zum Bezugsbildpunkt zeitlich benachbarten Bildpunkte doppelt und die zum Bezugsbildpunkt vertikal benachbarten Bildpunktwerte einfach gewichtet.

Mit den auf diese Weise ausgebildeten Medianfiltern erreicht man eine bessere niederfre­ quente Rauschreduktion. Wie sich gezeigt hat, wird dies jedoch mit der Einführung stärkerer Bewegungsartefakte erkauft.

Zur Vermeidung dieser neuen Bewegungsartefakte ist in einer weiteren Ausführungsform das Hochpasssignal einem vertikalen Medianfilter zugeführt und das Ausgangssignal des vertikalen Medianfilters ist einer zweiten Coringstufe zugeführt.

Das vertikale Medianfilter über drei Zeilen sorgt dafür, dass bewegte Strukturen von zwei Zeilen Höhe dem Hochpasssignal wieder zugesetzt werden. Die zweite Coring-Stufe, die wie die erste Coring-Stufe ausgeführt ist, blendet dabei kleine Rauschamplituden aus. Auf diese Weise werden bewegte Strukturen mit der Höhe von zwei Zeilen wieder eingefügt, erzeugen also keine Artefakte mehr. Einzeilige Störungen hingegen werden weiterhin wie oben beschrieben maskiert und ausgeblendet.

Die Erfindung wird nun an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs­ beispielen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Prinzip des Rauschfilters

Fig. 2 Verschiedene 2-D und 3-D Medianfilter

Fig. 3 Rauschreduzierer mit einer Coringstufe

Fig. 4 Rauschreduzierer mit zwei Coringstufen

Fig. 5 Noise, Film und Pulldown Detektor

Fig. 6 Filterung von Filmmaterial mit 2/3 Pulldown

In Fig. 1 ist das Prinzip eines Rauschfilters dargestellt, welches ein 3D Medianfilter 1, ein Verzögerungsglied 2, einen Subtrahierer 3, eine Coringstufe 4 und einen Summierer 5 enthält. Dieses hat den Nachteil, dass z. B. "Satelliten Fische" zwar über das Medianfilter unterdrückt werden, aber über den Hochpassweg wieder zugesetzt werden, da die Ampli­ tude oberhalb der Coring Schwelle liegen wird.

In Fig. 2 ist das Prinzip der Erfindung dargestellt. Dieses vermeidet diesen Nachteil, indem die exakt horizontal verlaufenden "Fische" im Hochpasssignal HPF1 (vgl. Fig. 3) maskiert werden. Zu diesem Zweck wird das Hochpasssignal über ein horizontales Medianfilter ge­ führt, dessen Apertur (Länge des Filters) etwas kleiner als die Länge der "Fische" ist. Auf diese Weise werden kurze horizontale und diagonale Strukturen gesperrt, während die längeren Fische vom horizontalen Medianfilter durchgelassen werden.

Das Eingangssignal der in Fig. 3 abgebildeten Schaltung wird nicht nur an ein in Fig. 2C dargestellten Medianfilter 6 sonder auch einen Subtrahierer 7 geschickt. Am zweiten Ein­ gang des Subtrahierers 7 liegt das Ausgangsignal (LPF1) des Medianfilters 6. Der Ausgang des Subtrahierers 7 ist mit dem Eingang eines horizontalen Medianfilters 8, eines Mini­ mumbildners 9 und eines weiteren Subtrahierers 10 verbunden. Das horizontale Median­ filter 8 liefert das Eingangssignal für den Minimumbildner 9. Das Ausgangssignal des Minimumbildners 9 wird über einen Multiplizierer 11 mit der Stellgröße GLITCH ver­ knüpft. Das Produkt des Multiplizierers 11 wird dem Subtrahierer 10 zugeführt, dessen Ausgang als Eingang einer Coringstufe 12 dient. Diese erhält ein Signal Noise und leitet ihr Ausgangssignal an einen Summierer 13, dessen zweiter Eingang mit dem Medianfilter 6 verbunden ist. Das Ausgangssignal dieser Schaltung liefert der Summierer 13.

Das Maskensignal des Multiplizierers 8 wird mit dem HPF1-Signal des Subtrahierers 7 über eine Minimum-Funktion verknüpft, wodurch ein exaktes Abbild der "Fische" ent­ steht. Über den Multiplizierer 11 kann dann über die Stellgröße GLITCH (Bereich von 0 1) das Maß der gewünschten Unterdrückung eingestellt werden. Das Ausblenden der Satelliten-Fische aus dem Hochpasssignal erfolgt dann über die zweite Subtraktionsstufe 10. Das Medianfilter nach Fig. 2C ist zur primären Glitch-Unterdrückung besonders gut geeignet, da es nur Störungen ausfiltert, die nicht breiter als eine Zeile sind. Das Gleiche trifft auch für Fig. 2A zu, allerdings ist mit diesem Filter ein leichter diagonaler Auflö­ sungsverlust für unbewegte Bilder verbunden.

Die Filter deren Wirkungsweise in Fig. 2B und Fig. 2D dargestellt sind, haben die Eigen­ schaften, wegen der doppelten Gewichtung der zeitlichen Abtastwerte (die Pixel am gleichen Ort aus den benachbarten Bildern) eine stärkere niederfrequente Rauschreduktion zu erreichen. Auf der anderen Seite werden aber auch stärkere Bewegungsartefakte einge­ führt. So können z. B. bewegte Strukturen, die nur zwei Zeilen hoch sind, vollständig ausgelöscht werden. Zur Unterdrückung der Satellitenstörungen sollen aber nur die eine Zeile hohen Störungen ausgeblendet werden.

Das Eingangssignal der in Fig. 4 dargestellten Schaltung wird an einen in Fig. 2D gezeigten Medianfilter 14 und einen Subtrahierer 15 geleitet. Der Medianfilter 14 schickt sein Aus­ gangssignal (LPF1) an den Subtrahierer 15, dessen resultierendes Signal (HPF1) einem vertikalen Medianfilter 16 und einem weiteren Subtrahierer 17 zugeführt wird. Der Aus­ gang dieses Subtrahierers 17 ist mit dem Eingang eines horizontalen Medianfilters 18, des Minimumbildners 19 und eines Subtrahierers 20 verbunden. Das Ausgangssignal des hori­ zontalen Medianfilters 18 ist das Eingangssignal des Minimumbildners 19. Ein Multipli­ zierer 21 erhält das Ausgangssignal des Minimumbildners 19, eine Stellgröße GLITCH und leitet das Produkt an den Subtrahierer 20 weiter. Das resultierende Ausgangssignal des Subtrahierers 20 wird an den Eingang einer Coringstufe 22 geführt, die gleichzeitig ein weiteres Rauschsignal erhält. Das gleiche Rauschsignal erhält auch eine zweite Coringstufe 23. Der Eingang dieser Coringstufe ist mit dem Ausgang des vertikalen Medianfilters 16 verbunden. Die drei Eingänge eines Summierers 24 bestehen aus dem Ausgang der Coringstufe 22, der Coringstufe 23 und des Medianfilters 14.

Fig. 4 zeigt eine Weiterbildung der Schaltung aus Fig. 3, bei welcher das Hochpasssignal HPF1 weiter aufgespaltet wird in ein Signal LPF2 und HPF2. Ein zusätzliches vertikales Medianfilter 16 über drei Zeilen sorgt dafür, dass bewegte Strukturen von zwei Zeilen Höhe über den Weg LPF2 wieder zugesetzt werden. Eine zweite Coringstufe 23, die wie die erste Coringstufe 22 ausgeführt ist, blendet dabei kleine Rauschamplituden aus. Die einzeiligen Satellitenstörungen treten im Signal HPF2 auf und werden wie oben beschrie­ ben maskiert und ausgeblendet.

Das Filter in Fig. 5 besteht aus einem Medianselektor 29 mit acht Eingängen, vier Verzö­ gerungsgliedern 25, 26, 27, 28 und zwei Gewichtungsgliedern 30, 31. Das NTSC-Video­ signal ist dem ersten Verzögerungsglied 25, zugeführt, welches die Bildpunkte des Video­ signals um genau 524 Bildzeilen verzögert. Danach folgen das zweite und das dritte, jeweils in Reihe geschaltete Verzögerungsglied 26, 27, welche das Ausgangssignal des ersten Ver­ zögerungsgliedes 25 um jeweils eine Bildzeile verzögern. Schließlich verzögert das vierte Verzögerungsglied 28 das Ausgangssignal des dritten Verzögerungsgliedes 27 um wieder genau 524 Bildzeilen. Auf diese Weise sind - wenn man das Ausgangssignal des zweiten Verzögerungsgliedes 26 als aktuellen Bildpunkt betrachtet - das Ausgangssignal des ersten und des dritten Verzögerungsliedes 25, 27 vertikal zu dem aktuellen Bildpunkt benachbart, und das Eingangssignal des Filters und das Ausgangssignal des vierten Verzögerungsgliedes 28, um genau ein Bild vorauseilend bzw. nacheilend, also zeitlich benachbart.

Der Ausgang des zweiten Verzögerungsgliedes 26 ist gleichzeitig mit drei Eingängen des Medianselektors 29 verbunden und führt somit zu einer dreifachen Gewichtung des aktuellen Bildpunktes. Das Ausgangssignal des ersten und des dritten Verzögerungsgliedes 25, 27 sind mit jeweils nur einem Eingang des Medianselektors 5 verbunden, so dass die vertikal benachbarten Bildpunkte nur mit einfacher Gewichtung eingehen. Das Eingangs­ signal und das Ausgangssignal des zweiten Verzögerungsgliedes 26, sowie das Ausgangs­ signal des dritten Verzögerungsgliedes 27 und das Ausgangssignal des vierten Verzö­ gerungsgliedes 28 sind jeweils einem Gewichtungsglied 30, 31 zugeführt. Das Eingangs­ signal der Anordnung wird nicht nur zum Gewichtungsglied 30 sondern auch an den Eingang mehrerer automatischer Detektoren 32, mehrerer Detektoren 33 für Film/Video, einem 2/3 Pulldown-Detektor 34 und einem Eingang eines Multiplexers 35 geführt. Die Ausgänge der Detektoren 33 und des 2/3 Pulldown-Detektors 34 sind mit einander über ein Und-Gatter 36 verknüpft. Das direkte Ausgangssignal des Und-Gatters 36 ist das Steuersignal PD2 und das durch ein Verzögerungsglied 37 geführte Ausgangssignal ist das Steuersignal PD1. Das Steuersignal PD1 fließt in den Multiplexer 35 ein. Der dritte Ein­ gang des Multiplexers 35 hat eine Verbindung zum Ausgang des Gewichtungsgliedes 30. Der Ausgang des Multiplexers 35 ist mit zwei Eingängen des Medianselektors 29 verbun­ den. Ein weiterer Multiplexer 38 erhält das Steuersignal PD2, ein Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 28 und des Gewichtungsgliedes 31. Der Ausgang des Multiplexers 38 ist mit zwei Eingängen des Medianfilters 29 verbunden.

Die Gewichtungsglieder 30, 31 bilden jeweils die Summe aus den Eingangssignalen und halbieren diese. Da die Eingangssignale jeweils genau um ein ganzes Bild verzögert sum­ miert werden, ergibt dies im Prinzip eine Kammfilterung des Videosignals. Die kammge­ filterten Signale sind jeweils gleichzeitig zwei Eingängen des Medianselektors zugeführt, gehen also mit zweifacher Gewichtung in die Filterung ein.

Fig. 5 zeigt die Einbindung des automatischen Detektors 32 für den Input Noise Level zur Steuerung des Coring-Schwellwertes sowie die Detektoren für Film/Video (PVE 55-539) und 2/3 Pulldown (PVE 55-518). Stammt das zu verarbeitende Material von einer Film­ kamera, so werden die Schaltsignale PD1 und PD2 zur Steuerung der Multiplexer über das Und-Gatter auf logisch "Null" gesetzt. Die zeitlichen Abtastwerte des Medianfilters T₊ und T sind dann bezogen auf den Mittelabgriff um +/-2V verzögert (2V = 1 Vollbild). Ist das vorliegende Material Film, und tritt keine Pulldown Sequenz auf, sind die Signale PD1 und PD2 ebenfalls "Null". Bei der Abtastung von Film im 525 Zeilen/60 Hz Standard tritt der sogenannte 2/3 Pulldown auf, d. h. die Filmbilder werden alternierend in 2 bzw. 3 Teilbilder des Videosignals abgebildet (siehe Fig. 5). Für die zeitliche Filterung des Film­ kornrauschens sollten die drei Bilder aber aus aufeinanderfolgenden Filmbildern stammen und nicht aus drei aufeinanderfolgenden Vollbildern des Videosignals. Dies wird durch das Umschalten der Multiplexer mit den Signalen PD1 und PD2 erreicht, wie in Fig. 6 an­ hand der Signale MUX1, 4V und MUX2 gezeigt ist. Der Pulldown Impuls PLD kenn­ zeichnet mit logisch "Eins" die Wiederholung eines Teilbildes innerhalb der 3-er Sequenz. Der Impuls PD2 für den zweiten Multiplexer muss gegenüber PD1 zur Laufzeitanpassung um 2 Teilbilder (2V) verzögert werden.

Claims (9)

1. Rauschreduzierer für Videosignale mit einem Medianselektor, dessen Eingängen Bildpunktwerte eines Bezugsbildpunktes, und wenigstens Bildpunktwerte vertikal oder horizontal zu dem Bezugsbildpunkt benachbarter Bildpunkte und/oder Bildpunktwerte von Bildpunkten die dem Bezugsbildpunkt in einem vorangehenden und/oder einem folgenden Bild entsprechen (zeitlich benachbarte Bildpunkte), zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter so ausgestaltet ist, dass das Ausgangssignal des Medianfilters tiefpassgefiltert ist und durch Subtraktion vom laufzeitgleichen Eingangssignal des Medianfilters ein komplementäres Hochpasssignal gebildet ist, welches über eine Coring-Charakteristik dem Tiefpasssignal wieder zugesetzt ist.

2. Rauschreduzierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Coring-Schwellwert einem jeweils gemessenen Eingangsstörabstand entsprechend nachgeführt wird.

3. Rauschreduzierer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterdrückung solcher Störungen das Hochpasssignal über ein horizontales Medianfilter mit einstellbarer Apertur geführt.

4. Rauschreduzierer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das horizontale Medianfilter mit einstellbarer Apertur aus einem horizontalen Medianfilter gebildet ist, dessen Ausgangssignal und das Hochpasssignal einem Minimumbildner zugeführt sind, wobei ein vorgebbarer Anteil des Ausgangssignals des Minimumbildners vom Hochpasssignal subtrahiert wird.

5. Rauschreduzierer nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, den Eingängen des Medianselektors der Bildpunktwert des Bezugsbildpunktes mit dreifacher Gewichtung und die Bildpunktwerte der vertikal und zeitlich benachbarten Bildpunkte mit einfacher Gewichtung zugeführt sind.

6. Rauschreduzierer nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Medianfilter der Bezugsbildpunktwert einfach und die zum Bezugsbildpunkt zeitlich benachbarten Bildpunktwerte jeweils doppelt gewichtet zugeführt sind.

7. Rauschreduzierer nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Medianselektor der Bildpunktwert des Bezugsbildpunktes dreifach, die Bildpunktwerte der zum Bezugsbildpunkt zeitlich benachbarten Bildpunkte doppelt und die zum Bezugsbildpunkt vertikal benachbarten Bildpunktwerte einfach gewichtet zugeführt sind.

8. Rauschreduzierer nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochpasssignal einem vertikalen Medianfilter zugeführt ist und das Ausgangssignal des vertikalen Medianfilters ist einer zweiten Coringstufe zugeführt ist.

9. Verfahren zur Rauschreduktion von Bildern, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Medianfilters tiefpassgefiltert wird und durch Subtraktion vom laufzeitgleichen Eingangssignal des Medianfilters ein komplementäres Hochpasssignal gebildet wird, welches über eine Coring-Charakteristik dem Tiefpasssignal wieder zugesetzt wird.