DE102005011584A1 - Image/audio data set filtering method, involves filtering data set having user and noise data with selected/automatically adjusted parameters, and selecting image of user data, which pertains to image of noise data that appears as real - Google Patents

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Abstract

The method involves selecting parameters, and filtering image/audio data including user data and disturbance data such as noise data, with the selected parameters. Other filtering processes are executed on the data set by automatically adjusting the parameters. An image of the user data is selected, where the user data image pertains to an image of a disturbance data that appears as real. The image of the disturbance data appearing real is obtained by filtering. An independent claim is also included for a device for implementing a method of filtering a data set that is formed of user data and disturbance data e.g. noise data.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Ermittlung von Nutzdaten aus einem Datensatz, der sich aus Nutzdaten und Stördaten zusammensetzt. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Rauschunterdrückung.The The invention relates to a method and a device for a determination user data from a data set, which is composed of user data and disturbance data. The invention particularly relates to a method and a device for one Noise Reduction.

In fast allen Flachbettscannern, Filmscannern und Digitalkameras kommen CCD-Sensoren entweder in Form von CCD-Zeilen oder CCD-Chips zum Einsatz. CCD-Sensoren (CCD steht für "charge-coupled devices") bestehen aus einem Raster von vielen einzelnen lichtempfindlichen Dioden, Trifft nun Licht auf eine dieser lichtempfindlichen Dioden, sog. "Pixel", wird dieses in elektrische Spannung umgewandelt. Je heller es ist, um so mehr Spannung wird aufgebaut. Das Bild setzt sich also aus einem Raster von Helligkeitsinformationen zusammen. Durch getrennte Helligkeitsinformation der drei Grundfarben Rot, Grünen, Blau, entsteht ein Farbbild.In almost all flatbed scanners, film scanners and digital cameras come CCD sensors either in the form of CCD lines or CCD chips for Commitment. CCD sensors (CCD stands for "charge-coupled devices") consist of a Grid of many individual photosensitive diodes, now applies Light on one of these light-sensitive diodes, so-called "pixels", this is in converted electrical voltage. The brighter it is, the more tension is built. The picture is thus composed of a grid of brightness information. By separate brightness information of the three primary colors red, green, Blue, creates a color image.

Würde kein Licht auf den CCD-Chip fallen, so dürfte eigentlich nichts passieren, da ja keinerlei Licht auf die Photodioden trifft. Dem ist aber nicht so, denn Elektronen geraten auch durch Wärme in Bewegung, d.h. zum Beispiel bei längerer Betriebsdauer. Außerdem ist zum Betrieb des Sensors eine Grundspannung notwendig, die ebenfalls einzelne Elektronen in Bewegung versetzt.Would not be Light falling on the CCD chip, so nothing should happen, since no light hits the photodiodes. That is not so, because electrons also move by heat, i. for example at longer Operating time. Furthermore For operating the sensor, a basic voltage is necessary, which also single electrons are set in motion.

Andere Bilderfassungsgeräte wie Digitalkameras, Kernspin-Tomographen usw. produzieren ebenfalls unvermeidlich ein unerwünschtes Rauschen. Unerwünschte Rauscherscheinungen gibt es nicht nur bei der Erfassung von Bildern, sondern beispielsweise in vergleichbarer Weise unter anderem bei der Erfassung von Ton. Insbesondere das Rauschen führt zu Stördaten bzw. zu einer Störung im erfindungsgemäßen Sinn.Other Image capture devices such as digital cameras, MRI scanners, etc. also inevitably produce an undesirable Noise. unwanted Rauschenscheinungen exist not only in the capture of images, but, for example, in a comparable way among others the detection of sound. In particular, the noise leads to clutter or to a fault in the sense of the invention.

Dieses Rauschen lässt sich dadurch wieder reduzieren, dass eine Bildvorlage mehrfach gemessen wird. Wenn man diese Bilder mittelt, kann man hierdurch das Rauschen im Ergebnis reduzieren. Dies liegt daran, dass das Rauschen ein zufälliger Prozess ist. Das Rauschen produziert auf je dem Bild ein anderes Muster und diese Muster heben sich bei der Mittelung gegenseitig teilweise auf. Das Objekt jedoch bleibt bei der Mittelung vollständig erhalten. Insbesondere bei bewegten Bildern ist ein solches Verfahren allerdings nicht praktikabel. Außerdem ist die Mehrfacherfassung nachteilhaft aufwendig und nimmt relativ viel Zeit in Anspruch. Alternativ oder ergänzend werden Rauschfilter eingesetzt. Mit einem Rauschfilter soll beispielsweise eine gesuchte Bild- oder Tondatensatz, also Nutzdaten im erfindungsgemäßen Sinn von einem Untergrundrauschen getrennt werden.This Lets noise Reduce yourself by repeatedly measuring an image template. By averaging these pictures, you can hear the noise in the picture Reduce the result. This is because the noise is a random process is. The noise produces a different pattern on each image these patterns partially cancel each other out in the averaging on. However, the object is completely preserved in the averaging. However, such a method is especially for moving pictures not practicable. Furthermore the multiple detection is disadvantageous consuming and takes relatively a lot of time. Alternatively or additionally, noise filters are used. With a noise filter, for example, a sought after image or Sound record, so useful data in the sense of the invention separated from a background noise become.

Es gibt eine Vielzahl von Rauschfiltern. Stellvertretend sei der anisotrope Diffusionsfilter genannt, mit dem typischerweise gesuchte Bildinformationen von Untergrundrauschen befreit werden sollen. Ein solcher Rauschfilter wird beispielsweise in „Aktuelle Methoden der Laser- und Medizinphysik, 2. Remagener Physikertage 2004, VDE Verlag GmbH, Berlin, Offenbach", Seite 96 ff. beschrieben.It are a lot of noise filters. Representative is the anisotropic Called diffusion filter, with the typically sought image information should be freed from background noise. Such a noise filter For example, in "Current Methods of Laser and Medical Physics, 2nd Remagener Physikertage 2004, VDE Verlag GmbH, Berlin, Offenbach ", page 96 et seq.

Das Prinzip eines Diffusionsfilters beruht auf der sogenannten Diffusionsgleichung. Ein Filterschritt wird mit einem Zeitschritt in der Gleichung ausgedrückt. Das Besondere bei der nichtlinearen Diffusion ist, dass man den Diffusionsprozess derart steuert, dass er an Kanten unterdrückt wird. Das bewirkt eine Glättung innerhalb von Strukturen. Kanten bleiben jedoch unberührt. Eine Weiterführung der nichtlinearen Diffusion stellt die anisotrope Diffusion dar, die Diffusionsprozesse auch an Kanten durchführt, jedoch nur parallel (entlang) zu den Kanten. So wird die Kantenform erhalten, das Rauschen an Kanten aber ebenfalls unterdrückt.The Principle of a diffusion filter is based on the so-called diffusion equation. A filtering step is expressed with a time step in the equation. The Special with the nonlinear diffusion is that one the diffusion process controls such that it is suppressed at edges. That causes a smoothing within structures. Edges remain untouched. A continuation non-linear diffusion is anisotropic diffusion, The diffusion processes also performs on edges, but only parallel (along) to the edges. So the edge shape is preserved, the noise at edges but also suppressed.

Die Ergebnisse, die die nichtlineare Diffusion liefern, hängen sehr von der Parametrierung ab. Eine ungünstige Parametrierung führt entweder zur unvollständigen Unterdrückung des Rauschens oder zur strukturellen Veränderung der Bildinformation. Die optimale Parametrierung kann von Datensatz zu Datensatz stark variieren. The Results that provide nonlinear diffusion are very dependent from the parameterization. An unfavorable parameterization leads either to incomplete suppression noise or structural alteration of image information. The optimum parameterization can vary greatly from data record to data record.

Eine der zwei wesentlichen Parameter der Diffusionsfilter ist die Anzahl der Iterationen. Es gilt auszuprobieren, wie viele Schritte bzw. Iterationen durchführbar sind, ohne Informationsverluste im Bild zu erleiden.A the two main parameters of the diffusion filter is the number the iterations. You have to try out how many steps or Iterations feasible are without suffering information loss in the picture.

Der weitere wesentliche Parameter bei einem anisotropen Diffusionsfilter ist der sogenannte Diffusionsfaktor. Dieser kann näherungsweise berechnet werden und/oder durch Ausprobieren geeignet eingestellt werden. Der Diffusionsfaktor ist idealer Weise so zu wählen, dass dieser dem Gradientenbetrag des Rauschens entspricht, nicht aber dem Gradienten einer Kante des gesuchten Bildes.Of the other essential parameters for an anisotropic diffusion filter is the so-called diffusion factor. This can be approximate be calculated and / or adjusted by trial and error. The diffusion factor is ideally chosen to be that of the gradient amount noise, but not the gradient of an edge of the picture you are looking for.

Nicht nur beim zuvor genannten anisotropen Diffusionsfilter, sondern auch bei zahlreichen weiteren Filtern für eine Rauschunterdrückung besteht das Problem, Parameter manuell einstellen zu müssen.Not only in the aforementioned anisotropic diffusion filter, but also with numerous other filters for a noise suppression exists the problem of having to set parameters manually.

So gibt es bei Bildbearbeitungsprogrammen wie dem kommerziell erhältlichen Programm „PHOTOSHOP" zur Entfernung von Staub und Kratzern bei einem digitalisierten Bild den Parameter „Radius" und den Parameter „Schwellenwert". „Radius" bestimmt, wie groß der Bereich ist, in dem der Filter nach unähnlichen Pixeln sucht. Je höher der Radius gewählt wird, desto stärker wird die Unschärfe des Bildes. Der „Schwellenwert" legt fest, in welchem Maß die Helligkeits- und Farbwerte der Pixel voneinander abweichen müssen, damit der Filter darauf angewendet wird. Je geringer der Wert, desto stärker wirkt der Filter.So There are in image editing programs such as the commercially available Program "PHOTOSHOP" for removal of Dust and scratches on a digitized image the parameter "Radius" and the parameter "Threshold". "Radius" determines how big the area is where the filter looks for dissimilar pixels examined. The higher the radius is chosen becomes, the stronger will the blur of the picture. The "threshold" determines in which Measure that Brightness and color values of the pixels must differ from each other, so that the Filter is applied to it. The lower the value, the stronger it works the filter.

Um Tonaufnahmen von einem Rauschen zu befreien, gibt es kommerziell erhältliche Filter, so zum Beispiel der sogenannte WavePurityTM FFT Rauschfilter. Mit diesem sollen Musikaufnahmen von einem Rauschen getrennt werden. Grundprinzip dabei ist, dass ein Rauschen (idealerweise wird ein "weißes Rauschen" angenommen) einen konstanten Offset – sprich eine gleichmäßig verteilte Energie auf alle Wellenlängen des Spektralbereichs 0..22kHz aufprägt.To free sound recordings of noise, there are commercially available filters, such as the so-called WavePurity TM FFT noise filter. With this music recordings are to be separated from a noise. The basic principle is that a noise (ideally a "white noise" is assumed) imparts a constant offset - that is to say a uniformly distributed energy to all wavelengths of the spectral range 0..22 kHz.

Das Entrauschen erfolgt im Frequenzbereich, sprich, das Signal wird blockweise vom Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert (FFT) und dort eine Reduktion des Rauschens durch Bearbeiten der Amplitu denwerte ausgeführt und anschließend in den Zeitbereich zurück transformiert. Dabei werden folgende Schritte durchgeführt:The Entrauschen takes place in the frequency range, that is, the signal is block by block transformed from the time domain to the frequency domain (FFT) and there a reduction of the noise by editing the Amplitu denwerte executed and subsequently back to the time domain transformed. The following steps are carried out:

Schritt 1Step 1

Lautstärke des Musikstücks analysierenAnalyze the volume of the piece of music

Es wird zunächst die Lautstärke des gesamten Titels überprüft. Dabei wird blockweise vorgegangen (Blockgröße = FFT Fenstergröße). Von jedem Block wird die mittlere Lautstärke gebildet. Schritt 1 merkt sich jetzt das Minimum minAvgVolume und das Maximum maxAvgVolume dieser mittleren Block-Lautstärken. Um nicht durch künstliche Stille durcheinander zu kommmen, akzeptiert Schritt 1 keine Blöcke, deren mittlere Lautstärke kleiner als 1 0 Digits ist. Weiterhin wird der Gesamtmittelwert aller Block-Lautstärke-Minima meanMinVolume gebildet.It will be first the volume of the entire title. there is block by block (block size = FFT window size). From Each block is the average volume. Step 1 notes now the minimum minAvgVolume and the maximum maxAvgVolume these middle block volumes. Not by artificial Silence to get confused, Step 1 accepts no blocks whose medium volume is less than 1 0 digits. Furthermore, the total mean value all block volume minima meanMinVolume formed.

Schritt 2:Step 2:

Stichprobensampling

Jetzt läuft ein Zufallsgenerator ab, der Stichproben aus dem Musikstück nimmt, diese aber nur akzeptiert, wenn die mittlere Lautstärke der Zufallsposition bestimmte Kriterien erfüllt. Man trifft also eine gewisse Vorauswahl an Blöcken, die nahe am unteren Limit des mittleren geringsten Rauschens liegen, sich aber trotzdem oberhalb des mittleren totalen Block-Lautstärke-Minimums befinden.Now comes in Random number generator that takes samples from the piece of music, but only accepted if the average volume of the Random position meets certain criteria. So you meet a certain preselection on blocks, which are close to the lower limit of the mean lowest noise, but still above the mean total block volume minimum are located.

Schritt 3:Step 3:

Optimieren der ZufallswerteOptimize the random values

Jetzt läuft eine Optimierung ab. Und zwar wird die Anzahl gefundener Stellen auf relevante Punkte reduziert. Kriterium für das gute Zusammenpassen ist die geringste Varianz der mittleren Amplitudenwerte aller Blöcke.Now runs one Optimization. Namely, the number of found digits will increase reduced relevant points. Criterion for good matching is the least variance of the mean amplitude values of all blocks.

Schritt 4:Step 4:

Suchen eines Häufungspunktes für das RauschenSearch for a cluster point for the sough

Jetzt beginnt der Rauschfilter in kleinen Schritten Blöcke zu suchen, die statistisch gut mit den bisherigen Punkten zusammenpassen. Kriterium dafür ist, ob eine Verbesserung der Varianz durch den neuen Punkt erreicht wird. Now The noise filter starts to search in small increments for blocks that are random fit well with the previous points. Criterion for this is whether an improvement in the variance is achieved by the new point.

Schritt 5:Step 5:

Rauschprofil ermittelnDetermine noise profile

Für die gefundenen Punkte wird jetzt das Rauschprofil berechnet.For the found Points will now calculate the noise profile.

Schritt 6:Step 6:

Glättung des RauschprofilsSmoothing the noise profile

Oft besitzt das Rauschprofil "Nadeln", die sich durch eingestreute Signale (z.B. der 19kHz Ton bei Stereo Radio) aufprägen. Weiterhin ist das Rauschprofil selbst oft stark verrauscht. Erfahrungsgemäß erzeugt die Rauschreduktion weniger Artefakte, wenn man ein gleitendes Mittelwertfilter über das Rauschprofil laufen läßt, um es zu glätten. Dabei wird die oberste Frequenz 22kHz als Startwert geladen und dann langsam nach unten Richtung 0kHz gelaufen.Often owns the noise profile "needles", which is characterized by Imprint interspersed signals (for example the 19kHz sound on stereo radio). Farther the noise profile itself is often very noisy. Based on experience the noise reduction reduces artifacts when using a moving average filter over the Noise profile is running to it to smooth. The highest frequency 22kHz is loaded as start value and then slowly down towards 0kHz.

Schritt 7:Step 7:

Linearisieren des RauschprofilsLinearize the noise profile

Um einen möglichst geraden Verlauf des Profils zu erreichen, wird das Rauschprofil im unteren Frequenzband interpoliert.Around one possible straight profile of the profile is the noise profile interpolated in the lower frequency band.

Schritt 8:Step 8:

Ermitteln des ReduktionsprofilsDetermining the reduction profile

Experimentell wurde herausgefunden, daß aus dem ermittelten Rauschprofilimmer ein Reduktionsprofil berechnet werden muß, welches letztendlich für die Amplituden-Subtraktion eingesetzt wird. Es ergibt sich 0% Effekt, wenn das ermittelte Rauschprofil einfach 1:1 von den Signalblöcken abgezogen wird. Das ist eine Tatsache, die experimentell nachweisbar ist.experimental was found out the calculated noise profile is always calculated as a reduction profile must become, which ultimately for the amplitude subtraction is used. There is 0% effect, if the detected noise profile is simply subtracted 1: 1 from the signal blocks becomes. This is a fact that is experimentally demonstrable.

Schritt 9:Step 9:

Benutzerdefinierte Anpassung des ReduktionsfaktorsCustom customization the reduction factor

Der WavePurity FFT-Noisefilters besitzt einen "Slider" 50% bis 150% Entrauschen. Der Anwender hat so die Möglichkeit, bei kritischen Stücken die Stärke des Reduktionsprofils zu beeinflussen.Of the WavePurity FFT Noisefilters has a "slider" 50% to 150% noise canceling. The user so has the opportunity at critical pieces the strenght to influence the reduction profile.

Schritt 10:Step 10:

Dynamische Verfolgung des RauschpegelsDynamic pursuit of the noise level

Dieser Schritt läuft quasi online während des Entrauschvorgangs ab. Und zwar gibt es viele Aufnahmen besonders älterer Tonbandgeräte, wo das Rauschen des Signals "pumpt". Das ist ein Effekt, der dem FFT-Rauschfilter bei der Ermittlung des Rauschprofils extreme Kopfschmerzen bereitet, da das Rauschen nämlich einfach nicht stabil ist, und damit keine eindeutige Häufung im Histogramm erkennbar ist. Das ermittelte Rauschprofil wird für derartige Aufnahmen immer etwas verfälscht sein. Zur Kompensation führt man während des Entrauschens das Reduktionsprofil leicht nach. So wird dem Pumpen des Rauschen entgegenwirkt.This Step is running virtually online during the Entrauschvorgangs from. And there are many recordings of especially older tape recorders where the Noise of the signal "pumps". That's an effect the FFT noise filter when determining the noise profile extreme Headache, because the noise is simply not stable is, and thus no clear accumulation in the histogram recognizable is. The determined noise profile is always for such recordings something falsified be. Leads to compensation one while of de-noise the reduction profile slightly after. So will the pumping the noise counteracts.

Bei diesem kommerziell erhältlichen Verfahren müssen ebenfalls manuell Parameter eingestellt werden. Ein solcher Parameter wird bei diesem Programm „Slider" genannt.at this commercially available Need to process also be set manually parameters. Such a parameter is called "Slider" in this program.

Bei der Einstellung von Parametern ist regelmäßig besonders problematisch, dass diese sich gegenseitig beeinflussen. Ist also ein Parameter bereits optimal eingestellt und wird ein anderer Parameter dann verändert, so kann dies zur Folge haben, dass nun auch der zuvor bereits optimal eingestellte Parameter erneut justiert werden muss.at the setting of parameters is regularly particularly problematic that these influence each other. So it's a parameter already set optimally and will be another parameter then changed So this can have the consequence that now also the already optimal adjusted parameters must be readjusted.

Mit der vorliegenden Erfindung wird das Ziel verfolgt, Parameter bei Filtern verbessert und zwar insbesondere automatisiert einstellen zu können.With The aim of the present invention is to provide parameters Improved filtering and set in particular automated to be able to.

Zur Lösung des Problems werden mit einem Filter sozusagen versuchsweise mehrere Filterungen durchgeführt. Von Filterung zu Filterung werden Parameter geändert. Die Veränderung der Parameter kann unter anderem nach dem Zufallsprinzip, im Rahmen von Schätzungen und/oder in Abhängigkeit von vorhergehend verwendeten Parametern und den damit erzielten Ergebnissen gesteuert erfolgen. Es resultieren auf diese Weise paarweise verschiedene Abbildungen von Nutzdaten und zugehörigen Stördaten. Die so durch Filterungen erhaltenen Informationen von Abbildern einer Störung bzw. von Stördaten, also beispielsweise die Wiedergabe eines Rauschens werden dahingehend überprüft, ob es sich realistischer Weise um ein Abbild einer realen Störung handeln kann. Die zu nächst lediglich versuchsweise ausgewählten Parameter werden abschließend ausgewählt, mit denen ein Abbild einer Störung ermittelt werden konnte, das realistisch erscheint. Die mit diesen Parametern durchgeführte Filterung wird ausgewählt, um die um Stördaten verminderte Abbildung der Nutzdaten zu erhalten.to solution of the problem with a filter so to speak tentatively several Filtering performed. From filtering to filtering, parameters are changed. The change The parameter may be random, among others of estimates and / or depending from previously used parameters and thus obtained Results are controlled. It results in this way in pairs various mappings of user data and associated clutter data. The way through filtering obtained information from images of a disorder or of disturbances, So for example, the reproduction of a noise are checked to see if it Realistically, it is an image of a real disorder can. The next only tentatively selected Parameters become final selected, with which an image of a disorder could be determined that seems realistic. The with these Parameters performed Filtering is selected around the clutter to obtain reduced mapping of the payload.

Die eigentliche Filterung wird also mit den Parametern durchgeführt, mit denen das Abbild einer Störung, also insbesondere eines Rauschens erzielt werden konnte, welches einem zu erwartenden Abbild der Störung, also vor allem eines Rauschens ähnelt. Vorzugsweise wird die Filterung gewählt, die Stördaten so abgebildet hat, die einer erwarteten Abbildung von Stördaten am ähnlichsten war.The actual filtering is done so with the parameters, with which the image of a disorder, So in particular a noise could be achieved, which an expected image of the disorder, so one of them Noise resembles. Preferably, the filtering is selected that has displayed disturbance data that was most similar to an expected mapping of clutter.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, dass vor einer Erfassung und Ermittlung einer Bildinformation, Toninformation oder dergleichen zwar die gesuchten Nutzdaten unbekannt sind. Bekannt sind dagegen verschiedene Eigenschaften des Abbilds der herauszufilternden Störung bzw. der Stördaten. Wird eine Filterung eines Datensatzes im eingangs genannten Sinn durchgeführt, so kann die Richtigkeit der Filterung anhand der „Qualität" des Abbildes der Störung beurteilt werden. Entspricht das durch Anwendung eines Filters ermittelte Abbild einer Störung nicht einem realen Abbild (so wie dieses zu erwarten war), so bedeutet dies, dass die Parameter des Filters ungeeignet eingestellt waren. Je ähnlicher z. B. das durch Anwendung eines Rauschfilters ermittelte Abbild eines Rauschens den Eigenschaften eines Abbilds gleicht, welches zu erwarten war, desto geeigneter waren die Parameter voraussichtlich eingestellt. Dieses Prinzip macht sich die vorliegende Erfindung zunutze, um Parameter verbessert einstellen zu können.The Invention is based on the idea that before detection and Determination of image information, sound information or the like Although the searched user data are unknown. Are known, however, different Properties of the image of the disturbance to be filtered out or the disturbances. Is a filtering of a data set in the sense mentioned above carried out, so the correctness of the filtering on the basis of the "quality" of the image of the disorder be assessed. Corresponds to that determined by application of a filter Image of a fault not a real image (as it was to be expected), that means this is because the parameters of the filter were set improperly. The more similar z. B. detected by applying a noise filter image a noise resembles the properties of an image which was expected, the more likely the parameters were expected set. This principle makes the present invention use, in order to set parameters improved.

Die jeweils durchzuführende Wahl und Veränderung der Parameter eines Filters sowie die Überprüfung der Abbildungen der Störungen können automatisiert durchgeführt werden. Auf diese Weise ist es möglich, automatisiert Parameter eines Filters einzustellen.The each to be performed Choice and change the parameter of a filter as well as the verification of the pictures of the disturbances can be automated carried out become. In this way it is possible automatically set parameters of a filter.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Varianz des durch Filterung ermittelten Rauschens betrachtet, um so ein realistisches Abbild eines Rauschens im Sinne der vorliegenden Erfindung aufzufinden. Je ähnlicher mittels Filterung erhaltene Varianzen der Varianz bei einem realen Rauschen ähnelt, desto realistischer ist das durch Filterung gewonnene Abbild einer Störung. Die Varianz des Rauschens wird also als Kriterium einbezogen, um zu beurteilen, ob das durch eine Filterung ermittelte Abbild eines Rauschens real sein könnte.In In one embodiment of the method, the variance of the by filtering considered noise, so a realistic image a noise in the sense of the present invention. The more similar Variables obtained by filtering the variance in a real one Noise is similar, the more realistic is the image of a filter obtained by filtering Disorder. The variance of the noise is thus included as a criterion to to judge whether the image of a Noise could be real.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Abbild einer Störung vollständig abgetastet. Bei jedem Schritt des Abtastens wird lokal begrenzt ermittelt, welche Varianz innerhalb der vorgegebenen Lokalität auftritt, so zum Beispiel innerhalb eines vorgegebenen Volumenelements. Ein Volumenelement im Sinne der vorliegenden Erfindung ist – fachmännisch ausgedrückt – eine lokale Umgebung um ein sogenanntes Voxel bzw. Pixel. Es resultiert so eine Vielzahl von Varianzwerten, die nachfolgend „lokale Varianzen" genannt werden.In In one embodiment of the method, the image of a disturbance is completely scanned. At each step of the sampling is determined locally limited, which Variance within the given locality occurs, for example within a given volume element. A volume element in the sense of the present invention is - expertly expressed - a local Surroundings around a so-called voxel or pixel. It results in such a Variety of variance values, hereafter called "local variances".

Es wird in einer Ausgestaltung des Verfahrens unterstellt, dass ein reales Rauschen zur Folge hat, dass die lokalen Varianzen sich nicht oder zumindest nur kaum voneinander unterscheiden. Wird also beispielsweise grafisch eine Verteilung der ermittelten lokalen Varianzen dargestellt, so ist ein durch Filterung gewonnenes Abbild dann besonders real, wenn die Verteilungsfunktion der lokalen Varianzen einen hohen, schmalen, symmetrischen Peak aufweist. Je breiter der Peak ist, um so weniger entspricht das durch Filterung gewonnene Abbild eines Rauschens einem realen Abbild. Je weniger symmetrisch eine Häufigkeitsverteilung der lokalen Varianzen ist, desto weniger stimmt das durch Filterung ermittelte Abbild eines Rauschens mit einem realen Rauschen überein. Ein weiteres Kriterium zur Beurteilung der Häufigkeitsverteilung der lokalen Varianzen sind die beiden Flächen, die von der Verteilungsfunktion links und rechts – vom Maximum des Peaks aus gesehen – eingeschlossen werden. Je besser die Größe der beiden Flächen übereinstimmt, um so mehr nähert sich das durch Filterung ermittelte Abbild des Rauschens dem realen Abbild an. Beurteilungskriterien für die Auswahl eines real erscheinenden Abbilds eines Rauschens sind also einzeln oder in Kombination die Symmetrie der Verteilungsfunktion, die Breite eines Peaks bei der Verteilungs funktion, die Höhe eines Peaks bei der Verteilungsfunktion sowie der Größenvergleich der Flächen rechts und links des Maximums des Peaks.It is assumed in one embodiment of the method that a real noise has the consequence that the local variances do not differ from each other or at least only slightly. If, for example, a distribution of the determined local variances is represented graphically, an image obtained by filtering is particularly real if the distribution function of the local variances has a high, narrow, symmetrical peak. The wider the peak, the less the image of noise produced by filtering corresponds to a real image. The less symmetric a frequency distribution of the local variances, the less the image of a noise determined by filtering matches with a real noise. Another criterion for assessing the frequency distribution of the local variances are the two areas that are included by the distribution function left and right - seen from the maximum of the peak. The better the size of the two surfaces matches, the more so The image of the noise determined by filtering approaches the real image. Assessment criteria for the selection of a real-appearing image of a noise are therefore individually or in combination the distribution symmetry, the width of a peak in the distribution function, the height of a peak in the distribution function and the size comparison of the areas to the right and left of the maximum of the peak.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine erste Filterung unter Vorgabe von frei gewählten Parametern vorgenommen. Der Wert eines solchen frei vorgegebenen Parameters wird im Folgenden mit X0 bezeichnet. Anschließend werden zwei weitere Filterungen vorgenommen. Im ersten Fall wird anstelle von X0 als Wert des betreffenden Parameters (X0 – Y0) gewählt und im zweiten Fall der Wert (X0 + Y0). Y0 ist dabei eine frei gewählte positive Zahl. Anschließend wird aus den drei Filterungen diejenige herausgesucht, die das realste Abbild einer Störung im Sinne der vorliegenden Erfindung ergeben hat.In A further advantageous embodiment of the invention is a first filtering under specification of freely chosen parameters. The value of such a freely given parameter will be described below denoted by X0. Subsequently Two more filters are made. In the first case, instead of of X0 is chosen as the value of the relevant parameter (X0 - Y0) and in the second case the Value (X0 + Y0). Y0 is a freely chosen positive number. Subsequently, will from the three filterings picked out the one that is the most real Image of a fault in the sense of the present invention.

Es sind dann drei Fälle zu unterscheiden:

  • 1. Die Filterung mit dem Parameterwert (X0 – Y0) ergab das am realsten erscheinende Abbild einer Störung. Es wird dann eine weitere Filterung durchgeführt, wobei der zuvor variierte Parameter weiter verkleinert wird. Insbesondere beträgt der Wert des weiter verkleinerten Parameters dann (X0 – 2·Y0). Mit dem weiter verkleinerten Wert des Parameters wird eine nächste Filterung durchgeführt und überprüft, ob durch die Verkleinerung ein Abbild einer Störung erzielt werden konnte, welches weiter verbessert einem real erscheinenden Abbild der Störung entspricht.
  • 2. Die Filterung mit dem Parameterwert (X0 + Y0) ergab das am realsten erscheinende Abbild einer Störung bzw. von Stördaten. Es wird dann eine weitere Filterung durchgeführt wobei der zuvor variierte Parameter weiter vergrößert wird. Insbesondere beträgt der Wert des weiter vergrößerten Parameters dann (X0 + 2·Y0). Mit dem weiter vergrößerten Wert des Parameters wird eine nächste Filterung durchgeführt und überprüft, ob durch die Vergrößerung ein Abbild einer Störung erzielt werden konnte, welches weiter verbes sert einem real erscheinenden Abbild der Störung entspricht.
  • 3. Die Filterung mit dem Parameterwert X0 ergab das am realsten erscheinende Abbild einer Störung. Es wird dann eine weitere Filterung durchgeführt, wobei der zuvor variierte Parameter weiter verkleinert und/oder vergrößert wird. Der Betrag, um den verkleinert oder vergrößert wird, wird dann kleiner als Y0 gewählt. Insbesondere beträgt der Wert des weiter verkleinerten bzw. vergrößerten Parameters dann (X0 – ½ Y0) bzw. (X0 + ½ Y0). Mit dem weiter verkleinerten und/oder vergrößerten Wert des Parameters wird eine nächste Filterung durchgeführt und überprüft, ob durch die Verkleinerung bzw. Vergrößerung ein Abbild einer Störung erzielt werden konnte, welches weiter verbessert einem real erscheinenden Abbild der Störung entspricht.
There are three cases:
  • 1. Filtering with the parameter value (X0 - Y0) gave the most realistic image of a disturbance. It is then carried out a further filtering, wherein the previously varied parameter is further reduced. In particular, the value of the further reduced parameter is then (X0-2 · Y0). With the further reduced value of the parameter, a next filtering is performed and checked whether the reduction could be an image of a disturbance could be achieved, which further improved corresponds to a real appearing image of the disturbance.
  • 2. Filtering with the parameter value (X0 + Y0) gave the most realistic image of a disturbance or disturbance. It is then carried out a further filtering the previously varied parameter is further increased. In particular, the value of the further enlarged parameter is then (X0 + 2 * Y0). With the further enlarged value of the parameter, a next filtering is carried out and checks whether the magnification of an image of a disturbance could be achieved, which further verbes sert corresponds to a real appearing image of the disturbance.
  • 3. The filtering with the parameter value X0 gave the most realistic image of a disturbance. It is then carried out a further filtering, wherein the previously varied parameter is further reduced and / or increased. The amount to be reduced or increased is then selected smaller than Y0. In particular, the value of the further reduced or enlarged parameter is then (X0 - ½ Y0) or (X0 + ½ Y0). With the further reduced and / or increased value of the parameter, a next filtering is carried out and checks whether the reduction or enlargement an image of a disturbance could be achieved, which further improved corresponds to a real appearing image of the disorder.

Durch die vorgenannte Ausgestaltung des Verfahrens wird die Veränderung eines Parameters gesteuert vorgenommen. Die Steuerung trägt dafür Sorge, dass ein Parameter so geändert wird, dass Verbesserungen bei der Filterung mit vergleichsweise hoher Wahrscheinlichkeit zu erwarten sind. Die Wahrscheinlichkeit einer Verbesserung liegt im Anschluss an die ersten drei durchgeführten Filterungen grundsätzlich bei 50%. Insgesamt wird so im Vergleich zu einer rein zufälligen Veränderung von Parametern vermieden, den Filter- und Rechenaufwand groß werden zu lassen.By the aforementioned embodiment of the method becomes the change controlled by a parameter. The controller makes sure that changed a parameter like that will that improvements in filtering with comparatively high probability are to be expected. The probability of a Improvement is following the first three filters performed in principle at 50%. Overall, this is compared to a purely random change of parameters avoided, the filtering and computing costs become large allow.

Das vorgenannte Prinzip kann mehrfach hintereinander angewendet werden. Es wird also mit jeder neuen Filterung überprüft, ob sich das Ergebnis eines durch Filterung gewonnenes Abbildes einer Störung verbessern ließ und in Abhängigkeit hiervon wird eine nächste Filterung durchgeführt und dabei der Parameter in vorgenannter Weise gesteuert verändert.The The aforementioned principle can be applied several times in succession. It is checked with each new filtering, whether the result of a improved by filtering obtained image of a disorder and in dependence one of them will be next Filtering performed and thereby the parameter changed in the aforementioned manner controlled.

Das Verfahren kann beendet werden, wenn eine vorgegebene Anzahl an Veränderungen eines Parameters erreicht worden ist und/oder sich keine merklichen Verbesserungen des durch Filterung gewonnenen Abbildes von Stördaten mehr erzielen lassen. The Procedure can be terminated if a predetermined number of changes of a parameter has been achieved and / or no noticeable Improvements in the image of clutter obtained by filtering more achieve.

Beispielsweise im Fall eines anisotropen Rauschfilters besteht die Möglichkeit, den voraussichtlich einzustellenden Parameter „Diffusionsfaktor" näherungsweise berechnen zu lassen. In derartigen Fällen wird ein erster Wert eines Parameters vorteilhaft erst einmal berechnet. Von dem berechneten Wert ausgehend wird dann das Verfahren angewendet. Auf diese Weise lässt sich der Rechenaufwand weiter reduzieren.For example in the case of an anisotropic noise filter, it is possible to Approximately the presumably set parameter "diffusion factor" to be calculated. In such cases, a first value of a Parameters advantageously calculated once. From the calculated Based on value then the method is applied. In this way let yourself further reduce the computational effort.

Ist ein optimaler Wert für einen von zwei Parametern A und B eines Filters, also zu Beispiel für einen Parameter A der optimale Wert A0 ermittelt worden, so wird anschließend in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung der Parameter B geändert. Der Parameter B habe beispielsweise zunächst den Wert B0 gehabt und für den Parameter B0 wurde der Wert A0 als optimal ermittelt. Anschließend wird der Parameter B geändert und sein Wert beträgt nun B1. Es wird nun erneut ein optimaler Wert für den Parameter A ermittelt. Dieser betrage A1. Anschließend wird verglichen, welches durch die Filterung gewonnene Abbild von Stördaten realer erscheint, also das mit den Parametern A0 und B0 gewonnene Abbild oder das Abbild, welches durch Wahl der Parameter A1 und B1 erhalten worden ist. Durch diese Ausgestaltung des Verfahrens kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass die Veränderung eines Parameters zur Folge haben kann, dass sich damit auch der optimale Wert des anderen Parameters verändern kann. Diese Konstellation ist beispielsweise beim anisotropen Diffusionsfilter der Fall. Ein „optimaler" Wert für den Parameter „Diffusionsfaktor" verändert sich in Abhängigkeit vom Wert des Parameters „Anzahl an Iterationen".If an optimum value for one of two parameters A and B of a filter, that is to say for example for a parameter A, the optimum value A0 has been determined, the parameter B is subsequently changed in an advantageous embodiment of the invention. For example, parameter B initially had the value B0, and for parameter B0 the value A0 was determined to be optimal. Subsequently, the parameter B is changed and its value is now B1. An optimal value for the parameter A is again determined. This amounts to A1. Subsequently, it is compared which image of disturbance data obtained by the filtering appears more real, ie the image obtained with the parameters A0 and B0 or the image which has been obtained by selecting the parameters A1 and B1. This refinement of the method makes it possible to take account of the circumstance that the change of one parameter can result in the fact that the optimum value of the other parameter can also change as a result. This constellation is the case, for example, with the anisotropic diffusion filter. An "optimal" value for the "diffusion factor" parameter changes depending on the value of the "number of iterations" parameter.

Die jeweils durchzuführende Veränderung des Parameters B, also beispielsweise der Anzahl an Iterationen im Fall eines anisotropen Diffusionsfilters, kann wiederum gesteuert erfolgen. Es werden dann folglich zunächst Abbilder von durch Filterung gewonnenen Stördaten von insgesamt drei Parameter – Paaren (A0, B0), (A1, B1) sowie (A2, B2) ermittelt. Dabei sei A0, A1 und A2 jeweils der optimale Parameter-Wert, der aufge funden wurde, wenn der Parameterwert B0, B1 und B2 vorgegeben wurde. Es gelte beispielsweise in einer Ausführungsform der Erfindung dann B0 = B1 – Y1 und B2 = B1 + Y1, wobei Y1 eine positive Zahl ist. Es resultieren wiederum die drei oben genannten Fallgestaltungen. So mag sich herausstellen, dass das Wertepaar (A2, B2) das beste Ergebnis ergeben hat. Dann wäre der Parameter B weiter zu vergrößern. Dieser beträgt dann vorteilhaft B3 = (B0 + 2·Y1). Es wird ein zugehöriger optimaler Wert A3 ermittelt. Es wird dann überprüft, ob das durch Filterung gewonnene Abbild von Stördaten so im Sinne der Erfindung weiter verbessert werden konnte. Es lassen sich bei dieser Ausgestaltung beide Parameter gesteuert optimal justieren.The each to be performed change the parameter B, so for example the number of iterations in the case of an anisotropic diffusion filter, in turn can be controlled respectively. It will then be first images of by filtering won disturbances of a total of three parameter pairs (A0, B0), (A1, B1) and (A2, B2) determined. Let A0, A1 and A2 is the optimal parameter value that was found when the parameter value B0, B1 and B2 has been specified. It applies for example in one embodiment of the invention then B0 = B1 - Y1 and B2 = B1 + Y1, where Y1 is a positive number. It results again the three above-mentioned cases. So it may turn out that the value pair (A2, B2) gave the best result. Then would be the Parameter B to be further enlarged. This is then advantageous B3 = (B0 + 2 · Y1). It becomes an associated optimum value A3 determined. It is then checked if that by filtering obtained image of disturbances could be further improved in the context of the invention. Let it controlled in this embodiment, both parameters optimally adjust.

Im Fall eines Diffusionsfilters wird vorteilhaft der Zahl der Iterationen vorgegeben und in Abhängigkeit davon der optimale Diffusionsfaktor ermittelt. Der Parameter „Iteration" ist dann also der Parameter „B". Anschließend wird die Zahl der Iterationen, also der Parameter B geändert und ein zugehöriger optimaler Parameter „Diffusionsfaktor" ermittelt. Es hat sich herausgestellt, dass so der Rechenaufwand klein gehalten wird im Vergleich zum umgekehrten Fall.in the The case of a diffusion filter will be advantageous in the number of iterations given and depending on it the optimal diffusion factor is determined. The parameter "iteration" is then the Parameter "B" the number of iterations, so the parameter B changed and an associated optimal parameter "diffusion factor" has been determined It turns out that the computational effort is kept small Comparison to the reverse case.

Um noch schneller zu einer guten Filterung zu gelangen, wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein Parameter B innerhalb eines vorgegebenen Bereichs variiert, der erfahrungsgemäß zu guten oder zumindest zu brauchbaren Ergebnissen führt. Beispielsweise habe sich im Fall eines anisotropen Diffusionsfilters herausgestellt, dass die Zahl der Iterationen zwischen 11 und 15 liegt, um ein Rauschen zutreffend aus einem Datensatz herauszufiltern. In einem solchen Fall wird in einer Ausgestaltung des Verfahrens vorteilhaft ein Bereich fest vorgegeben, innerhalb der der Parameter B variiert wird. So lässt sich der erforderliche Rechenaufwand erheblich reduzieren.Around to get to a good filtering faster, is in one advantageous embodiment of the invention, a parameter B within a given range varies, the experience shows good or at least leads to useful results. For example, have yourself in the case of an anisotropic diffusion filter, that the number of iterations between 11 and 15 is around a noise to filter out correctly from a data record. In such a Case is advantageous in one embodiment of the method Fixed range within which the parameter B varies becomes. So lets the required computational effort can be significantly reduced.

Es sei also beispielsweise der Parameter A der Diffusionsfaktor und der Parameter B die Zahl der Iterationen. Die Erfahrung habe gezeigt, dass ein gut oder optimal gewählter Parameter B stets zwischen 11 und 15 liegt. Es kann dann vorsorglich der vorgegebene Bereich etwas vergrößert oder aber exakt diese Grenzen eingehalten werden. Die Grenzen für den Parameter B werden dann 10 bis 16 bzw. 11 bis 15 fest vorgegeben. Innerhalb dieser vorgegebenen Grenzen wird der Parameter B unter anderem per Zufallsprinzip, systematisch oder gesteuert variiert.It For example, let the parameter A be the diffusion factor and the parameter B is the number of iterations. Experience has shown that a well or optimally chosen one Parameter B is always between 11 and 15. It can be precautionary the given range increases slightly or exactly this Limits are met. The limits for parameter B then become 10 to 16 or 11 to 15 fixed. Within this predetermined Boundaries, the parameter B, inter alia, at random, systematically or controlled varies.

Es hat sich herausgestellt, dass in einem derartigen Fall es vorteilhaft ist, den Parameter B systematisch zu verändern. Hierunter ist zu verstehen, dass nach einer vorgegebenen festen Regel der Parameter B variiert wird, so zum Beispiel im Fall der Grenzen 10 bis 16 der gesamte Bereich schrittweise z. B. von unten nach oben oder von oben nach unten durchfahren wird. Beispielsweise kann die Folge dann lauten: 10, 12, 14, 16. Es wird also zunächst B0 = 10 gewählt und anschließend der zugehörige optimale Parameter A0 ermittelt. Anschließend wird das Verfahren mit dem Parameter B1 = 12 fortgesetzt, der zugehörige optimale Parameter A1 ermittelt und so weiter. Aus den Paaren A, B wird dann das Paar ausgewählt, welches ein real erscheinendes Ergebnis von Stördaten ergeben hat. Es hat sich herausgestellt, dass so ein guter Kompromiss zwischen erwünschter Geschwindigkeit und erwünschter Genauigkeit erhalten wird.It it has turned out that in such a case it is beneficial is to change the parameter B systematically. This is to be understood that the parameter B varies according to a predetermined fixed rule For example, in the case of boundaries 10 through 16, the entire Area gradually z. B. from bottom to top or from top to bottom is traversed below. For example, the result may be: 10, 12, 14, 16. So it will be first B0 = 10 is selected and subsequently the associated one optimal parameter A0 determined. Subsequently, the procedure with the parameter B1 = 12, the associated optimal parameter A1 determined and so on. From pair A, B becomes the pair selected, which has given a real-appearing result of clutter. It has It turned out that such a good compromise between desirable Speed and desired Accuracy is obtained.

Um das Verfahren weiter zu beschleunigen, ohne zu sehr Einbußen bei der Genauigkeit hinnehmen zu müssen, wird in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens aus den aufgefundenen Parametern A, also beispielsweise den Werten A1, A2, A3, A4, A5 der Median bzw. Zentralwert gebildet, also die Grenze zwischen zwei gleich großen Hälften herausgesucht. Aus einer sortierten Zahl von Werten A wird also der Wert gewählt, der in der Mitte liegt. Bei einer geraden Anzahl kann das arithmetische Mittel der beiden mittleren Werte gebildet werden.Around to further accelerate the process without too much loss to accept accuracy is found in a further embodiment of the method of the Parameters A, so for example the values A1, A2, A3, A4, A5 the median or central value formed, ie the boundary between two same size halves picked out. From a sorted number of values A becomes so the value chosen, the lies in the middle. For an even number, the arithmetic Means of the two middle values are formed.

Beispielsweise seien folgende Wertepaare nach systematischer Variation des Parameters B ermittelt worden:

Figure 00130001
For example, the following value pairs have been determined after systematic variation of parameter B:
Figure 00130001

Herausgesucht wird nun der Median bei den A-Werten, also in unserem Beispielsfall der Wert 15. Der zugehörige B-Wert beträgt dann 40. Gefiltert wird dann mit den Parametern A = 15 und B = 40. Das mit diesen Parametern erhaltene Ergebnis einer Abbildung von Nutzdaten stellt dann das Endergebnis des Verfahrens dar.out Wanted becomes the median at the A-values, in our example case the value 15. The associated B value is then 40. The filter is then with the parameters A = 15 and B = 40. The result of a mapping of User data then represents the final result of the method.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wurde in einem Beispiel mit einem anisotropen Diffusionsfilters durchgeführt. Gefiltert wurde ein hoch aufgelöstes, T1-gewichtetes, kernspintomografisches 3D-Bild, das mittels Gradientenechosequenz gewonnen wurde. Aufgrund seiner hohen Auflösung (< 1 mm) und der beschränkten Aufnahmezeit von weniger als 20 Minuten erweist sich die Qualität eines solchen 3D-Bildes als nicht ideal. Es besteht daher Bedarf, das Rauschen zu unterdrücken.The The invention was in an example with an anisotropic diffusion filter carried out. Filtered was a high-resolution, T1-weighted nuclear magnetic tomographic 3D image acquired by gradient echo sequence was won. Due to its high resolution (<1 mm) and the limited recording time less than 20 minutes proves the quality of a such a 3D image as not ideal. There is therefore a need for that Suppress noise.

Schritt 1: Wahl der DiffusionsfiltersStep 1: Choice of diffusion filters

Der Benutzer kann zwischen verschiedenen Diffusionsfunktionen wählen, um die Daten zu verarbeiten. Als vorteilhaft hat sich die zweite Perona-Malik Funktion (PMAD2), falls es auf ein glattes Ergebnis ankommen soll, oder die Weickert m = 2 Funktion (Weickert2m), falls eine bessere Erhaltung der Kanten im Vordergrund steht, herausgestellt.Of the User can choose between different diffusion functions to to process the data. The second Perona-Malik function (PMAD2), if it should arrive at a smooth result, or the Weickert m = 2 function (Weickert2m), if better preservation of the edges in the foreground, exposed.

In dieser Stufe kann der Benutzer bereits ein Anzahl von Nachbarn vorgeben, die in dem Verfahren im Zusammenhang mit der lokalen Varianz berücksichtigt werden sollen. Für zweidimensionale Datensätze ist eine 4er- oder 8er-Nachbarschaft von Vorteil, während im dreidimensionalen Fall eine ber-, 18er-, oder 26er-Nachbarschaft zu bevorzugen ist.In At this stage, the user can already specify a number of neighbors, which is considered in the method in the context of local variance should be. For two-dimensional datasets is a 4 or 8 neighborhood advantageous, while in the three-dimensional case a ber-, 18er, or 26er neighborhood is to be preferred.

Schritt 2: Schätzung des RauschniveausStep 2: Estimation of the noise levels

Die Schätzung des Rauschniveaus wird durch die Berechnung des „Median Absolut Deviation" (MAD) durchgeführt. Zuerst ist es notwendig, ein Gradientenbild von dem Datensatz zu berechnen. Das Gradientenbild (∇I(u))ist durch die Summe der Differenzen zwischen jedem Element des Bildes und seinen Nachbarn (die im vorherigen Schritt definiert sind) ermittelt. Die MAD kann mit der folgenden Formel berechnet werden: MAD = 1.4826·medianI(|∇I(u) – medianI (|∇I(u)|)|) The estimation of the noise level is performed by calculating the "median absolute deviation" (MAD) First, it is necessary to calculate a gradient image from the data set (∇I ( u )) is determined by the sum of the differences between each element of the image and its neighbors (defined in the previous step). The MAD can be calculated using the following formula: MAD = 1.4826 · median I (| ∇I ( u ) - median I (| ∇I ( u ) |) |)

Durch diese Formel wird eine zu erwartende (globale) Varianz des Bildes ermittelt, die für die erste Schätzung des Diffusionsfaktors notwendig ist.By this formula becomes an expected (global) variance of the image determines that for the first estimate the diffusion factor is necessary.

Schritt 3: Wahl der ersten Filterparameters:Step 3: Choice of the first Filter parameter:

Der erste Diffusionsfaktorwert wird mit der Formel k1 = 0.5·MAD für die PMAD2-Funktionoder k1 = 0.45·MAD für die Weickert2m-Funktionbestimmt, während die Anzahl von Iterationen (lt0) basierend auf Erfahrungen (typischerweise zwischen 10 und 20) ausgewählt wird.The first diffusion factor value is given by the formula k1 = 0.5 · MAD for the PMAD2 function or k1 = 0.45 · MAD for the Weickert2m function determined while the number of iterations (lt0) is selected based on experience (typically between 10 and 20).

Zwei weitere Diffusionsfaktorwerte werden berechnet, so zum Beispiel gemäß k0 = k1 – (x% k1) und k2 = k1 + (x% k1). Two further diffusion factor values are calculated, for example according to k0 = k1 - (x% k1) and k2 = k1 + (x% k1).

Vorteilhaft liegt x% zwischen 10% und 30%, so zum Beispiel bei 20%. Advantageous x% is between 10% and 30%, for example at 20%.

Es stehen nun drei Parameterkombinationen zur Verfügung, nämlich die Parameter
[k0, lt0], [k1, lt0] und [k2, lt0],
There are now three parameter combinations available, namely the parameters
[k0, lt0], [k1, lt0] and [k2, lt0],

Schritt 4: Verarbeitung der ersten 3 Parameter-KombinationenStep 4: Processing the first 3 parameter combinations

Die drei Kombinationen werden mit der gewählten Diffusionsfunktion verarbeitet. Nach jedem Ergebnis wird das Bild der Stördaten (Residual- oder Störungsbild), durch die Subtraktion des Abbilds der Nutzdaten (Original) vom Abbild des Datensatzes (verarbeitetes Bild) ermittelt.The Three combinations are processed with the selected diffusion function. After each result the picture of the disturbance data (residual or disturbance picture), by subtracting the image of the user data (original) from the image of the data record (processed image).

Eine homogene Textur im Störungsbild würde, aufgrund der angenommenen gleichmäßigen Varianzverteilung des Rauschens, bedeuten, dass die Filterparameter, die das Bild erzeugt haben, optimal sind. Eine unregelmäßige Textur würde bedeuten, dass entweder das Bild nicht genug geglättet wurde, oder dass das Bild zu stark geglättet wurde und einige Strukturen im Original ebenfalls geglättet wurden.A homogeneous texture in the disorder picture would, due to the assumed uniform variance distribution of the Noise, mean that the filter parameters that produces the image have, are optimal. An irregular texture would mean that either the picture was not smoothed enough, or that the picture smoothed too much and some structures in the original were also smoothed out.

Schritt 5: Varianz-AnalyseStep 5: Variance Analysis

Die drei resultierenden Störungsbilder werden jetzt erfindungsgemäß analysiert. Als erstes wird die lokale Varianz (Locale varianz) in jedem Bild für jedes Pixel berechnet, Die Berechnung der lokalen Varianz ist eine Operation, die für jedes einzelne Pixel die Intensität seiner Nachbarn mit dem eigenen Intensitätswert im vorliegenden Fall nach folgender Formel vergleicht.

Figure 00160001
The three resulting perturbation images are now analyzed according to the invention. First, the local variance is calculated for each pixel in each image. The local variance calculation is an operation that compares the intensity of its neighbors to its own intensity value for each pixel using the following formula.
Figure 00160001

Die Anzahl der Nachbarn (N-1 ) wurde in Schritt 1 vorgegeben und entspricht bei einem zweidimensionalen Bild z.B. einer 8er-Nachbarschaft und im Fall des im dreidimensionalen Bild z.B. einer 18er-Nachbarschaft. μu ist der Mittelwert in der gewählten Nachbarschaft.The number of neighbors (N-1) was given in step 1 and corresponds to a two-dimensional image, for example, an eight-neighborhood and in the case of the three-dimensional image, for example, a neighborhood of eighteen. μ u is the mean in the selected neighborhood.

Schritt 6: Berechnung des HistogrammsStep 6: Calculation of the histogram

Für jedes Bild aus Schritt 5 wird ein Histogramm berechnet. Das Histogramm ist eine eindimensionale Darstellung der Häufigkeitsverteilung der lokalen Varianzen im jeweiligen Bild. Das Histogramm wird mit einem eindimensionalen Glättungsfilter (Gaußfilter) verarbeitet.For each Image from step 5, a histogram is calculated. The histogram is a one-dimensional representation of the frequency distribution of the local Variances in the respective picture. The histogram comes with a one-dimensional smoothing filter (Gaussian filter) processed.

Schritt 7: EvaluierungsfunktionStep 7: Evaluation function

Um die in Schritt 4 beschriebenen Eigenschaften des Rauschens aus dem Histogramm zu extrahieren, wird eine Evaluierungsfunktion angewendet. Diese Funktion berücksichtigt sechs verschiedene Eigenschaften des resultierenden Histogramms, um die Qualitätsindikatoren zu definieren.

Figure 00170001
Figure 00180001
To extract the noise characteristics described in step 4 from the histogram, an evaluation function is used. This function considers six different properties of the resulting histogram to define the quality indicators.
Figure 00170001
Figure 00180001

Die Bedeutungen der einzelnen Platzhalter der Evaluierungsfunktion ergeben sich aus den 1 und 2. Diese Figuren zeigen eine ermittelte Verteilung lokaler Varianzen. FWHM entspricht der Breite des Peaks auf halber Höhe. FW20%M entspricht der Breite des Peaks in einer Höhe von 20% der gesamten Höhe (Hohe) des Peaks. Diese Breiten werden unterteilt in LeftHWHM, RightHWHM, wobei mit „Left" die linke Seite gemeint ist und mit „Right" die rechte Steite, betrachtet von einer Senkrechten aus, die durch das Maximum des Peaks führt. Entsprechendes gilt für LeftHW20%HM und RightHW20%M. „lf" bedeutet „wenn".The meanings of the individual placeholders of the evaluation function result from the 1 and 2 , These figures show a determined distribution of local variances. FWHM corresponds to the width of the peak at half height. FW20% M corresponds to the width of the peak at a height of 20% of the total height (height) of the peak. These widths are subdivided into Left HWHM , Right HWHM , where "Left" is the left side and "Right" is the right side, as viewed from a vertical, passing through the maximum of the peak. The same applies to Left HW20% HM and Right HW20% M. "Lf" means "if".

Balance ist der Quotient zwischen den beiden Flächen (Flächen 1 und 2) der Kurve unterhalb der Funktion der Häufigkeitsverteilung, wobei die eine Fläche durch eine Senkrechte, die durch das Maximum des Peaks der Häufigkeitsverteilung führt, von der anderen Fläche getrennt wird. Dies wird in 2 gezeigt. Die eine Fläche ist dabei schraffiert worden. Der kleinere Wert wird dabei durch den größeren Wert dividiert.Balance is the quotient between the two surfaces (areas 1 and 2) of the curve below the function of the frequency distribution, where one surface is separated from the other surface by a vertical line passing through the maximum of the frequency distribution peak. This will be in 2 shown. One surface has been hatched. The smaller value is divided by the larger value.

Wenn das Störungsbild dem Idealfall entspricht, würde der lokale Varianz-Operator ein homogenes Bild präsentieren. Im Histogramm würde diese homogene Operatorantwort eine lange und schmale Spitze repräsentieren. Die Evaluierungsfunktion liefert dann einen große Wert als Ergebnis.If the fault picture would correspond to the ideal case the local variance operator present a homogeneous picture. In the histogram would this homogeneous operator response represents a long and narrow peak. The evaluation function then returns a large value as a result.

Falls im Störungsbild eine unregelmäßige Textur enthalten ist, wird der lokale Varianz-Operator ein inhomogenes Bild präsentieren, mit einer starken Streuung der Werte. Das Histogramm stellt dann eine breite und flache Kurve dar. Das Ergebnis der Evaluierungsfunktion ist dann ein kleiner Wert.If in the fault picture an irregular texture is contained, the local variance operator becomes inhomogeneous Present picture, with a strong dispersion of values. The histogram then sets a broad and flat curve. The result of the evaluation function is then a small value.

Nachdem die drei Parameterkombinationen aus Schritt 3 das Verfahren durchlaufen haben, hat man drei Aussagen über die Qualität der Ergebnisse, die jede dieser Kombinationen produziert hat.After this the three parameter combinations from step 3 go through the process you have three statements about the quality the results that each of these combinations produced.

Schritt 8: OptimierungsregelStep 8: Optimization rule

Mit den entsprechenden Ergebnissen der drei Parameterkombinationen ist es jetzt möglich, eine Aussage über die Richtung und Größe der erforderlichen Änderung des Diffusionsfaktors zu machen.With corresponding results of the three parameter combinations it now possible a statement about the direction and size of the required change of the diffusion factor.

Es gibt drei Möglichkeiten:

  • 1.: Die Größe des Ergebnisses der Evaluierungsfunktion bestätigt die Richtung der Änderung des Diffusionsfaktors, das heißt, dass die vorletzte Parameterkombination ein schlechteres Ergebnis als die letzte Parameterkombination erzeugt hat und dass die vor-vorletzte Parameterkombination ein schlechteres Ergebnis als die vorletzte erzeugt hat. Dies bedeutet, dass der neue Diffusionsfaktor eine Verkleinerung bzw. Vergrößerung in der ermittelten Richtung mit der gleichen Schrittgröße darstellt.
  • 2.: Die Größe des Ergebnisses der Evaluierungsfunktion steht im Widerspruch zur bisherigen Richtung, das heißt, dass die vorletzte Parameterkombination bessere Ergebnisse als die letzte erzeugt hat und, dass die vor-vorletzte Parameterkombination bessere Ergebnisse als die vorletzte erzeugt hat. Dies bedeutet, dass der neue Diffusionsfaktor eine Verkleinerung bzw. Vergrößerung in der entgegengesetzten Richtung mit der gleichen Schrittgröße darstellt.
  • 3.: Das Ergebnis der Evaluierungsfunktion zeigt, dass innerhalb zwei der drei Parameterkombinationen ein Maximum liegt. Entweder ist die vorletzte Parameterkombination besser als die letzte und die vor-vorletzte schlechter als die vorletzte, oder die vorletzte Parameterkombination ist schlechter als die letzte und die vor-vorletzte besser als die vorletze. Dies bedeutet, dass der neue Diffusionsfaktor genau in der Mitte des Bereiches der besten zwei Parameterkonfigurationen liegt.
There are three ways:
  • 1: The size of the result of the evaluation function confirms the direction of the change in the diffusion factor, that is, the penultimate parameter combination has produced a worse result than the last parameter combination and that the pre-penultimate parameter combination has produced a worse result than the penultimate. This means that the new diffusion factor represents a reduction or enlargement in the determined direction with the same step size.
  • 2 .: The size of the result of the evaluation function is in contradiction to the previous direction, that is, the penultimate parameter combination has produced better results than the last one, and that the pre-penultimate parameter combination has produced better results than the penultimate one. This means that the new diffusion factor represents a reduction in the opposite direction with the same step size.
  • 3 .: The result of the evaluation function shows that there is a maximum within two of the three parameter combinations. Either the penultimate parameter combination is better than the last and the before-penultimate worse than the penultimate, or the penultimate parameter combination is worse than the last and the pre-penultimate better than the vorletze. This means that the new diffusion factor is exactly in the middle of the range of the best two parameter configurations.

Mit der neuen Berechnung des Diffusionsfaktors wird eine neue Parameterkombination zusammengestellt, nämlich [kneu, lt0].With the new calculation of the diffusion factor becomes a new parameter combination compiled, namely [kneu, lt0].

Schritt 9: Aktualisierung der ParameterkombinationenStep 9: Update the parameter combinations

Im Rahmen der iterativen Methode und insbesondere der Optimierungsregel wird die neue Parameterkombination und das entsprechende Ergebnis der Evaluierungsfunktion in die Gruppe der drei letzten untersuchten Parameter integriert. Der schlechteste der drei vorherigen Parameterkombinationen wird verworfen.in the Framework of the iterative method and in particular the optimization rule becomes the new parameter combination and the corresponding result the evaluation function in the group of the last three examined Integrated parameters. The worst of the three previous parameter combinations is discarded.

Beispiel: Wenn von [k0, lt0][k1, lt0] und [k2, lt0] das schlechteste Ergebnis mit [k2, lt0] ist, wird die neue Parameterkombination wie folgt zusammengestellt:
[k2, lt0] = [k1, lt0], [k1, lt0] = [k0, lt0] und [k0, lt0]. = [kneu, lt0]
und ihre Ergebnisse der Evaluierungsfunktion:
Mp([k2, lt0]) = Mp([k1, lt0]), Mp([k1, lt0]) = Mp([k0, lt0]), Mp([kneu, lt0])
wird im nächsten Schritt berechnet.
Example: If [k0, lt0] [k1, lt0] and [k2, lt0] are the worst result with [k2, lt0], the new parameter combination is composed as follows:
[k2, lt0] = [k1, lt0], [k1, lt0] = [k0, lt0] and [k0, lt0]. = [kneu, lt0]
and their results of the evaluation function:
Mp ([k2, lt0]) = Mp ([k1, lt0]), Mp ([k1, lt0]) = Mp ([k0, lt0]), Mp ([kneu, lt0])
will be calculated in the next step.

Schritt 10: Verarbeitung des Original-Datensatzes mit der neuen Parameterkombination.Step 10: Processing of the original data record with the new parameter combination.

Im Gegensatz zu Schritt 4 wird diesmal nur die Filterung für die neue Parameterkombination berechnet. Die Information von den anderen zwei Kombinationen ist bereits berechnet.in the Unlike step 4, this time only the filtering for the new one Calculated parameter combination. The information from the others two combinations is already calculated.

Schritte 11 bis 13:Steps 11 to 13:

Entspricht den Schritten 5 bis 7. Der einzige Unterschied ist, dass diesmal nur die neue Parameterkombination evaluiert wird.Complies Steps 5 through 7. The only difference is that this time only the new parameter combination is evaluated.

Schritt 14: Optimierungsregel (genauso wie in Schritt 9)Step 14: Optimization rule (same as in step 9)

An dieser Stelle ist der Regelkreis geschlossen und das Verfahren kann wiederholt werden bis eine bestimmte Anzahl von Regelkreisiterationen durchgeführt ist oder bis der Unterschied zwischen den erworbenen Ergebnissen der drei Parameterkombinationen sehr klein ist.At At this point, the loop is closed and the procedure can be repeated until a certain number of loop iterations carried out is or until the difference between the results obtained the three parameter combinations are very small.

Schritt 15: Auswahl der besten Parameterkombination auf Basis von lt0Step 15: Selection of best parameter combination based on lt0

Zum Schluss erhält man so die Parameterkombination, die den größten Evaluierungswert erzeugt hat. Diese Kombination wird als optimale Kombination auf Basis von lt0 ausgewählt. To the Final receives so the parameter combination that produces the largest evaluation value Has. This combination is considered an optimal combination based on lt0 selected.

Schritt 16: Neue Anzahl der IterationenStep 16: New number the iterations

Ein neuer Wert für die Anzahl der Iterationen wird ausgewählt, um drei neue Parameterkombinationen, nämlich [k0, ltl][k1, lt1] und [k2, lt1] zu definieren. Die Schritte 4 bis 15 werden noch einmal durchgeführt.One new value for the number of iterations is selected to produce three new parameter combinations, namely [k0, ltl] [k1, lt1] and [k2, lt1]. Steps 4 to 15 will be done again.

Schritt 17Step 17

Der Schritt 16 wird noch dreimal wiederholt, um zum Schluss fünf verschiedene „optimale" Parameterkombinationen zu erhaltenOf the Step 16 is repeated three more times to finish with five different "optimal" parameter combinations to obtain

Schritt 18: Auswahl der optimalen KombinationStep 18: Selection of optimal combination

Von den fünf ermittelten optimalen Parameterkombinationen [kOptimum0, lt0], [kOptimum1, It1], [kOptimum2, lt2], [kOptimum3, lt3], [kOptimum4, lt4] wird der Median-Wert des Diffusionsfaktors ausgewählt, um die endgültige optimale Lösung für das Originalbild zu erhalten.
Median(kOptimum0, kOptimum1, ...)
Of the five determined optimal parameter combinations [k Optimum 0, lt0], [k Optimum 1, It1], [k Optimum 2, lt2], [k Optimum 3, lt3], [k Optimum 4, lt4] becomes the median value of the diffusion factor selected to obtain the final optimal solution for the original image.
Median (k optimum 0, k optimum 1, ...)

Die zugehörige Anzahl der Iterationen ist hierdurch bereits gegeben.The associated Number of iterations is already given.

Schritt 20: Endgültige VerarbeitungStep 20: Final processing

Der Original-Datensatz wird mit der ermittelten optimalen Parameterkombination verarbeitet bzw. das bereits ermittelte Ergebnis übernommen. Das Ergebnis wird als Ergebnis des Verfahrens gespeichert.The original data record is processed with the determined optimal parameter combination or the already determined result. The result is saved as a result of the procedure.

Das Verfahren wurde auf ein solches 3D-Bild angewendet. 3 zeigt das Ergebnis der Evaluierungsfunktion Mp über den Parametern „Iteration" und „Diffusionsfaktor" eines anisotropen Diffusionsfilters.The method was applied to such a 3D image. 3 shows the result of the evaluation function M p over the parameters "iteration" and "diffusion factor" of an anisotropic diffusion filter.

Claims (11)

Verfahren zur Filterung eines aus Nutzdaten und Stördaten gebildeten Datensatzes mit den Schritten: – Auswahl von Parametern und Durchführung einer Filterung mit den ausgewählten Parametern, – Durchführung von ein oder mehreren weiteren Filterungen mit geändertem Parameter bzw. geänderten Parametern, – Auswahl eines durch Filterung gewonnenen Abbildes von Stördaten, das real erscheint, – Auswahl des Abbildes von Nutzdaten, dass zu dem als real erscheinenden Abbild von Stördaten gehört.Method for filtering one of payload data and Disturbance formed record with the steps: - Selection of parameters and execution filtering with the selected ones parameters, - Implementation of one or more further filterings with changed parameters or changed ones parameters, - Selection a filtered image of disturbance that appears real, - Selection the image of user data that to the appearing as real image of disturbances belongs. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Varianz einer Störung einbezogen wird, um ein real erscheinendes Abbild von Stördaten auszuwählen.The method of claim 1, wherein the variance of a disorder is included to select a real-world image of clutter. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei denen Häufigkeitsverteilungen von lokalen Varianzen bei durch Filterung gewonnenen Abbildern von Stördaten ermittelt und als Kriterium einbezogen werden, um ein real erscheinendes Abbild der Stördaten auszuwählen.Method according to one of the preceding claims, in which frequency distributions of local variances in filtered images of Disturbance be determined and included as a criterion to make a real-life Image of the disturbances select. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Breite eines Peaks der Häufigkeitsverteilung, die Höhe eines Peaks der Häufigkeitsverteilung, die Symmetrie eines Peaks der Häufigkeitsverteilung und/oder ein Größenvergleich von Flächen links und rechts unterhalb des Maximum des Peaks als Kriterium einbezogen werden, um so ein real erscheinendes Abbild der durch Filterung gewonnenen Stördaten auszuwählen.Method according to the preceding claim, in which the width of a peak of the frequency distribution, the height a peak of the frequency distribution, the symmetry of a peak of the frequency distribution and / or a size comparison of surfaces included left and right below the maximum of the peak as a criterion be as a real-looking image of the by filtering won disturbances select. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Parameter eines Filters automatisiert eingestellt werden.Method according to one of the preceding claims, in the parameters of a filter are set automatically. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Parameter „Iteration" und „Diffusionsfaktor" bei einem Diffusionsfilter automatisiert eingestellt werden.Method according to one of the preceding claims, in the parameters "iteration" and "diffusion factor" in a diffusion filter be set automatically. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Rauschen aus einem Bilddatensatz oder Tondatensatz herausgefiltert wird.Method according to one of the preceding claims, in a noise from an image data set or sound record filtered out becomes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem drei Filterungen durchgeführt werden, dabei genau ein Parameter des verwendeten Filters von Filterung zu Filterung verändert wird, aus den drei durch Filterung gewonnenen Abbildern von Stördaten, das am realsten erscheinende Abbild von Stördaten ausgewählt wird, und im Anschluss daran wenigstens eine weitere Filterung durchgeführt wird, wobei der Parameter weiter vergrößert wird, wenn die Filterung mit dem größten Parameter das am realsten erscheinende Abbild von Stördaten ergeben hat, der Parameter weiter verkleinert wird, wenn die Filterung mit dem kleinsten Parameter das am realsten erscheinende Abbild von Stördaten ergeben hat, der Parameter vergrößert oder verkleinert wird, wenn die Filterung mit dem mittleren Parameter das am realsten erscheinende Abbild von Stördaten ergeben hat, wobei der Parameter dann innerhalb der Grenzen verändert wird, die durch den zuvor verwendeten größten und kleinsten Parameter gebildet werden.Method according to one of the preceding claims, in the three filters performed exactly one parameter of the filter used by filtering changed to filtering becomes, from the three images of disturbances, the most realistic image of disturbances is selected, and subsequently at least one further filtering is carried out, the parameter being further increased, if filtering with the largest parameter the most realistic image of clutter has given the parameter is further reduced if the filtering with the smallest parameter the most realistic image of clutter has given the parameter enlarged or reduced becomes, if the filtering with the middle parameter the most real Appearing image of disturbances which parameter is then changed within the limits, those through the previously used largest and smallest parameters be formed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Parameter innerhalb von zuvor festgelegten Grenzen variiert wird und zwar insbesondere systematisch in fest vorgegebenen Schritten.Method according to one of the preceding claims, in a parameter varies within pre-set limits in particular systematically in predefined steps. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer so programmierten Rechenein heit, dass folgende Schritte durchgeführt werden: – Auswahl von Parametern und Durchführung einer Filterung mit den ausgewählten Parametern, – Durchführung von ein oder mehreren weiteren Filterungen mit geändertem Parameter bzw. geänderten Parametern, – Auswahl eines durch Filterung gewonnenen Abbildes von Stördaten, das real erscheint, – Auswahl des Abbildes von Nutzdaten, dass zu dem als real erscheinenden Abbild von Stördaten gehört.Apparatus for carrying out the method according to one of the preceding claims, with a programmed unit of calculation, the following steps carried out become: - Selection of parameters and implementation filtering with the selected ones parameters, - Implementation of one or more further filterings with changed parameters or changed ones parameters, - Selection a filtered image of disturbance that appears real, - Selection the image of user data that to the appearing as real image of disturbances belongs. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Kamera oder ein Scanner ist.Device according to the preceding claim, characterized in that the device has a Camera or a scanner is.
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US20030076988A1 (en) * 2001-10-18 2003-04-24 Research Foundation Of State University Of New York Noise treatment of low-dose computed tomography projections and images
WO2004001670A2 (en) * 2002-06-21 2003-12-31 Isis Innovation Limited Methods of anisotropic diffusion and foveal segmentation of digital images

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