DE102005033851A1

DE102005033851A1 - Verfahren zur Reduktion von Rauschartefakten in digitalen Bildern und Einrichtung hierfür

Info

Publication number: DE102005033851A1
Application number: DE102005033851A
Authority: DE
Inventors: Hans-Martin Dipl.-Math. Knerndel
Original assignee: Sci Worx GmbH
Current assignee: Sci Worx GmbH
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2005-07-20
Publication date: 2007-02-01

Abstract

Ein Verfahren zur Reduktion von Rauschartefakten in digitalen Bildern, deren Bildpixel (g(x, y)) sequenziell verarbeitet werden und zur Verfügung stehen, in Abhängigkeit eines globalen Varianzwertes (σ² _η) des Bildes hat die Schritte:
a) fortlaufendes Bestimmen der maximalen Varianz (σ² _max) und/oder minimalen Varianz (σ² _min) aus den lokalen Varianzwerten (σ² _L) der bislang vorliegenden Sequenz von Bildpixeln (g(x, y)) für einen Teilbereich des Bildes,
b) Ermitteln jeweils eines aktuellen mittleren Varianzwertes aus der aktuellen maximalen und/oder minimalen Varianz (σ² _max, σ² _min) als adaptiv angepasster globaler Varianzwert (σ² _η) und
c) Reduktion der Rauschartefakte von aktuell zu verarbeitenden Teilbereichen des Bildes in Abhängigkeit von dem jeweils adaptiv angepassten aktuellen globalen Varianzwert (σ² _η).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Rauschartefakten in digitalen Bildern, deren Bildpixel sequenziell verarbeitet werden und zur Verfügung stehen, in Abhängigkeit eines globalen Varianzwertes des Bildes.

Zur Reduktion von Rauschartefakten in digitalen Bildern ist es bekannt, das gesamte Bild einer Frequenztransformation zu unterziehen und durch geeignete Filter störende Frequenzanteile herauszufiltern. Nach einer Rücktransformation in den Zeitbereich steht dann ein rauschreduziertes digitales Bild zur Verfügung. Nachteilig ist, dass die Frequenztransformation rechenaufwendig ist und die Bereitstellung des gesamten Bildes in einem Bildspeicher erfordert. Bei der sequentiellen Verarbeitung von Bildpixeldaten ist ein solches Verfahren daher oftmals nicht anwendbar.

In R.C. Gonzalez und R.E. Woods: „Digital Image Processing", Second Edition, Prentice Hall, 2002, Seiten 239 bis 241 ist ein adaptives lokales Rauschreduktionsfilter beschrieben, das in Abhängigkeit von der Varianz des Gesamtrauschens, welches das zu bearbeitende Bild kontaminiert, arbeitet. Diese im Folgenden globale Varianz genannte Varianz des Gesamtrauschens muss aus den Bildpixeln des gesamten Bildes ermittelt oder geschätzt werden. Das Verfahren benötigt daher entweder einen Bildspeicher bzw. Kenntnis sämtlicher Bildpixel zur nachträglichen Bildpixelbearbeitung oder es ist ungenau.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Reduktion von Rauschartefakten in digitalen Bildern zu schaffen, das mit möglichst geringem Aufwand in Hardware implementiert werden kann und bei sequentieller Bearbeitung eines digitalen Bildes ohne Kenntnis sämtlicher Bilddaten des zur verarbeitenden Bildes mit größtmöglicher Genauigkeit und Effizienz arbeitet.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst durch die Schritte:

a) Fortlaufendes Bestimmen der maximalen Varianz und/oder der minimalen Varianz aus der bislang vorliegenden Sequenz von Bildpixeln für einen Teilbereich des Bildes;
b) Ermitteln jeweils eines aktuellen mittleren Varianzwertes aus der aktuellen maximalen und/oder minimalen Varianz als adaptiv angepasster globaler Varianzwert; und
c) Reduktion der Rauschartefakte von aktuell zu verarbeitenden Teilbereichen des Bildes in Abhängigkeit von dem jeweils adaptiv angepassten aktuellen Varianzwert.

Es wurde erkannt, dass ein hinreichend genauer globaler Varianzwert während der Bearbeitung eines Bildes iterativ aus einem mittleren Wert der maximalen und minimalen Varianz der bislang verarbeitenden Bildpixel berechnet werden kann. Dieser adaptiv angepasste globale Varianzwert nimmt überraschenderweise schon nach der Berechnung weniger Bildpixel einen sinnvollen Wert an. Dabei kann das digitale Bild ohne a-priori-Wissen bearbeitet werden und die einzelnen Bildpixel müssen nach der Bearbeitung nicht mehr verändert werden. Vielmehr können sie sofort in Verbindung mit der Ermittlung der lokalen Varianz für ein Bildpixel mit einem Rauschreduktionsfil ter in Abhängigkeit von der aktuellen adaptiv angepassten globalen Varianz korrigiert werden.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass aufgrund der fehlenden Rückkopplung keinerlei Einschwingartefakte zu beobachten sind.

Der adaptiv angepasste globale Varianzwert kann beispielsweise als arithmetischer Mittelwert der minimalen und maximalen Varianz oder des Medians der minimalen und maximalen Varianz in Verbindung mit weiteren geeigneten Werten angenommen werden.

Besonders vorteilhaft ist es aber, den geometrischen Mittelwert aus der minimalen und maximalen Varianz als globalen Varianzwert anzunehmen. Es hat sich gezeigt, dass das geometrische Mittel aufgrund der großen Distanz der minimalen und maximalen Varianzwerte zueinander Werte in Größenordnungen liefert, die eine verbesserte Rauschreduktion zur Folge haben.

Als Startwert für die minimale und maximale Varianz bei der Reduktion von Rauschartefakten eines digitalen Bildes in einer Folge von digitalen Bildern wird vorzugsweise der letzte maximale und minimale Varianzwert bzw. hieraus ermittelte adaptiv angepasste globale Varianzwert genutzt, um das Startverhalten des Verfahrens zu verbessern.

Der lokale Varianzwert für ein Bildpixel oder Bildpixelbereich wird aus dem Bildpixel bzw. Bildpixelbereich im Vergleich zu einer festgelegten Anzahl daran angrenzender Bildpixel bzw. Bildpixelbereiche ermittelt. Vorzugsweise wird die lokale Varianz aus einer Bildpixelmatrix von fünf mal fünf Bildpixeln bestimmt.

Für Farbbilder wird die Reduktion der Rauschartefakte und Bestimmung der Varianzwerte vorzugsweise getrennt für jeden Farbbereich durchgeführt. Bei digitalen Bildern im Rot-Grün-Blau-Format (RGB) werden somit die Rot-, Grün- und Blau-Bildpixel getrennt voneinander behandelt. Bei einem Luminanz-Chrominanz- Bildformat werden die Luminanz-Bildpixel getrennt von den Chrominanz-Rot-Bildpixeln und Chrominanz-Blau-Bildpixeln betrachtet.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Schwellwert für die lokalen Varianzwerte festgelegt wird. Für den Fall, dass eine lokale Varianz unter diesem Schwellwert liegt, erfolgt keinerlei Modifikation des zugehörigen Bildpixels. Vielmehr wird die aktuelle maximale Varianz und die minimale Varianz mit dem bisherigen adaptiv angepassten globalen Varianzwert reinitialisiert.

Das Verfahren zur Reduktion von Rauschartefakten wird vorzugsweise mit einem Rauschreduktionsfilter durchgeführt, das mit der Funktion

mit dem rauschreduzierten Pixelwert f ^(x, y), dem Bildpixelwert g(x, y) an der Position x, y des Bildes, dem globalen Varianzwert σ 2 / η, einem lokalen Varianzwert σ 2 / L des aktuellen Bildpixels g(x, y) und dem lokalen Mittelwert m_L des aktuellen Bildpixels g(x, y) realisiert wird.

Damit wird ein adaptives Rauschfilter zur lokalen Reduktion von Rauschartefakten gebildet, dessen globaler Varianzwert als Steuerungsgröße weiterhin adaptiv angepasst wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 – Flussdiagramm des Verfahrens zur Reduktion von Rauschartefakten digitaler Bilder;
2 – Blockdiagramm einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens aus 1.
Die 1 lässt ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Reduktion von Rauschartefakten bei digitalen Bildern erkennen, deren Bildpixelinformationen nicht vollständig verfügbar sein müssen, um Rauschartefakte mit hinreichender Qualität zu reduzieren. Für jedes Bildpixel wird ein lokaler Varianzwert σ 2 / L aus dem jeweiligen Bildpixelwert und einer festgelegten Anzahl von Umgebungsbildpixeln berechnet. Zur Ermittlung der lokalen Varianz σ 2 / L kann beispielsweise eine Bildpixelmatrix von fünf mal fünf Bildpixeln berücksichtigt werden. D. h., dass alle horizontalen, vertikalen und diagonalen Nachbarpixel des Bildpixels mit einem Abstand von bis zu zwei Bildpixeln berücksichtigt werden.
Für jedes Bildpixel wird der lokale Varianzwert σ 2 / L mit einem Schwellwert σ 2 / S verglichen, wenn der lokale Varianzwert σ 2 / L größer als der Schwellwert σ 2 / S ist, wird der lokale σ 2 / L mit einem bisher aufgetretenen maximalen Varianzwert σ 2 / max und einem bisher aufgetretenen minimalen Varianzwert σ 2 / min verglichen und gegebenenfalls der Wert für den bislang aufgetretenen maximalen Varianzwert σ 2 / max oder minimalen Varianzwert σ 2 / min angepasst, wenn der lokale Varianzwert σ 2 / L größer als der maximale Varianzwert σ 2 / max oder kleiner als der minimale Varianzwert σ 2 / min ist.
Der lokale Schwellwert σ 2 / S sollte im Allgemeinen so gewählt werden, dass er über der Rechengenauigkeit der Signalverarbeitungsrecheneinheit liegt. Vorzugsweise wird der Schwellwert σ 2 / S etwa ein bis zwei Zehnerpotenzen größer als die Rechengenauigkeit festgelegt.
Anschließend wird ein adaptiv angepasster globaler Varianzwert σ 2 / η aus dem geometrischen Mittelwert der aktuellen maximalen Varianz σ 2 / max und minimalen Varianz σ 2 / min nach der Formel
berechnet.
Für den Fall, dass der lokale Varianzwert σ 2 / L kleiner als der Schwellwert σ 2 / S ist, wird der maximale Varianzwert σ 2 / max und der minimale Varianzwert σ 2 / min auf den aktuellen Wert des adaptiv angepassten globalen Varianzwertes σ 2 / η zurückgesetzt.
In Abhängigkeit von dem aktuell ermittelten adaptiv angepassten globalen Varianzwert σ 2 / η wird dann die Reduktion der Rauschartefakte für ein aktuelles Bildpixel g(x, y) mit Hilfe eines Rauschreduktionsfilters vorgenommen, das nach der Formel
mit dem rauschreduzierten Pixelwert f ^(x, y), dem Bildpixelwert g(x, y) an der Position x, y des Bildes, dem globalen Varianzwert σ 2 / η, einem lokalen Varianzwert σ 2 / L des aktuellen Bildpixels g(x, y) und dem lokalen Mittelwert m_L des aktuellen Bildpixels g(x, y) durchgeführt wird.
Für Bildpixel, deren lokale Varianz σ 2 / L den Schwellwert nicht überschreiten, wird keine Modifikation zur Reduktion von Rauschartefakten vorgenommen.
Falls das zu verarbeitende digitale Bild ein Farbbild ist, kann das Verfahren getrennt auf alle Farbebenen, beispielsweise die drei Farbebenen Rot, Grün, Blau oder Luminanz, Chrominanz-Rot, Chrominanz-Blau, angewandt werden.
Die 2 lässt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Reduktion von Rauschartefakten mit dem oben beschriebenen Verfahren erkennen. Sequentiell zur verarbeitende Bildpixel g(x, y) werden für einen Teilbereich des Bildes, beispielsweise einer fünf mal fünf Matrix in einem Bildpixel-Zwischenspeicher 1 zwischengespeichert. Eine Einheit 2 zur Bestimmung der lokalen Varianz σ 2 / L ist mit dem Bildpixelspeicher 1 verbunden. Die lokale Varianz σ 2 / L wird anhand der Umgebungspixel eines aktuellen Bildpixel in an sich bekannter Weise bestimmt. In einer Einheit 3 zur iterativen Ermittlung eines globalen Varianzwertes σ 2 / η wird dann der lokale Varianzwert σ 2 / L mit einem festgelegten Schwellwert σ 2 / S verglichen. Bei einer Überschreitung des Schwellwertes σ 2 / S wird der lokale Varianzwert σ 2 / L mit den aktuell ermittelten maximalen und minimalen Varianzwerten σ 2 / max und σ 2 / min verglichen, um einen aktualisierten maximalen bzw. minimalen Varianzwert σ 2 / max und σ 2 / min festzulegen. Der geometrische Mittelwert der bislang aufgetretenen maximalen und minimalen Varianz σ 2 / max und σ 2 / min bildet den aktuellen globalen Varianzwert σ 2 / η nach der Formel:
Mit diesem iterativ angepassten globalen Varianzwert σ 2 / η wird dann in einem Rauschreduktionsfilter 4 eine Rauschreduktion für das aktuelle Bildpixel g(x, y) nach der oben bereits erwähnten Formel durchgeführt.
Für den Fall, dass der lokale Varianzwert σ 2 / L kleiner oder gegebenenfalls gleich dem Schwellwert σ 2 / S ist, wird keine Modifikation des Bildpixelwertes g(x, y) durchgeführt. Stattdessen wird der aktuelle Wert für die bislang aufgetretene maximale Varianz σ 2 / max und minimale Varianz σ 2 / min reinitialisiert, indem hierfür der aktuell berechnete Wert für die globale Varianz σ 2 / η eingesetzt wird.
Im Ergebnis werden somit sämtliche Bildpixel eines digitalen Bildes in Abhängigkeit von dem Schwellwert und dem aktuellen iterativ angepassten globalen Varianzwert σ 2 / η zum Zeitpunkt des Bereitstehens eines Bildpixels im Bilddatenstrom oder gegebenenfalls kurze Zeit später verarbeitet, ohne dass das vollständige Bild vorliegen muss.

Claims

Verfahren zur Reduktion von Rauschartefakten in digitalen Bildern, deren Bildpixel (g(x, y)) sequenziell verarbeitet werden und zur Verfügung stehen, in Abhängigkeit eines globalen Varianzwertes (σ 2 / η) des Bildes, gekennzeichnet durch a) Fortlaufendes Bestimmen der maximalen Varianz (σ 2 / max) und/oder minimalen Varianz (σ 2 / min) aus den lokalen Varianzwerten (σ 2 / L) der bislang vorliegenden Sequenz von Bildpixeln (g(x, y)) für einen Teilbereich des Bildes, b) Ermitteln jeweils eines aktuellen mittleren Varianzwertes aus der aktuellen maximalen und/oder minimalen Varianz (σ 2 / max, σ 2 / min) als adaptiv angepasster globaler Varianzwert (σ 2 / η) und c) Reduktion der Rauschartefakte von aktuell zu verarbeitenden Teilbereichen des Bildes in Abhängigkeit von dem jeweils adaptiv angepassten aktuellen globalen Varianzwert (σ 2 / η).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittleren Varianzwerte aus dem geometrischen Mittelwert der jeweiligen maximalen und minimalen Varianz gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Reduktion von Rauschartefakten einer Folge digitaler Bilder, dadurch gekennzeichnet, dass die für ein vorhergehendes Bild ermittelte maximale und minimale Varianz (σ 2 / max, σ 2 / min) als Ausgangs-Varianzwerte für die Bestimmung des adaptiv angepassten globalen Varianzwertes (σ 2 / η) für das folgende Bild genutzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale und minimale Varianz (σ 2 / max, σ 2 / min) durch Vergleich der lokalen Varianz (σ 2 / L) eines aktuellen Bildpixels (g(x, y)) oder Bildpixelbereiches mit bislang für einen Teilbereich des Bildes ermittelten maximalen und minimalen lokalen Varianzwerten (σ 2 / L) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Festlegen der maximalen und minimalen Varianz (σ 2 / max, σ 2 / min) für ein Bildpixel (g(x, y)) oder Bildpixelbereich auf den aktuellen adaptiv angepassten globalen Varianzwert (σ 2 / η), wenn die lokale Varianz (σ 2 / L) einen festgelegten Schwellwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ermittlung der lokalen Varianz eines Bildpixels aus dem aktuellen Bildpixel und einer Anzahl an das Bildpixel angrenzenden Umgebungsbildpixel.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Ermitteln der lokalen Varianz (σ 2 / L) aus einer Matrix von fünf mal fünf Bildpixeln.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Reduktion der Rauschartefakte mit einem adaptiven lokalen Rauschreduktionsfilter (4) für die Funktion
mit dem rauschreduzierten Pixelwert f ^(x, y), dem Bildpixelwert g(x, y) an der Position x, y des Bildes, dem globalen Varianzwert σ 2 / η, einem lokalen Varianzwert σ 2 / L des aktuellen Bildpixels g(x, y) und dem lokalen Mittelwert m_L des aktuellen Bildpixels g(x, y).
Einrichtung zur Reduktion von Rauschartefakten in digitalen Bildern mit Bildpixelspeicher zur temporären Abspeicherung einer beschränkten Anzahl von Bildpixeln für Teilbereiche des digitalen Bildes und mit einer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichteten Rauschreduktionseinheit.