DE19748721C2 - Abgestufte Rücksetzung des Filterkoeffizienten bei einer Anordnung zur Rauschunterdrückung in Videobildern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Verarbeitung von Videosignalen mit einer Anordnung zur Unterdrückung von Rauschsignalen in Videobildern mit einem rekursiven Filter, einem Bewegungsdetektor zur Detektion von bewegten/unbewegten Bildelementen und einer Anordnung zur Berechnung eines Filterkoeffizienten, wobei in den Fällen, in denen ein Bildelement, welches der Bewegungsdetektor im vorhergegangenen Bild noch als unbewegt eingestuft hatte und dieses nunmehr als bewegt einstuft, die Anordnung zur Berechnung eines Filterkoeffizienten den Filterkoeffizient zurücksetzt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Unterdrückung von Rauschsignalen.

Die Ursache von Rauschen in Videobildern kann beispielsweise Filmkornrauschen, Bandrauschen eines Magnetaufzeichnungsgerätes oder auch auf einen Übertragungsweg eingestreutes Rauschen sein. Bei Anordnungen zur Unterdrückung von Rauschsignalen mit einem rekursiven Filter, wie beispielsweise aus DE 27 50 173 C2 bekannt, wird ein um ein Bild verzögertes Ausgangssignal auf den Eingang eines Rekursivfilters zurückgeführt und der Rauschanteil über mehrere Bildperioden gemittelt. Der Grad der Rauschreduktion hängt dabei von der Größe des zurückgeführten Bildsignals im Verhältnis zum Eingangs­ signal ab. Dieser Wert, der zwischen 0,0 (keine Filterwirkung) und 1,0 liegen kann, wird im folgenden als Filterkoeffizient k bezeichnet.

Bei bewegten Bildern würde die rekursive Filterung zu einem deutlich sichtbaren Nach­ ziehen des Videobildes führen. Aus diesem Grund ist beispielsweise bei dem vorstehend genannten Stand der Technik ein Bewegungsdetektor vorgesehen, der den Filterkoeffi­ zienten k in Abhängigkeit von im Bild vorliegender Bewegung steuert. Eine äußerst einfache Bewegungsdetektion wird erzielt durch eine Differenzbildung zwischen dem zu filternden Videosignal und dem um ein Vollbild verzögerten Signal des zu filternden Videosignals. Das erhaltene Differenzsignal wird mit einem Schwellwert verglichen.

Solange das Differenzsignal unterhalb dieses Schwellwertes bleibt, wird das jeweils betrachtete Bildelement als unbewegtes Bildelement eingestuft und der Filterkoeffizient k in geeigneter Weise auf einen Wert zwischen Null und Eins eingestellt. Sobald das Dif­ ferenzsignal den vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wird das jeweils betrachtete Bildelement als bewegtes Bildelement eingestuft und der Filterkoeffizient k auf den Wert Null gesetzt, um eine Filterung eines bewegten Bildelementes zu vermeiden, da eine Filterung bewegter Bildelemente einen unscharfen Bildeindruck erzeugen würde.

Ein rekursives Filter zur Rauschreduktion mit einem Bewegungsdedektor ist beispielsweise auch aus US 4,639,784 bekannt. Ein als Skalierungsfaktor K bezeichneter Filterkoeffizient wird ausgehend von einem Startwert 1 bei als unbewegt eingestuften Bildelementen stufen­ weise verringert. Bei Auftreten eines bewegten Bildelements wird der Skalierungsfaktor auf den Startwert 1 zurückgesetzt.

Bei solchen Rauschreduzierern hat sich nun herausgestellt, daß das gefilterte Videosignal bei sich langsam aber stetig verändernden Bildelementen unstetige Sprünge des Ausgangs­ signals aufweisen kann, welche mehr oder weniger störend wahrgenommen werden.

Die Erfindung hat sich daher zum Ziel gesetzt, bei einer Rauschunterdrückung der eingangs genannten Art die Wahrnehmbarkeit von Bildstörungen bei sich stetig verändernden Bildinhalten zu unterdrücken bzw. auf ein kaum wahrnehmbares Maß zurückzuführen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Anordnung (13) zur Bildung des Filterkoeffi­ zienten so ausgestaltet ist, daß der Filterkoeffizient k beim Zurücksetzen zunächst auf wenigstens einen Zwischenwert gesetzt wird, der zwischen dem Filterkoeffizienten k', welcher für dieses Bildelement im vorangegangenen Bild verwendet worden ist und dem Rücksetzwert liegt.

Wie sich bei einer Analyse des beobachteten Fehlverhalten des Filters gezeigt hat, werden sich langsam ändernde Bildinhalte, wie sie beispielsweise bei Überblendungen auftreten, zunächst als unbewegte Bildinhalte gedeutet, so daß diese Bildinhalte zunächst ausgefiltert werden, weil sie unterhalb des vorgegebenen Schwellwertes bleiben. Durch die an sich gewünschte Mittelungswirkung des Filters bleibt das gefilterte Ausgangssignal aber immer mehr hinter dem langsam steigenden oder auch fallenden Eingangssignal zurück, so daß zu einem bestimmten Zeitpunkt die Differenz zwischen aktuellen Eingangssignal und dem gefilterten Ausgangssignal den vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Die Überschreitung des Schwellwertes löst jedoch bei einem Rauschreduzierer, der entsprechend dem eingangs genannten Stand der Technik ausgebildet ist, ein Rücksetzen des Filterkoeffizienten k auf den Wert Null aus, womit die Filterwirkung ausschaltet wird. Bei der vorgeschlagenen Rückführung des Filterkoeffizienten k über mindestens einen Zwischenwert auf den Wert Null wird dieses schlagartige Abschalten der Filterwirkung vermieden. Zwar wird hierbei in Kauf genommen, daß bei bewegten Objekten ebenfalls wegen der graduell zurückgehenden Filterwirkung eine leichte Unschärfe erzeugt wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß diese zusätzliche Unschärfe weit weniger störend wahrgenommen wird, als die Signalsprünge die sich bei langsam verlaufenden Signaländerungen einstellen.

Vorzugsweise wird der Filterkoeffizient k etwa auf einen Wert von 1/3 eingestellt, da hierdurch das Ausgangssignal zu 2/3 aus dem aktuellen Bild und zu 1/3 aus dem bisher gefilterten Signal zusammengesetzt wird. Hierdurch wird im Übergang von einer unbewegten Bildsequenz zu einer bewegten Bildsequenz die Filterwirkung bei tatsächlich bewegten Bildobjekten relativ klein gehalten, so daß die Bildinformation des bewegten Bildobjekts den Bildeindruck beherrschen kann. Bei stetig sich änderenden Bildinhalten reicht diese Verteilung aber noch aus, um die Wahr­ nehmbarkeit eines Bildsprungs wesentlich zu mildern.

Die Erfindung wird nun anhand von zwei in den Zeichnungen dargestellten Aus­ führungsbeispielen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ein rekursives Filter zur Rauschunterdrückung von Videosignalen mit einer Steuerschaltung zur Rückführung des Filterkoeffizienten über einen einzigen Zwischenwert

Fig. 2 Ein rekursives Filter mit einer bevorzugten Steuerschaltung zur Rückführung des Filterkoeffizienten in mehreren Schritten

Die in den Figuren gezeigten Schaltungsanordnungen sind Bestandteil eines sogenannten Rauschreduzierers, welchen an einer Eingangsklemme 1 ein Video­ signal zugeführt ist. Dieses Videosignal ist einem ersten Eingang eines Subtrahierers 2 und einem ersten Eingang einer Additionsstufe 4 zugeführt. Das Ausgangssignal der Additionsstufe 4 ist einem Vollbildspeicher 5 zugeführt, dessen Ausgang auch zugleich den Ausgang 6 des Rauschreduzierers bildet. Mittels des Vollbildspeichers 5 wird in bekannter Weise das Videosignal an seinem Eingang um genau eine Voll­ bildperiode 2 V verzögert an dessen Ausgang abgegeben. Das um eine Vollbild­ periode 2 V verzögert Ausgangssignal des Vollbildspeichers 5 ist auf einen zweiten Eingang des Subtrahierers 2 rückgeführt. Das von dem Subtrahierer 2 gebildete Differenzsignal zwischen aktuellen Bild und ein um ein Vollbild verzögerten Bild ist einer Multiplikationsstufe 3 zugeführt. In der Multiplikationsstufe 3 wird das Differenzbild mit einem Filterkoeffizienten k multipliziert und ergibt so ein Korrekturbild, welches einem zweiten Eingang der Additionsstufe 4 zugeführt ist. In der Additionsstufe 4 wird das Summensignal aus dem Korrekturbild und dem aktuellen Bild gebildet. Auf diese Weise ist ein rekursives Filter gebildet, wobei das Mischverhältnis zwischen dem am Eingang 1 anstehenden ungefilterten aktuellen Bild und dem vom Ausgang 6 rückgeführten, je nach Vorgeschichte des Filters über zwei oder mehrere zurückliegende Eingangsbilder gemittelte Bildsignal durch den Filterkoeffizienten k vorgegeben wird. Bei unbewegten Bildern, die einen Filter­ koeffizienten k < 0 erzeugen, werden somit in bekannter Weise schwankende Amplituden von aufeinanderfolgenden Bildern, insbesondere den Videobildern überlagerte Rauschsignale ausgemittelt.

Hierzu wird der Filterkoeffizient k in Abhängigkeit des Ausgangssignal eines Bewegungsdetektors gebildet, der ermitteln soll in welchen Teilen des am Eingang anstehenden Bildes eine Bewegung gegenüber dem bisherigen Bildinhalt feststellbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel werden zur Bewegungsdetektion Eingangssignal und gefiltertes Ausgangssignal in bekannter Weise subtrahiert, so daß sich im Ausführungsbeispiel ein eigener Bewegungsdetektor erübrigt, da die benötigte Differenzbildung bereits durch den Subtrahierer 2 des rekursiven Filters vollzogen wird. Zur Erzeugung des Filterkoeffizienten wird daher das Ausgangssignal des Subtrahierers 2 verwendet, welches nach Absolutwertbildung in einem Absolut­ wertbildner 7 und anschliessender Tiefpassfilterung in einem Tiefpassfilter 8 einem Schwellwertdetektor 9 zugeführt ist. Der dem Schwellwertdetektor 9 vorgebbare Schwellwert bestimmt den Einsatzpunkt der Bewegungsdetektion. Signaldifferenzen unterhalb des vorgebbaren Schwellwertes werden als Rauschen und nicht als Be­ wegung interpretriert. Der Schwellwertdetektor 9 liefert somit ein binäres Aus­ gangssignal, wobei eine logische Null den bedeutungsinhalt "Keine Bewegung detektiert" und eine logische Eins den Bedeutungsinhalt "Bewegung detektiert" repräsentieren.

Das Ausgangssignal des Schwellwertdetektors 9 ist einem Zustandsspeicher 10, Eingängen eines ersten und eines zweiten UND-Gatters, 11, 12 und einer An­ ordnung 13 zur Berechnung des Filterkoeffizienten k zugeführt. Im Zustandsspeicher 10 ist der um jeweils eine Vollbildperiode zurückliegende Ausgangswert des Schwellwertdetektors 9 für jeden Bildpunkt gespeichert.

In der Anordnung 13 zur Berechnung des Filterkoeffizienten k wird im Ausfüh­ rungsbeispiel der Filterkoeffizient k in Abhängigkeit der Anzahl der in Folge unbe­ wegt gebliebenen Bilder berechnet, wobei sich hierbei als kleinster Anfangswert bei zwei aufeinanderfolgend unbewegt gebliebenen Bildern der Faktor k = 0,5 gewählt wird, da dies einer gleichgewichteten Mittelung dieser zwei Bilder entspricht. Bei der im Auführungsbeispiel gewählten Anordnung ist außerdem noch ein Preset- Eingang P vorgesehen, mittels welchem ein Filterwert von k = 0,33 vorgegeben werden kann, und ein Reset-Eingang R mittels welchen der Filterkoeffizient auf k = 0,0 zurückgesetzt werden kann. Die Eingangssignale von Preset-Eingang P und Reset-Eingang R werden mittels der beiden logischen UND-Gatter 11 und 12 erzeugt.

Hierzu ist dem ersten UND-Gatter 11 als zweites Eingangssignal das invertierte Eingangssignal des Zustandsspeichers 10 zugeführt. Das Ausgangssignal des ersten UND-Gatters geht somit nur dann in einen aktiven Zustand, wenn im vorange­ gangenen Bild an der jeweiligen Bildstelle keine Bewegung detektiert wurde, aber im aktuellen Bild nun eine Bewegung detektiert wird. Dies entspricht der von der Erfindung vorgeschlagenen Situation, daß der Filterkoeffizient k von einem höheren Wert auf einen Zwischenwert zurückgesetzt werden soll. Der Ausgang des ersten UND-Gatters 11 ist daher mit dem Preset-Eingang P der Anordnung zur Bildung des Filterkoeffizienten verbunden. Da wie bereits erwähnt, der niedrigste von der Anordnung 13 berechnete Filterkoeffizient k den Wert 0,5 annehmen kann, ist somit stets die Bedingung eingehalten, daß durch Vorbesetzung des Filterkoeffizienten mit dem Wert k = 0,33 ein Wert gewählt wird, der niedriger ist, als alle anderen ver­ wendeten Filterkoeffizienten.

Desweiteren sind die nichtinvertierten Ausgangssignale von Schwellwertdetektor 9 und Zustandsspeicher 10 mittels des zweiten UND-Gatters 12 verknüpft, welches somit nur dann ein aktives Ausgangssignal abgibt, wenn mindesten zwei auf­ einanderfolgende Bilder als bewegt eingestuft sind. Erst dann wird durch Zuführung des Ausgangssignal des zweiten UND-Gatters 12 an den Reset-Eingang der Anord­ nung zur Bildung des Filterkoeffizienten k der Filterkoeffizient k auf den Wert Null zurückgesetzt.

Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Art der Rückführung des Filterkoeffizien­ ten k über einen Zwischenwert erlaubt es zudem, daß im Anschluß an ein einziges als bewegt detektiertes Bild der Filtervorgang mit einem Restanteil des bisher ge­ filterten Videosignal fortgesetzt werden kann und nicht, wie bei einer sofortigen Rücksetzung des Filterkoeffizienten k, völlig neu gestartet werden muss.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich, bei einer Berücksichtigung des Zustandes der Bewegungsdetektkion von mehr als nur einem zurückliegenden Bild bzw. durch eine mehrstufige Rückführung des Filterkoeffizienten k über mehrere Bildperioden hinweg. So zeigt Fig. 2 eine Schaltungsanordnung, bei dem der Rücksprung des Filterkoeffizienten k mittels eines bedienerseitig vorgebbaren maximalen Fehler­ wertes e begrenzt werden kann. Bis auf die Steuerschaltung zur Erzeugung des Filterfaktors k ist die in Fig. 2 gezeigte Schaltung identisch mit der in Fig. 1 gezeigten Schaltung. Gleiche Schaltungsteile tragen identische Bezugszeichen und sind nicht mehr eigens erläutert.

Sowohl für die Berechnung des Filterkoeffizienten k zur Filterung unbewegter Bild­ elemente als auch zur Berechnung des Filterkoeffizienten k bei Rückführung des Filterkoeffizienten k im Falle detektierter Bewegung eines Bildelements wird eine gemeinsame Koeffiziententabelle 20 verwendet. Bei der hier gewählten Anordnung berechnet sich der Filterkoeffizient aus der Anzahl N in Folge unbewegt gebliebener Bildelemente zu k = N/(N + 1). Aufgrund dieser Berechnung werden alle zur Mittelung herangezogenen Bildelemente und das jeweils neu hinzugekommene Bildelement gleichwertig gewichtet. Um die rechenaufwendige Division zu ver­ meiden, sind die Faktoren für k von eins bis sechzehn jeweils vorberechnet und in der Koeffiziententabelle 20, welche als PROM ausgeführt ist, gespeichert. Werte von N die den Maximalwert sechzehn überschreiten, werden einfach auf den Wert sechszehn begrenzt, da eine Erhöhung des Filterkoeffizienten k = 15/16 über diesen Wert hinaus zu keiner wahrnehmbaren Bildverbesserung mehr führt.

Bei der Auswahl des bei der Rückführung des Filterkoeffizienten k zu berücksich­ tigenden Zwischenwertes, wird der Koeffiziententabelle 20 ein ganzzahliger Wert D vorgegeben, welcher einen dem gewünschten Zwischenwert am nahekommensten Wert aus der Koeffiziententabelle 20 auszuwählt. Der hierbei auftretende Fehler kann ohne Qualitätsverlust vernachlässigt werden. Dies hat jedoch den Vorteil, daß die gesamte Schaltungsanordnung relativ einfach gehalten werden kann. Sobald ein Wert D ausgewählt wurde, wird dieser als neuer Wert N für die Anzahl der bisher unbewegt gebliebenen Bilder übernommen, so daß bei einem als nächsten folgenden unbewegten Bildelement die Berechnung des Filterkoeffizienten k fortgesetzt wird.

Das Ausgangssignal A des Tiefpassfilters 8 ist sowohl einem Vergleicher 14 als auch einem Faktorbildner 17 zugeführt. Der Wert für D wird in dem Faktorbildner 17 aus dem vorgegebenen Maximalfehler e und der Bilddiffernz Δ berechnet als D = e/(Δ - e) und nach Rundung auf eine ganze Zahl einem Eingang eines Multiplexers 18 zugeführt. Dem anderen Eingang des Multiplexers 18 ist die Anzahl N der in Folge als unbewegt detektierter Bildelemente zugeführt. Hierzu wird der jeweils der Koeffiziententabelle 20 zugeführte Wert von N, beziehungsweise der der Koeffi­ ziententabelle zugeführte Wert D in einem Zwischenspeicher 16 für jeweils eine Vollbildperiode zwischengespeichert und anschließend in einem Akkumulator 15 um den Wert Eins erhöht, woraus sich der Wert N' ergibt. Der Vergleicher 14 vergleicht nun die jeweilige Bilddifferenz Δ mit einem aus dem Wert N' und dem maximal zugelassenen Fehler e gebildeten Ausdruck e (1 + N')/N' und steuert in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis den Multiplexer 18. Immer wenn der aus dem Wert N' gebildete Ausdruck größer ist als die Bilddifferenz Δ, wird der Wert N' als neuer Wert N zur Koeffiziententabelle 20 durchgeschaltet, andernfalls wird der Wert von D als neuer Wert D durchgeschaltet. Mittels dieser Schaltungsanordnung wird eine Diskontinuität beim Zurückfahren des Filterkoeffizienten k auf praktisch nicht mehr störende Werte begrenzt.

Die Schaltungsanordnung der Fig. 2 enthält des weiteren noch ein UND-Gatter 19, mittels welchen bei einem festgestellen Szenenwechsel im Eingangsvideosignal durch eine nicht dargestellte Szenenwechselerkennungsschaltung mittels eines Schaltsignals CUT anstelle des Ausgangswertes des Multiplexers 18 der Koeffi­ ziententabelle 20 der Wert Null zugeführt wird, und somit der Filterkoeffizient k unmittelbar auf den Wert Null rückgesetzt wird. Auf diese Weise wird vermieden, daß bei einem Szenenwechsel der Filterkoeffizient k langsam zurückgeführt würde, und somit eine Filterung des neuen Szeneninhalts mit Bildelementen der voran­ gegangenen Szene vorgenommen würde.

Selbstverständlich ist die hier vorgestellte Ausführungsform auch mittels programmierbaren Logikbausteinen oder als Programm mittels eines Mikorprozessors realisierbar.

Claims (6)

1. Gerät zur Verarbeitung von Videosignalen mit einer Anordnung zur Unterdrückung von Rauschsignalen in Videobildern mit einem rekursiven Filter, einem Bewegungs­ detektor zur Detektion von bewegten/unbewegten Bildelementen und einer Anordnung zur Berechnung eines Filterkoeffizienten, wobei in den Fällen, in denen ein Bildelement, welches der Bewegungsdetektor im vorhergegangenen Bild noch als unbewegt eingestuft hatte und dieses nunmehr als bewegt einstuft, die Anordnung zur Berechnung eines Filterkoeffizienten den Filterkoeffizient zurücksetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (13) zur Bildung des Filterkoeffizienten so ausgestaltet ist, daß der Filterkoeffizient k beim Zurücksetzen zunächst auf wenigstens einen Zwischenwert gesetzt wird, der zwischen dem Filterkoeffizienten k', welcher für dieses Bildelement im vorangegangenen Bild verwendet worden ist und dem Rücksetzwert liegt.

2. Gerät zur Verarbeitung von Videosignalen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenwert ein Wert von ungefähr k = 0,33 vorgesehen ist.

3. Gerät zur Verarbeitung von Videosignalen nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Bildung des Filterkoeffizienten so ausgestaltet ist, daß der Filterkoeffizient k bei vom Bewegungsdetektor als bewegt eingestuften Bildinhalten um einen Wert zurückgesetzt wird, dessen Größe jeweils entsprechend einem vorgebbaren maximalen Fehlerwert (e) berechnet wird.

4. Verfahren zur Rauschreduktion von von Videosignalen mittels eines rekursiven Filters und einer Bewegungsdetektion von bewegten/unbewegten Videobildern, bei dem ein das rekursive Filter steuernder Filterkoeffizient k berechnet wird, wobei in den Fällen, in denen bei der Bewegungsdetektion ein Bildelement, welches im vorhergegangenen Bild noch als unbewegt eingestuft worden war und dieses nunmehr als bewegt eingestuft wird, der Filterkoeffizient k zurückgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß, der Filterkoeffizient k beim Zurücksetzen auf wenigstens einen Zwischenwert gesetzt wird, der zwischen dem Filterkoeffizienten k', welcher für dieses Bildelement im vorange­ gangenen Bild verwendet worden ist und dem Rücksetzwert liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenwert ein Wett von ungefähr k = 0,33 vorgesehen ist.

6. Verfahren zur Rauschreduktion von Videosignalen, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterkoeffizient k bei als bewegt eingestuften Bildinhalten, um einen Wert zurückgesetzt wird, welcher einem vorgebbaren maximalen Fehlerwert (e) entspricht.