DE3617827A1

DE3617827A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur rauschreduktion degitalisierter fernsehsignale

Info

Publication number: DE3617827A1
Application number: DE19863617827
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Ing Schamel; Thomas Dr Ing Kummerow
Original assignee: Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI
Current assignee: Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI
Priority date: 1986-05-26
Filing date: 1986-05-26
Publication date: 1987-12-03
Also published as: DE3617827C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Schaltungsanordnung zur Rauschreduktion digitali sierter Fernsehsignale.

Der gegenwärtige Stand handelsüblicher Fernsehtechni ken beruht im wesentlichen noch auf den Möglichkeiten, die um 1950/1960 realisierbar waren. Im Zuge der Wei terentwicklung zu Bildkommunikationsformen der Zukunft werden mehr oder weniger weit reichende Wege beschrit ten.

Beispielsweise kann schon in naher Zukunft eine Verbes serung der Bildqualität durch digitale Signalverarbei tung und den Einsatz von Bildspeichern herbeigeführt werden. Weitere Fortschritte sind zu erwarten, die das gesamte System betreffen, d.h. von der Aufnahme über die Übertragung bis zur Wiedergabe. Dabei wird Kompati bilität zum bestehenden System gefordert.

Ein Evolutionsschritt besonderer Art ist mit einer ge sichtsfeldfüllenden, hochauflösenden Bildwiedergabe durch ein hochzeiliges System (HDTV = High Definition Television) mit digitaler Signalverarbeitung bei Auf nahme und Wiedergabe verbunden.

Ein Überblick hierzu wurde anläßlich der "Internatio nalen Funkausstellung Berlin", 30. August bis 8. Sep tember 1985 - vgl. Sonderdruck aus dem "Messe-Service": Technisch-wissenschaftliches Programm - gegeben.

Die Rauschreduktion zielt darauf ab, die Bildqualität entweder schon unmittelbar hinter der Fernsehkamera oder spätestens in einem digitalen Empfänger zu verbessern. Kameras für HDTV führen infolge der hohen erforderli chen Bandbreite zu besonders hohen Rauschanteilen im Fernsehsignal.

Auf die Reduzierung des Rauschens bei Fernsehsignalen beziehen sich mehrere Veröffentlichungen. Für den der Erfindung zugrundeliegenden Stand der Technik sind insbesondere "IEE Proc.", Vol. 127, Pt. G, No. 2, April 1980, 52-56 (T. J. Dennis) und "Television Jour nal of the Royal Television Society", Mai/Juni 1980, 29-33 (J. R. Sanders) von Belang.

Hieraus ist zu erkennen, daß die meisten der bislang bekannten Rauschreduktionssysteme große Ähnlichkeit mit sogenannten "Interframe DPCM"-Schaltungen zeigen. Ins besondere werden rekursive digitale Filter mit einem Bildspeicher eingesetzt. Rauschen kann damit jedoch nur soweit ausgefiltert werden, ohne zusätzliche ört liche Verzerrungen herbeizuführen, als im Bildinhalt keine oder nur geringfügige Bewegungen auftreten.

Für die Detektion von Bewegungen im Bildinhalt und de ren Berücksichtigung bei der Rauschreduktion ist weite rer technischer Aufwand erforderlich. Beispielsweise werden nichtlineare Filter eingesetzt oder Szenen in bewegte und nichtbewegte Bereiche unterteilt und bezüg lich der Rauschreduktion nur Bildbereiche ohne bewegte Inhalte unterzogen.

Obwohl Rauschen in Bildbereichen mit bewegten Inhalten und die Bewegung selbst sich teilweise überlagern, ist insbesondere bei langsam bewegten Bildinhalten das Rauschen als störend wahrnehmbar. Außerdem führt eine nichtlineare Filterung zu einer Art mehrfacher Pseudo konturen am Rand größerer, sich bewegender Bildinhalte.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung besteht nun darin, das Rauschen so zu reduzieren, daß auch bei Bewegungen des Bildinhalts keine zusätzliche Unschärfe im Bild erzeugt wird.

Gelöst wird dies gemäß der Erfindung durch die techni sche Lehre, die im Patentanspruch 1 für das Verfahren und im Patentanspruch 9 für die Schaltungsanordnung angegeben ist. Dabei handelt es sich zwar auch um eine Art DPCM-System. Der für die Erfindung wesentliche Ge danke besteht dabei darin, für den Rauschanteil eine Schätzwertberechnung vorzunehmen und diese Schätzwerte von dem verrauschten Eingangssignal abzuziehen. Eine derartige Rauschreduktion läßt sich bei digitalisierten Fernsehsignalen in Komponentendarstellung, also bei TV mit herkömmlicher Auflösung, bei HDTV, bei Studiosyste men, für Fernsehsysteme im medizinischen Bereich und dergleichen durchführen.

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der erfin dungsgemäßen technischen Lehre sind in den Ansprüchen 2 bis 8 bzw. 10 bis 22 angegeben. Diese sowie deren Vorzüge und Unterschiede im Vergleich zum vorbekannten Stand der Technik werden im Zusammenhang mit den nach folgenden Erläuterungen zu den Zeichnungen beschrieben.

Die schematischen Darstellungen zeigen:

Fig. 1: ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Rauschreduktionssy stems;

Fig. 2: ein Blockschaltbild mit den Grundformen der Einrichtungen in den einzelnen Zwei gen;

Fig. 3: ein detaillierteres Blockschaltbild für den Zweig, der zur Erzeugung eines Schätz wertsignals für den Rauschanteil dient;

Fig. 4: eine Charakteristik für die unterschiedli che Bewertung höher- und niederfrequente rer Anteile bei der Erzeugung des Schätz wertsignals;

Fig. 5: ein Blockschaltbild für eine maximale Aus stattung des Zweiges, der zur Erzeugung eines Schätzwertsignals für den Rausch anteil dient;

Fig. 6: ein Blockschaltbild für eine optimierte Ausbildung entsprechend Fig. 5;

Fig. 7: ein Schaubild zur Verdeutlichung des Prin zips einer Mittelwertbildung für einen Bildpunkt;

Fig. 8: eine allgemeine Struktur einer Schaltung für eine Mittelwertbildung gemäß Fig. 7;

Fig. 9: eine spezielle Struktur einer Schaltung für eine Mittelwertbildung gemäß Fig. 7;

Fig. 10: eine allgemeine Struktur für einen digi talen Hochpaß;

Fig. 11: eine spezielle Struktur einer Schaltung für einen digitalen Hochpaß;

Fig. 12: eine spezielle Struktur für eine weitere optimierte Ausbildung einer Schaltung ge mäß Fig. 5 und

Fig. 13: ein Schaubild nach Art eines Blockschalt bildes für ein stark vereinfachtes Bei spiel der zeitlichen Abläufe im erfin dungsgemäßen Rauschreduktionssystem.

Das in Fig. 1 gezeigte Blockschaltbild läßt erkennen, daß von einem dem Eingang 1 der Schaltungsanordnung zugeführten verrauschten Eingangssignal an einem Sub trahierer 4 etwas abgezogen wird, bevor an den Ausgang 2 der Schaltungsanordnung ein rauschreduziertes Aus gangssignal gelangt. Dazu wird zunächst das zuletzt ausgegebene Ausgangssignal in einem Vollbildspeicher 5 abgespeichert. An einem weiteren Subtrahierer 3 wird für jeden Bildpunkt ein Bild-zu-Bild-Vergleich durchge führt, d.h. die Differenz gebildet zwischen dem aktuell angelieferten Signal und dem Signal für diesen örtlich identischen Bildpunkt, das jedoch eine Vollbildperiode zuvor abgegeben worden ist. Diese Differenz kann theo retisch jeden Wert, einschließlich Null, zwischen den möglichen Extrema annehmen.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt nun das Prinzip zu grunde, das Signal, das sich als Ergebnis des Bild-zu- Bild-Vergleichs ergibt, zu verarbeiten, nämlich daraus mit Mitteln 6 einen Schätzwert für den Rauschanteil zu erzeugen, der von dem verrauschten, ansonsten in kei ner Weise veränderten Eingangssignal abgezogen wird, um ein rauschreduziertes Ausgangssignal bereitzustel len. In einem ungünstigen Fall, d.h. bei aus welchen Gründen auch immer - fehlendem Schätzwertsi gnal, gelangt das verrauschte Eingangssignal völlig unverändert zum Ausgang.

Die Kriterien, nach denen eine Rauschreduktion erfol gen soll, können unterschiedlicher Art sein. Eines der schwer zu lösenden Probleme ist - wie bereits eingangs erwähnt - die Berücksichtigung von Bewegungen im Bild inhalt. Die weiteren Ausführungen befassen sich des halb beispielhaft mit Maßnahmen und Vorkehrungen, die in erster Linie zu diesem Zweck ergriffen werden kön nen.

Hinsichtlich der Unterscheidbarkeit zwischen hochfre quentem Rauschen und höher- und niederfrequenterer, auf Bewegungen des Bildinhalts zurückzuführender Signalan teile läßt sich zunächst feststellen, daß schnelle Bewe gungen niederfrequentere zeitliche Änderungen bewirken als langsame Bewegungen und daß ohnehin scharfe Konturen bei schnellen Bewegungen nicht erwartet werden und wahrnehmbar sind. Als Erklärung hierzu kann die Vor stellung dienen, daß sich bei einer langsamen Bewegung ein großer Unterschied zwischen den Signalen zweier benachbarter Bildpunkte ergibt, bei schnellen Bewegun gen hingegen sich ein solcher Unterschied über eine Reihe von Bildpunkten verteilt. Hieraus läßt sich nun der Schluß ziehen, daß eine lineare Filterung vorteil haft ist. Dadurch lassen sich zwar schnelle Bewegungen einerseits und Rauschen sowie langsame Bewegungen an dererseits im Übergangsbereich nicht scharf voneinander trennen, was aber ohnehin nicht genau möglich ist. Um hier die Auswirkungen zu verbessern, kommt eine weitere Maßnahme, nämlich eine unterschiedliche, d.h. nichtli neare Bewertung der ausgefilterten Signalanteile zur Anwendung, für die eine Steuerung erforderlich ist.

Gemäß Fig. 2 erfolgt die Steuerung 6.90 auf der Grund lage derselben Ergebnisse, die zur Erzeugung des Schätzwertsignals in der Schleife 6.00 dienen, nämlich dem Differenzsignal aus dem Bild-zu-Bild-Vergleich, der im Subtrahierer 3 vorgenommen wird.

Anhand von Fig. 3 und Fig. 4 soll die Erzeugung eines bewegungsadaptierten Schätzwertsignals näher erläutert werden: Das vom Ausgang des Subtrahierers 3 bereitge stellte Differenzsignal kann positiv oder negativ sein. Deshalb wird für die Steuerung 6.90 zunächst mittels eines Betragsbildners 6.91 der Betrag dieser Differenz ermittelt und sodann einer zweidimensionalen Filterung 6.92 unterzogen. Das Filter 6.92 liefert entsprechend der Richtung - horizontal und vertikal - einer detek tierten Bewegung und deren Ausmaß zwischen den Signalen örtlich identischer, zeitlich um eine Vollbildperiode auseinanderliegender Bildpunkte eine Adresse für einen Tabellenspeicher 6.93, der für die einzelnen Adressen i unterschiedliche Koeffizienten x ₁ und x ₂ enthält.

In zwei Signalpfaden, die ebenfalls vom Ausgang des Subtrahierers 3 abgehen, werden höher- und niederfre quentere Signalanteile unterschiedlich belassen, im vorliegenden Beispiel in einem Pfad mittels eines Hoch passes 6.11 nur die dort durchgelassenen Signalanteile, im anderen Pfad alle Signalanteile unverändert. Mittels der Multiplikatoren x ₁ und x ₂ aus dem Tabellenspeicher 6.93 werden diese Signale jedoch unterschiedlich in Multiplizierern 6.12 bzw. 6.22 bewertet.

Dies geschieht z.B. im Falle eines sich langsam bewe genden Objektes im Bild, d.h. kleiner Werte für i, hinter dem Tiefpaß 6.29 für eine hochfrequente Ände rung in der Weise, daß das ungefilterte Signal im Mul tiplizierer 6.22 mit einem großen Multiplikator x ₂, das gefilterte Signal im Multiplizierer 6.12 mit einem kleinen Multiplikator x ₁ - vgl. Kennlinien für x ₁ und x ₂ in Abhängigkeit von i in Fig. 4 - bewertet wird. Das aus diesen beiden Anteilen im Addierer 6.30 zusammenge setzte Schätzwertsignal, das im Subtrahierer 4 vom ver rauschten Eingangssignal abgezogen wird, besteht in diesem Fall also aus der Summe der Produkte eines klei nen Multiplikators x ₁ mit dem vom Hochpaß 6.11 gefil terten Signal und eines großen Multiplikators x ₂ für das ungefilterte Differenzsignal aus dem Bild-zu-Bild- Vergleich. Das bedeutet, in dem am Ausgang 2 abzugeben den Ausgangssignal, das auch in den Vollbildspeicher 5 einzuschreiben ist, werden hauptsächlich die hochfre quenten zeitlichen Änderungen reduziert, also Rauschen. Die örtliche Auflösung bleibt in diesen Bildbereichen unbeeinflußt.

Im Falle eines sich schnell bewegenden Objekts im Bild werden die auf diese niederfrequenten zeitlichen Ände rungen des Differenzsignals zurückzuführenden Anteile vom Hochpaß 6.11 zurückgehalten und die hochfrequenten Anteile in diesem Pfad mit einem großen Multiplikator x ₁ im Multiplizierer 6.12 bewertet. Dafür erfolgt eine Bewertung des ungefiltert belassenen Signals im ande ren Pfad mit einem kleinen Multiplikator x ₂ im Multipli zierer 6.22. Das Schätzwertsignal hinter dem Addierer 6.30 reduziert beim verrauschten Eingangssignal im Sub trahierer 4 wiederum hochfrequente Anteile, also Rau schen. Scharfe Konturen sind bei schnellen Bewegungen infolge der Kameraintegration ohnehin nicht vorhanden. Der wesentliche Vorzug dieser Maßnahmen wird jedoch deutlich für den mittleren Bereich. Hier erfolgt ein weiches Umblenden zwischen den oben erläuterten extre men Fällen. Da diese Maßnahmen für jeden einzelnen Bildpunkt individuell durchgeführt werden, ergibt sich über die gesamte Bildfläche auf diese Weise eine wohl optimale Rauschreduktion. Die Steuerung hierbei kann insbesondere in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Bewegung des betreffenden Bildinhalts erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, z.B. die Richtung und den Richtungssinn solcher Bewegungsgeschwindigkeiten in die Steuerung mit einzubeziehen.

Zunächst wird noch auf die etwas weiter oben schon er wähnte Möglichkeit eingegangen, auch Konturunschärfen zu verringern. Hierzu ist es erforderlich, höherfre quente Anteile von einer gewissen Grenze ab in gewissem Umfang zu begrenzen. Dies kann durch nichtlineare Signal umwandler 6.13, 6.23, 6.31 - vgl. Fig. 5 - erreicht werden. Werden individuelle nichtlineare Kennlinien ge wünscht, sind derartige Signalumwandler 6.13 und/oder 6.23 mit oder ohne einen nichtlinearen Signalumwandler 6.31 für das zusammengesetzte, fertige Schätzwertsignal vorzusehen. In vielen Fällen dürfte allein ein solcher Signalumwandler 6.31 ausreichen.

Außerdem zeigt Fig. 5 auch noch einen Tiefpaß 6.21 in einem der beiden Signalpfade. Dessen Einsatz empfiehlt sich z.B. dann, wenn eine Quelle, z.B. ein Filmabtaster, vorwiegend niederfrequentes Rauschen enthält, also ver hältnismäßig leicht vorausgesetzt werden kann, daß hö herfrequentere Anteile hauptsächlich von langsam beweg ten Objekten hervorgerufen sein können.

In diesem Zusammenhang ergeben sich schaltungstechni sche Vereinfachungen insoweit, als sich ein nichtlinea rer Signalwandler - in Fig. 5 die Signalwandler 6.13 bzw. 6.23 - mit den jeweiligen Multiplizierern 6.12 bzw. 6.22 vereinigen lassen, indem die Multipli zierer mit unterschiedlichen Multiplikatoren, entspre chend der gewünschten nichtlinearen Kennlinie des Signalwandlers 6.13 bzw. 6.23 arbeiten. Hierzu können beispielsweise ROM- oder (E)PROM-Bauelemente verwen det werden.

In ähnlicher Weise lassen sich - wie Fig. 6 zeigt - auch der Betragsbildner 6.91 und der Tabellenspeicher 6.93 vereinigen. Weiterhin können im Tabellenspeicher 6.93 auch noch die Nichtlinearitäten 6.13 und/oder 6.23 berücksichtigt sein. Voraussetzung dabei ist, daß ge genüber der in Fig. 3 gezeigten Anordnung der Tiefpaß 6.92 vor dem Betragsbildner 6.91 angeordnet ist, d.h. zwischen Betragsbildner 6.91 und Tabellenspeicher 6.93 sich keine weitere Schaltungseinheit befindet. In die sem Falle läßt sich zudem der zweidimensionale Tiefpaß 6.92 unter der Voraussetzung, daß sich sein Frequenz gang und der des Hochpasses 6.11 zu 1 ergänzen, mehr fach nutzen: An die Stelle des Hochpasses 6.11 kann dann ein Subtrahierer 6.19 treten, dessen zweiter Ein gang mit dem Ausgangssignal des Tiefpasses 6.92 aus dem Steuer-Abzweig gespeist wird.

Anhand der Fig. 7 läßt sich die Funktion eines zweidi mensionalen Filters 6.92 verdeutlichen. Im gewählten Beispiel soll der Mittelwert für das Signal des Bild punktes 517 gebildet werden. Der Wert für dieses Si gnal soll die Werte der Signale benachbarter Bildpunkte berücksichtigen, hier jeweils die in den Halbbild- Zeilen darüber und darunter und dort jeweils in fünf Spalten. Das sind die Bildpunkte 3 bis 7, 515 bis 519 und 1027 bis 1031. Da für den Bildpunkt 517 die Mittel wertbildung erst dann vorgenommen werden kann, wenn auch das Signal für den Bildpunkt 1031 vorliegt, ergibt sich eine Grundverzögerung für das gesamte System, die der Dauer entspricht, die für 1 Zeile + 2 Bildpunkte benötigt wird (vgl. Laufzeitausgleich 6.17; 6.27; 6.70).

Hierauf begründet sich übrigens die Notwendigkeit, im Signalzweig für das verrauschte Eingangssignal - vgl. Fig. 2 - den entsprechenden, bislang noch nicht erwähn ten Laufzeitausgleich 7 vorzusehen.

Die Fig. 8 zeigt eine allgemeine Struktur für eine Schaltung eines Mittelwertbildners als Sonderform ei nes zweidimensionalen Tiefpasses 6.92. Am Eingang soll sich das Signal für den Bildpunkt 1031 befinden. Es ge langt unmittelbar an den Summenbildner. Dieser erhält außerdem zum selben Zeitpunkt die Signale der übrigen, zur Mittelwertbildung heranzuziehenden Bildpunkte über mehrere Verzögerungsglieder, für Bildzeilen mit 512 Punkten sind das z.B. Schieberegister zu 512 τ, sowie über je fünf Schieberegister zu je 1 τ (mit τ ist der zeitliche Abstand zweier Bildpunkte bezeichnet).

Die Signale der betreffenden Bildpunkte befinden sich in dieser Schaltung an den mit den laufenden Nummern gekennzeichneten Stellen. Der Summenbild ner kann also zum Zeitpunkt des Signals 1031 den gewünschten Mittelwert des Signals für den Punkt 517 ausgeben.

In den einzelnen Zuleitungen zum Summenbildner können die Signale noch einzeln - mittels hier nicht darge stellter Mittel - gewichtet, somit ein zweidimensio naler Frequenzgang festgelegt werden.

Für den Summenbildner wird hierbei eine verhältnismäßig aufwendige Gatterschaltung benötigt. Die Fig. 9 zeigt eine spezielle, weniger aufwendige Struktur. Deren Funktionsweise besteht darin, daß zunächst drei Punkte am linken Bildrand zusammengefaßt werden und so weiter, bis der Mittelwert einer 5×3-Matrix von Bildpunkten entstanden ist. Dieser Mittelwert befindet sich dann am Eingang des einzigen Subtrahierers in der Gatterschal tung. Hernach fallen bei jedem Bildpunkttakt die Mit telwerte des linken Randes L der 5×3-Matrix weg, und es kommt der Mittelwert des neuen rechten Randes R hinzu. Zum Zeitpunkt des Signals für den Bildpunkt 1031 am Eingang befindet sich am letzten Addierer der Gatter schaltung einerseits der Mittelwert des Signals für den Punkt 516, und andererseits erhält er den Mittelwert des bisherigen linken Randes L (1026/514/2) als Subtra hend und den des neuen rechten Randes R (1031/519/7) als Minuend. Hieraus wird der neue Mittelwert für das Signal des Bildpunktes 517 gebildet, ausgegeben und im letzten Schieberegister für den nächsten Takt abgespei chert.

Die Fig. 10 zeigt die Struktur für einen eindimensiona len Hochpaß, z.B. für einen Hochpaß 6.11. Auch hier ist mit τ die Dauer eines Bildpunkttaktes bezeichnet. Diese Schaltung arbeitet z.B. mit einer 10 bit-Auflösung und besteht aus jeweils zwei entsprechenden Registern und Addierern. Üblicherweise werden dabei allerdings die Signale unterschiedlich gewichtet.

In Fig. 11 ist eine spezielle Struktur gezeigt, bei der die Koeffizienten -1/4, +1/2, -1/4 durch schal tungstechnische Maßnahmen realisiert sind. Das erste Bit MSB eines Signals soll hier zur Kennzeichnung des Vorzeichens dienen. Eine Invertierung INVERT und eine Verschiebung des eigentlichen Signals um zwei Stellen an einem Addierer ADD führt zum Koeffizienten -1/4, eine Verschiebung des Signals um eine Stelle zum Koef fizienten +1/2.

In Fig. 12 ist ein Aufbau mit PROM-Speichern für Multi plizierer 6.12, 6.22 - gegebenenfalls vereinigt mit nichtlinearen Signalwandlern 6.13, 6.23 - und Tabellen speicher 6.93 - gegebenenfalls vereinigt mit dem Be tragsbildner 6.91 - dargestellt. Für die Multiplizierer 6.12, 6.22 ist eine Auflösung von 12 bit oder mehr, z.B. 8 bis 10 bit für die Eingangssignale und 4 bit für die Multiplikatoren x ₁, x ₂ vorgesehen. Aus den Angaben zur Auflösung der Signale an den Eingängen des Subtra hierers 3 und am Ausgang des Addierers 6.30 ist zu er kennen, daß innerhalb des Rauschreduktionssystems die Verarbeitung und Speicherung von Signalen mit höherer Genauigkeit erfolgen sollte, als durch die Auflösung der Eingangs- und Ausgangssignale vorgegeben ist. Die Größe bzw. Kapazität der Speicherelemente ergibt sich aus den Angaben zur Auflösung der Signale.

Anhand der Fig. 13 werden für ein stark vereinfachtes Beispiel nunmehr noch die prinzipiellen Vorgänge im Bildspeicher 5 und im Zweig für das verrauschte Ein gangssignal zwischen dem Eingang 1 der Schaltungsanord nung und dem ersten Eingang (+) des zweiten Subtra hierers 4 erläutert. Hierbei soll - ähnlich dem Bei spiel im Zusammenhang mit Fig. 7 - eine Mittelwertbil dung bei der Berechnung des Schätzwertes für den Rausch anteil durchgeführt werden. Sämtliche Verarbeitungsvor gänge sollen - der Einfachheit halber angenommen - in nerhalb der Dauer eines Bildpunkttaktes erfolgen.

Die im Vollbildspeicher 5 befindlichen Signale werden mit jedem Bildpunkttakt aktualisiert; sie entstammen also teils der aktuellen, teils der vorangegangenen Vollbildperiode und sind in zwei Halbbilder 1. H und 2. H - im stark vereinfachten Beispiel zu je 3 Zeilen a 4 Punkte - untergliedert.

Befindet sich am Eingang 1 das Signal für den Bildpunkt P 12, wird aus dem Speicher 5 das Signal P 12m gelesen und aus diesen beiden vom Subtrahierer 3 die Differenz 412 gebildet. Die Berechnung eines Rauschschätzwertes erfolgt für den Bildpunkt P 6. Dazu erhält die Steue rung 6.90, in der die Mittelwerte gebildet werden, das Signal Δ 12; dieses wird außerdem einem Laufzeitaus gleich 6.70 zugeführt, der eine Verzögerungszeit lie fert, die zur Mittelwertbildung in 6.90 benötigt wird. Entsprechend dem Beispiel gemäß Fig. 7 ist das die Zeit, die für 1 Zeile + 2 Bildpunkte erforderlich ist. Vom Laufzeitausgleich 6.70 gelangt an den Berechnungs teil 6.00 also das Signal Δ 6, aus dem Δ 6m berechnet wird. Damit der Subtrahierer 4 die Differenz P 6m bil den kann, muß das verrauschte Eingangssignal im Lauf zeitausgleich 7 ebenfalls um die Dauer verzögert wer den, die für 1 Zeile + 2 Bildpunkte erforderlich ist. P6m gelangt nun an den Ausgang 2 sowie zum Bildspei cher 5.

In Fig. 13 ist vor dem Eingang des Vollbildspeichers 5 noch ein Laufzeitausgleich 1 τ angegeben. Dies soll verdeutlichen, daß ein neues Signal Pi _m erst dann in den Vollbildspeicher 5 eingeschrieben werden soll, wenn die Verarbeitung für ein Signal Δ i _m vollständig abge schlossen ist.

Unter dieser Voraussetzung ist es beispielsweise mög lich, anstelle des Laufzeitausgleichs 6.70 einen weite ren Subtrahierer vorzusehen, dem einerseits das vom Laufzeitausgleich 7 verzögerte verrauschte Eingangssi gnal sowie von einem zweiten Leseausgang am Bildspei cher 5 des für den örtlich entsprechenden Bildpunkt der vorangegangenen Vollbildperiode abgelegte Signal zuge führt wird.

Entgegen der oben gemachten Annahme benötigt die Signal verarbeitung in den einzelnen Elementen der Schaltungs anordnung unterschiedliche Dauer, insbesondere auch mehr als jeweils einem Bildpunkttakt entspricht. Es ist deshalb sinnvoller, in jedem Zweig oder Pfad - wie in Fig. 3, 5 und 6 dargestellt - individuell eingestellte Laufzeitglieder 6.17; 6.27 vorzusehen und dort die Si gnallaufzeiten in den zugehörigen Schalteinrichtungen sogleich mit zu berücksichtigen.

Für den hardwaremäßigen Aufbau von Ausführungsformen der Erfindung sind, jedenfalls für TV-Signale entspre chendder derzeit herkömmlichen Norm, handelsübliche Schalteinrichtungen ausreichend. So werden z.B. für einen eindimensionalen Hochpaß zwei Register sowie zwei Addierer mit 10 bit-Auflösung, für einen Betrags bildner - je nach Zahlendarstellung - ein Chip, für ein zweidimensionales Tiefpaßfilter (5×3-Matrix) zwei 8 bit Zeilenspeicher und drei Addierer sowie vier 8 bit Register und fünf Addierer, für einen Tabellen speicher - 6.93 - ein bipolares PROM und für Multipli zierer - 6.12; 6.22 - 8×8 bit Produktbildner benötigt. Addierer bzw. Subtrahierer sollten für 10 bit-Auflösung ausgelegt sein. Für den Vollbildspeicher werden in der Regel zwei Halbbildspeicher verwendet. Die Speichergrö ßen ergeben sich für herkömmliche TV-Norm - 576 Zeilen, 512 Punkte/Zeile, 10 bit Auflösung - zu 2,9 Mbit, bei HDTV - 1250 Zeilen, 1750 Punkte/Zeile, 10 bit Auflö sung - zu 21,8 Mbit.

Die Bauteile müssen bei TV-Norm (herkömmlich) für eine Geschwindigkeit von ca. 75 ns, für HDTV für ca. 20 ns ausgelegt sein. Bei HDTV können Multiplizierer durch Schieberegister und Addierer ersetzt werden. Dabei kön nen die Steuersignale weniger als 8 bit genau sein.

Für empfängerseitige Rauschreduktion kann es ausrei chen, lediglich das Luminanzsignal entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung zu behandeln. Für die beiden Chrominanzsignale brauchen die Schaltungsanord nungen nicht so komfortabel ausgestattet zu sein, wie dies für die Behandlung des Luminanz- oder von R-, G-, B-Signalen und insbesondere für die senderseitige Rauschreduktion zu empfehlen ist. Für die Rauschreduk tion von Signalen für Chrominanz und Luminanz bzw. R-, G-, B-Komponenten kann auch jeweils nur eine Schal tungsanordnung vorgesehen und diese im Zeitmultiplex betrieben werden, insbesondere dann, wenn HDTV geeignete Schaltungen für herkömmliche TV-Norm einsetzbar sind.

Claims

1. Verfahren zur Rauschreduktion digitalisierter Fern sehsignale, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Signale der einzelnen aktuell angelieferten Bild punkte und der eine Vollbildperiode zuvor abgegebenen Bildpunkte verglichen werden,
- aus dem Differenzsignal dieses Vergleichs ein Schätz wertsignal für den Rauschanteil erzeugt wird und
- als rauschreduziertes Ausgangssignal für jeden Bild punkt die Differenz zwischen dem verrauschten Ein gangssignal und dem zugehörigen Schätzwertsignal für den Rauschanteil gebildet und dieses Ausgangssignal zur Schätzwertberechnung für die nachfolgende Voll bildperiode abgespeichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des Schätzwertsignals mittels einer kom binierten linearen Filterung und einer nichtlinearen Beeinflussung des Differenzsignals erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein bewegungsadaptiertes Schätzwertsignal erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des bewegungsadaptierten Schätzwertsi gnals für den Rauschanteil eine weiche Umblendung zwi schen zwei Signalen vorgenommen wird, die beide vom Differenzsignal des Bild-zu-Bild-Vergleichs abgeleitet werden, in denen jedoch höher- und niederfrequentere Anteile unterschiedlich belassen und bewertet werden, wobei die Steuerung dieser Bewertungen in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des betreffenden Bild inhalts erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsgeschwindigkeit des Bildinhalts durch Tiefpaßfilterung detektiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsgeschwindigkeit des Bildinhalts durch eine Mittelwertbildung detektiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine nichtlineare Beeinflussung bei der Er zeugung des Schätzwertsignals für den Rauschanteil er folgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich das Luminanzsignal der Rauschreduktion unter zogen wird.

9. Schaltungsanordnung zur Rauschreduktion digitali sierter Fernsehsignale, gekennzeichnet durch

- einen Signalzweig für das verrauschte Eingangssignal zwischen dem Eingang (1) der Schaltungsanordnung, an dem auch ein erster Eingang (+) eines ersten Subtrahierers (3) geschlossen ist, und einem er sten Eingang (+) eines zweiten Subtrahierers (4),
- einen Rekursionszweig mit einem Vollbildspeicher (5), dessen Eingang am Ausgang des zweiten Subtra hierers (4) liegt, an dem sich auch der Ausgang (2) der Schaltungsanordnung befindet, und mit dem Ausgang des Vollbildspeichers (5) am zweiten Eingang (-) des ersten Subtrahierers (3),
und
- einen Zweig zwischen dem Ausgang des ersten Subtra hierers (3) und dem zweiten Eingang (-) des zweiten Subtrahierers (4) mit Einrichtungen (6) für die Be rechnung eines Schätzwertsignals für den Rauschanteil.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen als Schleife (6.00) ausgebildeten Zweig mit Ein richtungen (6) und einem Abzweig mit Einrichtungen (6.90) zu deren Steuerung sowie durch einen Laufzeit ausgleich (7) im Signalzweig für das verrauschte Ein gangsignal, dessen Verzögerungszeit der Dauer ent spricht, die für die Erzeugung des Schätzwertsignals für den Rauschanteil benötigt wird.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch zwei Signalpfade in der Schleife, von denen zumindest einer ein Filter (6.11; 6.21), insbesondere einen Hochpaß (6.11) enthält, und die beide je einen Multi plizierer (6.12; 6.22) enthalten, welche an einen Ad dierer (6.30) führen.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen Steuer-Abzweig mit einem Betragsbildner (6.91), einem zweidimensionalen Tiefpaß (6.92) und einem Ta bellenspeicher (6.93), dessen Ausgänge (x ₁, x ₂) an die Multiplizierer (6.12; 6.22) in den Signalpfaden führen.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch einen Tiefpaß (6.21) im anderen Signalpfad.

14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch mindestens einen nichtlinearen Signalwandler (6.13; 6.23; 6.31) in der Schleife.

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14 und einem der Ansprüche 11 und 12, gekennzeichnet durch eine Vereinigung eines nichtlinearen Signalwandlers (6.13; 6.23) mit einem Multiplizierer (6.12; 6.22).

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Ausbildung eines mit einem nichtlinearen Signal wandler (6.13; 6.12) vereinigten Multiplizierers (6.12; 6.22) als Tabellenspeicher (ROM, (E) PROM).

17. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, gekennzeichnet durch eine Anordnung des zweidimensionalen Tiefpasses (6.92) vor dem Betragsbildner (6.91) und einen Subtrahierer (6.19) anstelle des Hochpasses (6.11).

18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Vereinigung des Betragbildners (6.91) und des Ta bellenspeichers (6.93) in einem adressierbaren Spei cher (ROM, (E) PROM).

19. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, gekennzeichnet durch eine dreifache Ausbildung für das Luminanz- und die beiden Chrominanzsignale bzw. für die R-, G-, B-Signale eines Farbfernsehsignals.

20. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine komfortablere Ausbildung der für das Luminanzsi gnal vorgesehenen Schaltungsanordnung und eine einfa chere Ausbildung der Schaltungsanordnungen für Chromi nanz- Signale.

21. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, gekennzeichnet durch einen Multiplexer vor dem Eingang (1) und einen Demul tiplexer hinter dem Ausgang (2) und einen Zeitmulti plexbetrieb für das Luminanz- und die Chrominanz- bzw. die R-, G-, B-Signale.

22. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 21, gekennzeichnet durch eine digitale Verarbeitung und Speicherung der Signale in der gesamten Anordnung mit einer höheren Genauig keit, als sie durch die Auflösung der Ein- und Aus gangssignale vorgegeben ist.