DE3619222A1 - System zur rauschminderung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Rauschminderung mit Bewe­ gungserkennung für digitalisierte Videosignale gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 33 09 715 ist ein System zur Verminderung des Rauschens bekannt, das ein Fernsehsignal in einem Vollbildspei­ cher verzögert. Nachteilig ist dabei der digitale Speicher, der für die Größe eines Vollbildes ausgelegt sein muß. In der DE-OS 31 21 599 ist der zugehörige Tiefpaß, im folgenden Fil­ ter genannt, beschrieben. In diesem Filter werden für einen gestörten Bildpunkt sämtliche umliegenden und benachbarten Bildpunkte zur Bewertung herangezogen. Das sind die benachbar­ ten Bildpunkte der aktuellen Zeile und die benachbarten Bild­ punkte aus der vorangegangenen und der nachfolgenden Zeile.

Aufgabe der Erfindung ist, ein vereinfachtes System zur Rausch­ minderung mit Bewegungserkennung für digitalisierte Videosigna­ le anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen sind in den Un­ teransprüchen und in der zugehörigen Beschreibung genannt.

Zur Bewertung der Helligkeit an einem Bildpunkt werden Nachbar­ bildpunkte herangezogen. Nachbarbildpunkte sind zunächst ein­ mal die in derselben Zeile liegenden Bildpunkte, einer oder mehrere dem aktuellen Bildpunkt vorweggehend und einer oder mehrere dem aktuellen Bildpunkt nachfolgend. Desweiteren sind Bildpunkte benachbart, die zu dem vorangegangenen Halbbild ge­ hören. Diese Bildpunkte des vorangegangenen Halbbildes werden in einem Halbbildspeicher abgespeichert. Es ist nicht notwen­ dig, einen Vollbildspeicher zu benutzen, weil die Helligkeits­ bzw. Farbwerte des aktuellen Bildpunktes und der in derselben Zeile benachbarten Bildpunkte direkt einer Bewertungsschaltung zugeführt werden. Bei dem Auslesen aus dem Halbbildspeicher werden übereinanderliegende Bildpunkte eines Halbbildes mitein­ änder verglichen, wenn jeweils der erste Wert um eine Zeilen­ dauer verzögert wird. Es kann dann ein Schätzwert für den Hel­ ligkeits- bzw. Farbwert des dazwischenliegenden Bildpunktes eines zweiten Halbbildes errechnet werden, das entspricht ei­ ner eindimensionalen vertikalen Filterung. Dieser errechnete Schätzwert wird mit dem Helligkeits- bzw. Farbwert an dem Bild­ punkt des aktuellen Teilbildes verglichen. Ein zweidimensiona­ les Filter wird auf zwei eindimensionale Filter beschränkt. Zum Erkennen von Bewegungen wird der Vergleich der Hellig­ keits- bzw. Farbwerte zwischen aktuellem und vorangegangenem Teilbild einem horizontalen Filter zugeführt. Dieses horizonta­ le Filter betrachtet dann nur noch Helligkeits- bzw. Farbwerte von Bildpunkten, wobei die Bildpunkte in einer Zeile liegen. Ein zweidimensionales Filter entfällt somit. Das eindimensiona­ le Filter verzögert Farb- bzw. Helligkeitswerte um 2 Bildpunk­ te, vergleicht aktuellen Bildpunkt mit vorangegangenem und nachfolgendem Bildpunkt und gibt diesen Vergleich an eine Ta­ belle weiter. Die Tabelle erkennt anhand der hereinkommenden Werte eine gewünschte Ausgabeposition und weist dem hereinkom­ menden Wert gemäß einem Bewertungsfaktor k einen Ausgabewert zu. In dieser Tabelle wird allerdings nicht nur nach Rauschen und Bewegung entschieden, sondern es wird gleichzeitig eine Flankenversteilerung durchgeführt. Mögliche Einsatzgebiete die­ ser Erfindung sind einmal auf Senderseite und einmal auf Emp­ fängerseite gegeben. Auf Senderseite braucht natürlich keine Kantenversteilerung durchgeführt zu werden. Eine Kantenverstei­ lerung wird vorteilhaft auf der Empfängerseite durchgeführt, wobei der Bewertungsfaktor aus dieser Tabelle negativ wird.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel anhand von Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Nachrichtenübertragungssystem,

Fig. 2 eine bewegte Kante,

Fig. 3 eine gemittelte bewegte Kante,

Fig. 4 eine Entrausch und Enhancement Schaltung,

Fig. 5 ein Filter,

Fig. 6 ein Koordinatensystem mit einem Bewertungsfaktor k und

Fig. 7 Pixel auf einem Bildschirm.

Fig. 1 zeigt eine Nachrichtenquelle 1, die elektrische Signale an einen A/D Wandler bzw. Analog-Digital-Umsetzer 2, im folgen­ den ADU genannt, abgibt. Digitalisierte Signale gelangen vom ADU 2 über eine Entrauschschaltung 11 zum Quellencoder 3, der die entrauschten Signale codiert. Die codierten Signale werden vom Kanalcoder 4, der die Signale mit Redundanz versieht, über einen Übertragungskanal 5 zu einem Kanaldecoder 7 übertragen. Der Übertragungskanal 5 wird von einer Störung 6 beeinflußt. Vom Kanaldecoder 7 werden die gestörten Signale an ein Quellen­ decoder 8 weitergegeben und dort decodiert. Die decodierten Signale gelangen über eine Entrausch- und Enhancementschal­ tung 12 zu einem D/A Wandler bzw. Digital-Analog-Umsetzer 9, im folgenden DAU genannt, und werden analogisiert. Die Analog­ signale werden der Sinke 10 zugeführt. Ein solches System, al­ lerdings ohne Entrauschschaltung 11 und Entrausch- und Enhan­ cementschaltung 12, ist beispielsweise in der Dissertation "Adaptive Transformationscodierung von digitalisierten Bildsi­ gnalen" von W. Mauersberger an der TH Aachen beschrieben. Die­ ses System trifft auch auf einen Videorecoder zu, der Daten blockweise auf einem Magnetband speichert und diese zur Bild und/oder Tonwiedergabe kanal- und quellendecodiert. Dabei ist der Kanal 5 durch ein Magnetband ersetzt. Im Kanalcoder 4 wer­ den die zu übertragenden bzw. die auf ein Magnetband aufzuspei­ chernden digitalen Signale kanalcodiert. D.h., daß zweckmäßi­ gerweise die auf ein Magnetband abzuspeichernden Binärsignale in ein Biphasesignal umgewandelt, mit Paritybits versehen wer­ den und auf dem Magnetband abgespeichert werden. Im Kanal­ decoder 7 werden die Biphasesignale decodiert und anhand der Paritybits ist eine erste Fehlerkorrektur möglich. Das Nach­ richtensystem aus Nachrichtenquelle 1, ADU 2, Quellencoder 3 und Kanalcoder 4 kann allerdings auch für einen Sender, der Kanal 5 für eine HF-Übertragungsstrecke und der Kanaldeco­ der 7, der Quellendecoder 8, der DAU 9 und die Nachrichtensin­ ke 10 für einen Empfänger, z.B. ein Fernsehgerät, stehn.

Fig. 2 zeigt in einem Koordinatensystem die Helligkeiten H 1 und H 3 in einer Fernsehzeile an den Orten n-2, n und n+2. Die Orte n-2 bis n+2 charakterisieren die Lage von Bildpunkten, im folgenden Pixel (Picture Element) genannt. Zwischen 2 Halbbil­ dern werden bei einer Bewegung von links nach rechts, z.B. ein helles Auto vor dunklem Hintergrund, zunächst der Punkt n und dann der Punkt n+2 von hell nach dunkel ausgesteuert. Fig. 2A steht für das erste Halbbild, Fig. 2B für das zweite Halbbild und Fig. 2C für das dritte Halbbild.

Bei einer Rauschunterdrückung werden die Helligkeiten von aktu­ ellem Halbbild und vorangegangenem Halbbild miteinander ad­ diert und durch 2 dividiert. Der dabei entstandenen Quotient wird mit dem aktuellen Halbbild verglichen, d.h. es wird die Differenz gebildet. Die Differenz ist ein Maß für den Rauschan­ teil. Liegt die Differenz nahe null, so kann von Rauschen, d.h. also von unerwünschten Störeffekten, gesprochen werden. Liegt die Differenz sehr hoch, was z. B. bei einer Bewegung mit weißem Auto vor dunklem Hintergrund passiert, so tritt ein Effekt auf, der Verschleifungseffekt genannt wird. Dieser Ver­ schleifungseffekt ist in der Fig. 3 dargestellt. Fig. 3A zeigt an der Stelle n-1 den Mittelwert H 2 der Helligkeit zwi­ schen den beiden anderen extremen Helligkeiten H 1 und H 3. Eine einfache Entrauschschaltung, die mit einer einfachen Quotien­ tenbildung arbeitet, mittelt an den Stellen n-2 und n für die Stelle n-1 und gibt für das Pixel n-1 eine falsche Helligkeit vor. Dieser Verschleifungseffekt muß von einer Entrauschschal­ tung erkannt und korrigiert werden. Fig. 3B zeigt denselben Effekt wie die vorhergehende Figur an der Stelle n+1. Die Figu­ ren 3 A und 3 B zeigen eine verschleifte Kante 13 von links nach rechts laufend.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung 11 bzw. einer zweiten Schaltung 12 zum Entrauschen und/oder Enhancement. Enhancement ist auch unter dem Begriff Crispening bzw. Flanken­ versteilerung bekannt. Der Eingang 14 weist acht Datenleitun­ gen 15 auf, die zu einem Summierer 16 geführt werden. Vor dem Summierer 16 ist ein Verzögerungsglied gesetzt, der ankommende Daten um die Bearbeitungszeit der übrigen Schaltung verzögert. Vom Summierer 16 aus gehen acht Datenleitungen zu einem Begren­ zer 17. Der Begrenzer 17 begrenzt digitale Signale bzw. Binär­ werte auf einen Bereich, der zwischen null und 255 liegt. Von Begrenzer 17 gehen acht Datenleitungen zum Speicher 18. Der Speicher 18 ist ein Halbbildspeicher, im folgenden Fieldmemory genannt. Der Speicher 18 ist frei addressierbar und wird vor­ teilhaft durch n RAM-Bausteine EDH 84 H 64 C-5-55 der Firma Electronic Inc. gebildet, die eine Speicherkapazität von 64K×4 Bit aufweisen und n liegt in der Größenordnung von 7. Dabei ist eine Bildgröße von 720 Pixeln pro Zeile und 288 Zeilen pro Halbbild zugrunde gelegt. Von diesem Speicher 18 aus werden acht Datenleitungen zum Ausgang 19 geführt. Gleichzeitig gehen dieselben acht Datenleitungen auf einen Zeilenspeicher 20, im folgenden Linebuffer genannt. Dieser Linebuffer ist vorteil­ haft auch als RAM aufgebaut mit 2K×8 Bit Speicherraum. Dieser Speicher kann vorteilhaft durch Bausteine HM 65162 der Firma Harris aufgebaut sein. Desweiteren gehen die acht Datenleitun­ gen des Fieldmemories 18 auf einen Addierer 21, zu dem zusätz­ lich acht Datenleitungen vom Ausgang des Linebuffers 20 füh­ ren. Im Addierer 21 werden somit Binärwerte addiert, die ein Maß für die Helligkeit zweier übereinander liegender Zeilen eines Halbbildes sind. Damit führen der Linebuffer 20, der Ad­ dierer 21 und der Divisor 22 eine vertikale Filterung durch. Vom Addierer 21 führen neun Datenleitungen zum Subtrahier­ er 23. Eine Division, wie in dem Divisor 22 dargestellt, läßt sich mit Binärzeichen dadurch erreichen, daß das letzte Bit, das LSB (Least Significant Bit) nicht beachtet wird und die neunte Leitung nicht auf den Subtrahierer 23 gelegt ist, son­ dern frei verläuft. Dem Subtrahierer 23 sind die acht Datenlei­ tungen 15 von dem Eingang 14 zugeführt. Im Subtrahierer 23 wer­ den die Werte, die von dem Addierer 21 kommen, von den Werten des aktuellen Teilbildes, die am Eingang 14 stehen, abgezogen. Am Ausgang des Subtrahierers 23 stehen somit Differenzen an, das sind acht Bit und ein Vorzeichen, im folgenden Signum ge­ nannt. Vom Subtrahierer 23 führen neun Datenleitungen für die acht Bit und das Signumbit zu einem horizontalen Filter 24. Von dem Filter 24 gehen neun Datenleitungen zu einem Begrenzer und Betragsbilder 25. Von den auf den neun Datenleitungen an­ kommenden neun Bit wird das erste Bit, das Signumbit, durch die Betragsbildung ignoriert. An den verbleibenden acht Bit wird durch die Division durch zwei das letzte Bit, das Least Significant Bit, auch ignoriert. Durch die Begrenzung auf ei­ nen Wert zwischen Null und 31 werden weitere zwei Bit, zwei Most Significant Bit, MSB, ignoriert. Von dem Begrenzer und Betragsbilder 25 führen fünf Datenleitungen mit fünf Bit zu einer Korrekturschaltung 26, im folgendem Lookup Table 26 ge­ nannt. Desweiteren führen vom Subtrahierer 23 die neun Daten­ leitungen für die acht Bit und das Signumbit zu einem zweiten Begrenzer und Betragsbilder 27. Vor dem zweiten Begrenzer und Betragsbilder 27 wird ein Verzögerungsglied eingebaut, um eine Verzögerung in Filter 24 auszugleichen. Der zweite Begrenzer und Betragbilder 27 dividiert die auf den acht Datenleitungen ankommenden Bits durch zwei, d.h. er ignoriert das Least Sig­ nificant Bit (LSB) und bildet den Betrag, d.h. er ignoriert das Signum. Die Datenleitung mit dem Signum wird zum Bau­ stein 28 weitergeleitet. Vom Begrenzer und Betragsbilder 27 führen sechs Datenleitungen zu der Lookup Table 26. Dabei blei­ ben das Signumbit, das Least Significant Bit und das Most Sig­ nificant Bit unberücksichtigt. Die Lookup Table 26 weist einen PROM Speicherbaustein mit 2k×8 Bit auf und wird durch einen Baustein 87S 191 der Firma National gebildet. Der Inhalt der Lookup Table kann durch folgendes Computerprogramm beschrieben werden:

Unter der Adresse, die von den 11 Bit gebildet ist, einmal 5 und einmal 6 Bit von den Betragsbildern und Begrenzern 25 und 27 geliefert, wird ein Ausgabewert mit acht Bit ausgege­ ben, der zu dem Addierer 16 weitergeleitet werden. In dem Bau­ stein 28 wird das Signumbit vom Subtrahierer 23 wieder hinzuge­ fügt. Die Addierer bzw. Subtrahierer 16, 21 und 23 werden je­ weils durch zwei Bausteine 74 F gebildet. Die Begrenzer und Betragsbilder 25 und 27 sind keine Schaltungen im eigentlichen Sinne, sondern zeigen nur an, daß Datenleitungen nicht ange­ schlossen sind bzw. ungenutz bleiben. Die Bausteine 18, 20-22 und 23-27 ersetzen ein zweidimensionales Filter. Die Bausteine 18, 20-22 bewerten eine erste Dimension, die Bausteine 23-27 eine zweite Dimension. Die Bausteine 16 und 28 können zu einem Addierer/Subtrahierer (F 382) zusammengefaßt werden, bei dem die Leitung SIGN die Rechenoperation steuert.

Fig. 5 zeigt den Aufbau des Filters 24. Vom Eingang 33 führen neun Datenleitungen 30 für acht Bit und einen Signumbit zu ei­ nem Verzögerungsglied 32 und einem Addierer 31. Das Verzöge­ rungsglied 32 verzögert die Binär Daten, die ein Maß für die Differenz der Helligkeiten bzw. Farben sind, um zwei Bildele­ mente bzw. Pixel. Dazu werden drei Octal Delay Flip-Flops vom Typ LS 374 benutzt. Der Addierer 31 wird durch die Bausteine 74 F 382 gebildet. Das Filter bewertet aus drei aufeinanderfol­ genden Werten die zu drei aufeinanderfolgenden Pixeln gehören, jeweils die beiden äußeren und läßt das mittlere unberücksich­ tigt. Für das mittlere Pixel n ergibt sich somit ein Wert FIL- TEROUT, der nach folgender Gleichung berechnet wird:

aktuelle Pixelnummer N
FILTEROUT=INT (PIXELDIF(N-1)+PIXELDIF(N+1))

Die Addition erfolgt im Addierer 31. Am Ausgang 34 steht somit auf neun Datenleitungen eine Summe an.

Fig. 6 erklärt anhand einer Kurve in einem Koordinatensystem die Unterschiede zwischen der Entrauschschaltung 11 und der Entrausch- und Enhancementschaltung 12. Auf der Abzisse ist die Differenz aufgetragen, die sich aus dem Betragsbilder und Begrenzer 25 ergibt. Diese Differenz führt zu einem Bewertungs­ faktor k. K ist in der Lookup Table 26 abgespeichert und läßt sich gemäß des oben angegebenen Programms errechnen. Für eine Entrauschschaltung 11 verläuft die Kurve 35 für Differenzen größer als 21 als Kurve 36 auf der Abzisse weiter und fällt nicht in den negativen Bereich ab. Für eine Entrausch­ und/oder Enhancementschaltung 12 mit Kantenversteilerung bzw. Crispening oder Enhancement wird die Kurve 35 für Differenzen größer als 21 negativ und gibt negative Werte aus. Gemäß dem Faktor k werden Differenzen bewertet bzw. multipliziert und dem Eingangssignal hinzugefügt.

Fig. 7 zeigt einen Fernsehschirm, auf dem ein Elektronenstrahl die Fernsehzeilen 38 überstreicht, die zu einem ersten Teil­ bild Tb 1 und einem zweiten Teilbild Tb 2 gehören. Aus zwei Hel­ ligkeits und/oder Farbwerten, die zu zwei in zwei verschiede­ nen Zeilen eines Halbblides nebeneinanderliegenden Bildpunkt­ ten 39 und 40 gehören, wird ein Schätzwert für den Hellig­ keits- und/oder Farbwert des dazwischenliegenden Bildpunk­ tes 41 eines zweiten Teilbildes Tb 2 berechnet. Diese Berech­ nung geschieht in den Blöcken 20-22. Ein Bildpunkt 42 wird mit dem Faktor k bewertet, der sich aufgrund der Helligkeits­ bzw. Farbwerte des vorangegangenen und des nachfolgenden Bild­ punktes 43 bzw. 44 ergibt. Diese Bewertung erfolgt in den Schaltungsteilen 23-27.

Claims (6)

1. System zur Rauschminderung mit Bewegungserkennung für digi­ talisierte Videosignale mit mindestens einem Spei­ cher (18), einem Filter (20-22, 24), einer Korrekturschal­ tung (26) und einem Addierer (16, 21) und/oder Subtra­ hierer (23), dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur­ schaltung (26) Differenzen und/oder Summen von Hellig­ keits- und/oder Farbwerten mit einem Faktor k bewertet und daß der Faktor k positive oder negative Werte aufweist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturschaltung (26) Differenzen und/oder Summen von Helligkeits- und/oder Farbwerten mit einem Faktor k multi­ pliziert.

3. System nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß ein horizontales Filter (24) angeordnet ist, das Helligkeits- und/oder Farbwerte (H 1, H 2, H 3) bzw. deren Differenzen und/oder Summen eines oder mehrerer Bildpunk­ te (43) vor und ein oder mehrere Bildpunkte (44) nach ei­ nem aktuellem Bildpunkt (42) bewertet.

4. System nach Anspruch 1, 2 und/oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß ein vertikales Filter (20-22) angeordnet ist, das Farb- und/oder Helligkeitswerte (H 1, H 2, H 3) von zwei oder mehreren übereinanderliegenden Bildpunkten (39, 40) in zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Zeilen eines Halb­ bildes (Tb 1) bewertet.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vertikale Filter (20-22) die Helligkeits- und/oder Farbwer­ te (H 1, H 2, H 3) eines ersten Halbbildes als Schätzwert für den Helligkeits- und/oder Farbwert eines dazwischenliegen­ den Bildpunktes (41) bewertet (Fig. 7).

6. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (18) Hel­ ligkeits- und/oder Farbwerte (H 1, H 2, H 3) von Bildpunkten (39-41) eines Halbbildes (Tb 1, Tb 2) speichert.