DE3633044A1 - Anordnung zur verminderung von rauschen in videosignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine rekursive Filteranordnung zur Verbesserung des Rauschabstandes von Videosignalen.

Auf dem Gebiet der Videosignalverarbeitung ist es bekannt, daß bei Videosignalen das Verhältnis von Nutzsignal zu Rauschsignal (Rauschabstand) durch rekursive Filterung verbessert werden kann. Rekursive Filterung bedeutet, daß ein Teil des laufenden Videosignals mit einem komplementären Teil von Videosignalen aus vorhergehenden Voll- oder Teilbildern zusammengefaßt ("integriert") wird. Ein typisches rekursives Filter enthält eine Speichereinrichtung zur Verzögerung von im wesentlichen einem Teil- oder Vollbild der Videosignale, eine Subtrahierschaltung, eine Bemessungs- oder Bewertungseinrichtung und einen Addierer. Das laufende Videosignal und das verzögerte Videosignal aus der Speichereinrichtung werden zugeordneten Eingängen der Subtrahierschaltung angelegt. Die Differenzwerte am Ausgang der Subtrahierschaltung werden auf die Bemessungseinrichtung gegeben, welche die Differenzwerte mit einem Koeffizienten gewichtet, dessen Wert vom Ablauf des Szeneninhalts abhängt. Die gewichteten Differenzen und das verzögerte Videosignal aus der Speichereinrichtung werden im Addierer kombiniert, um ein rauschvermindertes Videosignal zu erzeugen, das auf den Eingang der Speichereinrichtung gegeben wird.

Rekursive Filterung kann an zerlegten Videosignalen oder an zusammengesetzten Videosignalen vorgenommen werden. Wenn der Prozeß an zerlegten Videosignalen durchgeführt wird, d. h. getrennt am Leuchtdichtesignal und am Farbartsignal, dann benötigt man bei Verwendung bekannter rekursiver Filter mehr Speicherschaltungsaufwand als wenn man den Prozeß an zusammengesetzten Videosignalen (Videosignalgemische) durchführen würde. Andererseits muß bei Durchführung des Prozesses an einem Videosignalgemisch die Phase des Farbartsignals entweder des laufenden oder des verzögerten Signalgemischs invertiert werden, bevor die laufenden und die verzögerten Signale kombiniert werden. Bei dieser letztgenannten Verarbeitungsart wird eine einzige Bemessungsschaltung verwendet, um die Differenzwerte des Signalgemischs zu gewichten, so daß die Integration der Leuchtdichte- und Farbartkomponenten des Signalgemischs gleich ist.

In der US-Patentschrift 42 40 106 wird es als vorteilhaft beschrieben, die rekursive Behandlung der Leuchtdichte- und Farbartkomponenten mit verschiedenen Gewichtsfaktoren durchzuführen, weil die Empfindlichkeit des Betrachters für Rauschen in verschiedenen Bändern des Frequenzspektrums des Videosignals unterschiedlich ist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines rekursiven Filters, das die Leuchtdichte- und Farbartkomponenten des Videosignalgemischs getrennt verarbeitet, dabei aber mit einer Speichereinrichtung auskommt, die nicht größer ist als die Speichereinrichtungen, welche für die rekursive Filterung zusammengesetzter Videosignale erforderlich sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Eine erfindungsgemäße Anordnung hat einen Eingang zum Anlegen eines Videosignals und enthält eine erste Trenneinrichtung, die mit diesem Eingang gekoppelt ist, um an mehreren Ausgängen jeweils ein zugeordnetes Ausgangssignal zu liefern. Mit den Ausgängen dieser ersten Trenneinrichtung sind jeweils erste Eingänge von mehreren Bemessungs- und Vereinigungsschaltungen gekoppelt, die außerdem jeweils einen zweiten Eingang haben. Mit den Ausgängen der Bemessungs- und Vereinigungsschaltungen ist eine Summierschaltung gekoppelt, um ein kombiniertes Videosignal zu erzeugen. Mit der Summierschaltung ist eine Verzögerungseinrichtung gekoppelt, um das kombinierte Signal um mindestens ein Teilbildintervall zu verzögern. Eine zweite Trenneinrichtung ist mit ihrem Eingang an den Ausgang der Verzögerungseinrichtung angeschlossen und hat einen ersten und einen zweiten Ausgang, die mit den zweiten Eingängen der Bemessungs- und Vereinigungsschaltungen gekoppelt sind.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen rekursiven Filters;

Fig. 2 und 3 sind Blockschaltbilder alternativer Y/C- Trennschaltungen, die in der Anordnung nach Fig. 1 verwendet werden können;

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer alternativen Ausführungsform des rekursiven Filters der Fig. 1.

In den verschiedenen Figuren sind gleiche oder funktionell gleichwertige Elemente mit jeweils denselben Bezugszahlen versehen. Die Erfindung kann durch jeweils passende Auslegung der Schaltungselemente entweder für Analogsignale oder für Digitaldarstellungen von Analogsignalen realisiert werden; die einzelnen Schaltungselemente werden daher allgemein nach ihrer Funktion beschrieben.

Gemäß der Fig. 1 wird das zusammengesetzte Videosignal (Videosignalgemisch), das zum Zwecke der Rauschverminderung und Verbesserung des Rauschabstandes verarbeitet werden soll, an eine Eingangsklemme 10 gelegt. Von dort gelangt das Signalgemisch zu einer Farbart/Leuchtdichte- Trennschaltung 12, die daraus zwei getrennte Teilsignale gewinnt, nämlich ein Farbartsignal C und ein Leuchtdichtesignal Y. Diese beiden Signale werden jeweils auf eine zugeordnete Bemessungs- und Vereinigungsschaltung 13 bzw. 19 gegeben. Von einer weiteren Farbart/Leuchtdichte-Trennschaltung 32 gelangen verzögerte Farbart- und Leuchtdichtesignale auf einen zweiten Eingang der jeweils zugeordneten Bemessungs- und Vereinigungsschaltung 13 bzw. 19. Die Bemessungs- und Vereinigungsschaltungen 13 und 19 vereinigen die verzögerten und nicht-verzögerten Teilsignale in vorbestimmten Proportionen, um rauschverminderte Teilsignale C _OUT und Y _OUT zu erzeugen. Die rauschverminderten Signale werden auf eine Addierschaltung 28 gegeben, die ein rauschvermindertes zusammengesetztes Signal (Signalgemisch) erzeugt, das an den Eingang einer Verzögerungseinrichtung 30 gelegt wird. Die Verzögerungseinrichtung 30 verzögert das ihrem Eingangsanschluß angelegte Signalgemisch um eine Zeit, die im wesentlichen einer Teilbildperiode oder einer ganzen Anzahl von Teilbildperioden entspricht. Das verzögerte Signalgemisch von der Verzögerungseinrichtung 30 wird auf die Farbart/Leuchtdichte-Trennschaltung 32 gekoppelt, welche die erwähnten verzögerten Farbart- und Leuchtdichtesignale liefert.

Wenn die Anordnung nach Fig. 1 als ein auf Vollbildbasis arbeitendes rekursives Filter ausgelegt ist, dann ist die von der Verzögerungseinrichtung 30 mitgeteilte Verzögerung so bemessen, daß die verzögerten und unverzögerten Teilsignale, wie sie einem Addierer 14 und einer Subtrahierschaltung 20 angelegt werden, jeweils denselben Bildelementen (Bildpunkten) in aufeinanderfolgenden Video-Vollbildern entsprechen. Außerdem entsprechen das jeweils verzögerte Teilsignal und das zugeordnete bemessene Signal von einer Bemessungsschaltung 16 bzw. 24, wie sie einer Subtrahierschaltung 18 und einem Addierer 26 angelegt werden, jeweils den gleichen Bildpunkten aufeinanderfolgender Video-Vollbilder. Um beide Bedingungen zu erfüllen, kann es notwendig sein, kompensierende Verzögerungselemente zwischen einerseits die Farbart/Leuchtdichte-Trennschaltung 32 und andererseits die Subtrahierschaltung 18 bzw. den Addierer 26 einzufügen. Ein Fachmann auf dem Gebiet der Signalverarbeitung wird diese Notwendigkeit ohne weiteres selbst erkennen und wissen, wie er diese Kompensation bewerkstelligt.

Falls die Anordnung nach Fig. 1 als ein auf Teilbilsbasis arbeitendes rekursives Filter gestaltet ist, wird die Verzögerungseinrichtung 30 so auszulegen sein, daß die verzögerten und unverzögerten Signale immer praktisch den gleichen Bildpunkten aus aufeinanderfolgenden Teilbildern entsprechen. Eine beispielgebende Schaltungsanordnung zur rekursiven Filterung zusammengesetzter Signale auf Teilbildbasis ist ausführlich in der US-Patentanmeldung Nr. 7 93 734 beschrieben, die am 1. November 1985 unter dem Titel "Apparatus For Noise Reducing Composite Video Signal" eingereicht wurde.

Die Bemessungs- und Vereinigungsschaltungen 13 und 19 sind nur ein Beispiel von vielen möglichen Schaltungen, die man zur Durchführung des Rekursions-Algorithmus benutzen kann. Die dargestellte Schaltung 19 arbeitet kurz gesagt wie folgt:

Das verzögerte Leuchtdichtesignal Y _D wird in der Subtrahierschaltung 20 vom ankommenden Leuchtdichtesignal Y subtrahiert. Das dadurch erzeugte Leuchtdichte-Differenzsignal wird an die Bemessungsschaltung 24 gelegt, die es mit einem Gewichtskoeffizienten K _Y gewichtet. Das gewichtete Leuchtdichte-Differenzsignal wird dann im Addierer 26 mit dem verzögerten Leuchtdichtesignal Y _D addiert, um ein rauschvermindertes Ausgangs-Leuchtdichtesignal Y ₀ zu erzeugen. Das Ausgangs-Leuchtdichtesignal Y ₀ läßt sich durch nachstehende Gleichung beschreiben:

Der Wert von Y _D ist gleich demjenigen Wert Y ₀, der ein Vollbildintervall vorher geliefert wurde, und kann in der Schreibweise der Z-Transformierten wie folgt ausgedrückt werden:

Erweitert man die Gleichung (1) durch sukzessives Einsetzen von Y _D aus der Gleichung (2) in die Gleichung (1), dann ergibt sich:

Wenn keine Bewegung zwischen den Vollbildern stattfindet, dann konvergiert die Gleichung (3) auf

Das Ausgangs-Leuchtdichtesignal ist in diesem Fall gleich dem Eingangs-Leuchtdichtesignal.

Rauschkomponenten im Leuchtdichtesignal addieren sich jedoch nicht linear, sondern summieren sich entsprechend den Quadraten des Effektwertes des Rauschens (quadratischer Mittelwert). Es läßt sich zeigen, daß der das Leuchtdichte- Ausgangssignal begleitende ausgangsseitige Rausch-Effektivwert N ₀ um den Faktor √ vermindert ist, d. h.

Die Bemessungs- und Vereinigungsschaltung 13 gleicht der Schaltung 19, nur daß Addierer und Subtrahierschaltung miteinander vertauscht sind. Diese Vertauschung trägt dem Umstand Rechnung, daß sich die Phase der Farbartkomponente von Vollbild zu Vollbild um 180° ändert. Aufgrund der 180°-Phasendifferenz des Farbartsignals wirkt der Addierer 14 als Subtrahierschaltung und die Subtrahierschaltung als Addierer.

Das Rekursieren der Signale (d. h. die rekursive Überlagerung der Signale mit sich selbst) ist weniger erwünscht, wenn zwischen aufeinanderfolgenden Vollbildern eine Bewegung in der Bildszene stattfindet. Aus diesem Grund sind in der Rekursionsschaltung Bewegungsdetektoren vorgesehen, um die Gewichtskoeffizienten zu ändern, wenn Bewegung stattfindet. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann ein einziger Bewegungsdetektor 22 benutzt werden, der auf das von der Subtrahierschaltung 20 gelieferte, die Leuchtdichtedifferenz von Vollbild zu Vollbild wiedergebende Signal reagiert und die Gewichtskoeffizienten K _C und K _Y sowohl für die Farbart-Bemessungsschaltung als auch für die Leuchtdichte- Bemessungsschaltung erzeugt. In einer alternativen Ausführungsform kann für jedes der getrennten Signale auch jeweils eine gesonderte Schaltung zur Bewegungserfassung und Gewichtsfaktorerzeugung vorgesehen sein. Dies ist in der Zeichnung durch den gestrichelt dargestellten Bewegungsdetektor 15 angedeutet. Ausführungsbeispiele für Bewegungsdetektoren finden sich in der US-Patentschrift 42 75 418.

Schaltungsanordnungen zum Trennen der Leuchtdichte- und der Farbartkomponente des Videosignalgemischs sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Die Schaltung nach Fig. 2 ist vorzuziehen, wenn die Leuchtdichtekomponente nicht die gesamte Standard-Leuchtdichtebandbreite belegt, wie es z. B. bei den wiedergewonnenen Signalgemischen vieler Videobandrecorder der Fall ist. Die Schaltung nach Fig. 3 liefert Leuchtdichtesignale in voller Bandbreite, erfordert jedoch mehr schaltungstechnischen Gesamtaufwand.

Gemäß der Fig. 2 wird das Videosignalgemisch auf ein Filter 40 gegeben, welches Signale im normalerweise von der Farbartkomponente belegten Frequenzband dämpft und Leuchtdichtesignale Y liefert, die im Frequenzband unterhalb des Farbartbandes auftreten. Das Videosignalgemisch wird außerdem über ein Verzögerungselement, das die Gruppenlaufzeit des Filters 40 kompensiert, auf einen Eingang einer Subtrahierschaltung gegeben. Die gefilterten Leuchtdichtesignale werden dem zweiten Eingang der Subtrahierschaltung 44 angelegt, worin die Leuchtdichtekomponente vom Videosignalgemisch subtrahiert wird, um die Farbartkomponente C zu liefern.

Die Farbart/Leuchtdichte-Trennschaltung 12′ nach Fig. 3 ist ein Zeilen-Kammfilter. In dieser Schaltung wird das Videosignalgemisch auf den Eingang eines um eine Horizontalzeilenperiode verzögernden Verzögerungselementes 46 und auf jeweils einen Eingang eines Addierers 48 und einer Subtrahierschaltung 50 gegeben. Das verzögerte Videosignalgemisch vom Verzögerungselement 46 wird an die zweiten Eingänge des Addierers 48 und der Subtrahierschaltung 50 gelegt. Im Addierer 48 summieren sich phasengleiche Signalkomponenten, also die Leuchtdichtekomponenten, konstruktiv, während sich gegenphasige Komponenten, also die Farbartkomponenten, gegenseitig auslöschen, so daß am Ausgang des Leuchtdichtesignal Y geliefert wird. In der Subtrahierschaltung 50 löschen sich phasengleiche Komponenten aus, während sich gegenphasige Komponenten konstruktiv summieren, so daß am Ausgang die Farbartkomponente C erscheint.

Es sei erwähnt, daß entweder die an den Addierer 48 und die Subtrahierschaltung 50 gelegten Signale oder die vom Addierer 48 und der Subtrahierschaltung 50 gelieferten Signale auf jeweils halben Wert zu vermindern sind, um die Signale Y und C normiert zu erhalten.

Die Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform eines rekursiven Filters für zusammengesetzte Signale. Mit Ausnahme der Bemessungs- und Vereinigungsschaltungen gleicht die Anordnung nach Fig. 4 derjenigen nach Fig. 1. Die Bemessungs- und Vereinigungsschaltungen 13′ und 19′ nach Fig. 4 führen den gleichen Algorithmus durch wie die Schaltungen 13 und 19 nach Fig. 1. Im Falle der Fig. 4 wird das Leuchtdichtesignal von der Farbart/Leuchtdichte-Trennschaltung 12 an eine Bemessungsschaltung 60 gelegt, worin es mit den Leuchtdichte-Bemessungskoeffizienten K _Y gewichtet wird. Das verzögerte Signal von der Farbart/Leuchtdichte- Trennschaltung 32 wird an die Bemessungsschaltung 62 gelegt, worin es mit dem Faktor (1-K _Y ) gewichtet wird. Die gewichteten unverzögerten und verzögerten Leuchtdichtesignale von den Bemessungsschaltungen 60 und 62 werden auf zugehörige Eingänge eines Addierers 48 gegeben, der das rauschverminderte Leuchtdichtesignal liefert. Das am Ausgang des Addierers 48 erscheinende Leuchtdichtesignal Y ₀ läßt sich durch die Gleichung

beschreiben, die mit der Gleichung (1) identisch ist.

Die für die Farbartkomponente vorgesehene Bemessungs- und Vereinigungsschaltung 13′ gleicht der vorstehend beschriebenen Bemessungs- und Vereinigungsschaltung 19′ für die Leuchtdichte, ausgenommen daß das verzögerte Farbartsignal mit einem negativen Faktor -(1-K _C ) gewichtet wird, wobei K _C der Farbart-Gewichtungskoeffizient ist. Ein negativer Gewichtungsfaktor -(1-K _C ) wird hier deswegen verwendet, um der Gegenphasigkeit zwischen dem laufenden und dem verzögerten Farbartsignal Rechnung zu tragen. Die Gewichtsfaktoren K _Y , (1-K _Y ), K _C und -(1-K _C ) können Konstanten sein oder aber, wie bei der Ausführungsform nach FIg. 1, abhängig von gefühlter Bildbewegung veränderbar sein.

Die Erfindung kann z B. auch in einer Fernsehkamera realisiert werden, die Signale in Gemischform liefert. In diesem Fall stehen die laufenden Leuchtdichte- und Farbartkomponenten als getrennte Signale zur Verfügung, so daß die Farbart/Leuchtdichte-Trennschaltung 12 nicht erforderlich ist. Die getrennten Farbart- und Leuchtdichtesignale von der Verarbeitungsschaltung der Kamera werden direkt an die jeweils zugeordnete Bemessungs- und Vereinigungsschaltung 13 bzw. 19 gelegt. Das im Addierer 28 gebildete Signal ist das von der Kamera am Ende zu liefernde Videosignalgemisch.

Claims (4)

1. Rekursive Filteranordnung zur Verbesserung des Rauschabstandes eines Videosignals, gekennzeichnet durch:
eine Eingangsklemme (10) zum Anlegen des Videosignals;
eine erste Filtereinrichtung (12), die mit der Eingangsklemme gekoppelt ist und mehrere Ausgänge hat, um dort Signale zu liefern, die verschiedene, im wesentlichen einander ausschließende Teile des Frequenzspektrums des Videosignals zu liefern;
mehrere Bemessungs-und Vereinigungsschaltungen (13, 19), deren jede einen mit einem jeweils zugeordneten Exemplar der Ausgänge der Filtereinrichtung gekoppelten ersten Eingang sowie einen zweiten Eingang hat, um die an den ersten und den zweiten Eingang gelegten Signale im vorbestimmten Verhältnis zu kombinieren;
eine mit den Bemessungs- und Vereinigungsschaltungen gekoppelte Summiereinrichtung (28) zur Summierung der von diesen Schaltungen gelieferten Signale, um ein kombiniertes, rekursiv gefiltertes Videosignal zu erzeugen;
eine mit der Summiereinrichtung gekoppelte Verzögerungseinrichtung (30) zum Verzögern des kombinierten Videosignals um mindestens 1 Teilbildintervall;
eine zweite Filtereinrichtung (32), die einen mit der Verzögerungseinrichtung gekoppelten Eingang und mehrere Ausgänge hat, um dort Signale zu liefern, die verschiedene, im wesentlichen einander ausschließende Teile des Frequenzspektrums des verzögerten kombinierten Videosignals belegen, wobei die Frequenzbänder, die von den einzelnen Ausgangssignalen der zweiten Filtereinrichtung jeweils belegt werden, den Frequenzbändern entsprechen, die von den einzelnen Ausgangssignalen der ersten Filtereinrichtung jeweils belegt werden.
Einrichtungen (Leitungen C _D , Y _D ) zum Koppeln der Ausgänge der zweiten Filtereinrichtung (32) mit jeweils zugeordneten Exemplaren der zweiten Eingänge der Bemessungs- und Vereinigungsschaltungen (13, 19), wobei die an die ersten und zweiten Eingänge jeder Bemessungs- und Vereinigungsschaltung gelegten Signale jeweils im wesentlichen gleiche Frequenzbänder belegen.

2. Anordnung nach Anspruch 1 zur rekursiven Filterung eines Videosignalgemischs, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Filtereinrichtung (12) oder statt dieser Einrichtung eine Eingangsschaltung vorgesehen ist, die Leuchtdichte- und Farbartsignale getrennt liefert;
daß eine erste (13) und eine zweite (19) Bemessungs- und Vereinigungsschaltung vorgesehen ist, deren jede einen mit der Eingangsschaltung gekoppelten ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang hat;
daß die Summiereinrichtung (28) mit den Ausgängen der ersten und der zweiten Bemessungs- und Vereinigungsschaltung verbunden ist, um die von diesen Schaltungen gelieferten Signale zur Erzeugung eines Videosignalgemischs zu addieren;
daß die Verzögerungseinrichtung (30), die Signale um mindestens ein Teilbildintervall verzögert, einen mit der Addiereinrichtung gekoppelten Eingang und einen Ausgang hat;
daß die zweite Filtereinrichtung eine Farbart/Leuchtdichte- Trennschaltung (32) ist, die mit dem Ausgang der Verzögerungseinrichtung gekoppelt ist und zwei Ausgänge aufweist, deren erster mit dem zweiten Eingang der ersten Bemessungs- und Vereinigungsschaltung und deren zweiter mit dem zweiten Eingang der zweiten Bemessungs- Verzögerungsschaltung gekoppelt ist, wobei die erste Bemessungs- und Vereinigungsschaltung Farbartsignale von der Eingangsschaltung und von der Leuchtdichte/ Farbart-Trennschaltung empfängt und die zweite Bemessungs- und Vereinigungsschaltung Leuchtdichtesignale von der Eingangsschaltung und von der Farbart/Leuchtdichte- Trennschaltung empfängt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung folgendes enthält:
eine Quelle für ein Videosignalgemisch;
eine weitere Farbart/Leuchtdichte-Trennschaltung, die einen mit der Quelle des Videosignalgemischs gekoppelten Eingang und einen ersten Ausgang zur Lieferung der Farbartkomponente und einen zweiten Ausgang zur Lieferung der Leuchtdichtekomponente aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Bemessungs- und Vereinigungsschaltung (13, 19) die Signale, die ihnen von der Eingangsschaltung und von der Verzögerungseinrichtung zugeführt werden, jeweils in vorbestimmten Proportionen kombinieren.