DE3706241A1 - Anordnung und verfahren zur bestimmung eines gewuenschten "m-telswertes" einer vielzahl digitaler proben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Qualitätsverbesserung des Signals, das durch eine Vielzahl digitaler Abfragewerte oder "Proben" dargestellt wird. Im einzelnen betrifft die Erfindung eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung eines gewünschten "M-telswertes" einer Vielzahl dieser Digitalproben.

Die Entwicklung digitaler Signalverarbeitung hat es möglich gemacht, Bilder in verschiedenen Formen zu verarbeiten. So läßt sich beispielsweise eine Fotographie in einem Computer als zweidimensionale Matrix von Proben behandeln. Ein Videosignal, wie es z. B. von einer Fernsehkamera geliefert wird, kann als dreidimensionale Matrix von Proben behandelt werden, wobei die dritte Dimension die Zeit- Dimension ist und die Bewegung im Bild darstellt. Ein Filter- Algorithmus, der bei der Verarbeitung solcher Bilder anngewandt werden kann, ist die sogenannte Medianfilterung.

Ein Medianfilter reduziert Impulsrauschen in jedem beliebigen Signal, besonders effektiv kann es jedoch bei Bildsignalen eingesetzt werden, um impulsförmiges Rauschen zu vermindern, wie es z. B. durch einen Kratzer in einer Fotographie oder durch einen Ausfall des Übertragungskanals eines Videosignals entstehen kann. Ein Medianfilter führt zu keinen Beeinträchtigungen von Ecken oder Rädern, die in einem Bild existieren. In bekannten Medianfiltern wurde die "laufende" Probe (d. h. die jeweils gerade in der Filterung befindliche Probe) durch eine Probe ersetzt, die den Medianwert der Werte einer bestimmten Menge von Proben hat, welche die betreffende Probe und eine Anzahl umliegender Proben umfaßt. Der Medianwert einer Vielzahl von Proben kann nach folgender Methode bestimmt werden: Zuerst wird eine Vielzahl von Proben, für die der Medianwert ermittelt werden soll, aus dem Eingangssignal genommen. Als Beispiel sei eine Menge von Proben betrachtet, welche die Werte 2, 5, 4, 8, 1, 3 und 7 haben. Es sei angenommen, daß die Probe mit dem Wert 8 die "laufende" Probe ist und daß die anderen Proben von Punkten stammen, welche diese laufende Probe umgeben. Als zweites werden die Werte der Proben der Größe nach in einer Liste geordnet. Für das genannte Beispiel ist die geordnete Liste: 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8. Der Medianwert ist der Wert derjenigen Probe, die sich in der Mitte dieser Liste befindet, d. h. der Wert 4. Die Probe mit dem Medianwert ist die dritte Probe in der Originalmenge. Somit wäre diese dritte Probe (Wert 4) an die Stelle der laufenden Probe (Wert 8) zu setzen.

Es ist möglich, daß mehr als eine Probe den Medianwert haben. Für eine Menge von Proben, die beispielsweise die Werte 5, 2, 7, 9, 4, 5, 5 haben, ist die geordnete Liste die Wertefolge 2, 4, 5, 5, 5, 7, 9, und der Medianwert ist 5. Den Medianwert nehmen also hier die erste, die sechste und die siebte Probe gemeinsam ein. In einem Mediafilter könnte die laufende Probe durch jede dieser drei Proben ersetzt werden. Bei einer Weiterentwicklung des vorstehend beschriebenen Medianfilter-Allgorithmus wird die den Medianwert aufweisende Probe selektiv nur dann an die Stelle der laufenden Probe gesetzt, wenn der Wert der laufenden Probe außerhalb vorbestimmter Schwellen liegt. Beschrieben ist ein solcher Algorithmus z. B. in einer Arbeit von Scollar u. a. mit dem Titel "Image Enhancement Using the Median and Interquartile Distance" (veröffentlicht in Computer Vision, Graphics and Image Processing, Band 25, 1984, Seiten 236-251); hier wird die Differenz zwischen dem Wert der laufenden Probe und dem Medianwert mit einer Größe verglichen, die gleich ist einer Konstanten multipliziert mit der Differenz zwischen dem oberen und dem unteren "Viertelswert" (auch "Quartil" genannt) der Proben. Die letztgenannte Differenz ist der sogenannte "Interquartil- Abstand", und die erwähnte Vergleichsgröße wird als Interquartilsabstands-Funktion bezeichnet. Wenn die Differenz zwischen dem Wert der laufenden Probe und dem Medianwert größer ist als die Interquartilabstands- Funktion, dann wird die laufende Probe durch die den Medianwert aufweisende Probe ersetzt. Um diesen Algorithmus anzuwenden, ist es notwendig, nicht nur den Medianwert einer Menge von Proben, sondern auch den oberen und den unteren Viertelswert zu ermitteln.

Der obere und der untere Viertelswert sind diejenigen Werte, die in der geordneten Liste der Probenwerte bei drei Vierteln bzw. einem Viertel des Weges durch die Liste liegen. Für das oben angeführte Beispiel ist der untere Viertelswert gleich 2 (an der zweiten Position der geordneten Liste), und der obere Viertelswert ist gleich 7 (an der sechsten Position der geordneten Liste). Der Interquartilabstand ist hier somit 7-2, also gleich 5. Wenn die Konstante, mit welcher der Interquartilabstand mutlipliziert wird, gleich 1/2 ist, dann ist die genannte Schwelle gleich 1/2. 5, also 2,5. Der Medianwert ist 4 und die laufende Probe hat den Wert 8. Die Differenz zwischen dem Wert der laufenden Probe und dem Medianwert ist 8-4, also gleich 4. Weil diese Differenz (Wert 4) höher ist als die besagte Schwelle (Wert 2,5), wird der Wert der laufenden Probe durch den Medianwert ersetzt.

Mit der Entwicklung sehr hoch integrierter (VLSI) elektronischer Schaltungen ist es möglich geworden, Bilder im Zuge ihres Empfangs zu verarbeiten (d. h. in Realzeit). Ein entsprechendes Filter ist in einer Arbeit von Demassiex u. a. mit dem Titel "VLSI Architecture For a One Chip Video Median Filter" beschrieben (veröffentlicht in Proceedings IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, Band 3, 1985, Seiten 1001-1004). Dieses Filter besteht aus einer Anordnung von zehn 8-Bit- Vergleichern, die fünf 8-Bit-Proben in eine geordnete Liste sortieren, aus der in jeder Taktperiode ein Medianwert genommen werden kann. Eine solche Anordnung von Vergleichern erfordert einen beträchtlichen Elektronik-Schaltungsaufwand und nimmt viel Platz auf dem Substrat der intergrierten Schaltung ein, auf dem sie hergestellt wird.

Analog zur Wortbildung "Viertelswert" (oder "Quartil") kann man ein Kunstwort "M-telswert" (oder "M-til") einführen, um allgemein den Wert an irgendeiner bestimmten Position in der geordneten Liste von Proben zu bezeichnen; der Medianwert und die oberen und unteren Viertelswerte wären also Spezialfälle von M-telswerten. Man kann die oben erwähnte Schwelle auch aus zwei verschiedenen M-telswerten errechnen, die sich als Funktion irgendeines Parameters des zu filternden Signals ändern können. Um einen solchen Algorithmus anzuwenden, ist es notwendig, den Medianwert und irgendeinen oberen und unteren M-telswert zu ermitteln.

Es ist wünschenswert, aus einer Menge von Eingangsproben eine Probe mit jedem gewünschten M-telswert (z. B. dem Medianwert oder dem oberen oder unteren Viertelswert) herausziehen zu können und hierzu mit einem Minimum an Elektronik- Schaltungsaufwand und einem Minimum an Platzbedarf auf dem Substrat einer integrierten Schaltung auszukommen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 beschriebene Anordnung bzw. durch das im Patentanspruch 12 beschriebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird eine Probe, die im wesentlichen den Medianwert einer Menge von Proben hat, aus abgerundeten oder "gestutzten" Versionen der Eingangsproben abgeleitet. Eine die gestutzten Proben verarbeitende Schaltungsanordnung arbeitet in Realzeit und erfordert weniger Schaltungsaufwand als die in den oben genannten Veröffentlichungen beschriebenen Schaltungen.

Das nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung arbeitende Verfahren besteht aus folgenden Schritten: als erstes wird eine Menge digitaler Proben erzeugt, deren jede durch eine vorbestimmte Anzahl von Bits dargestellt wird. Zweitens werden gestutzte Versionen der Digitalproben der Menge verglichen, um festzustellen, welche der gestutzten Proben den gewünschten M-telswert der Menge haben. Als drittes wird eine Funktion der digitalen Proben erzeugt, die denjenigen gestutzten Versionen entsprechen, welche den gewünschten M-telswert der gestutzten Versionen haben, um im wesentlichen den gewünschten M-telswert der Proben darzustellen.

Eine erfindungsgemäße Anordnung enthält einen Erzeuger für eine Menge digitaler Proben, deren jede durch eine vorbestimmte Anzahl von Bits dargestellt wird. Eine mit diesem Probenerzeuger gekoppelte weitere Einrichtung vergleicht gestutzte Versionen der Digitalproben aus der Menge und erzeugt, wenn die jeweilige gestutzte Probe den gewünschten M-telswert der gestutzten Proben hat, jeweils ein diese Tatsache anzeigendes Auswahl-Steuersignal. Eine mit dem Probenerzeuger und der Vergleichseinrichtung gekoppelte Einrichtung erzeugt eine Funktion der Digitalproben, die den ausgewählten gestutzten Proben entsprechen, um auf diese Weise den gewünschten M-telswert der Digitalproben zu erhalten.

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

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Anordnung, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung arbeitet, um eine Digitalprobe zu bestimmen, die im wesentlichen den gewünschten M-telswert hat;

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Probenvergleichers, der in der Anordnung nach Fig. 1 verwendet werden kann;

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines Relativwertberechners, der im Probenvergleicher nach Fig. 2 verwendet werden kann;

Fig. 4, 6 und 8 sind Tabellen, welche die Arbeitsweise verschiedener Schaltungsteile veranschaulichen, die in Blockform in den Fig. 3, 5 und 7 dargestellt sind;

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer alternativen Ausführungsform eines Probenvergleichers und Funktionsgenerators, der in der Anordnung nach Fig. 1 verwendet werden kann;

Fig. 7 ist ein Blockschaltbild eines Medianfilters, das gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.

In der Figur sind Leitungen, die Digitalsignale mit mehreren Bits führen, als einfache Leitung mit einem kleinen Schrägstrich dargestellt, wobei eine danebenstehende Zahl die jeweilige Anzahl der Bits angibt. Eine solche Leitung kann durch eine Anzahl paralleler Verbindung realisiert werden, deren jede ein einziges Bit führt. Wenn eine Teilmenge der Bits in einem Mehrbit-Signal extrahiert und an eine andere Stelle gegeben wird, ist dies durch eine Linie dargestellt, die kurvig von der alle Bits führenden Signalleitung abzweigt. Auch hier wird die Anzahl der Bits durch einen kleinen Schrägstrich mit einer darüberstehenden Zahl angezeigt, außerdem ist angegeben, ob es sich bei den extrahierten Bits um die höherwertigen Bits (HWB) oder die niedrigerwertigen Bits (NWB) des die volle Bitzahl enthaltenden Gesamt- oder Vollbit-Signals handelt.

In der Anordnung nach Fig. 1 werden digitale Proben eines Videoeingangsignals, die z. B. von einem Analog/Digital- Wandler im Eingangsteil eines digitalen Fernsehempfängers (nicht dargestellt) kommen, an einen Eingangsanschluß 5 gelegt. Diese Eingangsproben, bei denen es sich um digitale Mehrbit-Proben mit einer Bitbreite von n Bits handele, werden auf einen Probenerzeuger 10 gegeben. Der Probenerzeuger 10 liefert eine Menge von Proben, bestehend aus einer gerade zu prüfenden Probe (laufender Prüfling) und acht weiteren Proben. Die Prüfling-Probe stellt einen laufenden Punkt in einem durch das digitale Video-Eingangssignal repräsentierten Bild dar, während die acht weiteren Proben Punkte in der Umgebung dieses laufenden Punktes darstellen. Die umgebenden Punkte können dem laufenden Punkt in Vertikalrichtung, in Horizontalrichtung oder zeitlich benachbart sein (im letzteren Fall stammen sie aus "benachbarten" Vollbildern), oder es kann sich um irgendeine Kombination dieser Nachbarschaften handeln. Der Probenerzeuger 10 kann z. B. eine angezapfte Verzögerungsleitung sein, deren Anzapfungen so liegen, daß sie Proben von den gewünschten Punkten des Bildes liefern.

Eine Menge "gestutzter" Versionen der Digitalproben, nämlich die jeweils m höchstwertigen Bits (HWBs) jeder der neun Vollbit-Proben, wird an einen Probenvergleicher 20 gelegt. Außerdem wird jede der Vollbit-Proben an einen Funktionsgenerator 30 gelegt. Vom Probenvergleicher 20 werden neun Auswahl-Steuersignale (eines für jede Eingangsprobe) auf Steuereingänge des Funktionsgenerators 30 gekoppelt. Die Ausgangsgröße des Funktionsgenerators 30 ist einen-Bit-Probe, die im wesentlichen den gewünschten M-telswert derneun Ausgangsproben vom Probenerzeuger 10 hat.

Im Betrieb vergleicht der Probenvergleicher 20 die gestutzten m-Bit-Versionen der Eingangsproben aus dem Probenerzeuger 10 miteinander. Wenn ein Exemplar der verglichenen gestutzten Proben dem Kriterium für den gewünschten M-telswert genügt (was die Position dieses Exemplars in einer geordneten Liste betrifft), dann erzeugt der Probenvergleicher 20 ein Auswahlsignal, welches anzeigt, daß die betreffende gestutzte Probe den gewünschten M-telswert hat.

Es sei eine Menge von neun Proben betrachtet. Da, wie oben ausgeführt, der Medianwert der Wert an der fünften (mittleren) Position einer den Werten nach geordneten Liste von Proben ist, gibt es vier Proben, deren Werte größer als der oder gleich dem Medianwert sind, und vier Proben, deren Werte kleiner als der oder gleich dem Medianwert sind. Wenn es für eine Probe fünf oder mehr andere Proben mit einem geringerem als dem eigenen Wert gibt, dann kann diese Probe nicht die fünfte Probe in der geordneten Liste von neun Proben sein. Ebenso kann, wenn es für eine Probe fünf oder mehr andere Proben mit einem größeren als ihrem eigenen Wert gibt, diese Probe nicht die fünfte Probe in der geordneten Liste von neun Proben sein.

Der Funktionsgenerator 30 erzeugt eine Funktion der n-Bit- Proben aus dem Probenerzeuger 10, die durch die Auswahl- Steuersignale vom Probenvergleicher 20 bestimmt ist. Wenn z. B. der Vergleicher 20 anzeigt, daß die vierte gestutzte Probe einer Gruppe von neun gestutzten Proben den Medianwert der gestutzten Proben hat, dann wird der Funktionsgenerator diejenige der Vollbit-Proben ausgeben, die der vierten gestutzten Probe "entspricht". Die Ausgangsgröße des Funktionsgenerators 30 ist im wesentlichen gleich dem Medianwert der Vollbit-Proben aus dem Probenerzeuger 10.

Zeigt der Vergleicher 20 an, daß die vierte und die siebte getutzte Probe beide den Medianwert der gestutzten Proben haben, dann liefert der Funktionsgenerator 30 als praktischen Medianwert eine Funktion derjenigen Vollbit- Proben, die der vierten und der siebten gestutzten Probe entsprechen. Diese Funktion kann z. B. der Mittelwert der den ausgewählten gestutzten Proben entsprechenden Vollbit- Proben sein.

Alternativ kann der Funktionsgenerator 30 ein vorbestimmtes Bitmuster mit einer den Medianwert aufweisenden gestutzten Proben verschmelzen, um eine Ausgangsprobe mit der erforderlichen Bitbreite von n Bits zu erzeugen. In diesem Fall kann die den Medianwert aufweisende gestutzte m-Bit- Probe die m höchstwertigen Bits der Ausgangsprobe bilden. Die n-m niedrigstwertigen Bitpositionen der Ausgangsprobe werden dann mit Nullen besetzt, um eine n-Bit-Probe zu bilden.

Die Fig. 2 zeigt eine spezielle Ausführungsform des Probenvergleichers 20, die zur Realisierung der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann. In der Fig. 2 ist der gewünschte M-telswert der Medianwert. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird angenommen, der Probenerzeuger 10 nach Fig. 1 liefere fünf 8-Bit-Eingangsproben anstatt der neun n-Bit-Proben gemäß der Fig. 1. Natürlich kann der in Fig. 2 dargestellte Probenvergleicher 20 erweitert werden, um jede beliebige Anzahl von gestutzten Proben zu verarbeiten, ferner können die gestutzten Proben jede beliebige Anzahl von Bits haben (sofern sie kleiner ist als die Bitbreite der Eingangsproben, im Falle der Fig. 2 sind es z. B. 4 Bits), und es kann jeder gewünschte M-telswert zur Erzeugung einer Anzeige ausersehen werden.

Gemäß der Fig. 2 werden die fünf gestutzten Eingangsproben aus dem Probengenerator 10 der Fig. 1 an Eingangsanschlüsse A bis E gelegt. Die Eingangsanschlüsse A bis E sind mit Eingangsanschlüssen an jedem von fünf Relativwertberechnern 21 bis 29 verbunden. Ein erster Eingang X eines jeden Relativwertberechners 21 bis 29 empfängt eine jeweils andere gestutzte Probe. Die anderen vier Eingänge jedes Relativwertberechners 21 bis 29 empfangen die gestutzten Proben von den anderen Eingangsanschlüssen A bis E. Der Ausgang jedes Relativwertberechners ist ein Auswahl-Steuersignal, das z. B. den Logikwert "1" haben kann, wenn die gestutzte Probe am ersten Eingang X den Medianwert aller gestutzten Proben hat, andernfalls habe das Auswahl-Steuersignal den Logikwert "0". Die Auswahl-Steuersignale (kurz auch als "Auswahlsignale" bezeichnet), werden auf den Funktionsgenerator 30 der Fig. 1 gegeben.

Die Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Relativwertberechners, wie er für die Elemente 21 bis 29 in Fig. 2 verwendet werden kann. Die gestutzte Probe, deren Relativwert zu berechnen ist, wird als die "gegebene" Probe bezeichnet und an einen ersten Eingang X gelegt. Die anderen vier gestutzten Proben werden an die anderen Eingänge gelegt. Die an den Eingang X gelegte gestutzte Probe wird auf jeweils einen ersten Eingang von vier Vergleichern 22 gegeben. Jeder der anderen vier Eingangsanschlüsse des Relativwertberechners ist mit einem zweiten Eingang eines jeweils zugeordneten Exemplars der Vergleicher 22 verbunden. Jeder der vier Vergleicher 22 liefert ein "größer als"- Signal (GA) und ein "kleiner als"-Signal (KA). Die vier KA-Signale von den Vergleichern 22 werden an Adresseneingänge eines programmierbaren KA-Festwertspeichers 24 gelegt, und die vier GA-Signale von den Vergleichern 22 werden auf Adresseneingänge eines programmierbaren GA-Festwertspeichers gegeben.

Die 1-Bit-Ausgangsanschlüsse der programmierbaren Festwertspeicher (PROM) 24 und 26 sind mit jeweils einem Eingang eines UND-Gliedes 28 verbunden. Das vom UND-Glied 28 gelieferte Ausgangssignal zeigt an, ob die an den Eingang X gelegte gestutzte Probe den Medianwert der fünf gestutzten Proben hat oder nicht.

Im Betrieb vergleicht jeder der Vergleicher 22 die "gegebene" gestutzte Probe, die auf seinen ersten Eingang gekoppelt wird, mit der anderen gestutzten Probe, die auf seinen zweiten Eingang gekoppelt wird. Falls der Wert der gegebenen Probe größer ist als der Wert der anderen Probe, liefert der GA-Ausgang ein Logiksignal "1" an den programmierbaren Festwertspeicher 26, andernfalls ein Logiksignal "0". Falls der Wert der gegebenen Probe kleiner ist als der Wert der anderen Probe, dann liefert der LA-Ausgang ein Logiksignal "1" an den Festwertspeicher 24, andernfalls ein Logiksignal "0".

Der programmierbare Festwertspeicher 24 ist so vorprogrammiert, daß er an seinem Ausgang den Logikwert "1" liefert, falls die Anzahl anderer Proben, deren Werte kleiner sind als der Wert der gegebenen Probe, dem Kriterium für den gewünschten M-telswert genügt. Das heißt, falls der gewünschte M-telswert der Medianwert ist, dann können nicht mehr als die Hälfte (d. h. zwei) der anderen Proben kleinere Werte als die gegebene Probe haben. Der Festwertspeicher 24 ist also dazu vorprogrammiert, den Logikwert "1" immer dann zu erzeugen, wenn festgestellt wird, daß zwei oder mehr der Adressenbits des Speichers den Logikwert "0" haben. Eine ähnliche Situation existiert für den programmierbaren Festwertspeicher 26: es können nicht mehr als die Hälfte der anderen Probe größere Werte als die gegebene Probe haben, wenn die Probe am Eingang X den Medianwert hat. Der programmierbare Festwertspeicher 26 ist also dazu vorprogrammiert, am Ausgang den Logikwert "1" immer dann zu liefern, wenn er feststellt, daß zwei oder mehr seiner Adressenbits den Logikwert "0" haben.

Die Fig. 4 zeigt in einer Tabelle die Daten, die in den programmierbaren Festwertspeichern 24 bzw. 26 vorprogrammiert sind, um anzuzeigen, daß die gegebene Probe den Medianwert der gestutzten Proben hat. Das jeweils erzeugte Datensignal hat den Logikwert "1", wenn zwei oder mehr Bits der Eingangsadresse den Logikwert "0" haben.

Wenn im Relativwertberechner der Fig. 3 die beiden Festwertspeicher 24 und 26 Signale des Logikwertes "1" erzeugen und damit anzeigen, daß die Kriterien "kleiner als" und "größer als" beide erfüllt sind, dann liefert das UND- Glied 28 ein Signal mit dem Logikwert "1". Dies zeigt an, daß die Probe am Eingang X den Medianwert der gestutzten Proben hat.

Die Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform einer Anordnung zur Bestimmung des Medianwertes. Diese Ausführungsform ist für den Fall ausgelegt, daß drei Proben die Menge der Proben bilden und daß jede gestutzte Probe durch vier Bits dargestellt wird. Die Ausführungsform nach Fig. 5 vereinigt den Probenvergleicher 20 und den Funktionsgenerator 30 in einer gemeinsamen Schaltungsanordnung.

Gemäß der Fig. 5 werden 8-Bit-Proben vom Probenerzeuger 10 der Fig. 1 an Eingangsanschlüsse A, B und C gelegt. Die vier höchstwertigen Bits (HWB) von jedem dieser Eingangsanschlüsse werden auf zugeordnete Adresseneingänge eines programmierbaren HWB-Festwertspeichers 50 gekoppelt. Der programmierbare HWB-Festwertspeicher 50 erzeugt an vier Datenausgängen eine gestutzte 4-Bit-Probe, die den Medianwert der gestutzten Eingangsproben hat. Diese gestutzte Probe bildet die vier höchstwertigen Bits des ausgangsseitigen 8-Bit-Medianwertes.

Restproben, die z. B. aus den vier niedrigstwertigen Bits der 8-Bit-Eingangsproben von den Eingangsanschlüssen A, B und C bestehen, werden auf jeweils einen ersten Eingang eines jeweils zugeordneten Exemplars von UND-Gliedern 62 bis 66 gekoppelt. Es sei erwähnt, daß die genannten Restproben aus irgendeiner beliebigen Anzahl der niedrigwertigen Bits bestehen können. Die Ausgänge der UND-Glieder 62 bis 66 sind mit Eingängen eines Summierungselementes 70 verbunden. Der Ausgang des Summierungselementes 70 führt zu einem Dividendeneingang einer Dividierschaltung 80. Die 4-Bit-Probe von einem Quotientenausgang der Dividierschaltung 80 wird mit der gestutzten, den Medianwert aufweisenden Probe aus dem HWB-Festwertspeicher 50 verschmolzen (d. h. zusammengefügt), um den ausgangsseitigen 8-Bit-Medianwert zu bilden.

Der HWB-Festwertspeicher 50 erzeugt außerdem an drei Datenausgängen jeweils ein aus einem Bit bestehendes Auswahl- Steuersignal Am bzw. Bm bzw. Cm. Jedes dieser Signale hat den Logikwert "1", wenn die gestutzte Probe am zugeordneten Eingang des Festwertspeichers 50 den Medianwert hat, andernfalls hat das betreffende Signal den Logikwert "0". Die Steuersignale Am, Bm und Cm werden an die zweiten Eingänge der UND-Glieder 62 bis 66 und außerdem an zugehörige Eingänge eines Summierungselementes 75 gelegt. Der Ausgang des Summierungselementes 75 ist mit dem Divisoreingang der Dividierschaltung 80 verbunden.

Der programmierbare HWB-Festwertspeicher 50 ist so vorprogrammiert, wie es die Fig. 6 veranschaulicht. Für drei Eingangsproben gibt es dreizehn mögliche Fälle unterschiedlicher Relativwertbeziehungen (Größenrelationen). Die Fälle und die zugehörigen Größenrelationen sind in der Fig. 6 aufgelistet. Außerdem ist für deden der Fälle derjenige Eingangsanschluß des Festwertspeicher 50 angegeben, dessen gestutzte Probe am Medianwert-Ausgang des Speichers geliefert wird, ferner sind die Werte der Auswahl-Steuersignale Am, Bm und Cm aufgelistet.

Im Fall 1 beispielsweise ist der Wert der gestutzten Probe am Eingangsanschluß A größer als der Wert der gestutzten Probe am Eingangsanschluß B, und der Wert der Probe am Eingangsanschluß B ist größer als der Wert der Probe am Eingangsanschluß C. Die gestutzte Probe vom Eingangsanschluß B hat den Medianwert der drei gestutzten Proben. Der Festwertspeicher 50 erzeugt also an seinem Medianwert- Datenausgang eine gestutzte Probe, die den Wert derjenigen gestutzten Probe hat, die vom Eingangsanschluß B zum Adresseneingang des Speichers gelangt. Der Festwertspeicher 50 erzeugt außerdem für den besagten Fall die Auswahl-Steuersignale Am, Bm und Cm mit Logikwerten "0", "1" und "0" (in dieser Reihenfolge), womit angezeigt wird, daß nur die gestutzte Probe vom Eingangsanschluß B den Medianwert der gestutzten Proben hat.

Die UND-Glieder 62 bis 66, die Summierungselemente 70 und 75 und die Dividierschaltung 80 wirken zusammen, um eine 4-Bit-Probe zu erzeugen, die den Mittelwert der Restproben hat, welche denjenigen Exemplaren der gestutzten Proben zuzuordnen sind, die den Medianwert der gestutzten Proben haben.

Die UND-Glieder 62 bis 66 wirken als Torschaltungen, die durch die Auswahl-Steuersignale an ihren zweiten Eingängen gesteuert werden. Falls das Auswahl-Steuersignal den Logikwert "1" hat, dann wird das am ersten Eingang anstehende Signal auf den Ausgang gekoppelt. Hat das Auswahl-Steuersignal den Logikwert "0", dann wird am Ausgang eine Probe mit dem Wert 0 erzeugt. Jedes der UND-Glieder 62 bis 66 erzeugt also eine Probe, die den Wert der eingangsseitigen Restprobe hat, falls die zugeordnete gestutzte Probe den Medianwert der gestutzten Proben hat, andernfalls wird der Wert 0 erzeugt. Jedes der UND-Glieder 62 bis 66 kann z. B. durch vier UND-Glieder mit jeweils zwei Eingängen gebildet sein, wobei jeder der ersten Eingänge ein jeweils anderes Bit der Restprobe empfängt und die zweiten Eingänge das Auswahl-Steuersignal empfangen.

Das Summierungselement 70 erzeugt an seinem Ausgang eine Probe, deren Wert gleich ist der Summe der Ausgangsproben von den UND-Gliedern 62 bis 66. Dies ist die Summe derjenigen Restproben, deren zugeordnete gestutzte Proben den Medianwert der gestutzten Proben haben.

Die Dividierschaltung 80 dividiert die Ausgangsgröße des Summierungselementes 70 durch einen Divisor, der im Summierungselement 75 aus den Steuersignalen Am, Bm und Cm abgeleitet wird. Der Divisor ist die Anzahl derjenigen gestutzten Proben, die den Medianwert der gestutzten Proben haben. Die Ausgangsgröße der Dividierschaltung 80 ist also der Mittelwert der Restproben, die denjenigen gestutzten Proben zugeordnet sind, welche den Mittelwert der gestutzten Proben haben.

Wenn das Medianfilter ein Bild verarbeitet und drei Bildpunkte gefiltert werden und wenn die gestutzten Versionen der Menge dreier Proben durch jeweils vier Bits dargestellt werden, dann kann das Medianfilter mit einer noch einfacheren Ausführungsform des in Fig. 5 gezeigten Mediandetektors ausgestattet sein. In einem Bildprozessor wird jeder Punkt des Bildes gefiltert, indem der Medianwert dieses Punktes und anderer Punkte genommen wird, die den betreffenden Punkt umgeben. Beim hier angeführten Beispiel werden für die Medianfilterung ein laufender Punkt und zwei weitere Punkte genommen, die zu beiden Seiten dieses laufenden Punktes liegen (entweder in Vertikalrichtung oder in Horizontalrichtung oder zeitlich oder irgendeine Kombination davon). Es sei davon ausgegangen, daß, wenn die gestutzte Probe, die den laufenden Punkt darstellt, den Medianwert der gestutzten Proben hat, die den laufenden Punkt darstellende Vollbit-Probe als median-gefilterte Ausgangsprobe erzeugt wird, egal, ob irgendeine andere gestutzte Probe ebenfalls den Medianwert hat. Wenn die den gegebenen Punkt darstellende gestutzte Probe nicht den Medianwert hat, dann wird als median-gefilterte Ausgangsprobe der Mittelwert aller derjenigen Eingangsproben erzeugt, deren gestutzte Versionen den Medianwert haben. Die Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, mit der diese Art der Medianfilterung durchgeführt werden kann. In der Fig. 7 sind Elemente, die Elementen in Fig. 5 gleichen, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet und arbeiten in der gleichen Weise.

Die Anordnung nach Fig. 7 empfängt die Eingangsprobe, die den laufenden Punkt darstellt, am Eingangsanschluß B. Die Proben, welche die Punkte in der Umgebung des laufenden Punktes darstellen, werden an den Eingangsanschlüssen A und C zugeführt. Die höchstwertigen Bits von den Eingangsanschlüssen A, B und C werden an Adresseneingänge eines programmierbaren HWB-Festwertspeichers 50 gelegt (wie im Falle der Fig. 5). Die am Medianwertausgang des Festwertspeichers 50 gelieferten Daten bilden die höchstwertigen Bits einer Probe, die an einen ersten Eingang eines Multiplexers 90 gelegt wird. Die Vollbit-Probe vom Eingangsanschluß B wird an einen zweiten Eingang des Multiplexers 90 gelegt. Der Ausgang des Multiplexers 90 liefert die mediangefilterte Probe für den laufenden Punkt im Bild.

Der programmierbare HWB-Festwertspeicher 50 erzeugt außerdem Auswahl-Steuersignale Am, Bm und Cm, wie es in Fig. 5 gezeigt ist und wie sie in Fig. 6 aufgelistet sind. Das Auswahl-Steuersignal Bm wird an einen Steuereingang des Multiplexer 90 gelegt. Falls dieses Signal Bm den Logikwert "1" hat, dann wird die am Eingangsanschluß B zugeführte Probe zum Ausgang des Multiplexers 90 gekoppelt (ungeachtet des Wertes der anderen Steuersignale), andernfalls wird die vom HWB-Festwertspeicher 50 und von einem programmierbaren NWB-Festwertspeicher 95 gebildete Medianwert-Probe zum Ausgang des Multiplexers 90 gekoppelt.

Die Rest- oder NWB-Bestandteile der Proben von den Eingangsanschlüssen A und C werden an Adresseneingänge des programmierbaren NWB-Festwertspeichers 95 gelegt. Weitere Adresseneingänge dieses Speichers empfangen die Auswahl- Steuersignale Am und Cm. Der NWB-Festwertspeicher 95 ist so vorprogrammiert, wie es die Tabelle der Fig. 8 zeigt. Falls die Auswahl-Steuersignale Am und Cm beide den Logikwert "0" haben, dann muß der Logikwert des Auswahl-Steuersignals Bm eine "1" sein. In diesem Fall koppelt der Multiplexer 90 die am Eingangsanschluß B zugeführte Probe zum Ausgangsanschluß, und die Ausgangsgröße des NWB-Festwertspeichers 95 wird ignoriert. Falls das Auswahl-Steuersignal Am den Logikwert "0" und das Auswahl-Steuersignal Cm den Logikwert "1" hat, dann wird am Datenausgang des NWB-Festwertspeichers 95 eine Probe geliefert, die den Wert des Rest-Bestandteils der am Eingangsanschluß C zugeführten Probe hat. Wenn das Auswahl-Steuersignal Am den Logikwert "1" und das Auswahl-Steuersignal Cm den Logikwert "0" hat, dann wird eine Probe erzeugt, die den Wert des Restbestandteils der Probe am Eingangsanschluß A hat. Sind die Logikwerte der Auswahl-Steuersignale Am und Cm beide gleich "1", dann wird am Datenausgang eine Probe geliefert, die den Mittelwert der Restbestandteile der Proben an den Eingangsanschlüssen A und C hat. Die Ausgangsprobe vom NWB-Festwertspeicher 95 wird mit den höchstwertigen Bits vom HWB-Festwertspeicher 50 vereinigt, um eine den Medianwert aufweisende Ausgangsprobe zu bilden.

Das Filter nach Fig. 7 kann noch verbessert werden, indem man die laufende Probe nur dann durch den Medianwert ersetzt, wenn die laufende Probe jenseits vorbestimmter Schwellen liegt. Das in der weiter oben erwähnten Arbeit von Scollar beschriebene System beispielsweise führt diese Ersetzung nur dann durch, wenn der Abstand zwischen der laufenden Probe und dem Medianwert größer ist als der Wert des Interquartilabstandes. Der HWB-Festwertspeicher 50 kann so vorprogrammiert sein, daß er diesen schwellenabhängigen Betrieb realisiert und somit das Auswahl-Steuersignal Bm nur erzeugt, wenn die Schwelle nicht überschritten wird. Ein System, das in dieser Weise schwellenabhängig arbeitet, ist zur Unterdrückung von Impulsrauschen im Bild wirksamer.

Die vorstehend behandelten und dargestellten Ausführungsbeispiele wurden hauptsächlich in Verbindung mit der Filterung eines Video-Bildes beschrieben. Es sei jedoch erwähnt, daß durch die Medianfilterung jedes beliebige Signal, das durch Impulsrauschen verunreinigt sein kann, in vorteilhafter Weise bearbeitbar ist.

Claims (18)

1. Anordnung, um aus einer Menge digitaler Proben ein Exemplar zu bestimmen, dessen Wert im wesentlichen gleich einem bestimmten M-telswert der Menge der Digitalproben ist, gekennzeichnet durch:
einen Probenerzeuger (10) zur Erzeugung einer Gruppe digitaler Proben, deren jede durch eine vorbestimmte Anzahl von Bits dargestellt wird;
eine mit dem Probenerzeuger gekoppelte Vergleichseinrichtung (20), welche die Werte gestutzter Versionen der Digitalproben vergleicht, um festzustellen, welche davon den gewünschten M-telswert der gestutzten Proben haben, und um zugehörige Auswahl-Steuersignale zu erzeugen, die anzeigen, daß eine betreffende gestutzte Probe den gewünschten M-telswert hat;
einen mit dem Probenerzeuger gekoppelten Funktionsgenerator (30), der auf die Auswahl-Steuersignale anspricht, um durch Erzeugung einer Funktion derjenigen Digitalproben, die den ausgewählten gestutzten Proben zugeordnet sind, eine Digitalprobe zu bilden, die im wesentlichen den gewünschten M-telswert hat.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (20) eine Vielzahl von Recheneinrichtungen (21-29) aufweist, deren jede den Relativwert eines jeweils anderen Exemplars der gestutzten Proben gegenüber den übrigen Exemplaren der gestutzten Proben ermittelt, um festzustellen, ob das betreffende Exemplar den gewünschten M-telswert der gestutzten Proben hat und bejahendenfalls das Auswahl- Steuersignal zu erzeugen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtungen jeweils folgendes enthalten:
mehrere Vergleicher (22), deren jeder das zugeordnete eine Exemplar der gestutzten Proben mit jeweils einem anderen der übrigen Exemplare der gestutzten Proben vergleicht, um ein Anzeigesignal zu erzeugen, das anzeigt, ob der Wert des besagten einen Exemplars größer oder kleiner ist als der Wert des jeweils damit verglichenen anderen Exemplars;
eine auf die von den Vergleichern erzeugten Anzeigesignale ansprechende Einrichtung (24, 26, 28), die das Auswahl-Steuersignal erzeugt, falls die Anzahl der "Größer"-Anzeigen und die Anzahl der "Kleiner"-Anzeigen innerhalb vorbestimmter Grenzen liegt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Vergleicher (22) an einem ersten Eingang das besagte eine Exemplar der gestutzten Proben empfängt und an einen zweiten Eingang ein jeweils anderes Exemplar der übrigen gestutzten Proben empfängt und einen ersten Ausgang (GA) aufweist, um anzuzeigen, daß der Wert des Signals an seinem ersten Eingang größer ist als derjenige an seinem zweiten Eingang, und einen zweiten Ausgang (KA), um anzuzeigen, daß der Wert des Signals an seinem ersten Eingang kleiner ist als derjenige an seinem zweiten Eingang;
daß die das Auswahl-Steuersignal erzeugende Einrichtung folgendes enthält: eine erste Einrichtung (26), die mit den ersten Ausgängen (GA) der Vergleicher (22) gekoppelt ist, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das einen ersten Zustand hat, wenn die Anzahl derjenigen der übrigen gestutzten Proben, die einen größeren Wert als das besagte eine Exemplar der Proben haben, kleiner ist als eine erste vorbestimmte Zahl, und das andernfalls einen zweiten Zustand hat; eine zweite Einrichtung (24), die auf die zweiten Ausgänge der Vergleicher anspricht, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das einen ersten Zustand hat, wenn die Anzahl derjenigen der besagten übrigen gestutzten Proben, deren Werte kleiner sind als derjenige des besagten einen Exemplars der gestutzten Proben, kleiner ist als eine zweite vorbestimmte Zahl, und das andernfalls einen zweiten Zustand hat; ein UND-Verknüpfungsglied (28), das einen auf die Ausgangssignale der ersten Einrichtung (26) ansprechenden Eingang und einen auf die Ausgangssignale der zweiten Einrichtung (24) ansprechenden Eingang hat und an einem Ausgang das Auswahl-Steuersignal erzeugt, wenn die Signale an beiden Eingängen im ersten Zustand sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Einrichtung (26, 24) durch einen ersten und einen zweiten Digitalspeicher gebildet sind und daß Adresseneingänge des ersten Digitalspeichers mit den ersten Ausgängen der Vergleicher und Adresseneingänge des zweiten Digitalspeichers mit den zweiten Ausgängen der Vergleicher gekoppelt sind und daß die Ausgänge der beiden Digitalspeicher mit den Eingängen des UND-Gliedes (28) gekoppelt sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (30) den Mittelwert der besagten zugeordneten Digitalproben bildet.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (20) einen Digitalspeicher (50) aufweist, der an zugehörigen Adresseneingängen die gestutzten Proben empfängt und Ausgänge zur Erzeugung der Auswahl-Steuersignale (A _m , B _m , C _m ) aufweist und der so vorprogrammiert ist, daß er die Auswahl- Steuersignale entsprechend den gestutzten Proben erzeugt, die den gewünschten M-telswert haben.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator folgendes aufweist:
eine Einrichtung (50), die auf die gestutzten Proben anspricht, um eine gestutzte Probe zu erzeugen, die den gewünschten M-telswert der gestutzten Proben hat;
eine Einrichtung (62-80; 95), die auf die Restbestandteile der Proben der besagten Menge der Digitalproben und auf die Auswahl-Steuersignale (A _m , B _m , C _m ) anspricht, um eine Restprobe zu erzeugen, die den Mittelwert derjenigen Proben-Restbestandteile hat, welche den ausgewählten gestutzten Proben zugeordnet sind;
eine Einrichtung, welche die erzeugte gestutzte Probe und die erzeugte Restprobe miteinander kombiniert, um die Digitalprobe zu erzeugen, die im wesentlichen den gewünschten M-telswert hat.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, welche die gestutzte Probe mit dem M-telswert der gestutzten Proben erzeugt, einen Digitalspeicher (50) aufweist, der an Adresseneingängen die gestutzten Proben empfängt und so vorprogrammiert ist, daß er an Datenausgängen die den gewünschten M-telswert aufweisende gestutzte Probe liefert.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (62-80), welche die besagte, den Mittelwert angebende Restprobe erzeugt, folgendes aufweist:
eine Einrichtung (62-64, 70), die Eingänge zum Empfang der besagten Proben-Restbestandteile (NWB) hat und auf die Auswahl-Steuersignale (A _m , B _m , C _m ) anspricht, um die Summe der zugeordneten Proben-Restbestandteile zu bilden;
eine Dividiereinrichtung (80), die einen Dividendeneingang zum Empfang der gebildeten Summe, einen Quotientenausgang und einen auf die Auswahl-Steuersignale ansprechenden Divisoreingang hat, um die besagte Summe durch einen vorbestimmten Divisor zu dividieren und damit die besagte, den Mittelwert aufweisende Restprobe zu erzeugen.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, welche die besagte Summe erzeugt, folgendes aufweist:
eine Vielzahl von UND-Gliedern (62-64), deren jedes an einem ersten Eingang ein jeweils anderes Exemplar der Proben-Restbestandteile empfängt und an einem zweiten Eingang ein zugeordnetes Exemplar der Auswahl- Steuersignale empfängt und einen Datenausgang hat;
eine Summiereinrichtung (70), die an zugehörigen Eingängen die Signale von den Datenausgängen der UND- Glieder empfängt, um die besagte Summe zu erzeugen.

12. Verfahren, wie es mit der Anordnung nach Fig. 1 durchführbar ist, um einen gewünschten M-telswert einer Menge von Digitalproben zu bestimmen, gekennzeichnet durch:
Erzeugung einer Menge von Digitalproben, deren jede durch eine vorbestimmte Anzahl von Bits dargestellt wird;
Vergleich der Werte gestutzter Versionen der Menge der Digitalproben, um festzustellen, welche davon den gewünschten M-telswert der Menge der gestutzten Proben haben;
Erzeugung einer Funktion derjenigen Digitalproben, die den gestutzten Proben, welche den gewünschten M-telswert der gestutzten Proben haben, zugeordnet sind, als den gewünschten M-telswert der Digitalproben.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsvorgang aus folgenden Teilschritten besteht:
Berechnung des Relativwertes einer jeden gestutzten Probe gegenüber jeder anderen gestutzten Probe;
Auswertung der berechneten Relativwerte für jede gestutzte Probe, um festzustellen, ob der Wert dieser gestutzten Probe die Relativposition des gewünschten M-telswertes hat.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß beim Teilschritt der Berechnung festgestellt wird, ob der Wert der betreffenden gestutzten Probe größer ist als derjenige der anderen gestutzten Proben und ob der Wert der betreffenden gestutzten Probe kleiner ist als derjenige der anderen gestutzten Proben;
daß beim Teilschritt der Auswertung festgestellt wird, wie viele der anderen gestutzten Proben Werte haben, die größer sind als derjenige der betreffenden gestutzten Probe, und wie viele der anderen gestutzten Proben Werte haben, die kleiner sind als derjenige der betreffenden gestutzten Probe, und daß aus den festgestellten Zahlen die Relativposition des Wertes der betreffenden gestutzten Probe bestimmt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Funktion darin besteht, den Mittelwert derjenigen Digitalproben zu bilden, die den Exemplaren der gestutzten Proben entsprechen, welche den gewünschten M-telswert der gestutzten Proben haben.

16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Funktion darin besteht, eine gestutzte Probe, die den gewünschten M-telswert der gestutzten Proben hat, mit einem vorbestimmten Bitmuster zu verschmelzen, um eine Probe zu erzeugen, welche die vorbestimmte Anzahl von Bits hat.

17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich unter Durchführung folgendes Schritte erfolgt:
für jeden möglichen Wert einer jeden gestutzten Probe wird ein Ergebnis vorbestimmt, welche diejenigen gestutzten Proben identifiziert, die den gewünschten M-telswert haben;
das vorbestimmte Ergebnis wird abhängig von Werten von gestutzten Proben erzeugt, die den Digitalproben entsprechen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich unter Anwendung folgender weiterer Schritte erfolgt:
für jeden möglichen Wert einer jeden gestutzten Probe wird ein weiteres Ergebnis vorbestimmt, das eine gestutzte Probe mit dem gewünschten M-telswert ist;
die gestutzte Probe mit dem gewünschten M-telswert wird abhängig von den Werten gestutzter Proben erzeugt, die den Digitalproben entsprechen.