DE3884212T2

DE3884212T2 - Filterungstechniken.

Info

Publication number: DE3884212T2
Application number: DE19883884212
Authority: DE
Inventors: James Andrew Bangham
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-10-21
Filing date: 1988-10-21
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2008-10-22
Also published as: WO1989004088A1; AU611233B2; EP0383814A1; DE3884212D1; EP0383814B1; JPH03500715A; AU2625888A

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft das Filtern von Daten zum Entfernen von unerwünschten Signalen, zum Beispiel Geräuschen, unter Verwendung von einem oder mehreren Ordinalwertfiltern.

Vorgeschichte der Erfindung

Ein Echtzeit-Ordinalwertfilter, welches feststellt, welcher von einem Satz von R angelegten Datenbeträgen der N-Größte ist, wird ein Medianfilter, falls R ungerade ist und N gleich (R+1)/2 gemacht wird. Bei einer solchen Betriebsart liefert das Filter als einen Ausgangswert den "Mittel"-Wert des Datensatzes, der im allgemeinen eine gleiche Zahl von anderen Datenbeträgen von dem Satz, der größer und kleiner als er selbst ist, aufweist.
Der Aufbau und die Betriebsweise von Medianfiltern wird unter anderem in den US-Patenten 4441165, 4439840, 4560974 und 45135440 beschrieben.
In einem einfachen Fall eines linearen Matrixfeldes von Datenproben, falls R=3 und N=2 ist, ist der Medianwert der Mittelwert von je drei aufeinanderfolgenden Datenbeträgen, wenn die letzteren, beginnend mit der kleinsten und endend mit der größten jeder Gruppe aus drei, in eine Ordnung sortiert werden. Da eine Mittelwertbildung nicht stattfindet, wird das Medianfilter unerwünschte Proben ohne Abschwächung scharfer Übergänge in der ursprünglichen Probenreihe entfernen. Anders ausgedrückt, falls die Datenproben ein regelmäßig getastetes, zeitabhängiges Signal darstellen, hat das Medianfilter die Eigenschaft, die Bandbreite des Signals nicht zu begrenzen (was steile Übergänge in dem ursprünglichen Signal abschwächen würde), sondern läßt statt dessen zu, daß ursprüngliche Signalübergänge, was Merkmale mit langer Dauer darstellt, mit voller Bandbreite übertragen werden, während Störspitzen von kürzerer Dauer, die für elektrische Geräusche charakteristisch sind, im wesentlichen abgeschwächt werden.
Der jeweilige Schwellwert, an dem ein solches Filter Störsignale beseitigt, aber andere Signale durchläßt, wird durch die Beträge von R und N bestimmt. Je größer die Zahl der atypischen Proben ist, die das zu beseitigende Störsignal darstellen, desto größer muß der Betrag von R sein.
Es wurde jedoch gefunden, daß ein Medianfilter, das auf das Beseitigen von Störsignalen, die durch weniger als zum Beispiel N Proben dargestellt werden, eingestellt ist, in Wirklichkeit Störsignale in den Filterausgang einleiten kann, falls die Übergänge des ursprünglichen Signals (das sich auf die Information bezieht) dichter als N Abtastintervalle zusammenliegen. Diese Störsignale haben die Wirkung einer Erhöhung der Zahl der das wahre Signalereignis darstellenden Proben. Dies kann ernsthafte Rückwirkungen aufweisen, falls die Information mindestens zum Teil in der Zahl der die Amplitudenausschlägen in dem Original darstellenden Proben enthalten ist.
In einem Versuch zum weiteren Vergrößern der Geräuschminderung ist vorgeschlagen worden, eine Medianfilterstufe durch Anlegen des gefilterten Signals von einem ersten Medianfilter entweder wieder an den Eingang des gleichen Filters oder an ein zweites identisches Filter zu wiederholen. Zuerst wurde gedacht, daß dies die Einleitung der Störsignale wie oben besprochen überwinden würde. Dann wurde aber gefunden, daß dieses wiederholte Ordinalwertfiltern nicht sämtliche vom ersten Ordinalwertfilter eingeführten Störsignale entfernt.
Versuche haben gezeigt, daß das Einleiten von fremder Information in den Filterausgang herabgesetzt wird, wenn der Betrag von R klein ist. Im Falle einer linearen Folge von Informationen bei R=3 sieht es aus, als ob für das Erscheinen von fremden zusätzlichen Signalen im Ausgang eine nur geringe Wahrscheinlichkeit besteht. Durch passende Wahl des Abtastintervalls sollte ein Medianfilter mit einem Wert von R=3 keine unerwünschten Signalübergänge in das Filterausgangssignal einleiten. Durch drei oder mehr Proben dargestellte Störsignale werden jedoch nicht unterdrückt, die bei hoher Abtastrate nicht zu einer sehr zufriedenstellenden Geräuschminderung führen.
Ein Erhöhen der Zahl der ein gegebenes Signal darstellenden Proben führt nicht zwangsläufig zu einer Erhöhung in der Genauigkeit des gefilterten Signals, da der Betrag von R zur Berücksichtigung der größeren Zahl von Abtastintervallen, die während einer vorgegebenen Geräuschsignalspitze aufgetreten sind, erhöht werden muß.
Die vorliegende Erfindung strebt die Überwindung dieses mit Ordinalwertfiltern (und insbesondere Medianfiltern) verbundenen, offensichtlich fundamentalen Problems an, wenn diese Filter zum Entfernen unerwünschter Signale, zum Beispiel zum Reinigen von elektrischen "geräuschvollen" Signalen, verwendet werden.

Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung

Ein Verfahren zum Ordinalwertfiltern zum Entfernen unerwünschter Datenteile aus gewünschten Datenteilen in einem Konglomerat von Teilen umfaßt die folgenden Stufen:
(i) Auswählen einer Gruppe von Teilen aus dem Konglomerat,
(ii) Verarbeiten der ausgewählten Datenteile durch aufeinanderfolgendes Ordinalwertfiltern mit ansteigender Ordnung zum Erzielen einer ersten Datenausgabe,
(iii) Auswählen mindestens einer unterschiedlichen Gruppe von Teilen aus dem Konglomerat und Verarbeiten jeder unterschiedlichen Gruppe mit der gleichen Aufeinanderfolge von Ordinalwertfiltern mit ansteigender Ordnung zum Erzielen von zweiten und weiteren sich anschließenden Datenausgaben und
(iv) entweder Anlegen der Aufeinanderfolge der Datenausgaben als die gefilterte Ausgabe oder Zusammenfügen der Aufeinanderfolge der Datenausgaben mit anderen Daten zum Ausbilden des gefilterten Ausgabesignals.
Wo sich das Konglomerat der Datenteile in einer Dimension befindet (zum Beispiel eine Reihe von elektrischen Signalen, deren Amplitude sich ändert und die um einen Abstand und/oder eine Zeit auseinanderliegen), können die ausgewählten Gruppen Gruppen aufeinanderfolgender Gruppen der sich ändernden Amplitudensignale sein.
Wo sich das Konglomerat der Datenteile in zwei Dimensionen befindet (zum Beispiel getastete Beträge eines elektrischen Signals, das sich aus dem Abtasten einer Zeilenfolge in einem fernsehartigen Abtaster ergibt), können die ausgewählten Gruppen aufeinanderfolgende ähnliche Matrixfelder der getasteten Beträge sein, wobei jede Gruppe Probebeträge aus zwei oder mehr Zeilen der ursprünglichen Abtastung enthält, so daß jede Gruppe als eine Beziehung zu einer kleinen Fläche der gesamten abgetasteten Fläche angesehen erden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht damit ein Verfahren zum Ordinalwert-(zum Beispiel Median-)Filtern zum Entfernen von störenden Geräuschspitzen, die sich über eine Zeitdauer, eine Fläche oder ein Volumen erstrecken, aus einer Signalabtastung bis zu einem Maximum von (M-1) Abtastungen vor, bei dem das Filter eine Reihe von Ordinalwertfiltern (im typischen Fall Medianfiltern) mit ansteigender Ordnung enthält und die Anzahl der Abtastungen, die in den an die Aufeinanderfolge der Filter angelegten Gruppen zusammen mit der geometrischen Anordnung der Abtastungen in jeder Gruppe enthalten sind, so ausgewählt wird, daß die abgeleiteten Eigenschaften des Gesamtfilters erzeugt werden.
Ein Gesamtfilter kann ein Datensieb genannt werden.
Ein Datensieb ist wie folgt aufgebaut:
(1) Zwei Masken werden zum Charakterisieren jedes bestimmten Filters verwandt. Eine erste Maske S2 wird zum Identifizieren sämtlicher Abtastungen (Teile), die in dem endgültigen Filter der Filterreihe enthalten sein sollen, verwandt.
(2) Die Lage einer der von der ersten Maske S2 umschlossenen Abtastungen wird als der Ursprung der ersten Maske gewählt, und eine zweite Maske S1 (kleiner als S2) wird auf den Ursprung von S2 zentriert, um damit eine Untergruppe der Abtastungen durch S2 zu umschließen.
(3) Die Abtastungen, die in einem ersten Ordinalwertfilter (Ordnung 1) einzuschließen sind, werden als diejenigen außerhalb von S1, aber innerhalb eines kreisförmigen Fensters identifiziert, das auf den ausgewählten Ursprung mit einem Radius dergestalt zentriert ist, daß das Fenster solche Abtastungen enthält, die gerade außerhalb S1 liegen.
(4) Die Abtastungen, die in dem zweiten Ordinalwertfilter (Ordnung 2) anzuschließen sind, können durch Inkrementieren des Halbmessers des kreisförmigen Fensters identifiziert werden, bis die außerhalb von S1 liegende nächste Untergruppe von Abtastungen auch vom Fenster umschlossen wird.
(5) Der Halbmesser des Fensters wird zum Ausbilden dritter und sich anschließender weiterer Fenster nacheinander inkrementiert, bis ein Fenster ausgebildet ist, das sämtliche zwischen S1 und S2 liegenden Abtastungen umschließt (welches das endgültige Ordinalwertfilter, Ordnung M, ist).
Falls S1 verschwindend gering ist, können die Abtastbeträge zwischen S1 und S2 für das Filter erster Ordnung einfach die am Ursprung lokalisierte Abtastung bilden, und da ein Ordinalwertfilter eine solche Abtastung unverändert läßt, kann das Filter erster Ordnung in der Praxis aus der Reihe weggelassen werden.
(Im Fall eines zweidimensionalen Abtastgitters kann die erste Maske zum Beispiel allgemein kreisförmig sein. Im Fall eines eindimensionalen Matrixfeldes wird diese Maske linear und so auszurichten sein, daß sie eine lineare Abtastgruppe umschließt. Die Maskenform muß nicht symmetrisch sein.)
Das Datensieb kann wie folgt zum Filtern eines Signals verwandt werden:
(a) Ein Signal wird zuerst unter Verwendung eines Ordinalwertfilters (im allgemeinen eines Medianfilters) der Ordnung 1 gefiltert.
(b) Im Anschluß daran wird die Ausgabe vom Filter erster Ordnung unter Verwendung eines Ordinalwertfilters der zweiten Ordnung gefiltert, und darauf wird jede Filterausgabe nacheinander mit Filtern ansteigender Ordnung bis zu einer endgültigen Filterstufe, in der das Filter von der Ordnung H ist, gefiltert.
Im typischen Fall werden die Datenabtastungen in entweder einem ein- oder einem zweidimensionalen regelmäßigen Matrixfeld angeordnet. Die Charakteristika eines Filters, wie es oben beschrieben wurde, ändern sich im Verlauf des Abtastens des vollen Abtastsatzes normalerweise nicht.
Das Verfahren läßt sich durch Ausbilden einer Kaskade von verschiedenen Ordinalwertfiltern, die in Reihe von Ordinalwert 1 bis zum Ordinalwert M verbunden sind, verwirklichen, wobei der Ausgang jedes Filters den Eingang des nächsten Filters in der Reihe beaufschlagt und jedes Filter in der Reihe eine höhere Ordnung als das vorhergehende aufweist.
Alternativ kann das Verfahren die Stufen des Einstellens des Ordnungswertes eines einzigen Ordinalwertfilters im Bereich von 1 bis M anstelle der Verwendung von mehreren verschiedenen Filtern und das Speichern des Ausgangssignals von jedem Filtervorgang umfassen, während der Filterwert auf den nächsten Wert geändert wird, bevor es dem Eingang des geänderten Filters zugeführt wird. Durch Speichern jedes aufeinanderfolgend gefilterten Signals und inkrementales Erhöhen der Filterordnung von 1 bis M enthält das endgültig gespeicherte Signal das gewünschte gefilterte Signal zu Ausgabezwecken.
Während die Reihenschaltung von M verschiedenen Filtern zum Bilden eines Datensiebes die Abtastung eines gespeicherten Matrixfeldes von Abtastungen in einer oder mehreren Dimensionen zuläßt, liegt ein alternatives Verfahren in der Anwendung von mehreren in einem Matrixfeld angeordneten Datensieben, das eine entsprechende Vielzahl von Eingangssignalen gleichzeitig filtert.
Die Erfindung ist (soweit wie beschrieben) auf das Tiefpaßfiltern anwendbar. Sie kann jedoch auch auf das Hochpaß- und Bandpaßfiltern angewandt werden.
Falls ein Hochpaßfilter benötigt wird, muß die Ausgabe von dem die höchste Ordnung aufweisenden Filter von den Rohdaten abgezogen werden. Das sich ergebende Signal enthält dann nur sämtliche vom Datensieb nicht ausgesonderten Signale.
Falls ein Bandpaßfilter benötigt wird, muß die Ausgabe von einem der in der Kette liegenden Ordinalwertfiltern von der Ausgabe eines früheren Filters abgezogen werden.
Die Erfindung liegt auch in einem Ordinalwertfilter, bei dem der Ordinalwert einstellbar ist, zusammen mit einem Mittel zum Inkrementieren der Ordnung um 1 nach jeder aufeinanderfolgenden Zufuhr von Daten zu dem Filter mit mit dem Eingang (und/oder Ausgang) des Filters zusammenwirkenden Speichermitteln zum Speichern der gefilterten Signale und Zuleiten des gespeicherten Signals an den Eingang des Filters für einen sich anschließenden Durchgang durch das Filter.
Vorzugsweise ist ein Mittel zum Zählen vorgesehen, um festzustellen, wann ein gewünschter Ordnungswert erreicht worden ist, um dann das Verfahren abzuschließen und die gespeicherte Information als ein Ausgangssignal freizugeben.
Die Erfindung liegt auch in einem Gerät mit einer Vielzahl von Ordinalwertfiltern, die mit dem Ausgang des ersten, das mit dem Eingang des zweiten verbunden ist und so weiter, in Reihe liegen, wobei jedes sich anschließende Filter eine ansteigende Ordnung, ausgehend von einem mit dem ersten Filter verbundenen niedrigen Wert bis zu einem mit dem letzten in der Reihe verbundenen hohen Wert, aufweist. Im typischen Fall nimmt der Ordnungswert von einem Filter zum nächsten in der Reihe um 1 zu.
Die Erfindung kann auf jedes eine Information tragende Signal angewandt werden, ob es von einem optischen auf einen elektrischen Wandler, wie zum Beispiel einer Kamera (TV oder "solid state"), oder von einem Meßwertumformer abgeleitet wird, der Klang oder Schwingungen oder eine andere sich ändernde physikalische, chemische, elektrochemische, Atomoder Partikelaktivität detektiert.
Die Erfindung kann auch als Decoder zum zuverlässigen Trennen von Impulsen einer Breite von Impulsen anderer Breiten verwandt werden und zum Beispiel in Verbindung mit einem Mustererkennungsgerät zum Aufarbeiten von für Musteranpassungszwecke zu bearbeitender Information verwandt werden. In diesem Sinne kann die Erfindung als ein Mittel zum Trennen von Gegenständen einer Größe von Gegenständen einer anderen Größe angesehen werden.
Die Erfindung wird nun an einem Beispiel unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Dabei ist:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, zur Vereinfachung eines Filters mit nur einer Dimension und
Fig. 2 eine Tabelle, die den Vorteil der Verwendung der Reihe der erfindungsgemäßen Ordinalwertfilter gegenüber dem Einzel- und sich wiederholenden Medianfiltern von Datenproben aus eindimensionalen Daten erläutert.
Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform enthält eine Kaskade aus miteinander in Reihe liegenden herkömmlichen Medianfiltern jeweils mit einem breiteren Fenster (das heißt einer höheren Ordnung) als das vorhergehende. Die sich ergebende (Tiefpaß-)Ausgabe wird vom Ausgang des letzten Filters abgenommen.
Ein Filter, das ein Signal in einer Dimension darstellende Abtastungen verarbeitet, mit einem keine Abtastungen umschließenden Maskenfenster S1 und einem neun Abtastungen umschließenden endgültigen Maskenfenster S2 mit einem zentralen Ursprung wird in Fig. 1 gezeigt. Das Eingangssignal wird zuerst durch ein Ordinalwertfilter 10 (in diesem Fall wird das Medianfilter genommen) der Ordnung 2, das drei Proben umschließt, gefiltert. Die Ausgabe gelangt zu einem zweiten, herkömmlichen Ordinalwertfilter 12 der Ordnung 3, und die Ausgabe von diesem gelangt zu einem dritten Ordinalwertfilter 14 der Ordnung 4, dessen Ausgabe zum vierten und letzten Filter 16 der Ordnung 5 geleitet wird.
Manchmal werden die Filter in bezug auf die minimale Impulsbreite R (das heißt die Impulsdauer), die durch das Filter geleitet wird, beschrieben, und in diesem Zusammenhang kann das erste Filter (der Ordnung 2) als ein Filter mit einer Fensterbreite von drei Abtastungen (das heißt R=3) angesehen werden, da es Impulse, die durch weniger als zwei Abtastungen dargestellt werden, entfernt.
Das zweite Filter (der Ordnung 3) hat eine Fensterbreite von fünf (das heißt R=5) Abtastungen und entfernt damit Impulse, die durch weniger als drei Abtastungen usw. dargestellt werden.
Die Fensterbreiten R sind nicht auf ungerade Zahlen von Proben eingeengt, obgleich die Natur der Medianfilter und der eindimensionalen Datenströme die Konstruktion von Medianfiltern zur Verwendung mit eindimensionalen Datenströmen auf diese Weise normalerweise einfach machen.
Ein Bandpaßfilter kann durch Subtraktion einer späteren Ausgabe von einer früheren, wie es in Fig. 1 gezeigt wird, gebildet werden, wobei ein als Subtraktionsstufe auf gebauter Abtastverstärker zwischen den Ausgang 1 und den Ausgang 4 gelegt wird.
Ein Hochpaßfilter (manchmal Kurzpaßfilter genannt) kann durch Subtraktion der endgültigen Ausgabe vom ursprünglichen Eingangssignal gebildet werden.
Die Tabelle von Fig. 2 erläutert, wie die vorliegende Erfindung eine Verbesserung gegenüber einem Einfach- oder Vielfachpaß-Medianfilter darstellt, und zeigt in der unteren Reihe der Tabelle auch die Charakteristika des Hochpaßfilters.
Die obere Zeile der Tabelle zeigt neunzehn Abtastintervalle entlang eines elektrischen Signals an.
Reihe 1 der Tabelle zeigt numerische Werte, die an den verschiedenen Abtastpunkten in einem typischen Datensignal gefunden werden könnten. So wird an der Stelle 3 eine störende Geräuschspitze mit einer Intervalldauer eines Abtastimpulses und einer Amplitude von neun Einheiten gefunden. Eine ähnliche Geräuschspitze mit einer Intervalldauer von zwei Abtastungen (aber mit einer geringeren Amplitude von sieben Einheiten) wird an den Stellen 7 und 8 gefunden. Eine wahre Informationsamplitudenauslenkung wird an den Stellen 12, 13 und 14 mit einer Amplitude von drei Einheiten gefunden, und danach wird eine typische Situation mit einer driftenden Basislinie gezeigt mit einer störenden Geräuschspitze von drei Einheiten in Überlagerung über der Basislinie, in der Positionen 15 bis 19 Werte von 1, 1, 4, 1 bzw. 1 aufweisen.
Falls wir dieses an ein Einzelmedianfilter der Fensterbreite 5 angelegte Signal betrachten, ist die Ausgabe von dem Filter wie in Reihe 2 gezeigt. Dieses Filter hat eine Gesamtfensterbreite von fünf Abtastpunkten (2N-1), und man erkennt aus einem Studium der Reihe 2, daß die Gesamtheit der Amplitudenauslenkung bezüglich der wahren Information durch das Filter übertragen wird, und ein zusätzliches Extra-Abtastintervall wird an der Stelle 15 hinzugesetzt, um die nachlaufende Kante der wahren Amplitudenauslenkung zu verlängern, und das Filter wird für die verbleibenden Abtaststellen 16 bis 19 einen Betrag von 1 erzeugen.
Dies demonstriert, wie ein einfaches Medianfilter mit einem Betrag von N=3 verwechselt wird, falls eine zweite entscheidende Auslenkung (ob eine wahre oder eine andere) der nachlaufenden Kante einer vorhergehenden wahren Auslenkung in einem Abstand (das heißt der Zahl der Abtastintervalle) folgt, der geringer als der N-Betrag des betroffenen Filters ist. In dem gezeigten Beispiel ist der N-Betrag 3, und der Abtastpunktabstand zwischen der nachlaufenden Kante der wahren Auslenkung bei 14 und der vorlaufenden Kante einer Geräuschspitze bei 17 beträgt nur zwei Abtastintervalle. Als Folge hiervon wird die nachlaufende Kante des wahren Impulses um ein Abtastintervall verlängert.
Reihe 3 der Tabelle zeigt die Auswirkungen der Wiederholung des Medianfilterns unter Verwendung des gleichen Medianfilters (oder eines anderen Medianfilters mit dem gleichen N-Betrag), und es wird erkannt, daß der verfälschte Betrag der wahren Informationsauslenkung in dem ursprünglichen Signal immer noch am Ausgang des Medianfilters erscheint. In der Tat, falls das Signal eine unendliche Zahl von Malen durch das Medianfilter durchgeleitet würde, bliebe die Breite des an der Stelle 12 beginnenden Impulses unverändert und der gleiche unrichtige Impuls würde jedesmal am Ausgang des Filters erscheinen.
Falls nun ein gemäß der Erfindung konstruiertes Filter verwandt wird, ist das Ergebnis wie in Reihe 4 der Tabelle gezeigt. Hier hat die erste Stufe des Filters einen N-Betrag von 2 und die zweite einen N-Betrag von 3, so daß das Gesamtergebnis genau das gleiche ist, das heißt, sämtliche Impulse mit einer Dauer von weniger als drei Abtastintervallen werden ausgeschaltet. Man beachte jedoch, daß in diesem Fall die Länge der wahren Informationsauslenkung in den ursprünglichen Daten nicht durch die Zugabe eines falschen Betrages am Punkt 15 verfälscht wird, und die Ausgabe der zweiten Stufe des zweistufigen Filters ist (innerhalb der Grenzen der Abtastgenauigkeit) eine wahre Wiedergabe der ursprünglichen Daten.
Man beachte auch, daß die letzten Stellen des Ausgangssignals in beiden Fällen auch die Ebene 1 registrieren, da der Wechsel im Basislinienbetrag des Signals über eine Periode von mehr als drei Abtastintervallen verlängert wurde. Der an der Stelle 17 sitzende Störimpuls wird nicht gesehen, und der Betrag an diesem Punkt wird auf den Grundbetrag von 1, der dem Basislinienbetrag an den Stellen 15, 16, 18 und 19 entspricht, herabgesetzt.
Reihe 5 zeigt, wie die Erfindung in ein Kurzpaßfilter gelenkt werden kann (das heißt, sämtliche Impulse mit drei Abtastintervallen oder einer größeren Dauer werden ausgeschieden, und nur Impulse mit kürzeren Dauern, das heißt einem oder zwei Abtastimpulsintervallen, werden durchgelassen). Dies wird durch Subtraktion der der Reihe 4 der Tabelle entsprechenden Ausgabe von den ursprünglichen Daten erreicht. Auf diese Weise erscheinen die Geräuschspitzen an der Stelle 3, den Stellen 7 und 8 und an der Stelle 17 im Ausgang der Subtraktionsstufe, aber die an den Stellen 12, 13 und 14 überbrückende Auslenkung der Informationsauslenkung und noch wichtiger der an den Punkten 15 bis 19 erscheinende Sockel werden entfernt.
Es ist von Interesse festzustellen, daß die Geräuschspitze an der Stelle 17 auch auf ihrer korrekten Amplitude von drei Einheiten gegenüber der driftenden Basislinie gezeigt wird statt der vier Einheiten (gegenüber Null) gemäß der Darstellung in Reihe 1.
Dieses einfache Beispiel wurde gegeben um zu zeigen, wie eine Kaskade von Medianfiltern mit stetig ansteigender Fensterbreite eine größere Genauigkeit ergibt als bei Verwendung eines einzigen Medianfilters, unabhängig davon, ob die das einzige Filter verwendende Filterstufe wiederholt wird oder nicht.
In einer (nicht gezeigten) alternativen Ausführungsform können die in Fig. 1 gezeigten vier Medianfilter durch ein einziges Medianfilter (mit einem einstellbaren N-Betrag) unter der Voraussetzung ersetzt werden, daß die Eingabeinformation nach jedem Durchgang durch das Filter in einem zweckmäßigen Speicher (wie einer "Zuerst-Hinein-Zuerst-Heraus" ( "first in first out"(F.I.F.O.) )-Speichervorrichtung) gespeichert werden kann, damit sie eine Anzahl von Malen durch das Filter durchgeleitet werden kann, wobei der N-Betrag des Filters bei jedem sich anschließenden Durchgang erhöht wird. Das sich endgültig einstellende Signal, das nach dem letzten Durchgang durch das Filter in den Speicher eingeleitet wird, entspricht der gewünschten gefilterten Version des Eingangssignals und kann durch geeignetes Umleiten der Ausgabe der Speichervorrichtung weg vom Eingang des Medianfilters zu einem Ausgang des Filters als das Ausgangssignal zur Verfügung gestellt werden. Dies ergibt sich automatisch mit einem Zähler, der die Zahl der Zyklen und der Tore des Ausgangs der Speichervorrichtung bei Erreichen der erforderlichen Anzahl von Zyklen einfach zählt.
Wo die ursprünglichen Daten zurückgehalten werden müssen, können zwei "Zuerst-Hinein-Zuerst-Heraus"("first in first out" (F.I.F.O.) )-Speicher vorgesehen werden, der eine zum Speichern der ursprünglichen Daten und der andere als Puffer und zum Speichern der gefilterten Version der ursprünglichen Daten und dann der folgenden gefilterten Versionen des Inhaltes des Puffers während der Zurückführung durch das Medianfilter. Bei der Anordnung braucht die Ausgabe vom ersten Filter nicht zurückgeführt zu werden, während sie in den Eingang des Medianfilters bei der ersten Gelegenheit eingelesen wird, um als eine Auffrischung für den Speicher zu wirken und um damit die ursprünglichen Daten zu erhalten.
Die Ausgabe des mit dem Ausgang des Medianfilters zusammenwirkenden zweiten "F.I.F.O."-Speichers wird an den Eingang des Medianfilters angelegt, nachdem die ursprünglichen Daten in dem ersten "F.I.F.O."-Speicher gesichert worden sind zum Filtern des ersten Signales diesmal mit einem höheren N-Betrag. Die Rückführung wird mit einer stufenweisen Erhöhung des N-Betrages wie vorstehend beschrieben fortgesetzt, und am Ende einer geeigneten Anzahl von Zyklen entsprechen die in dem zweiten "F.I.F.O."-Speicher gespeicherten Signale dem endgültig gefilterten Signal, während die ursprünglichen Daten in dem ersten Speicher verbleiben.
Falls ein Hochpaßfilter benötigt wird (das heißt die Ausschaltung von Impulsen mit einer Dauer größer als eine bestimmte Anzahl von Abtastintervallen), können die beiden Speicher gleichzeitig auf eine geeignete arithmetische Stufe, die sich zur Subtraktion des einen von dem anderen eignet, ausgelesen werden.
Falls ein Bandpaßfiltereffekt benötigt wird, muß die Information in dem ersten Speicher während der Aufeinanderfolge der Filterstufen mit der Ausgabe von der geeigneten der Medianfilterstufen ersetzt werden, und die Ausgabe vom ersten und vom zweiten Speicher muß wieder am Ende des Verfahrens subtrahiert werden.
Falls der erste Speicher die ursprünglichen Daten für andere Zwecke zurückhalten muß, wird ein dritter Speicher zum Speichern der Ausgabe der dazwischenliegenden Medianfilterstufe benötigt.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist damit ein Vielfachstufenfilter mit N-1 in Reihe geschalteten Ordinalwertfilterstufen, wobei jede Stufe ein herkömmliches Medianfilter ist und die Filterbreite jeder Stufe um 2, beginnend mit dem ersten Filter mit der Breite 3, inkrementiert wird. Der Ausgang des Kaskadenfilters verhält sich wie ein Tiefpaß-Datensieb unter Entfernung von Signalen und Geräusch, die in dem Datenstrom Breiten von weniger als N Abtastintervallen einnehmen. Hochpaß- und Bandpaßfilter können wie beschrieben durch Subtraktion der Ausgabe späterer Stufen von entweder dem Eingang oder einer Zwischenstufe aufgebaut werden.
Obgleich die hier beschriebenen Verfahren und das hier beschriebene Gerät das Vorhandensein von elektrischen Signalen einschließen, sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf Anordnungen beschränkt ist, die elektrische Signale verwenden/erzeugen, sondern daß sie auf jede Anordnung, wie zum Beispiel eine optische Anordnung, wo die Information in der Form von modulierten Lichtstrahlen vorliegt, gleichermaßen anwendbar ist.

Claims

1. Ein Verfahren zum Ordinalwertfiltern eines Signalkonglomerats zum Enfernen unerwünschter Signale aus erwünschten Signalen mit den folgenden Stufen:

(i) Ordinalwertfiltern mindestens eines ausgewählten Teiles des Signalkonglomerats mit einem Filterwert N = n,

(ii) anschließend Ordinalwertfiltern der Ausgabe des ersten Filters mit einem Filterwert (n + x) und danach Filtern der darauffolgenden Filterausgaben mit ansteigenden Filterwerten bis zu (N + M) und

(iii) Verwenden der Ausgabe der endgültigen Ordinalwertfilterstufe, wobei x = M mindestens ein Teil des endgültigen Ausgabesignals ist.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1 zum Entfernen unerwünschter Datenteile aus gewünschten Datenteilen in einem Konglomerat von Teilen mit den folgenden Stufen:

(i) Auswählen einer Gruppe von Teilen aus dem Konglomerat,

(ii) Verarbeiten der ausgewählten Datenteile durch aufeinanderfolgendes Ordinalwertfiltern mit ansteigender Ordnung zum Erzielen einer ersten Datenausgabe,

(iii) Auswählen mindestens einer unterschiedlichen Gruppe von Teilen aus dem Konglomerat und Verarbeiten jeder unterschiedlichen Gruppe mit der gleichen Aufeinanderfolge von Ordinalwertfiltern mit ansteigender Ordnung zum Erzielen von zweiten und weiteren sich anschließenden Datenausgaben und

(iv) entweder Anlegen der Aufeinanderfolge der Datenausgaben als die gefilterte Ausgabe oder Zusammenfügen der Aufeinanderfolge der Datenausgaben mit anderen Daten zum Ausbilden des gefilterten Ausgabesignals.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 2, wobei, wenn sich das Konglomerat der Datenteile in einer Dimension befindet, wie bei einer Reihe von elektrischen Signalen, deren Amplitude sich ändert und die um einen Abstand und/oder Zeiten auseinanderliegen, die ausgewählten Gruppen Gruppen aufeinanderfolgender Gruppen der sich ändernden Amplitudensignale sind, während, wenn sich das Konglomerat der Datenteile in zwei Dimensionen befindet, wie zum Beispiel die getasteten Beträge eines elektrischen Signals, das sich aus dem Abtasten einer Zeilenfolge in einem fernsehartigen Abtaster ergibt, die ausgewählten Gruppen aufeinanderfolgende ähnliche Anordnungen der getasteten Beträge sind, wobei jede Gruppe getastete Beträge aus zwei oder mehr Zeilen der ursprünglichen Abtastung enthält.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 1, angewendet bei einem Ordinalwert, zum Beispiel Medianfiltern, zum Entfernen von Störgeräuschspitzen, die sich über eine Zeitdauer, eine Fläche oder ein Volumen erstrecken, aus einer Signalabtastung bis zu einem Maximum von (M - 1) Abtastungen, bei dem das Filter eine Serie von Ordinalwertfiltern, im typischen Fall Medianfiltern, mit ansteigender Ordnung enthält und die Anzahl der Abtastungen, die in den an die Aufeinanderfolge der Filter angelegten Gruppen zusammen mit der geometrischen Anordnung der Abtastungen in jeder Gruppe enthalten sind, so ausgewählt wird, daß die für das Gesamtfilter erforderlichen Eigenschaften erzeugt werden.

5. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 unter Verwendung eines Datensiebes, bei dem zwei Masken zum Charakterisieren irgendeines bestimmten Filters verwandt werden, wobei:

(i) eine erste Maske S2 zum Identifizieren sämtlicher Abtastungen oder Teile verwandt wird, die in dem endgültigen Filter der Filterserie enthalten sein sollen;

(ii) die Lage einer der von der ersten Maske S2 umschlossenen Abtastungen als der Ursprung der ersten Maske gewählt wird und eine zweite Maske S1, die kleiner als S2 ist, auf den Ursprung von S2 zentriert wird, um damit eine Untergruppe der Abtastungen durch S2 zu umschließen;

(iii) die Abtastungen, die in einem ersten Ordinalwertfilter der Ordnung 1 einzuschließen sind, als diejenigen außerhalb von S1, aber innerhalb eines kreisförmigen Fensters identifiziert werden, das auf den ausgewählten Ursprung mit einem Radius dergestalt zentriert ist, daß das Fenster gerade solche Abtastungen enthält, die unmittelbar außerhalb S1 liegen;

(iv) die in dem zweiten Ordinalwertfilter der Ordnung 2 enthaltenen Abtastungen durch Inkrementieren des Halbmessers des kreisförmigen Fensters identifiziert werden, bis die außerhalb von S1 liegende nächste Untergruppe von Abtastungen auch vom Fenster umschlossen wird, und

(v) der Halbmesser des Fensters zum Ausbilden dritter und sich anschließender weiterer Fenster nacheinander inkrementiert wird, bis ein Fenster ausgebildet ist, das sämtliche zwischen S1 und S2 liegenden Abtastungen umschließt und welches das endgültige Ordinalwertfilter der Ordnung M ist.

6. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, einschließlich der Stufe des Ausbildens einer Kaskade von verschiedenen Ordinalwertfiltern, die in Reihe vom Ordinalwert 1 bis zum Ordinalwert M verbunden sind, wobei der Ausgang jedes Filters den Eingang des nächsten Filters in der Reihe beaufschlagt, wobei jedes Filter in der Reihe eine höhere Ordnung als das vorhergehende Filter aufweist.

7. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, das die Stufen des Einstellens des Ordnungswertes eines einzigen Ordinalwertfilters im Bereich von 1 bis M und das Speichern des Ausgangssignals von jedem Filtervorgang enthält, während der Filterwert vor dem Zuführen des gespeicherten Signals an den Eingang des geänderten Filters auf den nächsten Wert geändert wird.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 5 mit Verwendung einer Vielzahl von Datensieben, die in einer Anordnung zum gleichzeitigen Filtern einer entsprechenden Vielzahl von Eingangssignalen angeordnet sind.

9. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zum Hochpaßfiltern die Ausgabe des Filters mit der höchsten Ordnung vom unbearbeiteten Eingangssignal abgezogen wird, während zum Bandpaßfiltern die Ausgabe von einem der Ordinalwertfilter in der Kette von der Ausgabe eines früheren Filters abgezogen wird.

10. Ein Verfahren nach Anspruch 1 in Anwendung auf das Filtern zum Absondern von Störsignalspitzen, die in der Zeitdauer zwischen einem Signalabtastintervall bis zu einer maximalen Dauer von H Abtastintervallen liegen, mit den folgenden Stufen:

(i) Medianfiltern des Geräuschsignals mit einem Filterwert N = n,

(ii) anschließend Medianfiltern der Ausgabe vom Medianfilter mit einem Filterwert (n + 1) und anschließend aufeinanderfolgend mit Filtern mit einem pro Stufe um 1 ansteigenden Wert und

(iii) Zuführen der Ausgabe der endgültigen Medianfilterstufe, bei der N = M ist, als das Ausgangssignal.

11. Ein Ordinalwertfilter zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei der Ordinalwert einstellbar ist und Mittel zum Inkrementieren der Ordnung um 1 nach jeder aufeinanderfolgenden Zufuhr von Daten zum Filter vorgesehen sind, zusammen mit mit dem Eingang und/oder Ausgang des Filters zusammenwirkenden Speichermitteln zum Speichern der gefilterten Signale und Zuführen des gespeicherten Signals zum Eingang des Filters für einen sich anschließenden Durchgang durch das Filter, und vorzugsweise Mittel zum Zählen, um festzustellen, wann ein gewünschter Ordnungswert erreicht worden ist, um dann das Verfahren abzuschließen und die gespeicherte Information als ein Ausgangssignal freizugeben.

12. Gerät zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Vielzahl von Ordinalwertfiltern, die mit dem Ausgang des ersten, das mit dem Eingang des zweiten verbunden ist und so weiter, in Reihe liegen, wobei jedes sich anschließende Filter eine ansteigende Ordnung ausgehend von einem mit dem ersten Filter verbundenen niedrigen Wert bis zu einem mit dem letzten in der Reihe verbundenen hohen Wert aufweist, wobei der Ordnungswert im typischen Fall von einem Filter zum nächsten in der Reihe um 1 zunimmt.