DE4105517C2 - Verfahren und Vorrichtung zur verbesserten Wiedergabe von Konturen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektronischen Bildverarbeitung und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Wiedergabe von Kon­ turen durch Filterung von Signalen, auch Schärfesteigerung oder elektronische Unscharfmaskierung genannt.

Ein Verfahren zur verbesserten Wiedergabe von Konturen bzw. Schärfesteigerung durch Filterung von Signalen, deren Signalamplituden einer quantisierten zweidi­ mensionalen Bezugsebene zugeordnet sind, ist beispielsweise aus der EP-B 0 051 068 bekannt. Dort werden zunächst in einem Frequenzfilter aus einem Eingangssignal Gleichanteile sowie hochfrequente Signalanteile herausgefiltert und aus dem Ausgangssignal des Frequenzfilters durch weitere Signalfilterung ein Korrektursignal abgeleitet. Das Korrektursignal wird dann dem Eingangssignal zur Verbesserung der Konturenwiedergabe additiv überlagert.

Es zeigt sich, daß die bekannten Verfahren zur verbesserten Wiedergabe von Konturen, die mit einer reinen Signalfilterung arbeiten, insbesondere dann keine befriedigenden Ergebnisse liefern, wenn die Amplituden des Nutzsignals nicht deutlich größer als die Stör- oder Rauschsignalamplituden sind, da Signale mit geringem Störabstand nur unzureichend gefiltert werden können.

Sollen beispielsweise in der elektronischen Reproduktionstechnik Bilder mit klei­ nen vergleichsweise regelmäßigen Textelementen einer Bildverarbeitung unter­ zogen werden, so ist es mit den herkömmlichen Verfahren bereits bei vergleichs­ weise geringem Störabstand nicht möglich, eine befriedigende Schärfesteigerung an den Konturen der Textelemente des Bildes zu erreichen.

In der Druckschrift Jain, Anil K.: "Fundamentals of Digital Image Processing"; Eng­ lewood Cliffs, New Jersey; Prentice-Hall, Inc.; 1989; Seiten 233 bis 266; sind ledig­ lich verschiedene herkömmliche Verfahren zur Schärfesteigerung mittels Filtern und die Wirkungsweise derartiger Filter angegeben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur verbesserten Konturenwiedergabe durch Filterung von Signalen anzu­ geben, mit denen auch bei einem geringen Störabstand der Signale eine gute Schärfesteigerung an Konturen und damit eine gute Bildqualität erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine wesentliche Verbesserung der Bildschärfe und zugleich ein durch einen Abtastvorgang entstandener Aper­ turverlust ausgeglichen. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet im wesentli­ chen als eine nichtlineare Aperturkorrektur, die die Bildschärfe im Detailsignal rekonstruiert und gleichzeitig eine Reduktion von Rauschanteilen durchführt. Durch die Herausfilterung der Signalanteile mit einer Amplitude unterhalb eines vorgebbaren Schwellwertes werden zunächst mit hoher Wahrscheinlichkeit we­ sentliche Rauschsignalanteile entfernt. Die anschließende selektive Löschung von Bildpunkten ermöglicht es, auch Störsignale mit sehr hoher Amplitude zu eliminie­ ren. Nutzsignalanteile mit geringer Amplitude, die durch die Schwellwertkennlinie eliminiert wurden, können durch die Interpolation mit hoher Zuverlässigkeit rekon­ struiert werden. Es entsteht somit im Filterzweig ein Signal, das alle wesentlichen Konturinformationen enthält und nur noch geringe Störsignalanteile aufweist. Die­ ses gefilterte Signal wird dann als Korrektursignal dem ungefilterten Eingangssig­ nal hinzuaddiert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 10 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Filterung von Signalen,

Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung von Amplitudenwerten, die Koordinaten einer gerasterten Ebene zugeordnet sind,

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm zur Eliminierung isolierter Signalanteile,

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm zur Rekonstruktion von Signalanteilen mit Hilfe eines zweidimensionalen Interpolators,

Fig. 5 einen Signalverlauf eines zu filternden Eingangssignals,

Fig. 6 einen Signalverlauf am Ausgang des Bandfilters,

Fig. 7 einen Signalverlauf am Ausgang des Schwellwertfilters,

Fig. 8 einen Signalverlauf am Ausgang des Selektors,

Fig. 9 einen Signalverlauf am Ausgang des Interpolators und

Fig. 10 einen Verlauf des Ausgangssignals nach einer Addition des Eingangssignals und des gefilterten Signals.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Filterung von Signalen besteht im we­ sentlichen aus einer Weiche (1), in der ein Eingangssignal, das einem Eingang (2) zugeführt wird, sowohl einem durchgehenden Zweig (3) als auch einem Filter­ zweig (4) zugeleitet wird. In dem Filterzweig (4) sind ein Bandpaß (5), ein Schwell­ wertfilter (6), ein Selektor (7) sowie ein Interpolator (8) angeordnet. Der Bandpaß (5), der Schwellwertfilter (6), der Selektor (7) und der Interpolator (8) sind inner­ halb des Filterzweiges (4) hintereinander als Reihenschaltung angeordnet. Ein Ausgang des Interpolators (8) ist mit einer Zusammenführung (9) verbunden, in der das über den durchgehen­ den Zweig (3) weitergeleitete Eingangssignal additiv mit dem gefilterten Signal kombiniert wird. Das Kombinationssignal ist an einem Ausgang (10) verfügbar.

In dem Bandpaß (5) werden zunächst mit großer Wahrscheinlichkeit Störanteilen zugeordnete hochfrequente Anteile sowie Gleichanteile des Eingangssignales herausgefiltert. Das derart im Bandpaß (5) aufbereitete Signal wird dem Schwellwertfilter (6) zugeführt. Der Schwellwertfilter (6) weist vorzugsweise sowohl bezüglich positiver als auch bezüglich negativer Signalanteile einen betragsmäßig gleichen Schwellwert auf. Der Schwell­ wert wird in Abhängigkeit von denjenigen Parametern festgelegt, die den Störabstand des Signales bestimmen. Bei Bildern können beispielsweise die Bildschärfe und die Abtastauflösung berücksichtigt werden.

Der Bandpaß (5) arbeitet als ein zweidimensionaler Bandpaß, dies bedeutet, daß bei der Filterung Komponenten in Richtung von unterschiedlichen Koordinatenachsen (11, 12) einer Bezugsebene (13) berücksichtigt werden. Ein Beispiel für eine Anordnung von Amplitudenwerten, die Koordinaten innerhalb der Bezugsebene zugeordnet sind, ist in Fig. 2 dargestellt.

Durch die Beaufschlagung mit dem Schwellwertfilter (6) werden vom Signal, das den Bandpaß (5) verläßt, alle diejenigen Anteile ausgefiltert, denen eine Amplitude zugeordnet ist, deren Betrag kleiner als der vorgegebene Schwellwert ist. Zur Vereinfachung einer nachfolgenden Auswertung wird den am Schwellwertfilter (6) ausgeschiedenen Signalanteilen der Wert Null zugeordnet. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, von Null verschiedene Amplituden mit geringer Amplitudenhöhe vorzusehen.

Das den Schwellwertfilter (6) verlassende Signal wird dem Selektor (7) zugeführt. Hier wird analysiert, ob Koordinaten innerhalb der Bezugsebene (13) existieren, denen eine Amplitude ungleich Null zugewiesen ist und bei denen unmittelbare Nachbarkoordinaten mit einer Amplitude gleich Null versehen sind. Bei einem Auffinden derartiger Koordinaten kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, daß es sich bei den betref­ fenden Signalanteilen um Störungen handelt. Den aufgefundenen Koordi­ naten wird deshalb am Selektor der Wert Null, bzw. zumindest ein nicht wesentlich von Null abweichender Wert, zugeordnet.

Ein Beispiel für den Ablauf des Selektionsprozesses bei einer Amplituden­ zuordnung innerhalb der Bezugsebene (13) gemäß Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Für die Koordinate E wird zunächst überprüft, ob sie einen Wert ungleich Null aufweist. Ist dies nicht der Fall, so kann unmittelbar eine Überprüfung eines nächsten Bildpunktes erfolgen. Ist der Koordinate E eine Amplitude ungleich Null zugeordnet, so werden die Koordinaten in ihrer unmittelbaren Umgebung nacheinander solange geprüft, bis ein Amplitu­ denwert ungleich Null gefunden wurde. Beim Auffinden eines derartigen Amplitudenwertes wird gleichfalls der nächste Bildpunkt analysiert. Weisen sämtliche Koordinaten in der unmittelbaren Umgebung der Koor­ dinate E den Amplitudenwert Null auf, so wird die der Koordinate E zuge­ ordnete Amplitude auf Null gesetzt. Prinzipiell ist es möglich, bei der Über­ prüfung eines nächsten Bildpunktes innerhalb eines vorangegangenen Zyklus gewonnene Informationen bezüglich der Amplitudenwerte von bestimmten Koordinaten zu berücksichtigen. Aufgrund der bei einer digi­ talen Realisierung mit sehr geringem Zeitaufwand durchzuführenden Über­ prüfung auf einen Wert gleich Null bzw. einen Wert ungleich Null kann jedoch auch der in Fig. 3 dargestellte Ablauf für jeden einzelnen Bildpunkt mit sehr geringem Zeitaufwand durchlaufen werden.

Das den Selektor (7) verlassende Signal wird dem Interpolator (8) zugeführt. Der gleichfalls wie der Bandpaß (5) zweidimensional wirkende Interpolator (8) wird in einer geschalteten Betriebsweise betrieben und ermöglicht es, Konturverläufe mit geringer Amplitude zu rekonstruieren. Ein Ablaufdia­ gramm zur Verdeutlichung der Arbeitsweise des Interpolators (8) ist in Fig. 4 dargestellt. Bei Zugrundelegung einer Signalstruktur entsprechend Fig. 2 wird zunächst geprüft, ob die einer bestimmten Koordinate zugeordnete Amplitude den Wert Null aufweist. Ist dies der Fall, so werden die Amplitu­ denwerte der Koordinaten in einer unmittelbaren Umgebung addiert und durch die Anzahl der addierten Signale geteilt. Dieser Mittelwert wird anschließend der zu untersuchenden Koordinate zugewiesen. Prinzipiell ist es möglich, in Abhängigkeit von bevorzugten Konturrichtungen innerhalb der Informationsstruktur eine gewichtete Interpolation vorzunehmen. In Abhängigkeit von den Bewertungsfaktoren gehen dabei die Amplituden­ werte der benachbarten Koordinaten mit unterschiedlicher Gewichtigkeit in die Mittelwertbildung ein. Neben einer Berücksichtigung nur der unmit­ telbaren Nachbarkoordinaten ist es auch möglich, größere Felder innerhalb der Signale auszuwerten. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, auch Stei­ gungen oder Krümmungen im Signalverlauf zu berücksichtigen.

Die Ausgangssignale des Interpolators (8) werden in der Zusammenführung (9) zu dem unveränderten Eingangssignal addiert. Am Ausgang (10) liegt somit ein Signal an, das alle Informationen des Eingangssignales enthält und trotzdem einen wesentlichen größeren Störabstand aufweist.

Zur Verdeutlichung der Funktionsweise des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Fig. 5 bis 10 typische Signalverläufe dargestellt. Alle Signal­ verläufe sind jeweils in einem Koordinatenkreuz dargestellt, das aus einer Zeitachse (14) und einer Amplitudenachse (15) ausgebildet ist. Fig. 5 zeigt einen Eingangssignalverlauf (16), wie er am Eingang (2) anliegt. In Fig. 6 ist ein Ausgangssignal (17) des Bandpasses (5) dargestellt, in dem bereits hochfrequente Anteile und Gleichanteile eliminiert sind. Fig. 7 zeigt ein Ausgangssignal (18) des Schwellwertfilters (6). Es ist ersichtlich, daß die in Fig. 6 noch eingezeichneten Signalanteile mit einer Amplitude unterhalb eines Schwellwertes (19) eliminiert wurden. In Fig. 8 ist das Ausgangssignal (20) des Selektors (7) dargestellt, durch den diejenigen Signalanteile, in deren unmittelbarer Umgebung innerhalb der Bezugsebene (13) keine Amplitudenwerte gleich Null vorhanden waren, eliminiert worden sind. Das in Fig. 8 dargestellte Ausgangssignal (20) des Selektors (7) wird in dem Interpolator (8) zu dem in Fig. 9 dargestellten Ausgangssignal (21) umgeformt. Durch eine Interpolation zwischen Amplitudenwerten benachbarter Koordinaten innerhalb der Bezugsebene (13) werden hier Nutzsignalanteile mit einer geringen Amplitude rekonstruiert. Durch eine Addition des Ausgangssignales (21) und des Eingangssignalverlaufes (16) in der Zusammenführung (9) entsteht der in Fig. 10 dargestellte Ausgangssignalverlauf (22), der am Ausgang (10) verfügbar ist. Die in den Fig. 5 bis 10 zur Vergrößerung der Anschaulichkeit lediglich bezüglich einer der Koordinatenachsen (11, 12) dargestellten Signalverläufe ent­ sprechen im wesentlichen aufgrund der zweidimensionalen Wirkungswei­ sen des Bandpasses (5) und des Interpolators (8) einem Signalverlauf bezüglich beliebiger Orientierungen innerhalb der Bezugsebene (13). In dem Schwellwertfilter (6) ist es möglich, neben einer Eliminierung der Signalanteile mit einer Amplitude unterhalb des Schwellwertes (19) eine Verstärkung der verbleibenden Signalanteile durchzuführen und hierdurch zu einer weiteren Verbesserung des Störabstandes beizutragen.

Eine Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung können bei einer Vielzahl von Anwendungen erfolgen, bei denen einer Bezugsebene zuord­ bare Signalverläufe gefiltert werden sollen. Ein typisches Beispiel ist die Filterung von Bildern in der Reproduktionstechnik. Es sind aber auch eine Vielzahl anderer Anwendungsmöglichkeiten denkbar. In der Bildver­ arbeitung können dies beispielsweise die Qualitätsverbesserung von über Telefaxeinrichtungen oder Bildtelefone übertragener Bildinforma­ tionen sein, es ist aber auch möglich, Fernsehbilder, auf Videogeräten aufgezeichnete Bilder oder Satellitenbilder einer Filterung zu unterwerfen, um verrauschte Konturen innerhalb der Bilder herauszuarbeiten. Generell kann das Verfahren und die Vorrichtung aber auch außerhalb des Gebietes der Bildverarbeitung verwendet werden. Prinzipiell tritt überall bei der Auswertung von einer Fläche zuordbaren Signalverläufen das Problem auf, daß die Nutzsignalanteile von Störungen überlagert sind. Als Beispiel sei hier nur die Aufnahme eines Temperaturprofils einer Fläche angeführt. Bei Parameterkonstellationen, die in einem Parameterraum größerer Dimension dargestellt werden, ist es entweder möglich, jeweils dreidimensionale Teilstrukturen einer Filterung zu unterwerfen, oder die beispielsweise in den Fig. 3 und 4 beschriebenen Verarbei­ tungsalgorithmen derart vektoriell durchzuführen, daß bei den jeweiligen Operationen die zu berücksichtigenden Parameter in Vektoren und Matri­ xen geeigneter Dimensionierung angeordnet werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Filterung von Signalen, deren Signalamplituden einer quantisier­ ten zweidimensionalen Bezugsebene durch Koordinatenwerte zugeordnet sind, bei dem

• - in einem Bandpaß (5) aus einem Eingangssignal Gleichanteile sowie hoch­ frequente Signalanteile herausgefiltert werden,
• - aus dem Ausgangssignal des Bandpasses (5) ein Korrektursignal abgeleitet wird und
• - das Korrektursignal dem Eingangssignal zur Verstärkung eines Nutzsignal­ anteiles des Eingangssignals in einem Addierer (9) hinzuaddiert wird,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - aus dem Ausgangssignal des Bandpasses (5) Signalanteile mit unterhalb eines vorgebbaren Schwellwertes (19) liegenden Signalamplituden in einem Schwellwertfilter (6) eliminiert werden,
• - aus dem Ausgangssignal des Schwellwertfilters (6) innerhalb der Be­ zugsebene (13) isolierte Signalanteile in einem Selektor (7) eliminiert werden,
• - für Signalamplituden des Ausgangssignals des Selektors (7) innerhalb der Bezugsebene (13), deren Werte im wesentlich gleich Null sind, durch Interpolation eine Signalrekonstruktion von Nutzsignalanteilen mit einer geringen Amplitude in einem Interpolator (8) durchgeführt wird und
• - das Ausgangssignal des Interpolators (8) als Korrektursignal verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rekonstruk­ tion der Nutzsignalanteile mit einer geringen Amplitude in dem Interpolator (8) eine zweidimensionale Interpolation mindestens zwischen denjenigen Ampli­ tudenwerten des Ausgangssignals des Selektors (7) durchgeführt wird, deren zugeordnete Koordinatenwerte innerhalb der Bezugsebene (13) jeweils in der Umgebung eines bei der Rekonstruktion zu bearbeitenden zentralen Bezugs­ koordinatenwertes liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Signalfilterung im Bandpaß (5) zweidimensional durchgeführt wird,
• - bei der Signalfilterung im zweidimensionalen Bandpaß (5) und bei der zwei­ dimensionalen Interpolation im Interpolator (8) eine Quantisierung der Be­ zugsebene (13) bezüglich sich senkrecht zueinander erstreckender Ko­ ordinatenachsen (11,12) verwendet wird und
• - zur Interpolation jeweils mindestens acht Amplitudenwerte herangezogen werden, deren zugeordnete Koordinatenwerte jeweils in der Umgebung eines zentralen Bezugskoordinatenwertes liegen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eliminierung der isolierten Signalanteile aus dem Ausgangssignal des Schwellwertfilters (6) in dem Selektor (7) durch Zuweisung eines Amplituden­ wertes Null zu den zugeordneten Koordinatenwerten der Bezugsebene (13) durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eliminierung der isolierten Signalanteile aus dem Ausgangssignal des Schwellwertfilters (6) in dem Selektors (7)

• - jeweils diejenigen Amplitudenwerte, deren zugeordnete Koordinatenwerte jeweils in der Umgebung eines zentralen Bezugskoordinatenwertes liegen, daraufhin überprüft werden, ob ihr Amplitudenwert gleich Null ist und
• - für den Fall einer vollzähligen Auffindung von Amplitudenwerten gleich Null der Amplitudenwert des zentralen Bezugskoordinatenwertes auf Null ge­ setzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rekonstruktion der Nutzsignalanteile mit einer geringen Amplitude in dem Interpolator (8)

• - jeweils diejenigen Amplitudenwerte, deren zugeordnete Koordinatenwerte jeweils in der Umgebung eines zentralen Bezugskoordinatenwertes liegen, addiert werden und die Summe durch die Anzahl der berücksichtigten Am­ plitudenwerte dividiert wird und
• - der derart ermittelte Mittelwert dann dem Bezugskoordinatenwert als Amplitudenwert zugeordnet wird, wenn dieser einen Amplitudenwert gleich Null aufweist.

7. Vorrichtung zur Filterung von Signalen, deren Signalamplituden einer quanti­ sierten zweidimensionalen Bezugsebene zugeordnet sind, bestehend aus

• - einer ein Eingangssignal in einen Hauptzweig (3) und einen Filterzweig (4) trennenden Weiche (1),
• - einem im Filterzweig (4) angeordneten Bandpaß (5) zur Herausfilterung von Gleichanteilen sowie hochfrequenten Signalanteilen aus dem Eingangs­ signal und
• - einem in dem Hauptzweig angeordneten Addierer (9) zur Addition des Ein­ gangssignals mit einem Korrektursignal zur Verstärkung eines Nutzsignal­ anteils des Eingangssignals, gekennzeichnet durch
• - einen dem Bandpaß (5) nachgeschalteten Schwellwertfilter (6) zur Elimi­ nierung von Signalanteilen mit unter einem vorgebbaren Schwellwert (19) liegenden Amplitudenwerten aus dem Ausgangssignal des Bandpasses (5),
• - einem dem Schwellwertfilter (6) nachgeschalteten Selektor (7) zur Elimi­ nierung von innerhalb der Bezugsebene (13) isolierten Signalanteilen aus dem Ausgangssignal des Bandpasses (5) und
• - einem dem Selektor (7) nachgeschalteten Interpolator (8) zur Signalrekonstruktion von Nutzsignalanteilen mit einer geringen Amplitude durch Interpolation.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandpaß (5) als ein bezüglich von unabhängigen Koordinatenachsen (11,12) der Be­ zugsebene (13) wirksamer zweidimensionaler Filter ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Se­ lektor (7) einen Nullkomparator aufweist, der Amplitudenwerte innerhalb der Bezugsebene (13) auf einen Wert gleich Null überprüft.