DE4143179A1

DE4143179A1 - Noise redn. in motion detector for video signals - median filtering before suppression of below-threshold amplitudes and beyond-cut=off frequencies from detector output

Info

Publication number: DE4143179A1
Application number: DE4143179A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Wischermann
Original assignee: BTS Broadcast Television Systems GmbH
Current assignee: Philips GmbH
Priority date: 1991-12-30
Filing date: 1991-12-30
Publication date: 1993-07-01

Abstract

The signal (7) delayed by one field period of the picture is subtracted (9) from the undelayed signal (1). The amt. of difference (11) regardless of sign is low-pass filtered (13) and compared with a threshold (14) to reduce uniformly distributed noise. To overcome the effects of intense and esp. impulsive noise, a median filter (16) is introduced comprising several delay devices (17) of pixel or line duration and a median selector (18). The correction factor (k) is then obtd. (12) conventionally. ADVANTAGE - Differencing of delayed and undelayed signals reduces or eliminates both uniformly distributed and impulsive noise, so that only interference is suppressed and signal components representing real movement are retained.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs und betrifft ferner eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.The invention is based on a method according to the genus Main claim and also relates to a circuit arrangement for Execution of the procedure.

Zur Reduktion von Rauschen in Videosignalen sind Schaltungen bekannt, welche auf dem Prinzip der zeitlich rekursiven Filterung beruhen. Durch die Rückführung eines um ein Bild verzögerten Ausgangssignals auf den Eingang eines Rekursivfilters wird der Rauschanteil über mehrere Bildperioden gemittelt und damit verringert. Der Grad der Rauschreduktion hängt dabei von der Größe des zurückgeführten Bildsignals im Verhältnis zum Eingangssignal ab. Diese bekannten Filterschaltungen reduzieren gleich verteilte Störungen, wie weißes Rauschen, Filmkornrauschen oder Bandrauschen einer Magnetaufzeichnungsanlage sehr effektiv, allerdings nur für unbewegte Bilder.Circuits are used to reduce noise in video signals known, which is based on the principle of temporally recursive Filtering based. By returning one picture delayed output signal to the input of a The noise component is recursive over several image periods averaged and thus reduced. The degree of noise reduction depends on the size of the returned image signal Ratio to the input signal. These well-known Filter circuits reduce equally distributed interference, such as white noise, film grain noise, or tape noise Magnetic recording system very effective, but only for still pictures.

Um bei bewegten Bildern oder einem Kameraschwenk ein Nachziehen durch das Rekursivfilter zu vermeiden, ist bei einem durch die DE 31 21 597 C2 bekannt gewordenen System zur Verminderung des Rauschens in einem Fernsehsignal ein Bewegungsdetektor vorgesehen, der die Größe des zurückgeführten Videosignals in Abhängigkeit von im Bild vorliegender Bewegung steuert. Bei dem bekannten System wird ein Bewegungssignal durch Differenzbildung zwischen dem unverzögerten und dem verzögerten Videosignal gewonnen. In diesem Bewegungssignal ist jedoch zunächst wie beim Eingangssignal Rauschen vorhanden, welches den Bewegungsdetektor negativ beeinflußt. So kann starkes Rauschen als Bewegung fehlinterpretiert werden und das rekursive Filter erreicht nicht die optimale Rauschreduktion. Um dies nicht zur Steuerung des rekursiven Filters heranzuziehen, wird gleich verteiltes Rauschen mit Hilfe einer Schwellwertschaltung und eines Tiefpasses unterdrückt. Bei starken Rauschen und insbesondere bei Impulsrauschen versagt jedoch dieser Bewegungsdetektor.To follow up on moving pictures or a camera pan To avoid by the recursive filter is to be avoided by the DE 31 21 597 C2 known system for reducing the Noise in a television signal a motion detector provided the size of the returned video signal in Controls dependence on the movement in the image. In which known system is a motion signal through Difference formation between the undelayed and the delayed Video signal won. However, in this motion signal initially there is noise as with the input signal, which negatively affects the motion detector. So strong can Noise can be misinterpreted as movement and that recursive filter does not achieve the optimal noise reduction. In order not to control the recursive filter to use, is distributed noise with the help of a Threshold switching and a low pass suppressed. At strong noise and especially with impulse noise fails however, this motion detector.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, in dem durch Differenzbildung zwischen dem unverzögerten und dem verzögerten Signal erzeugten Bewegungssignal sowohl gleichverteiltes Rauschen als auch impulsförmiges Rauschen zu reduzieren bzw. zu eliminieren, so daß möglichst nur das Rauschen, nicht jedoch tatsächliche Bewegung darstellende Signalanteile unterdrückt werden.The present invention is therefore based on the object in that by forming the difference between the undelayed and the delayed signal generated motion signal both equally distributed noise as well as pulsed noise reduce or eliminate, so that if possible only that Noise, but not actual movement Signal components are suppressed.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the in the characterizing part of the claim 1 specified features solved.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß die Vorzüge der Rekursivfilterung und der Medianfilterung vereint werden, nämlich unbegrenzte Reduktion von gleichverteiltem Rauschen, Eliminierung von Impulsstörungen, unverzögertes störbefreites Ausgangssignal, geringer Schaltungsaufwand, da nur zweidimensionales Medianfilter erforderlich ist.The inventive method with the characteristic Features of claim 1 has the advantage that the Advantages of recursive filtering and median filtering combined become, namely unlimited reduction of equally distributed Noise, elimination of impulse interference, instantaneous interference-free output signal, low circuit complexity, because only two-dimensional median filter is required.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer mehrkanaligen Verarbeitung von Farbvideosignalen, wie dies zum Beispiel bei Komponentensignalen Y, P_R, P_B der Fall ist. Dabei ist es vollkommen ausreichend, ein Bewegungssignal nur aus dem Luminanzsignal abzuleiten, und damit die Rekursivfilter aller drei Kanäle gemeinsam zu steuern. Somit hat ein zusätzliches zweidimensionales Medianfilter den gleichen Effekt wie drei dreidimensionale Medianfilter. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß das Medianfilter nicht im Hauptsignalweg liegt. Dadurch können Bildartefakte bei hochfrequenten Details und bei Bewegung deutlich reduziert werden.The measures listed in the subclaims allow advantageous developments and improvements of the method specified in claim 1. Particularly advantageous is the application of the method according to the invention in a multi-channel processing of color video signals, as is the case for example when component signals Y, P _R, P _B. It is entirely sufficient to derive a motion signal only from the luminance signal and thus to control the recursive filters of all three channels together. An additional two-dimensional median filter thus has the same effect as three three-dimensional median filters. Another advantage of the invention is that the median filter is not in the main signal path. This can significantly reduce image artifacts for high-frequency details and movement.

In einem weiteren Unteranspruch ist eine vorteilhafte Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.Another advantageous claim is an advantageous circuit specified for carrying out the method according to the invention.

Die Medianfilterung ist ein an sich bekanntes Verfahren, beispielsweise aus DE 40 01 552 A1. Bei der Medianfilterung wird das Videosignal innerhalb einer Umgebung - meist Fenster genannt - betrachtet. Dazu wird das Videosignal über eine Kette von Verzögerungsleitungen geführt, die aus einer Kombination von Bildpunkt-, Zeilen- oder Bildverzögerungselementen besteht. Die Verzögerungselemente sind im allgemeinen so angeordnet, daß zu dem jeweils aktuellen Bildpunkt die unmittelbar benachbarten Bildelemente aus der aktuellen Zeile, den Nachbarzeilen und den benachbarten Bildern dem sogenannten Medianselektor zugeführt werden. Dieser Medianselektor wählt dann aus dem Betrachtungsfenster dasjenige Bildelement mit dem mittleren Amplitudenwert aus. Sollte das Bildsignal also impulsartig gestört sein, tritt innerhalb einer homogenen Umgebung eine positive oder negative Signalspitze auf. Die gestörten Bildelemente sind also durch einen maximalen oder minimalen Amplitudenrang gekennzeichnet und werden vom Medianselektor nicht durchgereicht, sondern durch ungestörte Bildelemente aus der Nachbarschaft ersetzt. Das Medianfilter erreicht somit die Störsignalbefreiung nach einem Substitutionsprinzip und ist besonders wirkungsvoll bei Impulsstörungen wie Signalausfällen, Filmkratzer, Filmstaub, Bitfehlern und sogenannten HF-Glitches, wie sie bei einem gestörten Satellitenkanal auftreten.Median filtering is a known process for example from DE 40 01 552 A1. With median filtering the video signal is within an environment - mostly windows called - considered. To do this, the video signal is connected via a chain led by delay lines made of a combination of pixel, line or image delay elements. The delay elements are generally arranged so that the immediately adjacent ones for the current pixel Picture elements from the current line, the neighboring lines and the adjacent images fed to the so-called median selector will. This median selector then chooses from the Viewing window that picture element with the middle Amplitude value. So the image signal should be pulsed to be disturbed occurs within a homogeneous environment positive or negative signal peak. The disturbed Image elements are therefore by a maximum or minimum Amplitude rank marked and are from the median selector not passed through, but characterized by undisturbed picture elements the neighborhood replaced. The median filter thus reaches the Noise signal release based on a substitution principle and is particularly effective in case of impulse disturbances like signal failures, Film scratches, film dust, bit errors and so-called HF glitches, as they occur with a disturbed satellite channel.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is in the drawing shown and in the description below explained. Show it:

Fig. 1 Ein Blockschaltbild eines bekannten Rekursivfilters, Fig. 1 is a block diagram of a known recursive filter,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Bewegungsdetektors, Fig. 2 is a block diagram of a motion detector according to the invention,

Fig. 3A u. 3B zwei vorteilhafte Konfigurationen des Medianfilterfensters. Fig. U 3A. 3B shows two advantageous configurations of the median filter window.

Gleich Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.The same parts have the same reference numerals in the figures Mistake.

Bei der in Fig. 1 dargestellten bekannten Schaltung eines Rekursivfilters liegt an Klemme 1 das Videosignal, dessen Rauschanteil reduziert werden soll. Dieses Videosignal wird nun über eine Multiplizierschaltung 2, in welches es mit dem Faktor (1-k) multipliziert wird, einem ersten Eingang einer Addierstufe 3 zugeführt. Von der Addierstufe 3 gelangt es zu einer Verzögerungseinrichtung 4, welche das Bild um eine Bildperiode verzögert. Derartige Verzögerungseinrichtungen sind hinreichend bekannt und werden in vorteilhafter Weise mit Hilfe eines digitalen Vollbildspeichers realisiert. Das am Ausgang der Verzögerungseinrichtung 4 anstehende verzögerte Signal wird über eine zweite Multiplizierschaltung 5, in welcher es mit dem Faktor k multipliziert wird, dem zweiten Eingang der Addierstufe 3 zugeleitet. Somit wirkt die aus den Schaltungen 2, 3, 4 und 5 bestehende Anordnung als sogenanntes rekursives Filter, welches die nicht von Vollbild zu Vollbild wiederkehrenden Signalamplituden mittelt und somit reduziert.In the known circuit of a recursive filter shown in FIG. 1, the video signal is present at terminal 1 , the noise component of which is to be reduced. This video signal is then fed to a first input of an adder 3 via a multiplier circuit 2 , in which it is multiplied by the factor (1-k). From the adder stage 3 it arrives at a delay device 4 which delays the picture by one picture period. Such delay devices are well known and are advantageously implemented using a digital frame memory. The present at the output of the delay means 4 delayed signal is fed to the second input of the adder 3 via a second multiplier circuit 5, in which it is multiplied by the factor k. The arrangement consisting of circuits 2 , 3 , 4 and 5 thus acts as a so-called recursive filter which averages and thus reduces the signal amplitudes which do not recur from frame to frame.

Durch die den Multiplizierschaltungen 2 und 5 zugeführten Faktoren (1-k) und k wird der Grad dieser Mittelung bestimmt. Je mehr sich k dem Wert 1 nähert, desto stärker ist die Wirkung des Filters, umso größer ist also die Zeit, über die die Mittelung (Integration) erfolgt. An den Schaltungspunkten 6 oder 7 kann das Fernsehsignal mit reduziertem Rauschen abgenommen werden. Bei unbewegten Bildern ist eine praktisch unbegrenzte Rauschreduzierung möglich, wenn eine beliebig lange Integration stattfindet.The degree of this averaging is determined by the factors (1-k) and k supplied to the multiplier circuits 2 and 5 . The closer k approaches the value 1, the stronger the effect of the filter, the longer the time over which the averaging (integration) takes place. At circuit points 6 or 7 , the television signal can be picked up with reduced noise. With still images, a practically unlimited noise reduction is possible if the integration is of any length.

Bei bewegten Bildern oder einem Kameraschwenk führt die Integration jedoch zu Unschärfen an Kanten bzw. Nachziehen bewegter Bilddetails, so daß sie zu vermindern ist, wenn im Bild Bewegungen auftreten. Hierzu ist ein sogenannter Bewegungsdetektor 8 vorgesehen. Dieser besteht im wesentlichen aus einer Differenzbildungseinrichtung 9, mit deren Hilfe die Differenz zwischen dem unverzögerten und dem verzögerten Signal gebildet wird. Da die Beeinflussung auf die Rauschverminderung vom Vorzeichen der Änderung des Bildinhalts unabhängig sein soll, wird von der Differenz in der Einrichtung 11 der Betrag gebildet. Je nach Größe der Änderungen wird in der Schaltung 12 ein Korrekturfaktor k bzw. (1-k) für den Grad der Rauschreduzierung erzeugt.In the case of moving pictures or a camera pan, however, the integration leads to blurring at the edges or tracing of moving picture details, so that it must be reduced if movements occur in the picture. For this purpose, a so-called motion detector 8 is provided. This essentially consists of a difference-forming device 9 , by means of which the difference between the undelayed and the delayed signal is formed. Since the influence on the noise reduction should be independent of the sign of the change in the image content, the amount is formed from the difference in the device 11 . Depending on the size of the changes, a correction factor k or (1-k) for the degree of noise reduction is generated in the circuit 12 .

Da außer Bewegungen auch Rauschen zu einem Ausgangssignal der Einrichtung 9 führt, welches jedoch nicht zur Steuerung des Integrationsvorganges herangezogen werden soll, sind zwischen die Einrichtung 11 und die Schaltung 12 ein Tiefpaßfilter 13 und eine Schwellwertschaltung 14 geschaltet. Diese bewirken eine Reduzierung des gleichverteilten Rauschens. Bei starken und insbesondere impulsförmigen Rauschen versagt jedoch dieser Bewegungsdetektor.Since, in addition to movements, noise also leads to an output signal from the device 9 , which, however, should not be used to control the integration process, a low-pass filter 13 and a threshold value circuit 14 are connected between the device 11 and the circuit 12 . These reduce the evenly distributed noise. However, this motion detector fails in the case of strong and in particular pulse-shaped noise.

Dieser Nachteil wird mit dem erfindungsgemäßen Bewegungsdetektor gemäß Fig. 2 behoben. Bei dieser Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird über die Differenzbildungseinrichtung 9 das Eingangssignal von Klemme 1 als auch das Ausgangssignal von Klemme 7 der Einrichtung 11 zugeführt. Am Ausgang der Einrichtung 11 ist erfindungsgemäß ein Medianfilter 16, bestehend aus mehreren Verzögerungseinrichtungen 17 mit Bildpunkt- oder Zeilendauer und einem Medianselektor 18 angeschlossen. Der Ausgang des Medianselektors 18 ist ggf. über das HV-Tiefpaßfilter 13 sowie die Schwellwertschaltung 14 mit der Schaltung 12 zur Erzeugung des Korrekturfaktors (1-k) und k verbunden. This disadvantage is eliminated with the motion detector according to the invention shown in FIG. 2. In this circuit, for performing the method according to the invention, the input signal from terminal 1 and the output from terminal 7 of the device 11 is supplied via the differencing means. 9 According to the invention, a median filter 16 , consisting of several delay devices 17 with pixel or line duration and a median selector 18, is connected to the output of the device 11 . The output of the median selector 18 is optionally connected via the HV low-pass filter 13 and the threshold circuit 14 to the circuit 12 for generating the correction factor (1-k) and k.

Für die Anwendung des zweidimensionalen (in H- und V-Richtung wirkenden) an sich bekannten Medianfilters 16 in einem Bewegungsdetektor haben sich als besonders vorteilhafte Konfigurationen die in den Fig. 3A und 3B dargestellten Filterfenster ergeben. Das quadratische Filterfenster gemäß Fig. 3A weist dabei normalerweise 3 × 3 Bildpunkte und das kreuzförmige Filterfenster gemäß Fig. 3B fünf Bildpunkte auf (ausgezogene Linien).For the application of the two-dimensional median filter 16 (which acts in the H and V directions), known per se, in a motion detector, the filter windows shown in FIGS . 3A and 3B have emerged as particularly advantageous configurations. The quadratic filter window shown in FIG. 3A in this case has usually 3 × 3 pixels, and the cross-shaped filter window shown in FIG. 3B five pixels on (solid lines).

Durch den Einsatz des Medianfilters im Bewegungsdetektor wird das Bewegungssignal auch bei im Videosignal auftretenden Impulsrauschen nicht gestört. Sollte das Videosignal durch eine horizontal ausgeprägte Störung (zum Beispiel Signalausfall) oder durch eine vertikal ausgeprägte Störung (zum Beispiel Filmkratzer) beeinträchtigt sein, so wird sie im Bewegungsdetektor ausgefiltert, und der voreingestellte Wert der Rauschreduktion wird nicht zurückgenommen. Die Störung wird zwar nicht ganz eliminiert, ist aber stark abgeschwächt. Im folgenden wird beispielsweise der Zusammenhang zwischen dem Korrekturfaktor k, dem Störabstandsgewinn für weißes Rauschen und dem Störabstandsgewinn für Impulsrauschen angegeben: Bei einem k-Faktor von 0,5 ist der Störabstandsgewinn für weißes Rauschen 4,7 dB und für Impulsrauschen 6 dB, bei einem k-Faktor von 0,7 ist der Störabstandsgewinn für weißes Rauschen 7,5 dB und für Impulsrauschen 10,4 dB, bei einem k-Faktor von 0,9 ist der Störabstandsgewinn für weißes Rauschen 12,7 dB und für Impulsrauschen 20 dB.By using the median filter in the motion detector the motion signal also in those occurring in the video signal Impulse noise not disturbed. If the video signal is through a horizontally pronounced disturbance (e.g. signal failure) or by a vertically pronounced disorder (for example Film scratches), it will be affected in the Filtered motion detector, and the preset value the noise reduction is not canceled. The disorder will not entirely eliminated, but weakened considerably. in the The following is an example of the relationship between the Correction factor k, the signal-to-noise ratio gain for white noise and the signal-to-noise ratio gain for impulse noise: At A k-factor of 0.5 is the gain for white Noise 4.7 dB and for pulse noise 6 dB, with a k-factor of 0.7, the noise margin gain for white noise is 7.5 dB and for impulse noise is 10.4 dB, with a k-factor of 0.9 the noise margin gain for white noise is 12.7 dB and for Impulse noise 20 dB.

Das Medianfilter unterdrückt jedoch nicht nur Impulsrauschen, sondern auch gleichverteiltes Rauschen, was der Erzeugung eines rauschfreien Bewegungssignals zugute kommt. Im Sinne einer weiteren Störabstandsverbesserung im Bewegungsdetektor können die Filterfenster gemäß Fig. 3A und Fig. 3B auch derart vergrößert werden, daß das quadratische Fenster 5×5 Bildpunkte und das kreuzförmige Fenster 9 Bildpunkte aufweist (gestrichelte Umrandung). However, the median filter not only suppresses impulse noise, but also equally distributed noise, which benefits the generation of a noise-free motion signal. In the sense of a further motion detector Störabstandsverbesserung in the filter window, according to Fig. 3A and Fig. 3B also be enlarged so that the square windows having 5 x 5 pixels and the cross-shaped window 9 pixels (dotted outline).

Das lineare zweidimensionale Tiefpaßfilter 13 dient ebenso der Störabstandsverbesserung des Bewegungssignals und kann sehr einfach ausgeführt werden oder sogar entfallen. In jedem Fall muß es dem Medianfilter 16 nachgeschaltet sein. Bei umgekehrter Reihenfolge würde zum Beispiel eine Störung, die nur in einer Zeile auftritt, auf die Nachbarzeilen ausgedehnt. Sie wäre somit nicht mehr singulär und könnte vom nachgeschalteten Medianfilter 16 nicht mehr unterdrückt werden.The linear two-dimensional low-pass filter 13 also serves to improve the signal-to-noise ratio of the motion signal and can be carried out very easily or even be omitted. In any case, it must be connected after the median filter 16 . In the reverse order, for example, a disturbance that only occurs in one line would be extended to the neighboring lines. It would therefore no longer be singular and could no longer be suppressed by the downstream median filter 16 .

Claims

1. A method for reducing noise in a signal of a motion detector for video signals, a part of the amplitude range of the signal lying below a threshold value and a part of the frequency range of the signal lying above a cutoff frequency being suppressed, characterized in that the signal of the motion detector before Partial signal suppression is median filtered.

2. The method according to claim 1, characterized in that the Signal is linearly two-dimensionally filtered.

3. The method according to claim 2, characterized in that for two-dimensional median filtering the one medium Image element locally adjacent image elements can be used.

4. The method according to claim 3, characterized in that the neighboring picture elements are arranged square.

5. The method according to claim 3, characterized in that the neighboring picture elements are arranged in a cross shape.

6. The method according to claim 1 for multi-channel processing of color video signals, characterized in that the Motion signal from only one of the video signals, preferably is derived from the luminance signal, and that the Motion detectors of all video channels can be controlled.

7. Circuit for performing the method according to claim 1, characterized in that the movement signal generated by forming the difference between the undelayed and the delayed video signal after absolute value formation is fed to a median filter 16 that the output of the median filter - possibly via a low-pass filter ( 13 ) - with a Threshold circuit ( 14 ) is connected, and that the output of the threshold circuit is connected to the input of the circuit ( 12 ) for generating the correction factor.