DE4319342C2 - Verfahren zur Reduktion von Störungen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs und betrifft ferner eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Reduktion von Rauschstörungen 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, weißes Rauschen, Filmkornrauschen oder Bandrauschen einer Magnetaufzeichnungsanlage sehr effektiv, allerdings nur für unbewegte Bilder.

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 gleichverteiltes Rauschen mit Hilfe einer Schwellwertschaltung und eines Tiefpasses unterdrückt. Bei starkem Rauschen und insbesondere bei Impulsrauschen versagt jedoch dieser Bewegungsdetektor.

Des weiteren ist aus der DE 33 07 687 C2 ein System zur Verminderung des Rauschens in einem Fernsehsignal bekannt, bei welchem das Fernsehsignal um eine Bildperiode verzögert und das verzögerte und unverzögerte Fernsehsignal nach Differenzbildung und Bewertung mit einem Korrekturfaktor dem unverzögerten Fernsehsignal hinzuaddiert wird und bei welchem durch Differenzbildung zwischen dem verzögerten und dem unverzögerten Signal ein Bewegungssignal abgeleitet wird. Dieses Bewegungssignal wird über eine Einrichtung mit steuerbarer Übertragungscharakteristik geführt und zur Bildung eines Korrekturfaktors herangezogen, wobei die Übertragungscharakteristik mit Hilfe einer aus dem Fernsehsignal abgeleiteten, die Amplitude des Rauschens darstellenden Steuerspannung steuerbar ist. Hierbei ist zur Unterdrückung von Fehlbeurteilungen des Eingangsrauschens während starker Bewegungen im Fernsehsignal die Steuerspannung einer Halteschaltung zugeführt, welche in Abhängigkeit des Bewegungssignals steuerbar ist.

Zur Vermeidung daß der Bewegungsdetektor bei starkem Rauschen und insbesondere bei Impulsrauschen versagt, wird in der nachveröffentlichten DE 41 43 179 A ein Verfahren zur Reduktion von Rauschen in einem Signal eines Bewegungsdetektors für Videosignale vorgeschlagen, bei welchem das Bewegungssignal vor der Rauschabschneidung durch eine Schwellwertschaltung über ein Medianfilter geführt wird. Dadurch kann das Impulsrauschen wesentlich vermindert, jedoch nicht vollständig eliminiert werden.

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 impulsförmige Störungen hoher Amplituden, wie HF-Glitches, Signalausfälle, Filmkratzer etc. vollständig zu eliminieren, so daß nur Störsignale, nicht jedoch tatsächliche Bewegung darstellende Signalanteile unterdrückt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

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 weißen Rauschen, vollständige Eliminierung von Impulsstörungen hoher Amplitude, unverzögertes störbefreites Ausgangssignal, geringer Schaltungsaufwand, da nur ein zweidimensionales Medianfilter erforderlich ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.

In weiteren Unteransprüchen ist eine vorteilhafte Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ein Blockschaltbild eines bereits vorgeschlagenen Bewegungsdetektors,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Bewegungsdetektors,

Fig. 3 Zeitdiagramme von einigen in Fig. 2 auftretenden Signalen.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Bewegungsdetektor gemäß DE 41 43 179 A1 dargestellt. Bekanntlich liegen an den Klemmen 1 bzw. 2 des Bewegungsdetektors das mit Störungen behaftete unverzögerte Video-Eingangssignal V1 bzw. das um eine Bildperiode verzögerte Video-Ausgangssignal V2 eines - beispielsweise aus DE 31 21 597 C2 bekannten-Rekursivfilters an. An den Ausgangsklemmen 3 bzw. 4 sind die Faktoren k bzw. (1-k) für die Multiplizierschaltungen zur Bestimmung des Grades der Mittelung des Rekursivfilters abnehmbar.

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.

Bei unbewegten Bildern ist eine praktisch unbegrenzte Rauschreduzierung möglich, wenn eine beliebig lange Integration stattfindet. 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 Bewegungsdetektor gem. Fig. 1 vorgesehen. Dieser besteht im wesentlichen aus einer Differenzbildungseinrichtung 6, mit deren Hilfe die Differenz zwischen dem unverzögerten und dem verzögerten Signal (V1 - V2) gebildet wird. Da die Beeinflussung auf die Rauschverminderung vom Vorzeichen der Änderung des Bildinhalts unabhängig sein soll, wird von der Differenz in der Einrichtung 6 auch der Betrag (Signal A) gebildet. Je nach Größe der Änderungen wird in der Schaltung 7 ein Faktor k bzw. (1 - k) für den Grad der Rauschreduzierung erzeugt.

Da außer Bewegungen auch Rauschen zu einem Ausgangssignal A der Einrichtung 6 führt, welches jedoch nicht zur Steuerung des Integrationsvorganges herangezogen werden soll, sind zwischen die Einrichtung 6 und die Schaltung 7 ein als Tiefpaßfilter wirkendes zweidimensionales Medianfilter 8 und eine Schwellwertschaltung 9 geschaltet. Diese bewirken eine Reduzierung des gleichverteilten sowie impulsförmigen Rauschens, wobei das über H und V wirkende Medianfilter 8 impulsförmige Störungen hoher Amplitude unterdrückt und die Schwellwertschaltung 9 den durch die Filterung entstandenen Mittelwert des gleichverteilten Rauschens kompensiert. Die Größe des Schwellwertes S0 kann über eine Automatik (wie z. B. in DE 41 37 404 A1 beschrieben) oder vom Bediener manuell eingestellt werden.

Zur Gewinnung des Faktors k bzw. (1 - k) wird nun das mediangefilterte Bewegungssignal M nach Abschneiden des Gleichstrom-Anteils vom Mittelwert des Rauschens in der Schwellwertschaltung 9 als rauschbefreites Bewegungssignal M' der Schaltung 7 über eine fallende Kennlinie zugeführt. Ausgehend vom vorgewählten Wert K0 kann der Korrekturwert K bei steigender Größe des Bewegungssignals bis auf Null abfallen.

Um nun Störimpulse hoher Amplitude sowohl im Video- Eingangssignal V1 als auch im Video-Ausgangssignal V2 vollständig zu eliminieren, ist gem. Fig. 2 zur Umsteuerung der Schaltung 7 eine Einrichtung 11 zur Störimpulserkennung vorgesehen. Diese Einrichtung 11 besteht im wesentlichen aus einer weiterem Subtraktionsstufe 12 mit Einrichtung zur Absolutwertbildung und aus einer Komparatorstufe 13. Ferner ist je ein Laufzeitglied 14 bzw. 15 zum Laufzeitausgleich für die der Komparaturstufe 13 zugeführten Signale bezüglich des mediangefilterten Bewegungssignals vorgesehen.

Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2 soll nun in Verbindung mit den in Fig. 3 dargestellten Zeitdiagrammen näher erläutert werden, wobei in den Signalen V1 und V2 die impulsförmigen Störungen schraffiert sind und das Signal V1 gegenüber dem Signal V2 in der rechten Hälfte bewegt ist.

An den Klemmen 1 und 2 liegen das unverzögerte und das verzögerte Videosignal an. Die Einrichtung 6 gem. Fig. 1 ist in eine Subtraktionsstufe 6' sowie eine Einrichtung 6" zur Absolutwertbildung aufgeteilt, wobei an deren ersten Ausgang D die Differenz (V1 - V2) als Bewegungssignal A und an deren zweiten Ausgang Z ein Vorzeichensignal V abnehmbar sind. Das Bewegungssignal A wird - wie bereits mit Fig. 1 beschrieben - mit Hilfe des Medianfilters 8 sowie der Schwellwertschaltung 9 verarbeitet, und der Faktor k wird über die Größe des Bewegungssignals M' gesteuert.

Enthält nun beispielsweise das Videosignal V1 impulsförmige Störungen, welche im Zeitdiagramm für V1 schraffiert sind, dann treten diese Impulse ebenfalls im Bewegungssignal A auf. Dieses Signal A wird nach Laufzeitausgleich (A') mittels des Laufzeitgliedes 14 dem ersten Eingang der Subtraktionsstufe 12 zugeführt, an deren zweiten Eingang das mediangefilterte Bewegungssignal M liegt. Am Ausgang der Stufe 12 ist dann ein impulsförmiges Signal G abnehmbar. Wie mach leicht erkennt, sind im Zeitdiagramm für das Signal G bei bewegtem Bildinhalt auch eine Reihe von kleineren Impulsen vorhanden, welche jedoch nicht von Störimpulsen herrühren.

Um nun zu einer eindeutigen Identifikation der tatsächlichen Störimpulse zu gelangen, werden die Signale G, M und das Vorzeichensignal V der Komparatorstufe 13 zugeführt. In dieser Stufe wird zum einen das Signal G mit einem Schwellwert S1 verglichen, wobei mit G < S1 Rauschen und kleine Bewegungsamplituden ausgeblendet werden. Wenn man davon ausgeht, daß der Rauschmittelwert bei S0 liegt bzw. der Spitze/Spitze-Wert 2 × S0 ist, so sollte S1 mit 3 × S0 dimensioniert werden. Aus dem Zeitdiagramm für das Signal G ist zu erkennen, daß die Störamplituden deutlich über dem Schwellwert S1 liegen. Weiterhin wird das Signal M in der Stufe 13 mit dem Schwellwert S2 verglichen. Mit der Bedingung M < S2 wird sichergestellt, daß die Stufe 13 nicht auf Bewegung fehlgetriggert wird. Dabei gilt für S2 in guter Näherung:

S2 = S1 = 3 × S0.

Um nun noch zu erkennen, ob der Störimpuls aus dem Video- Eingangssignal V1 oder aus dem Video-Ausgangssignal V2 stammt, muß das Vorzeichensignal V abgefragt werden. Ist das Signal V' = 1, so liegt ein positiver Störimpuls im Videosignal V1 vor.

Sind nun diese drei Bedingungen alle erfüllt, gemäß der Gleichung G' = (V' = 1) & (G < S1) & (M < S2), so wird der Faktor k mittels des Signals G' auf volle Aussteuerung, d. h. k = 1, gebracht. Damit werden die durch Störimpulse gestörten Bildpunkte durch die jeweiligen Bildpunkte des letzten Bildes ersetzt, was einem bildpunktselektiven Einfrieren des Bildes gleichkommt.

Tritt ein Störimpuls im Video-Ausgangssignal V2 auf, dann wird das Vorzeichen negativ, d. h. das Vorzeichensignal V = 0. Damit wird ein zweites Ausgangssignal G" der Stufe 13 erzeugt, gemäß der Gleichung G" = (V' = 0) & (G < S1) & (M < S2), wodurch der Faktor k auf Null gesetzt wird. Somit wird ein Störimpuls aus dem alten Bild nicht neu gespeichert.

Bei Auftreten von negativen Störimpulsen im Eingangssignal V1 muß die Vorzeichenbedingung für das Signal G' bzw. G" mit dem Steuersignal Pol jeweils invertiert werden. In der Praxis ist das jedoch kein Nachteil, weil je nach Ursache immer nur "weiße" Störungen (Kratzer oder Staub auf Negativfilm, gestörter Satellitenkanal), oder nur "schwarze" Störungen (Drop-Outs von der MAZ, Kratzer oder Staub auf Positivfilm) auftreten.

Claims (6)

1. Verfahren zur Reduktion von Störungen im Signal eines Bewegungsdetektors für die Rekursivfilterung von Videosignalen, wobei das Signal mediangefiltert, ein unterhalb eines Schwellwertes liegender Teil des Amplitudenbereiches dieses Signal unterdrückt und dieses danach zur Bildung des das Rekursivfilter steuernden Faktors (k) herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor (k) bei unbewegten oder geringfügig bewegten Bildern in Abhängigkeit von im Video- Eingangssignal (V1) auftretenden Störimpulsen auf den Maximalwert bzw. in Abhängigkeit von im Video-Ausgangssignal (V2) auftretenden Störimpulsen auf den Minimalwert gesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Absolutwertbildung des Differenzwertes zwischen unverzögertem und verzögertem Videosignal (V1, V2) sowohl ein Bewegungssignal (A) als auch dessen Vorzeichen (V) abgeleitet werden, daß vom direkten und dem mediangefilterten Bewegungssignal (A, M) ein weiteres absolutes Differenzwertsignal (G) gebildet wird, und daß in Abhängigkeit von diesem Differenzwertsignal (G) und dem mediangefilterten Bewegungssignal (M) im Vergleich je eines entsprechenden Schwellwertsignals (S1, S2) sowie in Abhängigkeit eines vom Vorzeichen abgeleiteten Vorzeichensignals (V) ein erstes und ein zweites Steuersignal (G', G") gebildet werden, mit welchem der Faktor (k) auf den Maximal- bzw. Minimalwert gesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung jeweils eines der beiden Steuersignale (G' bzw. G") für den Maximal- bzw. Minimalwert des Faktors (k) nur in Abhängigkeit vom Vorzeichensignal (v) erfolgt.

4. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den vorangegangenen Ansprüchen gekennzeichnet durch
eine Subtraktionsstufe (6'), an deren Eingängen das unverzögerte Video-Eingangssignal (V1) sowie das verzögerte Videoausgangssignal (V2) anliegen,
eine Einrichtung (6") zur Absolutwertbildung, deren Eingang mit dem Ausgang der Subtraktionsstufe (6') verbunden ist,
ein zweidimensionales Medianfiler (8), dessen Eingang mit dem Betragssignalausgang (D) der Einrichtung (6") zur Absolutwertbildung verbunden ist,
eine Schwellwertschaltung (9), deren Eingang mit dem Ausgang des Medianfilters (8) verbunden ist,
eine Stufe (7) zur Faktor-Erzeugung, deren Eingang mit dem Ausgang der Schwellwertschaltung (9) verbunden ist,
eine weitere Subtraktionsstufe (12) mit Einrichtung zur Absolutwertbildung, deren erster Eingang an die Einrichtung (6") zur Absolutwertbildung und deren zweiter Eingang an den Ausgang des Medianfilters (8) angeschlosssen ist,
eine mehrere Eingänge und zwei Ausgänge aufweisenden Komparatorstufe (13), von denen der erste Eingang mit dem Ausgang der weiteren Subtraktionsstufe (12), der zweite Eingang mit dem Ausgang des Medianfilters (8) und der dritte Eingang mit dem Vorzeichenausgang (Z) der Einrichtung (6") zur Absolutwertbildung verbunden sind, sowie zwei weitere Eingänge, an denen ein erstes (S1) und ein zweites (S2) entsprechend einstellbares Schwellwertsignal anliegen, und deren Ausgänge mit je einem der Steuereingänge der Stufe (7) zur Faktor-Erzeugung verbunden sind.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Einrichtung (6") zur Absolutwertbildung und erstem Eingang der weiteren Subtraktionsstufe (12) sowie zwischen Vorzeichenausgang (Z) der Einrichtung (6") der Absolutwertbildung und dritten Eingang der Komparatorstufe (13) je ein Laufzeitglied angeordnet ist.

6. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorstufe (13) einen weiteren Eingang aufweist, an welchem ein Steuersignal (Pol) anlegbar ist, mit welchem die Vorzeichenbedingung für das jeweilige Ausgangssignal (G', G") umkehrbar ist.