DE69611518T2 - Datenfilterung - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Filtern von Daten. Vorzugsweise wird die Erfindung angewandt bei einem Bilddatenrauschfilter. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen Fernsehempfänger mit einem derartigen Rauschfilter.
• In EP-A-0.581.059 wird ein Verfahren zum Filtern von Rauschanteilen in Fernseh- oder Videosignalen mit Hilfe einer Rauschreduktionsschaltung mit einem ersten Eingang, der das Eingangssignal empfängt, und einem zweiten Eingang, der einen NF-Teil eines teilbildverzögerten Ausgangssignals der Rauschreduktionsschaltung empfängt. Zwischen einem Ausgang der Rauschreduktionsfilters und der Teilbildverzögerungsschaltung gibt es ein Dezimierfilter zum Reduzieren der Datenrate des Ausgangssignals der Rauschreduktionsschaltung. Insbesondere wird die Bandbreite um einen Faktor 2 reduziert, wobei die Datenrate um denselben Faktor reduziert wird und die Bitauflösung von 8 Bits zu 7 Bits reduziert wird. Zwischen der Teilbildverzögerungsschaltung und dem zweiten Eingang der Rauschreduktionsschaltung ist ein Interpolationsfilter vorgesehen. Das Vorhandensein des Dezimierfilters und des Interpolationsfilters ermöglicht die Verwendung eines Teilbildverzögerungsfilters mit einer reduzierten Speicherkapazität. Wenn beabsichtigt wird, eine weitere Reduktion der erforderlichen Speicherkapazität zu erzielen, treten störende Artefakte auf, wenn die bekannten Techniken angewandt werden.
• Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Datenfilterung zu schaffen, wobei eine weitere Reduktion der erforderlichen Speicherkapazität erhalten wird, ohne dass störende Artefakte entstehen. Dazu schafft ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, wie in Anspruch 1 definiert. Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft eine Anordnung, wie in Anspruch 8 definiert. Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft einen Fernsehempfänger, wie in Anspruch 9 definiert. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform schafft die Erfindung ein Verfahren zur Datenfilterung, wobei dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst: das Verarbeiten von Daten zum Erhalten reduzierter Daten, das Verzögern der reduzierten Daten zum Erhalten verzögerter Daten, das Interpolieren der verzögerten Daten zum Erhalten interpolierter Daten, und das Kombinieren der interpolierten Daten und der Eingangsdaten zum Erhalten gefilterter Daten, wobei der Interpolationsschritt den Schritt umfasst, um aus vielen verzögerten Datenelementen abhängig von den Eingangsdaten ein verzögertes Datenelement zu schaffen.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 eine Ausführungsform eines Fernsehempfängers mit einem zeitlich unterabgetasteten rekursiven bewegungsadaptiven Rauschfilter erster Ordnung nach der vorliegenden Erfindung; und
• Fig. 2 eine Darstellung von Positionen von Blöcken und Pixeln in einer nicht linearen Interpolation nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verarbeiten von Videosignalen erfordert oft, dass das Videosignal einer vorhergehenden Zeile, eines vorhergehenden Teilbildes oder Bildes bekannt ist. Dies bedeutet, dass Elemente zum Schaffen der erforderlichen Verzögerung, wie Zeilen-, Teilbild- und Bildspeicher erforderlich sind. Wenn der Speicher für eine bestimmte Art von Verarbeitung benutzt wird, die nur den unteren Frequenzinhalt des verzögerten Signals braucht (beispielsweise Rauschfilterung) kann der Inhalt der Speicher unterabgetastet werden, wie dies in EP-A-0.581.059 beschrieben ist. Vor der Unterabtastung ist meisten ein Tiefpassfilter vorgesehen und hinter dem Unterabtastspeicher ist meistens ein Interpolationsfilter vorgesehen.
• Wenn nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Unterabtastfrequenz absichtlich unterhalb des Nyquist-Kriteriums gewählt worden ist, ist in dem verzögerten unterabgetasteten Signal nicht genügend Information verfügbar um auf erfolgreiche Weise das ursprüngliche Signal zu rekonstruieren. Die zur Rekonstruktion erforderliche zusätzliche Information kann aus dem nicht verzögerten aktuellen Signal erhalten werden.
• Die Idee ist, Information in dem nicht verzögerten aktuellen Signal zu verwenden als Hilfe bei der Rekonstruktion der Information des verzögerten Signals. Insbesondere werden einige Interpolationskandidaten aus dem verzögerten unterabgetasteten Signal berechnet, und der Kandidat, der die kleinste absolute Differenz mit einem Bezugspixel in dem nicht verzögerten aktuellen Signal hat, wird als das interpolierte Pixel des verzögerten Signals gewählt.
• Die Speichermenge, erforderlich für ein zeitlich rekursives bewegungsadaptives Rauschfilter erster Ordnung kann durch Ersatz des bekannten Teilbidspeichers auf Pixelbasis durch einen unterabgetasteten Teilbildspeichers auf Blockbasis, siehe Fig. 1. In Fig. 1 wird ein Eingangsvideosignal I wird einem Subtrahierer 1 zugeführt, wobei ein zweiter Eingang desselben ein rekonstruiertes verzögertes Signal R empfängt. Ein Ausgangssignal des Subtrahierers 1 wird einem Bewegungsdetektor 2 zugeführt zum Erhalten eines Bewegungssignals k, mit dem das Ausgangssignal des Subtrahierers 1 in einem Multiplizierer 3 multipliziert wird. Ein Ausgangssignal des Multiplizierers 3 wird zu dem rekonstruierten, verzögerten Signal R durch einen Addierer 5 hinzuaddiert zum Erhalten eines rauschreduzierten Ausgangssignals. Das rauschreduzierte Ausgangssignal O wird einer weiteren Videosignalverarbeitungsschaltung 15 zugeführt (beispielsweise Helligkeits- und Kontrasteinstellung, Verstärkung usw.) wobei das Ausgangssignal einer Wiedergabeeinheit 17 zugeführt wird. In dem Rauschfilter wird das rauschreduzierte Ausgangssignal O einer Blockmittehvertsbestimmungsschaltung 7 zugeführt zum Bestimmen eines Mittelwertes für jeden Block von 4 · 8 Pixeln, wie in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2 geben die dicken Linien und die Majuskeln Blöcke an, während die dünnen Linien Pixel angeben. Ein Ausgangssignal der Blockmittelwertsbestimmungsschaltung 7 wird einer Blockteilbildverzögerungsschaltung 9 zugeführt, die mehrere verzögerte Datenelemente zu einem bilinearen Interpolator 11 liefert.
• Auf diese Weise speichert die Blockteilbildverzögerungsschaltung 9 nur den Mittelwert von Blöcken von Pixeln in dem Teilbild. Die Blockgröße ist beispielsweise 4 Zeilen vertikal zu 8 Pixeln Horizontal. Dies ergibt eine Datenreduktion um einen Faktor 32, was viel mehr ist als im Stand der Technik. Zum Wiederherstellen des Teilbildes zu der ursprünglichen Abtastrate wird eine bilineare Interpolation angewandt. Wenn aber das Ausgangssignal des bilinearen Interpolators 11 als das rekonstruierte Videosignal R benutzt wird, werden sichtbare Artefakte nahe bei den Rändern in dem ursprünglichen Bild sichtbar. Dies wird verursacht durch das Fehlen hoher Frequenzen in dem interpolierten unterabgetasteten Signal, d. h. die Ränder herrührend aus dem interpolierten unterabgetasteten Teilbildspeicher werden "weicher". Die Stärke der bewegungsadaptiven nicht linearen Filterung ist abhängig von der Differenz zwischen den beiden Impulsen. Wegen des "weichen" Randes durch den Teilbildspeicher wird diese Differenz in der Nähe des Randes zunehmen. Dies wird wieder die Stärke des Rauschfilters örtlich verringern. Auf diese Weise führt die Rauschfilterung, angewandt auf die Kombination aus dem Eingangssignal mit großer Bandbreite und dem verzögerten NF-Signal zu einem sichtbaren Durchbruch des Rauschanteils nahe bei scharfen Rändern in dem Ausgangsbild.
• Nach der vorliegenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der bilineare Interpolator 11 durch ein nicht lineares Filter vergrößert, das imstande ist, zwischen mehreren Interpolationskandidaten zu wählen, damit die örtlichen Differenzen abnehmen. Dazu werden einer Selektionsschaltung 13 mehrere verzögerte Datenelemente von der Blockteilbildverzögerungsschaltung 9 zugeführt. Der bilineare Interpolator 11 liefert ein interpoliertes Datenelement zu der Selektionsschaltung 13. Die Selektionsschaltung 13 empfängt ebenfalls ein Eingangsdatenelement von dem Eingangsvideosignal I, beispielsweise das aktuell empfangene Pixel p. Die Selektionsschaltung 13 selektiert eines der Datenelemente aus der Blockteilbildverzögerungsschaltung 9 und dem bilinearen Interpolator 11 in Abhängigkeit von dem Eingangsdatenelement p. Insbesondere wird das Datenelement, das die kleinste absolute Differenz mit dem Eingangsdatenelement p zeigt, als ein rekonstruiertes Datenelement R dem Subtrahierer 1 und dem Addierer 5 zugeführt.
• Auf diese Weise ist nach der bevorzugten Ausführungsform das Kriterium für den besten Kandidaten die absolute Differenz zwischen dem Kandidaten und dem Bezugspixel. Das Bezugspixel ist das Pixel an der aktuelle Position in dem nicht verzögerten aktuellen Bild. Nebst eines bilinear interpolierten Datenelementes von dem Interpolator 11 hat das nicht lineare Interpolationsfilter (Selektionsschaltung 13) vier zusätzliche Eingänge. Dies sind die Werte von vier umgebenden Blöcken, empfangen von der Blockteilbildverzögerungsschaltung 9. Diese Blöcke sind oben A, unten B, links L und rechts R des aktuellen Blocks C, welcher der Block ist, zu dem das aktuelle Pixel p gehört. Der aktuelle Block C wird durch die bilineare Interpolation der unterabgetasteten Teilbildverzögerungsschaltung 9 dargestellt, wobei diese bilineare Interpolation mit den Blöcken I1 = C, I2 = R, I3 = B und I4, wie in Fig. 2 dargestellt, berechnet wird.
• Es sei bemerkt, dass die oben genannten Ausführungsformen die Erfindung erläutern sollen statt begrenzen, und dass der Fachmann imstande sein wird, im Rahmen der beiliegenden Ansprüche viele alternative Ausführungsformen zu schaffen. Bei der Ausführungsform werden Hauptwerte in der Verzögerungsschaltung gespeichert. Andere repräsentative Werte, wie Medianwerte oder ganz einfach ein (unterabgetasteter) Wert von einer Gruppe von Eingangswerten kann anstelle von Mittelwerten gespeichert werden. Bei der Ausführungsform wird das Bezugspixel, von dem die Selektion abhängig ist, durch das aktuell empfangene Pixel p gebildet. Auf alternative Weise kann das Bezugspixel eine bestimmte Tiefpassfilterung erfahren haben, u. a. zum Erhalten eines geschmeidigeren Schaltverhaltens. Bei der Ausführungsform wird ein verzögertes Datenelement aus mehreren verzögerten Datenelementen selektiert. Eine weichere Selektion ist ebenfalls möglich, wobei das vorgesehene Datenelement das Ergebnis einer gewichteten Filterung an den verzögerten Datenelementen ist, wobei die Gewichtungen abhängig sind von den absoluten Differenzen zwischen den verzögerten Datenelementen und dem Bezugspixel. Während die Ausführungsform eine Teilbildverzögerungsschaltung zeigt, sind andere Verzögerungsschaltungen, wie eine Zeilenverzögerungsschaltung oder eine Bildverzögerungsschaltung durchaus möglich. Wenn eine Zeilenverzögerungsschaltung benutzt wird, sind die gespeicherten Datenelemente repräsentativ für die betreffenden Gruppen benachbarter Pixel auf einer Zeile. Es ist nicht notwendig, dass in jeder Zeile Gruppen mit derselben horizontalen Positionen gewählt werden zum Berechnen eines repräsentativen Wertes; die repräsentativen Werte, die in der Zeilenverzögerungsschaltung gespeichert sind, können aus Gruppen gewählt werden, die in der horizontalen Richtung von Zeile zu Zeile verschieben sind zum Bilden einer Art von Fünfpunktunterabtastmusters. Eine derartige Verschiebung von Zeile zu Zeile führt zu einer verringerten Anzahl Artefakte. Ein weniger regelmäßiges Muster ist ebenfalls möglich: beispielsweise wenn einer von acht Abtasterten gespeichert wird, ergab eine zeilenwechselnde horizontale Positionsverschiebung von +2 und -2 Abtastwerten gute Resultate bei dem Reduzieren von Artefakten. Statt Blöcke von 4 · 8 Pixeln sind andere Blockgrößen auch möglich, wenn zweidimensionale Gruppen zu einem repräsentativen Wert reduziert werden. Auch hier brauchen die Blockgrenzen nicht an denselben horizontalen Positionen durch das ganze Teilbild hindurch zu liegen. Andere verzögerte repräsentative Werte können der Selektionsschaltung 13 zusätzliche zu oder anstelle von den vier Werten A, B, L, R zugeführt werden. Statt einer bilinearen Interpolation kann ein anderer Interpolationsalgorithmus benutzt werden. Die Kombinationsanordnung 1, 3, 5 kann durch einen ersten Multiplizierer ersetzt werden zum Multiplizieren des Eingangssignals I mit k, durch einen zweiten Multiplizierer zum Multiplizieren des rekonstruierten Signals R mit 1-k, und einen Addierer zum Summieren der beiden Multiplikationsergebnisse. Die Ausführungsform nach Fig. 1 zeigt eine sehr einfache Kombination von verzögerten und Eingangssignalen, und zwar wird ein einziger Eingangsabtastwert p mit einem Abtastwert aus dem rekonstruierten Signal R kombiniert. Es erübrigt sich zu sagen, dass fortschrittlichere Kombinationen durchaus möglich sind, beispielsweise die Kombination, dargestellt in WO-A-95116322 (Aktenzeichen der Anmelderin PHN 14.777), wobei 3 Eingangsabtastwerte und 5 verzögerte Abtastwerte kombiniert werden, wobei im Grunde nur diejenigen Abtastwerte berücksichtigt werden, die weniger als eine bestimmte Schwelle von dem aktuellen Eingangsabtastwert abweichen. In den Ansprüchen sollen die eingeklammerten Bezugszeichen nicht als den Anspruch beschränkend betrachtet werden. Die Erfindung kann mit Hilfe von Hardware mit vielen bestimmten Elementen und mit Hilfe eines geeignet programmierten Computers implementiert werden.
• Kurz gesagt wird nach der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, den erforderlichen Teilbildspeicher unterabzutasten, damit die Kosten eines zeitrekursiven bewegungsadaptiven Rauschfilters erster Ordnung reduziert werden. Zum Rekonstruieren des Bildinhaltes nach der Unterabtastung wird vorgeschlagen eine nicht lineare Interpolation zu benutzen. Die nicht lineare Interpolation wählt den besten eines Satzes von Interpolationskandidaten. Das Kriterium für den besten Kandidaten ist das Minimum der absoluten Differenz zwischen dem Kandidaten und dem Bezugspixel. Das Bezugspixel ist das Pixel an der aktuellen Position in dem nicht verzögerten aktuellen Bild. Dies wird eine bessere Leistung ergeben, wenn verglichen mit einer bilinearen Interpolation des unterabgetasten Teilbildspeichers.

Claims (9)

1. Verfahren zur Filterung von Videodaten, wobei dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:

das Verarbeiten (7) von Daten (O) zum Erhalten reduzierter Daten,

- das Verzögern (9) der genannten reduzierten Daten zum Erhalten verzögerter Daten,

- das Interpolieren (11, 13) der genannten verzögerten Daten zum Erhalten interpolierter Daten (R), und

- das Kombinieren (1-5) der interpolierten Daten (R) und der Eingangsdaten (I) zum Erhalten gefilterter Daten (O), dadurch gekennzeichnet, dass die genannten reduzierten Daten Gruppen benachbarter Pixel darstellen; und

- der genannte Interpolationsschritt (11, 13) den Schritt (13) umfasst, um aus vielen verzögerten Datenelementen (A, B, C, L, R) abhängig von den Eingangsdaten (I) ein verzögertes Datenelement zu selektieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines (C) der genanten verzögerten Datenelemente (A, B, C, L, R) mit Hilfe einer bilinearen Interpolation (11) auf Basis einer Anzahl der genannten verzögerten Datenelemente (11-14) erhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der genannte Schritt (13) die nachfolgenden Schritte umfasst: das Bestimmen der absoluten Differenz zwischen jedem der genannten verzögerten Datenelemente (A, B, C, L, R) und einem Eingangsdatenelement (p) und das Liefern des verzögerten Datenelementes (A, B, C, L, R) mit der kleinsten absoluten Differenz mit dem genannten Eingangsdatenelement (p) als das genannte interpolierte Datenelement (R).

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die genannten verzögerten Datenelemente (A, B, C, L, R) Elemente sind, die nahe bei dem genannten Eingangsdatenelement (p) in der horizontalen und/oder vertikalen Richtung liegen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannten Eingangsdaten (I), von denen der genannte Schritt (13) abhängig ist, einer Filterung ausgesetzt worden sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der genannte Verarbeitungsschritt (7) den Schritt umfasst der Unterabtastung der genannten Daten in einem Muster, das zwischen aufeinanderfolgenden Zeilen in horizontaler Richtung verschoben ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der genannte Schritt (13) eine Gewichtungsfilterung an den genannten verzögerten Datenelementen (A, B, C, L, R), wobei die Gewichtungen von den genanten Eingangsdaten (I) abhängig sind.

8. Anordnung zum Filtern von Videodaten, wobei diese Anordnung die nachfolgenden Elemente umfasst:

- Mittel zum Verarbeiten (7) von Daten (O) zum Erhalten reduzierter Daten,

- Mittel zum Verzögern (9) der genannten reduzierten Daten zum Erhalten verzögerter Daten,

- Mittel zum Interpolieren (11, 13) der genannten verzögerten Daten zum Erhalten interpolierter Daten (R); und

- Mittel zum Kombinieren (1-5) der genannten interpolierten Daten (R) und der Eingangsdaten (I) zum Erhalten gefilterter Daten (O);

dadurch gekennzeichnet, dass die genannten reduzierten Daten Gruppen benachbarter Pixel darstellen; und

- die genannten Interpolationsmittel (11, 13) Mittel (13) aufweisen zum Selektieren eines verzögerten Datenelementes aus vielen verzögerten Datenelementen (A, B, C, L, R) abhängig von den genannten Eingangsdaten (I).

9. Fernsehempfänger, der die nachfolgenden Elemente umfasst:

- eine Datenfilteranordnung, wie in Anspruch 8 definiert,

- Videodatenverarbeitungsmittel (15) zum Verarbeiten der gefilterten Daten (O) zum Erhalten eines Wiedergabesignals, und

- eine Wiedergabeeinheit (17) zum Wiedergaben des Wiedergabesignals.