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Die
Erfindung betrifft einen gewichteten Medianfilterinterpolator im
Speziellen für
einen Umwandlungsprozess eines Videosignals von interlaced (verschachtelt)
nach progressiv.
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Gewichtete
Medianfilter gehören
zum Stand der Technik (siehe z. B. Lit. [1]). Diese stellen einen allgemeinen
Ansatz zum Einordnen von abhängigen Medianoperatoren
dar. Die Verallgemeinerung betrifft ein Sample-abhängiges Gewicht/Sample-abhängige Gewichte,
die als Wiederholungsoperator der entsprechenden Samples betrachtet
werden können. Diesem
Verständnis
folgend bedeutet ein Gewicht von „0", dass das entsprechende Sample nicht
in der Einordnungsoperation mitberücksichtigt wird.
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Umwandlung
von interlaced nach progressiv bezieht sich auf das Problem der
Interpolation der fehlenden Zeilen in einem interlaced abgetasteten
Video-Signal durch Verwendung eines Signalinterpolations-Algorithmus
(IPC Algorithmus) zur Darstellung eines resultierenden Signals in
einem progressiven Abtastraster. Mehr oder weniger bewegungsunempfindliche
Verfahren für
die Abtastrasterumwandlung wurden vorgeschlagen und sind bekannt
(s. z. B. Lit. [2] und [3]).
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Hinsichtlich
des IPC Interpolationsprozesses werden in bekannter Weise sogenannte
Medianfilter mit fünf
Anschlüssen
verwendet. Wie in Lit. [2] offenbart entsprechen die Eingaben der
Filter beispielsweise den entsprechenden Pixel des vorhergehenden
und des nächsten
Frames, deren linearem Mittel und den Pixel von den Zeilen darüber und
darunter. Entsprechend wurden ebenso Medianfilter mit drei Anschlüssen für die 100
Hz Umwandlung von interlaced nach interlaced vorgeschlagen (siehe
Lit. [4]).
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Probleme
mit den bekannten oder früher
vorgeschlagenen Filtern sind deren ungünstige Eigenschaften entweder
in der Zeitdomäne,
d. h. schlechter Bewegungsdarstellung und zurückbleibende Flimmerartefakte
in progressiven Darstellungsmoden oder im räumlichen Bereich der Verlust
an Auflösung und
vertikalen Fuzzy-Kanten.
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Weitere
Information hinsichtlich des Standes der Technik kann
EP 0 629 083 entnommen werden, worin
ein Gerät
zur interlaced nach progressiv Abtastumwandlung und ein Verfahren
mit einer doppel-glättenden
Funktion zum Verhindern von Bildeinbußen bereitgestellt werden,
wobei das Abtastverfahren für
ein Fernsehsignal von einem interlaced Abtastverfahren in ein progressives
Abtastverfahren umgewandelt wird. Das Gerät enthält einen doppel-glättenden
Schaltkreis bestehend aus einem Medianfilter zum Median-Filtern
eines interlaced Abtastsignals, einer Zensureinrichtung zum Zensieren
des Median-gefilterten Signals bezüglich eines bestimmten kritischen
Werts, einen Reihenfolgestatistik-Filter zum Einstellen eines bestimmten
Gewichtskoeffizienten für
das zensierte Signal und dieses beinhaltet zudem einen Umwandler
von interlaced nach progressiv für
das doppel-geglättete
interlaced Abtastsignal in ein progressives Abtastsignal. Falls
kein Rauschen im Eingabesignal vorliegt, wird eine Doppel-Glättung hinsichtlich
des Eingabesignals ausgelassen und es wird lediglich die Umwandlung
von interlaced nach progressiv durchgeführt. Eine Kombination von verschiedenen
Filtern kann in einem Reihenfolgestatistik-Filter gemäß der Ausgabe
der Zensureinheit ausgeführt
sein.
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EP 0 610 701 offenbart,
dass beim Umwandeln eines digitalen Videosignals in ein progressives Videosignal
mit dem Interlaceverhältnis
2:1 oder in ein Videosignal mit der doppelten Feldfrequenz neue Zeilen
zwischen den ursprünglichen
Zeilen jedes empfangenen Feldes unter Verwendung linearer Interplation
beim Erzeugen jedes neuen Pixels interpoliert werden. Jedoch ist
die Bildqualität
nicht bestmöglich,
da Hochfrequenzinformation aufgrund der Eigenschaften der Interpolation
verloren gehen. Das Bild lässt
sich durch Bereitstellen des Pixels im vorgehenden, ursprünglichen
Feld an einer Position entsprechend zur Position des interpolierten
Pixels und der Pixel oberhalb und unterhalb davon für jedes
interpolierte Pixel des interpolierten Bildes an einen Hochpassfilter
wesentlich verbessern. Die gefilterte Signalkomponente des Hochpassfilters
wird als Hochfrequenzinformation dem Wert des interpolierten Pixels,
welches z. B. durch Mitteln erhalten wird, hinzuaddiert.
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US 5,126,843 lehrt, dass
in einer Schaltkreisanordnung zum Herstellen interpolierter Signale Amplituden
einer Mehrzahl von nächsten
Pixelsignalen verglichen werden und die Größenordnung derartiger Pixelsignale
bestimmt wird, wonach ein Interpolationssignal zwischen größten und
kleinsten Amplituden abgeleitet wird, z. B. benachbart zu den größten oder
kleinsten Amplituden oder deren Mittelung. Das so abgeleitete Interpolationssignal
kann in vorteilhafter Weise zum Vor-Abtasten eingesetzt werden,
was einer Verdoppelung der Anzahl der Pixel in jeder horizontalen
Abtastzeile eines dargestellten Videobildes zur Verdoppelung der
horizontalen Abtastzeilen in einem Feld entspricht oder zum Kompensieren
von Aussetzern und Desgleichen.
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Basierend
auf den bekannten Vorschlägen von
gewichteten Medianfiltermethoden ist es ein Ziel der Erfindung Interpolationsfilter
für die
Umwandlung von Videosignalen von interlaced nach progressiv hinsichtlich
mehr Flexibilität
in Abhängigkeit
von zu bestimmten Zeitpunkten verfügbaren Quellenfeldern zu verbessern.
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Ein
gewichteter Medianfilterinterpolator für die Umwandlung von Videosignalen
von interlaced nach progressiv wird erfindungsgemäß durch
eine Einrichtung zum Abstimmen bestimmter Filtermodi durch Einstellen
der Gewichte derart angegeben, dass die Anzahl der zu einem bestimmten
Zeitpunkt zu verarbeitenden Mediansamples immer ungeradzahlig ist.
Bevorzugt beträgt
das Gewicht eines einzelnen Samples entweder „0" oder „1". Als vorteilhafteste Ausführungsform
wird erfindungsgemäß ein Medianfilter
mit fünf
Anschlüssen
verwendet, dessen gegenwärtige
Filterapertur von dem ausgewählten Filtermodus,
der durch die entsprechende Anzahl von Samplegewichten entsprechend
den verfügbaren
Quellenfeldern zu einem bestimmten Zeitpunkt definiert wird abhängt.
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Erfindungsgemäß wird eine
bestimmte Einstellung von Gewichten zum Definieren eines spezifischen
IPC Interpolationsfilters ausgewählt.
Somit stellt ein allgemeiner IPC Interpolationsfilter gemäß einem
ausgewählten
Modus eine spezifische Ausgabequalität in Abhängigkeit von den verfügbaren Quellenfeldern
bereit.
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Im
Speziellen definieren bei einem Medianinterpolator mit fünf Anschlüssen zwei
Untergruppen zwei alternative Interpolationsfilter die in einer
gewichteten Medianfilterstruktur mit fünf Anschlüssen enthalten ist. Beispielsweise
ist bei einem gewichteten Median-IPC-Filter mit fünf Anschlüssen eine
dreidimensionale Filterapertur realisierbar, die sich über eine
horizontale, eine vertikale und eine zeitliche Dimension von drei
aufeinanderfolgenden Fel dern eines eingehenden interlaced Videosignals
erstreckt, im Besonderen falls ein räumliches Linearfilterausgangssample
verwendet wird. Die gegenwärtige
Filterapertur hängt
vom Filtermodus ab und damit von den entsprechenden Samplegewichten.
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Das
Filterverhalten ändert
sich mit den Modi in Abhängigkeit
von den Gewichten der Quellensignalsamples, die vorzugsweise ein
oberstes Pixel T, ein unteres Pixel B, ein vorhergehendes (Feld)
Pixel B, ein nachfolgendes (Feld) Pixel S und ein lineares Quellensignalsample,
das vorzugsweise ein horizontales/vertikales lineares Filtersample
ist, darstellen.
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Das
Gewicht eines einzelnen Samples kann entweder „0" oder „1" sein. Die durch die Erfindung spezifizierten
Gewichteinstellungen sind derart, dass die Anzahl von Mediansamples
immer ungeradzahlig ist, d. h. vorzugsweise und im Falle eines Medianfilters
mit fünf
Ausgängen „1", „3" oder „5". Durch diese erfindungsgemäße Auswahl
wird der Medianoperator eindeutig. Beträgt beispielsweise die Anzahl
der „1" entsprechenden Gewichte
drei, so wird der Median von diesen drei Samples abgeleitet, wobei
im Falle, dass die Anzahl der „1" entsprechenden Gewichte fünf beträgt der Median
von diesen fünf
Gewichten abgeleitet wird.
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Spezifische
und vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung und weitere Details werden im Folgenden mit Bezug
zu den begleitenden Abbildungen beschrieben, welche nicht die Erfindung
einschränkend
zu betrachten sind und deren Umfang durch die unabhängigen Ansprüche und
im Falle von abhängigen
Ansprüchen
unter zusätzlicher
Berücksichtigung
der allgemeinen Kenntnisse eines Fachmanns auf diesem Gebiet der
IPC Interpolation definiert werden.
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1 visualisiert
drei vertikal-zeitliche Abtastrastermodule unter Verwendung eines
gewichteten Medianfilters mit fünf
Anschlüssen,
dessen Filteraperturen über
drei verschiedene Einstellungen definiert sind;
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2 zeigt
ein IPC Modul mit einem gewichteten Medianoperator mit fünf Anschlüssen, bei
welchem die Gewichte aller fünf
Anschlüsse
auf „1" eingestellt sind;
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3 stellt
ein durch einen Medianoperator mit drei Anschlüssen realisiertes IPC Modul
sowie eine Auswahl der Gewichte mit „1" für
ein oberstes Pixel T, ein unteres Pixel B und ein vorhergehendes Pixel
P (siehe mittlerer Teil von 1) dar;
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4 zeigt
ein durch einen Medianoperator mit drei Anschlüssen realisiertes IPC Modul
durch Auswahl dreier Gewichte als „1", d. h. zur Berücksichtigung eines obersten
Pixels T, eines unteren Pixels B und eines vorhergehenden Pixels
S (siehe ebenso rechter Teil des Bildes in 1);
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5 zeigt
ein Zeilenverzögerungsschema für eine IPC
Filtersynchronisation mit drei und fünf jeweils als „1" ausgewählten Gewichten
eines Medianoperators mit mehreren Anschlüssen;
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6 stellt
eine grundlegende Version eines funktionellen Operatorschemas zur
Erzeugung der Medianausgabe von fünf Eingabewerten durch dreimaliges
Aussortieren des Maximums dar; und
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7 zeigt
eine modifizierte Version eines gewichteten Operators mit fünf Anschlüssen zur
Realisierung eines Algorithmus zum Auffinden des Medians von fünf Eingabewerten,
von denen einer die Ausgabe eines linearen Filterteils nutzt.
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In 1 bis 4 wird
der „Schwerpunkt des
Interpolators" oder
mit anderen Worten das „Zentrum
der Filteroperation" unterlegt
und jeweils mit einer schattierten Fläche gerahmt.
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Der
linke Teil von 1 zeigt den auf einen Medianoperator
mit fünf
Anschlüssen
anzuwendenden Schwerpunkt, wobei – erfindungsgemäß – alle Gewichte
auf „1" eingestellt sind.
Entsprechend beträgt
die Anzahl der Mediansamples fünf.
Der Filter tastet Samples von drei aufeinanderfolgenden Feldern
ab und der Schwerpunkt liegt am vorhergehenden Eingabefeld, wodurch
eine Ausgabeverzögerung um
ein Feld (siehe 2) verursacht wird. Für diese „Einstellung
1" werden die Mediansamples
von dem obersten Pixel T, einem unteren Pixel B, einem vorhergehenden
(Feld) Pixel P, einem nachfolgenden (Feld) Pixel S und von einer
räumlichen
Linearfilterausgabe abgeleitet, im vorliegenden Fall einem vertikalen
Filtersample FIR, das gemäß der linearen Funktion
FIR X = (T + B)/2 gefiltert ist.
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Wie
in 7 gezeigt, werden bei Vergleich mit der grundlegenden
Version eines Medianoperators mit fünf Eingabewerten aus 6 bei
Verwendung des räumlichen
Linearfilterausgabesamples zwei Komparatoren eingespart, wodurch
die Struktur des Medianoperators mit fünf Anschlüssen vereinfacht wird, wobei
im Falle der 6 der Medianwert gemäß der Funktion
erzeugt wird: MEDIAN (a, b, c, d, e) = MAX{MIN[MIN(a,
W); MAX(X, Y)]; MAX[MIN(X; Y); Z]},mit
- W
- = MAX{b; MAX(c; MAX(d;
e)]}
- X
- = MIN{b; MAX[c; MAX(d;
e)]}
- Y
- = MAX{MIN[c; MAX(d,
e)]; MIN(d; e)}
- Z
- = MIN{MIN[c; MAX(d,
e)]; MIN(d; e)}.
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Mit
der vereinfachenden Annahme a ≤ c ≤ e oder e ≤ c ≤ d aus 6,
welche zur folgenden Annahme in 7 führt: T ≤ linear ≤ B oder B ≤ linear ≤ T wird der
Medianoperator mit fünf
Anschlüssen
aus 7 durch die einfachere Funktion definiert: MEDIAN = MAX{MIN(W, X), MAX(Y, Z)},mit
- W
- = MIN{S, MAX[P, MAX(T,
B)]}
- X
- = MAX{MIN(P, MAX(T,
B)]; linear}
- Y
- = MIN{MIN[P, MAX(T,
B)]; linear}
- Z
- = MIN{T, B}.
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Mit
Bezug auf 1 visualisiert der mittlere Teil
dieser Figur als "Einstellung
2" einen Medianmodus
mit drei Anschlüssen
unter Verwendung eines vorhergehenden Feldsamples durch Einstellen
dreier der fünf
möglichen
Gewichte auf „1" und zwei Gewichte
auf „0", d. h. T = 1, B
= 1, P = 1, S = 0, linear = 0. Wie in 3 gezeigt,
wird dadurch ein IPC Modul mit einem Medianoperator mit drei Anschlüssen realisiert,
welcher als „Vorgänger-Medianoperator mit drei
Anschlüssen" bezeichnet werden
kann.
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Wird
wiederum der rechte Teil betrachtet, so zeigt 1 einen
dritten möglichen
Betriebsmodus, bei welchem der Filter Samples von zwei aufeinanderfolgenden
Feldern abruft und der Schwerpunkt bei dem gegenwärtigen Eingabefeld
liegt, wodurch keine Ausgabeverzögerung
erzeugt wird. In diesem als "Einstellung
3" bezeichneten
Modus werden wieder drei der fünf
mögli chen
Gewichte als „1" ausgewählt, d.
h. T = 1, B = 1, S = 1, wobei zwei Gewichte auf „0" eingestellt werden, d. h. P = 0 und
linear = 0. Wie in 4 gezeigt wird durch diese Einstellung
ein IPC Modul realisiert, das als „Nachfolger-Medianoperator
mit drei Anschlüssen" bezeichnet werden
kann.
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Das
Diagramm aus 5 visualisiert die entsprechenden
Zeilen und Feldverzögerungen
für jeden
der oben erläuterten
IPC Interpolationsmodi, d. h.
- – für den Vorgänger-Medianmodus
mit drei Anschlüssen
- – Fall
A: ungerade Felder gehen ein;
- – Fall
B: gerade Felder gehen ein;
- – für den Nachfolger-Medianmodus
mit drei Anschlüssen
- – Fall
C: ungerade Felder gehen ein;
- – Fall
D: gerade Felder gehen ein; und
- – für den Medianmodus
mit 5 Anschlüssen
mit
- – Fall
E: vertikale ungerade Felder gehen ein,
- – Fall
F: gerade Felder gehen ein.
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Die
Felder mit grauer Unterlegung betreffen Quellenzeilen, die für eine entsprechende
IPC Filterprozessierung erforderlich sind, wobei ein vertikaler Strich
die entsprechenden zu interpolierenden Felder kennzeichnet. Die
schattierten Flächen
kennzeichnen ebenso die Filteraperturen für jeden Fall und die entsprechende
Verzögerung
für die
eingehenden Referenzzeilen ist ebenso dargestellt.
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Bei
Verwendung eines gewichteten Medianfilterinterpolators gemäß der Erfindung
sind die zu erzielenden wesentlichen Vorteile eine verbesserte IPC Interpolationsleistungsfähigkeit
verglichen mit bekannten Medianinterpolatoren und eine höhere Flexibilität bei der
Adaption an verschiedene Quellenfeldsituationen. Ein besonderer
Vorteil gegenüber
bekannten Implementierungen wird mit einer dreidimensionalen Filterapertur
in dem Falle erzielt, wo ein lineares Sample als ein Wert eines
Gewichts für
den Medianfilterinterpolator als räumliches Dimensionssample erzeugt
wird. Dies ist in Kontrast zu dem in Lit. [2] dargestellten Falle
zu betrachten, bei dem ein lineares Sample als rein zeitliches Dimensionssample
erzeugt und als fünftes
Mediansample verwendet wird. In diesem Falle wird das zeitliche
Linearsample als Mittel der Samples P und S abgeleitet.
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Literatur zum Stand der
Technik:
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- Lit. [1] B. Arnold, N. Balakrishnan, H. Nagaraja:
A first course in order statistics; John Wiley & Sons, New York, 1992;
- Lit. [2] K. Oeistaemoe and Y. Neuvo: A. Motion Insensitive Method
for Scan Rate Conversion and Cross Error Cancellation; IEEE Transactions
on Consumer Electronics, Volume 37, No. 3, August 1951, Seiten 296
bis 300;
- Lit. [3] US 5 483 288
- Lit. [4] G. de Haan, P. Biezen, O. Ojo: An Evolutionary Architecture
für Motion-Compensated
100 Hz Television, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video
Technology, Volume 5, No. 3, Juni 1995, Seiten 207 bis 217.