JP5180911B2 - ノイズ除去制御装置及びノイズ除去制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、入力画像に含まれるノイズを除去するノイズ除去処理の制御に関するものである。
従来、符号化方式として、フレーム内符号化方式であるMotion JPEGやDigital Video等の符号化方式やフレーム間予測符号化を用いたH.261、H.263、MPEG−1,MPEG−2、近年ではH.264等が知られている。これらの符号化方式は、ISO(国際標準化機構)やITU(国際電気通信連合)によって国際標準化されている。
また、符号化方式で代表的なMPEG−2は、非可逆符号化と呼ばれ、符号化した後に復号しても、元の画像データに完全には戻らない。符号化時、DCT変換の後に量子化を行うことが原因である。
これらの符号化方式は、画像信号の統計的な性質を利用し、その信号に含まれる冗長性を取り除くことで、情報量の削減を図っている。一般に人間の視覚は、高周波数には鈍感なため、高域成分については粗い量子化を行って冗長性を削除し、高い符号化効率を得るようにしている。
しかし、この種のDCT変換を行うような非可逆符号化では、高域成分を制限することによってデータ圧縮を行っているために、画像のエッジ部又は動物体の周囲でモスキートノイズと呼ばれるノイズが発生し、復元した画像の画質劣化の原因となる。
モスキートノイズを低減する方法が従来から提案されている。例えば、入力画像信号のエッジ部を検出し、ノイズ除去フィルタによって画像信号のエッジ部をフィルタリング処理し、モスキートノイズを低減し画像信号を得る方法が示されている。
また、一般的な映像信号処理装置は、インターレース走査の画像信号を扱っており、インターレース走査された画像信号では、水平エッジ部分でフリッカが生じ易い。この問題を改善するために、インターレース走査の走査線を補間してプログレッシブ走査の画像信号として出力する技術が知られている。更に、プログレッシブ走査に変換する際に、画像の動き量を検出し、動き量の検出結果に応じて前フィールドの信号と現フィールドとを合成して補間信号を作成する技術も知られている。この技術では、動き量検出結果の精度により補間信号の状態が変化する。例えば、静止している部分に対して現フィールドの画像信号で補間を行うと細かい横縞は消えてしまい、フリッカとなる。逆に、動いている部分に対して前フィールドの画像信号で補間を行うと、動きブレが生じ、コーミングノイズが生じてしまう。
尚、その他のMPEG等の詳細内容については、ISO/IECによる国際標準の文書に委ねることとする。
このようなノイズ除去を制御するものとして、例えば特許文献1に記載された技術では、動きベクトル検出後、水平、垂直エッジ検出を行い、その後それぞれの次元でフィルタを施している。
また、特許文献2には、インターレース走査をプログレッシブ走査に変換するIP変換のために、動き量検出結果の精度を高める技術が記載されている。特許文献2では、補間対象画素の上下のラインからそれぞれ画素を選択し、それらの画素の演算結果と前フィールドの補間対象画素と同位置の画素との差分をフィールド間差分値として使用して動き量検出を行っている。
特開平10−13718号公報 特開2006−41619号公報
しかしながら、上記従来の技術では、画像信号中のモスキートノイズの有無に関係無く、画像信号のエッジ部分でモスキートノイズ除去のフィルタリング処理が行われるため、モスキートノイズが発生していない部分では画像を劣化させてしまう。モスキートノイズは、周波数変換及び非可逆圧縮符号化によって生成された画像データを復号した復号画像データに含まれる。
また、細かなエッジが含まれるテクスチャの領域があった場合、その領域をエッジと誤って判断し、テクスチャの情報を削除し、画質を劣化させる結果となる。
上述の問題点は、モスキートノイズなどのノイズ発生部分を正確に検出することなく、画像信号のエッジ部及び細かなエッジを含むテクスチャ領域をノイズ発生部分と見なし、そのエッジ部についてノイズ除去処理を施してしまうことに起因して生じる。
更に、ノイズ除去処理の後に、インターレース信号をプログレシブ信号へ変換するIP変換等の処理がある場合、その処理へ悪影響無くノイズを除去する必要がある。言い換えれば、インターレースの情報を維持しつつノイズを除去しなくてならない。
一方、ノイズ除去を行った後に実行するIP変換では、ノイズの影響や、ノイズ除去の結果の影響を受けることになる。符号化ノイズによりエッジの急峻な画像になり、これをコーミングノイズと判別し、静止領域であるにもかかわらず、動き領域として誤判定してしまう場合がある。また、強力なフィルタ処理の結果により、本来あるはずのコーミングを検出できずに、正確な処理ができない場合などがある。
本発明は、画像データに含まれるモスキートノイズのような符号化ノイズの発生部分と、コーミングノイズとを同時に検出することを目的とする。
本発明は、予め定められたサイズの画素ブロックに対して入力画像に含まれるエッジのエッジ強度を測定して格納する格納手段と、
前記格納手段に格納されたエッジ強度に基づいて前記入力画像に含まれるノイズを除去すべきノイズ除去対象の画素ブロックを決定する決定手段と、
前記入力画像の隣接するライン間の画素値の差分を算出する算出手段と、
前記格納されたエッジ強度と前記算出された差分とに基づいて、前記ノイズ除去対象の画素ブロックに対するノイズ除去処理を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする。
また、本発明は、ノイズ除去制御装置にて実行されるノイズ除去制御方法であって、
格納手段が、予め定められたサイズの画素ブロックに対して入力画像に含まれるエッジのエッジ強度を測定して格納する格納工程と、
決定手段が、前記格納工程において格納されたエッジ強度に基づいて前記入力画像に含まれるノイズを除去すべきノイズ除去対象の画素ブロックを決定する決定工程と、
算出手段が、前記入力画像の隣接するライン間の画素値の差分を算出する算出工程と、
制御手段が、前記格納されたエッジ強度と前記算出された差分とに基づいて、前記ノイズ除去対象の画素ブロックに対するノイズ除去処理を制御する制御工程と、
を有することを特徴とする。
本発明によれば、画像データに含まれるモスキートノイズのような符号化ノイズの発生部分を的確に検出でき、且つ、本来の画像が持つテクスチャを保持し、ノイズ発生部分に対してのみノイズ除去処理を施すことができる。
本実施形態におけるノイズ除去制御装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態で用いるSobelフィルタのオペレータの一例を示す図である。 本実施形態におけるフィルタ処理を説明するための図である。 入力画像の先頭フレームに対する処理を示すフローチャートである。 入力画像の先頭フレーム以降のフレームに対する処理を示すフローチャートである。 本実施形態におけるフレームライン間差分値を算出する方法を説明するための図である。 フレームライン間差分における重み付けを示す図である。 本実施形態における除去フラグ設定処理を示すフローチャートである。 直前のフレームのノイズ除去対象ブロックと、現在のフレームの除去フラグ設定処理を示す図である。 本実施形態におけるフィルタ強度算出処理を示すフローチャートである。 本実施形態の変形例におけるノイズ除去制御装置の構成を示すブロック図である。
以下、図面を参照しながら発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
本実施形態として、例えばMPEG方式など、周波数変換及び非可逆圧縮符号化された画像データを復号した復号画像データに含まれるノイズを除去するノイズ除去処理を制御するノイズ除去制御装置を説明する。ここで、MPEGはMoving Picture Expert Groupの頭文字である。
図1は、本実施形態におけるノイズ除去制御装置の構成を示すブロック図である。尚、本実施形態では、デコーダから入力された復号画像データを、4×4画素サイズを処理の単位としてエッジ強度を測定する。また、この4×4画素サイズを対象の画素ブロックと称す。また、画素ブロックのサイズはこれだけに限らず、8×4、4×8、8×8などの別のサイズでもかまわない。
図1において、水平エッジ強度測定部100は、復号画像データの1ブロックを入力し、水平方向のエッジ強度を測定する。垂直エッジ強度測定部101は、復号画像データの1ブロックを入力し、垂直方向のエッジ強度を測定する。ここで、対象ブロックの画素に対するエッジ強度をSobelフィルタの累積値で表し、その累積値をブロックのエッジ強度データとする。
図2は、本実施形態で用いるSobelフィルタのオペレータの一例を示す図である。図2に示す(A)は、水平エッジ強度測定部100で使用される3×3の水平Sobelフィルタであり、このフィルタは右から左へ向かって階調差のある部分を検出する。また、図2に示す(B)は垂直エッジ強度測定部101で使用される3×3の垂直Sobelフィルタであり、このフィルタは上から下へ向かって階調差のある部分を検出する。
尚、本実施形態では、水平エッジ強度測定部100及び垂直エッジ強度測定部101でSobelフィルタを用いたが、その他の微分フィルタでもかまわない。
ここで図1に戻り、エッジ強度マップメモリ102は、水平エッジ強度測定部100及び垂直エッジ強度測定部101で測定された水平及び垂直方向のエッジ強度データを加算した加算値を1フレーム分だけ格納する。尚、エッジ強度マップメモリ102は2バンク構成であり、一方のメモリバンクに現在のフレームのエッジ強度(加算値)を格納すると同時に、他方のメモリバンクから、格納されている直前のフレームのエッジ強度(加算値)を読み出すことが可能である。そして、2フレーム分のメモリバンク間の切り替えは、1フレームの処理を全て終了した時に行う。
除去フラグ設定部103は、上述のエッジ強度マップメモリ102に格納されたエッジ強度から、ノイズ除去の対象ブロックか否かを示す除去フラグ(特定情報)を設定する。除去フラグマップメモリ104は、この除去フラグ設定部103で設定された除去フラグを1フレーム分だけ格納する。尚、除去フラグマップメモリ104も2バンク構成であり、一方のメモリバンクに現在の除去フラグを格納すると同時に、他方のメモリバンクから、格納されている直前の除去フラグを読み出すことが可能である。そして、2フレーム分のメモリバンク間の切り替えは1フレームの処理を全て終了した時に行う。
フィルタ制御部105は、現在のフレームのエッジ強度と直前のフレームのエッジ強度とに基づいてフィルタ強度を算出し、除去フラグとフレーム内差分値とに基づいてノイズ除去フィルタを制御するフィルタ制御信号を生成する。ここで、現在のフレームのエッジ強度は、水平エッジ強度測定部100及び垂直エッジ強度測定部101で測定され、加算されたものである。また、直前のフレームのエッジ強度はエッジ強度マップメモリ102から読み出したもので、除去フラグは除去フラグマップメモリ104から読み出したものである。また、フレーム内差分は後述するフレームライン間差分算出部106で算出されたフレームライン間の画素値の差分である。
ここで、フィルタ制御部105からのフィルタ制御信号に従って実行される、フレーム内の二次元フィルタ処理を説明する。
図3は、本実施形態におけるフィルタ処理を説明するための図である。尚、ここでは、εフィルタを例に挙げて説明する。
このフィルタ処理では、中心画素の画素値f(x,y)とその近傍画素の画素値f(x+i,y+j),(x,y=−M,…,0,1,…,M)の差分値を計算する。そして、その差分値の絶対値がεよりも大きい場合は、その近傍の画素の画素値を中心画素の画素値に置き換えて平滑化処理を行う。その結果、図3の数式で得られるg(x,y)では、エッジ成分を保護し、小振幅の高調波であるノイズを平滑化して抑制することができる。ここで、Mは、εフィルタの画素の範囲を規定する値で、通常は「1」或いは「2」(本実施形態では「1」とする)である。ε0は、フィルタ値の範囲(平滑化対象レベル)を規定する値であり、保存したエッジのレベル差よりも小さい値とし、通常は「10」以下で、本実施形態では「5」とする。
ここで図1に戻り、フレームライン間差分算出部106は、復号画像データの1ブロックを入力し、隣接する水平ライン間の画素値の差分を算出し、累積値を出力する。また、フレームライン間差分算出部106は、フレームを構成するフィールド内の画素値の差分を算出し、累積値を出力する。そして、動き度検出部107はフィルタ制御部105からのフィルタ制御信号と、このフレームライン間差分算出部106からのフレーム内差分の累積値及びフィールド内差分の累積値とを入力し、IP変換処理の制御信号となるライン間動き度信号を生成する。
以上の構成を有するノイズ除去制御装置の処理方法を説明する。尚、本実施形態では、先頭フレームとそれ以外のフレームで処理を切り替えるものとする。まず、先頭フレームの処理を図4に示すフローチャートを用いて説明する。
図4は、入力画像の先頭フレームに対する処理を示すフローチャートである。まず復号画像データの対象ブロックに対して、水平エッジ強度測定部100が水平エッジの強度を測定する(S100)。これと同時に、垂直エッジ強度測定部101が垂直エッジの強度を測定する(S101)。そして、上述したSobelフィルタで処理された水平エッジ強度データと垂直エッジ強度データを加算した加算値をエッジ強度マップメモリ102に格納する(S102)。
次に、エッジ強度マップメモリ102に格納されたエッジ強度(加算値)に基づいて、除去フラグ設定部103がノイズ除去の対象ブロックか否かを示す除去フラグを設定する(S103)。この処理の詳細は、更に後述する。次に、S103で設定した削除フラグを除去フラグマップメモリ104に格納する(S104)。そして、先頭フレームの処理を全て終了すると、エッジ強度マップメモリ102及び除去フラグマップメモリ104のバンクを切り替える(S105)。これにより、次のフレームに対する処理では、エッジ強度や削除フラグが格納されたバンクから読み出しが行われると同時に、上述した処理で、他方のバンクにエッジ強度や削除フラグが格納される。
以上の処理により、上述の先頭フレームでは、エッジ強度マップメモリ102及び除去フラグマップメモリ104への格納処理のみを行い、ノイズ除去のためのフィルタ制御は行わない。
次に、先頭フレーム以降のフレームに対する処理を、図5を用いて説明する。
図5は、入力画像の先頭フレーム以降のフレームに対する処理を示すフローチャートである。このフレームでは、上述した先頭フレームに対する処理(S100〜S105)に、以下の処理が追加されたものである。従って、ここでは、追加された処理(S200〜S205)について説明する。
上述したように、現在のフレームにおけるエッジ強度をエッジ強度マップメモリ102に格納した後(S102)、エッジ強度マップメモリ102に格納された直前のフレームにおけるブロックのエッジ強度を読み出す(S200)。また、除去フラグマップメモリ104に格納された直前のフレームにおけるブロックの除去フラグを読み出す(S201)。
次に、2つの直前のフレームのマップ情報から、ノイズ除去フィルタの強度を算出する(S202)。この処理は、更に後述する。次に、フィルタ制御信号としてフィルタ強度を出力し、ノイズ除去フィルタ処理を実行する(S203)。そして、現在のフレームに対する除去フラグを設定する(S103)。尚、これ以降のS105までの処理は図4に示す処理と同様であり、説明は省略する。
次に、フレームライン間差分算出部106が入力画像のフレーム内におけるライン間の画素値の差分を算出する(S204)。ここで、フレームライン間の画素値の差分を算出する算出方法を、図6を用いて説明する。
図6は、本実施形態におけるフレームライン間の画素値の差分を説明するための図である。本実施形態では、1ブロック内に計16画素が存在するものとする。フレームライン間差分の累積値とは、図6に示すように、垂直に隣接するライン間で対の画素値の差分をとり、それらを累計した値である。
ここで図5に戻り、フレームライン間の差分の累積値と、フィルタ制御部105からのフィルタ強度値とに基づいてIP変換制御信号としてライン間動き度信号を算出する(S205)。具体的には、フレームライン間差分については図7に示す(A)、フィルタ強度については図7に示す(B)のような重み付けを行い、正規化した後に動き度とする。結果として、算出式は以下に示すようになる。
動き度=UW1(フレームライン間差分)×UW2(フィルタ強度)
次に、図4及び図5に示す除去フラグ設定処理(S103)を、図8及び図9を用いて説明する。
図8は、本実施形態における除去フラグ設定処理を示すフローチャートである。また、図9は、直前のフレームのノイズ除去対象ブロックと、現在のフレームの除去フラグ設定処理を示す図である。ここで、図9に示す(A)は直前のフレームであり、図9に示す(B)は現在のフレームである。
まず、除去フラグ設定部103が、エッジ強度マップメモリ102に格納された直前のフレームのエッジ強度をブロック毎に読み出す(S300)。そして、エッジ強度が予め定められた値(既定の値EP1)よりも大きい値のブロックを図9に示す(A)のエッジ強度高のブロックとして抽出する(S301)。
次に、S301で抽出したエッジ強度高のブロックの周辺の8ブロックのうち、エッジ強度高のエッジ強度との差が既定の値(EP2)以上のエッジ強度の周辺ブロックを処理ブロックに決定する(S302)。この処理は、エッジ部分に隣接する平坦部でノイズが多く発生しているため、図9に示す(A)の矢印方向のブロックをノイズ除去を行う対象ブロックとする処理である。
次に、現在のフレームに対して、上述したS301及びS302と同様な処理を行い、図9に示す(B)のように、現在のフレームにおけるノイズ除去対象ブロックを決定する(S303)。そして、直前のフレームのノイズ除去対象ブロックと、現在のフレームのノイズ除去対象ブロックとに基づいて除去フラグを設定する(S304)。
この除去フラグは、図9に示す(B)のように、直前のフレームのエッジ強度と現在のフレームのエッジ強度との差が閾値TH1以下の場合に、ノイズ除去対象ブロックに設定する。一方で、閾値TH1よりも大きいノイズ除去対象ブロック(図中の「X」となっているノイズ除去ブロック)には、設定しない。
尚、本実施形態では、除去フラグ設定部103の処理で、エッジ強度高のブロックの周囲における8つの方向からノイズ除去対象ブロックを決定したが、斜めを含めない縦横方向のみに簡略化してもかまわない。
次に、図5に示すS202のノイズ除去処理におけるフィルタの強度を算出する処理を、図10を用いて説明する。
図10は、本実施形態におけるフィルタ強度算出処理を示すフローチャートである。尚、ノイズ除去処理の対象は、除去フラグマップメモリ104に格納されている除去フラグがONのブロックである。
まず、除去フラグマップメモリ104から読み出された除去フラグが設定されているか否かを判定する(S400)。判定した結果、除去フラグが設定されていなければ、フィルタ強度を“0”として(S405)、この処理を終了する。また、設定されていれば、水平エッジ強度測定部100及び垂直エッジ強度測定部101からの水平及び垂直エッジ強度データを加算し、現在のフレームのエッジ強度を算出する(S401)。
次に、エッジ強度マップメモリ102から読み出された直前のフレームのエッジ強度と現在のフレームのエッジ強度との強度差分を算出する(S402)。そして、強度差分値が規定の値TH以下か否かを判定する(S403)。判定した結果、規定の値TH以下であれば、ノイズ除去処理は行わないと判断し、フィルタ強度を“0”とする(S405)。一方、規定の値TH以下でなければ、以下の式によりフィルタ強度を算出する。
フィルタ強度=FW(フレームライン間差分)
ここで、FWはフレームライン間差分の重み付け関数であり、例えば図8に示す(C)に相当する。
尚、除去フラグ設定部103における閾値EP1,EP2、及びエッジ強度比較値THは、フレーム毎に可変に設定してもかまわない。
本実施形態によれば、復号画像データに含まれる、モスキートノイズなどのノイズ発生部分とコーミングノイズを同時に検出することができる。
[変形例]
次に、本発明に係るノイズ除去制御装置の変形例を詳細に説明する。この変形例では、ノイズ除去制御装置として、情報処理装置(コンピュータ)を例に挙げて説明する。
図11は、本実施形態の変形例におけるノイズ除去制御装置の構成を示すブロック図である。1000はコンピュータ全体の制御及び種々の処理を行う中央演算装置(CPU)である。1001はこのコンピュータの制御に必要なオペレーティングシステム(OS)、ソフトウエア、データ、演算に必要な記憶領域を提供するメモリである。また、メモリ1001はCPU1000が各種の処理を行う際のワークエリアとしても用いられる。
1002は種々のデバイスやユニットなどを接続し、データ、制御信号を授受するバスである。1003は各種のソフトウエアを蓄積する記憶装置(HD)である。1004は動画像データを蓄積する記録媒体である。1005は画像やコンピュータからのシステムメッセージなどを表示するモニタである。
1007は通信回路1008に符号化データを送信する通信インターフェースであり、装置外部のLAN、公衆回線、無線回線、放送電波等と接続される。そして、1006はコンピュータを起動したり、各種条件を設定したりするための端末である。
また、メモリ1001にはコンピュータ全体を制御し、各種ソフトウエアを動作させるためのOSや動作させるソフトウエアを格納し、画像データを読み込むエリア、各種演算のパラメータ等を格納しておくワーキングエリアが存在する。
上述のような構成において、処理に先立ち、端末1006から記録媒体1004に蓄積されている動画像データから符号化する動画像データが選択され、コンピュータの起動が指示される。すると、記憶装置1003に格納されているソフトウエアがバス1002を介してメモリ1001に展開され、ソフトウエアが起動される。
そして、CPU1000による記録媒体1004に格納されている動画像データの符号化動作は、図3から図7に示したフローチャートに従ったプログラムコード(前述のソフトウエア)が実行されることになる。
以上の説明により、変形例におけるコンピュータは、本実施形態におけるノイズ除去を制御するノイズ除去制御装置として機能する。
尚、本発明は複数の機器(例えば、ホストコンピュータ、インターフェース機器、リーダ、プリンタなど)から構成されるシステムに適用しても、1つの機器からなる装置(例えば、複写機、ファクシミリ装置など)に適用しても良い。
また、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記録媒体を、システム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(CPU若しくはMPU)が記録媒体に格納されたプログラムコードを読出し実行する。これによっても、本発明の目的が達成されることは言うまでもない。
この場合、コンピュータ読み取り可能な記録媒体から読出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコードを記憶した記録媒体は本発明を構成することになる。

Claims (7)

  1. 予め定められたサイズの画素ブロックに対して入力画像に含まれるエッジのエッジ強度を測定して格納する格納手段と、
    前記格納手段に格納されたエッジ強度に基づいて前記入力画像に含まれるノイズを除去すべきノイズ除去対象の画素ブロックを決定する決定手段と、
    前記入力画像の隣接するライン間の画素値の差分を算出する算出手段と、
    前記格納されたエッジ強度と前記算出された差分とに基づいて、前記ノイズ除去対象の画素ブロックに対するノイズ除去処理を制御する制御手段と、
    を有することを特徴とするノイズ除去制御装置。
  2. 前記格納手段は、2フレーム分のメモリバンクで構成され、1フレーム分のエッジ強度を格納した後にバンクを切り替え、次の1フレーム分のエッジ強度を格納すると同時に、直前に格納した1フレーム分のエッジ強度を読み出し可能であることを特徴とする請求項1に記載のノイズ除去制御装置。
  3. 前記決定手段は、前記エッジ強度が予め定められた値よりも大きいエッジの画素ブロックに隣接する平坦部の画素ブロックをノイズを除去すべき画素ブロックに決定することを特徴とする請求項1又は2に記載のノイズ除去制御装置。
  4. 前記ノイズを除去すべき画素ブロックを特定する特定情報を格納する手段を更に有し、
    前記決定手段は、前記格納された特定情報と前記ノイズを除去すべき画素ブロックとに基づいて前記入力画像に含まれるノイズを除去すべきノイズ除去対象の画素ブロックを決定することを特徴とする請求項3に記載のノイズ除去制御装置。
  5. ノイズ除去制御装置にて実行されるノイズ除去制御方法であって、
    格納手段が、予め定められたサイズの画素ブロックに対して入力画像に含まれるエッジのエッジ強度を測定して格納する格納工程と、
    決定手段が、前記格納工程において格納されたエッジ強度に基づいて前記入力画像に含まれるノイズを除去すべきノイズ除去対象の画素ブロックを決定する決定工程と、
    算出手段が、前記入力画像の隣接するライン間の画素値の差分を算出する算出工程と、
    制御手段が、前記格納されたエッジ強度と前記算出された差分とに基づいて、前記ノイズ除去対象の画素ブロックに対するノイズ除去処理を制御する制御工程と、
    を有することを特徴とするノイズ除去制御方法。
  6. コンピュータを請求項1乃至4の何れか1項に記載のノイズ除去制御装置の各手段として機能させるためのプログラム。
  7. 請求項6に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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