KR100711857B1 - 영상 신호의 잡음 감소 장치 및 방법 - Google Patents

영상 신호의 잡음 감소 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다음 절차에 따라 디지털 영상 신호 처리에 적용될 수 있는 잡음 감소 방법을 제공한다. 첫 번째로, 영상 신호를 입력 받는다; 적응 공간 필터링이 수행된 후, 기본 신호가 생성된다. 그 후 기본 신호가 N개의 대역으로 분할된 공간 영역 신호들로 분할되되, 여기서 N은 자연수이다. 각 공간 영역 신호들에 적응 시간 필터링이 수행되고 이에 상응하는 복수의 시간 필터링된 신호들이 생성된다. 각 시간 필터링된 신호들에 개별적으로 잡음 추정이 수행되고, 이에 상응하는 적응 시간 필터링 동작을 제어하기 위해 이에 상응하는 피드백 신호가 생성된다. 마지막으로, 모든 시간 필터링이 수행된 신호들이 처리된 영상 신호로 합산된다.
잡음 감소, 시간 영역 필터, 공간 영역 필터, 잡음 추정, 피드백

Description

영상 신호의 잡음 감소 장치 및 방법 {apparatus and method for noise reduction of video signals}
도 1은 종래의 단일 세트 잡음 감소 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 세트 잡음 감소 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 함수 gm(dm)과 dm의 관계를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 잡음 감소 방법의 효과적인 단계를 도시한 절차도이다.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10,100: 적응 공간 필터 30,310,320,330,340: 적응 시간 필터
410,420,430,440: 잡음 추정기 500: 합산기
본 발명은 효과적으로 잡음을 감소시키는 방법에 관한 것으로, 특히 영상 신 호를 처리하면서 효과적으로 잡음을 감소시키는 방법에 관한 것이다.
영상 신호 매체(video signal media)는 현재 메시지를 전달하는데 있어 가장 강력한 매체이고, 디지털 신호 처리는 영상 신호 기술 분야에 폭넓게 적용되고 있다. HDTV(high definition television)는 디지털 처리의 활용에 크게 의존하는 기술이다. 영상 신호(video signal)를 디지털화하는 경우 아날로그 단계에서 다양한 잡음들이 포함되기 때문에, 원하지 않는 잡음을 제거하기 위해, 신호에 포함된 인간의 눈을 불편하게 하는 원하지 않는 잡음들을 걸러내기 위한 이미지 처리 기술이 적용되어야 한다.
영상 신호(video signal)는 일반적으로 동영상 이미지(motion picture image)를 의미하고, 따라서 이미지 처리 기술은 영상 신호 처리 기술의 필수적인(essential) 부분이다. 영상은 2차원이며, 2차원 신호를 처리하는 방법은 일반적인 1차원 신호를 처리하는 방법과 약간 상이하다. 2차원 이미지를 처리하기 위한 가장 필수적인 방법은 2차원 FFT(fast fourier transform) 및 2차원 컨벌루션 동작을 사용하는 것이다. 2차원 FFT를 사용함에 따라, 2차원 이미지는 2차원 스펙트럼으로 변환된다. 그 후 특정 주파수를 갖는 신호는 특정 레벨로 감쇄되고 2차원 스펙트럼은 2차원 역 FFT에 의해 원이미지로 복구되어 영상 내의 특정 잡음이 제거된다.
도 1은 적응 공간 필터 세트(10) 및 적응 시간 필터 세트(30)를 포함하는 종래의 잡음 감소 장치를 도시하고 있다. 처리되지 않은 영상 신호 p(i,j,t)가 공간 적응 필터 세트(10)에 입력되어 공간 적응 필터링이 수행된 이후에 기본 신호 z(i,j,t)가 생성된다. 그 후, 적응 시간 필터 세트(30)에 의해 기본 신호 z(i,j,t) 에 대한 적응 시간 필터링을 수행하여 처리된 영상 신호 y(i,j,t)를 획득한다. 이와 같은 구성에서의 잡음 감소는 단일 필터링 대역에 관한 특정 파라미터에 의해 제한받기 때문에 잡음 감소 결과는 보잘 것 없다. 그러므로, 본 발명은 이러한 문제점을 보다 효율적으로 해결하는 것을 목표로 한다.
본 발명의 목적은, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단일 필터링 대역에 관한 제한된 특정 파라미터를 사용함에 따른 비효율적인 잡음 감소가 개선된 잡음 감소 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 디지털 영상 신호 처리 방법을 사용하여 잡음을 감소시키는 장치를 제공할 수 있도록 함에도 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 잡음 감소 장치는 적응 공간 필터, 공간 필터 세트, N개의 적응 시간 필터들, N개의 잡음 추정기들 및 합산기를 포함하되, 상기 N은 자연수이다. 상기 적응 공간 필터는 처리되지 않은 영상 신호를 입력받아 적응 공간 필터링을 수행하고 기본 신호를 생성한다. 상기 공간 필터 세트는 상기 기본 신호를 N개의 대역으로 분할된 공간 영역 신호들로 분할한다. 상기 N 개의 적응 시간 필터들은 상응하는 상기 공간 영역 신호에 개별적으로 적응 시간 필터링을 수행하고 이에 상응하는 시간 필터링된 신호를 각각 생성한다. 상기 N 개의 잡음 추정기들은 상응하는 상기 시간 필터링된 신호에 잡음 추정을 각각 수행하고 이에 상응하는 적응 시간 필터링을 제어하기 위한 피드백 신 호들을 생성한다. 상기 합산기는 상기 모든 시간 필터링된 신호들을 처리된 영상 신호로 합산한다.
바람직하게는 상기 공간 영역 신호들의 대역폭들은 모두 서로 동일하거나, 부분적으로 서로 동일하거나, 모두 서로 동일하지 않다.
더욱 바람직하게는 상기 적응 시간 필터는 R차 IIR(infinite impulse response) 필터이되, 상기 R은 자연수이다.
더욱 바람직하게는 상기 R차 IIR 필터는 1차 IIR 필터이고, 상기 1차 IIR 필터의 필터링 동작은 하기식에 의해 표현된다.
식) ym(i,j,t) = [1-km(i,j,t)]ym(i,j,t-1)+km(i,j,t)xm(i,j,t)
여기서 xm(i,j,t)는 2차원 위치 (i,j) 및 시간 t의 m번째 공간 영역 신호, ym(i,j,t)는 2차원 위치 (i,j) 및 시간 t의 m번째 시간 필터링된 신호, km(i,j,t)는 2차원 위치 (i,j) 및 시간 t에 수행되는 m번째 적응 시간 필터링의 파라미터, m은 자연수이고 m≤N이며, i, j, t는 임의의 실수이다.
더욱 바람직하게는 상기 km(i,j,t)는 m번째 공간 필터의 현재 출력 신호에 대한 평균 이동 벡터(average shift vector)를 이에 상응하는 m번째 적응 시간 필터의 이전 출력 신호에 대한 평균 이동 벡터와 합산하여 획득한 가중 합산 결과치이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 다음 절차에 따라 디지털 영상 신호 처리에 적용될 수 있는 잡음 감소 방법을 제공한다.
첫 번째로, 영상 신호를 입력 받는다; 적응 공간 필터링이 수행된 후, 기본 신호가 생성된다. 그 후 상기 기본 신호가 N개의 대역으로 분할된 공간 영역 신호들로 분할되되, 상기 N은 자연수이다. 상기 각 공간 영역 신호들에 적응 시간 필터링이 수행되고 이에 상응하는 복수의 시간 필터링된 신호들이 생성된다. 상기 각 시간 필터링된 신호들에 개별적으로 잡음 추정이 수행되고, 이에 상응하는 적응 시간 필터링 동작을 제어하기 위해 이에 상응하는 피드백 신호가 생성된다. 마지막으로, 상기 모든 시간 필터링이 수행된 신호들이 처리된 영상 신호로 합산된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에서 선택된 실시예의 바람직한 특성들은 상기 도면들을 참조하여 상세히 설명되어 있다. 본 발명의 사상과 범위는 설명의 목적으로만 여기에 기술된 실시예에 의해 제한되지 않는다. 도면들은 특정 크기 또는 비율을 나타내지 않는다. 이하 설명되는 모든 구성 및 재료는 적절하게 변경될 수 있다.
본 발명은, 종래 기술에서 일반적으로 존재하던 잡음들은 서브 대역(sub-band, 부대역)에 분포하기 때문에, 전체 잡음 에너지를 감소시키기 위한 서브 대역 적응 시간 필터링을 이용한다. 이에 더해, 각 대역의 적응 시간 필터링 절차를 역으로 제어하여 각 대역에 포함된 잡음에 의한 다양한 간섭들을 감소시키기 위한 잡음 추정 장치가 사용된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 영상 신호의 잡음을 효과적으로 감소시키는 잡음 감소 장치 및 이를 위한 방법을 도시하고 있다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잡음 감소 장치는 적응 공간 필터(100), 공간 필터 세트(200), 제1 적응 시간 필터(310), 제2 적응 시간 필터(320), 제m 적응 시간 필터(330), 제N 적응 시간 필터(340), 제1 잡음 추정기(410), 제2 잡음 추정기(420), 제m 잡음 추정기(430), 제N 잡음추정기(440) 및 합산기(500)를 포함한다.
먼저, 상기 적응 공간 필터(100)는 처리되지 않은 영상 신호 p(i,j,t)를 입력받아 적응 공간 필터링을 수행한 후 기본 신호 z(i,j,t)를 생성한다. 그 후, 상기 공간 필터 세트(200)는 상기 기본 신호 z(i,j,t)를 N 개의 대역으로 분할된 공간 영역 신호들로 분할한다. 상기 적응 시간 필터들, 즉 제1 적응 시간 필터(310), 제2 적응 시간 필터(320), ..., 제m 적응 시간 필터(330), ... 및 제N 적응 시간 필터(340)는 상기 각 필터에 상응하는 상기 공간 영역 신호들 x1(i,j,t), x2(i,j,t), ..., xm(i,j,t), ... 및 xN(i,j,t)에 대해 적응 시간 필터링을 수행하여 각각 상기 각 신호에 상응하는 시간 필터링된 신호들 y1(i,j,t), y2(i,j,t), ..., ym(i,j,t), ... 및 yN(i,j,t)를 각각 생성한다.
상기 각 대역 세트(band set)는 자신의 특정 주파수 범위를 가지고, 각 대역폭은 동일하거나, 또는 서로 완전히 동일하지 않을 수 있기 때문에, 상기 각 대역에 따라 적합한 잡음 추정 방법에 약간의 차이가 있다. 이러한 차이점들을 다루기 위해서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 각 시간 필터링된 신호들 y1(i,j,t), y2(i,j,t), ..., ym(i,j,t), ... 및 yN(i,j,t)에 상응하는 잡음 추정기들, 즉 제1 잡음 추정기(410), 제2 잡음추정기(420), ..., 제m 잡음 추정기(430), ..., 제N 잡음 추정기(440)가 구비된다. 그리고, 상기 각 잡음 추정기들은 각각 상기 제1 적응 시간 필터(310), 제2 적응 시간 필터(320), ..., 제m 적응 시간 필터(330), ..., 제N 적응 시간 필터(340)를 역으로 제어하여 각 개개의 파라미터들을 조절한다.
그리고, 상기 합산기(500)는 상기 모든 시간 필터링된 신호들 y1(i,j,t), y2(i,j,t), ..., ym(i,j,t), ... 및 yN(i,j,t)들을 합산하여 처리된 영상 신호 y(i,j,t)를 획득한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명의 상기 적응 시간 필터에 의해 수행되는 적응 시간 필터링 단계는 R차 IIR(infinite impulse response)을 사용하고, 상기 R차 IIR은 하기식에 의해 정의되는 1차 IIR일 수 있다.
ym(i,j,t) = [1-km(i,j,t)]ym(i,j,t-1)+km(i,j,t)xm(i,j,t)
여기서 xm(i,j,t)는 2차원 위치 (i,j) 및 시간 t의 m번째 공간 영역 신호, ym(i,j,t)는 2차원 위치 (i,j) 및 시간 t의 m번째 시간 필터링된 신호, km(i,j,t)는 2차원 위치 (i,j) 및 시간 t에 수행되는 m번째 적응 시간 필터링의 파라미터, m은 자연수이고 m≤N이며, i, j, t는 임의의 실수이다.
상기 m번째 시간 필터링의 파라미터 km(i,j,t)는 하기식에 의해 생성된다.
Figure 112005055487963-pat00001
여기서 S는 xm(i,j,t)를 중심으로 갖는 워킹 윈도(working window), u, v는 각각 상기 워킹 윈도 S의 x축 및 y축 화소 좌표, αm 및 gm()은 각 대역의 잡음 추정기에 의해 설정되며, 함수 gm(dm)은 도 3에 도시된 바와 같이 dm에 비례한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예는 잡음을 효과적으로 제거하는 단계들을 제공한다.
첫 번째로, 영상 신호가 수신되고 적응 공간 필터링을 수행된 후, 기본 신호가 생성된다(S101). 그 후, 상기 기본 신호은 N개의 대역으로 분할된 공간 영역 신호들로 분할된다(S201). 그 후, 상기 각 공간 영역 신호들에 이에 상응하는 적응 시간 필터링 단계에 따라 적응 시간 필터링이 수행되어 복수의 시간 필터링된 신호들이 생성된다(S301). 그 후, 상기 각 시간 필터링된 신호들에 개별적으로 잡음 추정이 수행되고, 이에 상응하는 적응 시간 필터링 동작을 제어하기 위해 이에 상응하는 피드백 신호가 생성된다(S401). 마지막으로, 상기 모든 시간 필터링된 신호들이 처리된 영상 신호로 합산된다(S501).
본 발명은 여러 세트의 서브 대역(sub band)을 갖는 원래의 단일 풀 대역 (original single full band)에 적응 시간 필터링을 수행하기 위해, 각 적응 시간 필터링 파라미터가 각 대역의 영상 신호의 특성에 따라 조절될 수 있도록, 서브 대역 적응 시간 필터링을 사용한다. 예를 들어, 감지된 동작 변화가 클수록 주변 화소 평균화 방법의 수행 횟수는 적어진다. 반대로, 감지된 동작 변화가 작을수록 주변 화소 평균화 방법의 수행 횟수는 많아진다.
본 발명은 멀티 세트 기술에 의해 잡음을 제거하고 원본 사진의 품질을 유지하기 때문에, 종래 적응 시간 필터링의 잡음 간섭 문제를 해결한다. 이에 따라, 본 발명은 영상 신호 처리에 있어 현존하는 잡음 처리 문제를 효과적으로 해결한다.
본 발명을 설명함에 있어서 특정 실시예를 참조해서 설명했으나, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에서 상술된 실시예를 용이하게 변경될 수 있음은 당업자에게 명확할 것이다. 이에 따라, 본 발명의 범위는 상술된 설명이 아니라 첨부된 청구항들에 의해 결정된다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 단일 필터링 대역에 관한 제한된 특정 파라미터를 사용함에 따른 비효율적인 잡음 감소가 개선된 잡음 감소 방법 및 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명에 따르면 디지털 영상 신호 처리 방법을 사용하여 잡음을 감소시키는 장치를 제공할 수 있는 효과도 있다.

Claims (14)

  1. 영상 신호를 입력받아 적응 공간 필터링을 수행한 후 기본 신호를 생성하는 적응 공간 필터;
    상기 기본 신호를 N개의 대역으로 분할된 공간 영역 신호들로 분할하는 공간 필터 세트;
    상응하는 상기 각 공간 영역 신호에 적응 시간 필터링을 수행하여 시간 필터링된 신호를 생성하는 N 개의 적응 시간 필터;
    상응하는 상기 적응 시간 필터링 동작을 제어하기 위해, 상응하는 상기 각 시간 필터링된 신호에 잡음 추정을 수행하여 상응하는 피드백 신호를 생성하는 N 개의 잡음 추정기; 및
    상기 모든 시간 필터링된 신호들을 합산하여 처리된 영상 신호를 생성하는 합산기;
    를 포함하는 디지털 영상 신호 처리에 사용할 수 있는 잡음 감소 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 공간 영역 신호들의 대역폭들은 모두 서로 동일한 것을 특징으로 하는 디지털 영상 신호 처리에 사용할 수 있는 잡음 감소 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 공간 영역 신호들의 대역폭들은 부분적으로 서로 동일한 것을 특징으로 하는 디지털 영상 신호 처리에 사용할 수 있는 잡음 감소 장 치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 공간 영역 신호들의 대역폭들은 모두 서로 동일하지 않은 것을 특징으로 하는 디지털 영상 신호 처리에 사용할 수 있는 잡음 감소 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 적응 시간 필터는 R차 IIR(infinite impulse response) 필터이되, 상기 R은 자연수인 것을 특징으로 하는 디지털 영상 신호 처리에 사용할 수 있는 잡음 감소 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 R차 IIR 필터는 1차 IIR 필터이고, 상기 1차 IIR 필터의 필터링 동작은 하기식에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는 디지털 영상 신호 처리에 사용할 수 있는 잡음 감소 장치.
    식) ym(i,j,t) = [1-km(i,j,t)]ym(i,j,t-1)+km(i,j,t)xm(i,j,t)
    여기서 xm(i,j,t)는 2차원 위치 (i,j) 및 시간 t의 m번째 공간 영역 신호, ym(i,j,t)는 2차원 위치 (i,j) 및 시간 t의 m번째 시간 필터링된 신호, km(i,j,t)는 2차원 위치 (i,j) 및 시간 t에 수행되는 m번째 적응 시간 필터링의 파라미터, m은 자연수이고 m≤N이며, i, j, t는 임의의 실수이다.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 km(i,j,t)는 m번째 공간 필터의 현재 출력 신호에 대한 평균 이동 벡터(average shift vector)를 이에 상응하는 m번째 적응 시간 필터의 이전 출력 신호에 대한 평균 이동 벡터와 합산하여 획득한 가중 합산 결과치인 것을 특징으로 하는 디지털 영상 신호 처리에 사용할 수 있는 잡음 감소 장치.
  8. 영상 신호를 입력받아 적응 공간 필터링을 수행한 후 기본 신호를 생성하는 기본 신호 생성 단계;
    상기 기본 신호를 N개의 대역으로 분할된 공간 영역 신호들로 분할하되 상기 N은 자연수인 기본 신호 분할 단계;
    상기 각 공간 영역 신호들에 적응 시간 필터링을 수행하여, 이에 상응하는 시간 필터링된 신호들을 생성하는 적응 시간 필터링 단계;
    상기 각 시간 필터링된 신호들에 개별적으로 잡음 추정을 수행하고, 이에 상응하는 적응 시간 필터링 동작을 제어하기 위해 이에 상응하는 피드백 신호를 생성하는 피드백 신호 생성 단계;
    상기 모든 시간 필터링이 수행된 신호들을 처리된 영상 신호로 합산하는 신호 합산 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 영상 신호 처리에 사용되는 잡음 감소 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 공간 영역 신호들의 대역폭들은 모두 서로 동일한 것을 특징으로 하는 디지털 영상 신호 처리에 사용되는 잡음 감소 방법.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 공간 영역 신호들의 대역폭들은 부분적으로 서로 동일한 것을 특징으로 하는 디지털 영상 신호 처리에 사용되는 잡음 감소 방법.
  11. 청구항 8에 있어서, 상기 공간 영역 신호들의 대역폭들은 모두 서로 동일하지 않은 것을 특징으로 하는 디지털 영상 신호 처리에 사용되는 잡음 감소 방법.
  12. 청구항 8에 있어서, 상기 적응 시간 필터링 단계는
    R차 IIR(infinite impulse response) 필터링을 수행하되, 상기 R은 자연수인 것을 특징으로 하는 디지털 영상 신호 처리에 사용되는 잡음 감소 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 R차 IIR 필터는 1차 IIR 필터이고, 상기 1차 IIR 필터의 필터링 동작은 하기식에 의하는 것을 특징으로 하는 디지털 영상 신호 처리에 사용되는 잡음 감소 방법.
    식) ym(i,j,t) = [1-km(i,j,t)]ym(i,j,t-1)+km(i,j,t)xm(i,j,t)
    여기서 xm(i,j,t)는 2차원 위치 (i,j) 및 시간 t의 m번째 공간 영역 신호, ym(i,j,t)는 2차원 위치 (i,j) 및 시간 t의 m번째 시간 필터링된 신호, km(i,j,t)는 2차원 위치 (i,j) 및 시간 t에 수행되는 m번째 적응 시간 필터링의 파라미터, m은 자연수이고 m≤N이며, i, j, t는 임의의 실수이다.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 km(i,j,t)는 m번째 공간 필터의 현재 출력 신호에 대한 평균 이동 벡터(average shift vector)를 이에 상응하는 m번째 적응 시간 필터의 이전 출력 신호에 대한 평균 이동 벡터와 합산하여 획득한 가중 합산 결과치인 것을 특징으로 하는 디지털 영상 신호 처리에 사용되는 잡음 감소 방법.
KR1020050091857A 2005-03-08 2005-09-30 영상 신호의 잡음 감소 장치 및 방법 KR100711857B1 (ko)

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