NL8501956A

NL8501956A - Beeldherstelschakeling.

Info

Publication number: NL8501956A
Application number: NL8501956A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1985-07-09
Filing date: 1985-07-09
Publication date: 1987-02-02
Also published as: DE3686848D1; JPH0740296B2; EP0209180B1; EP0209180A1; JPS6211978A; US4700229A; DE3686848T2

Description

PHN 11.438 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Beeldherstelschakeling.

A. Achtergrond van de uitvinding Af 11 Gebied van de uitvinding

De uitvinding heeft betrekking op een beeldherstellings-schakeling. Dergelijke schakelingen worden toegepast om, uitgaande van 5 een aantal quasi stationaire beelden van lage kwaliteit een beeld te maken van hoge kwaliteit. Bijvoorbeeld, veronderstel dat een TV-beeld van hoge kwaliteit gewenst wordt van een voorwerp dat op grote afstand staat van een TV-camera. Als de atmosfeer rustig is (zoals bij licht vriezend weer) zal dit in het algemeen zonder extra hulpmiddelen 10 gerealiseerd kunnen worden. Is de atmosfeer echter zeer turbulent (zoals op zeer warme dagen) dan ontstaat doorgaans een beeld van lage kwaliteit; waarbij het gewenste beeld sterk door ruis is verstoord.

Om onder dergelijke omstandigheden toch een beeld te krijgen van hoge kwaliteit wordt een aantal lage kwaliteitsbeelden van dit voorwerp in de 15 beeldherstellingsschakeling bewerkt.

Gelijksoortige situaties doen zich voor bij scanning electronmicroscopie, in röntgenfluoroscopie en in de astronomie.

Af2) Beschrijving van de stand van de techniek 20 Een bekende methode om een beeld van hoge kwaliteit te krijgen, uitgaande van een aantal beelden van lage kwaliteit, is aangegeven op pagina 434 van referentie 1. Deze methode bestaat daaruit dat van de groep lage kwaliteitsbeelden de gemiddelde waarde wordt berekend. Dat dit tot het gewenste resultaat kan leiden, kan als volgt 25 worden ingezien. Voor het i-de lage kwaliteitsbeeld geldt namelijk: G^x, y) = H(x, y) + N^x, y) (1)

Hierin stelt H(x, y) het gewenste hoge kwaliteitsbeeld voor en Nj_(x, y) een additief ruisbeeld dat onafhankelijk is van het hoge kwaliteitsbeeld. Als nu het gewenste hoge kwaliteitsbeeld constant is ·*. * > <.? /·> ' “ * * : ' , ’ '.

- ï? J w * ** PHN 11.438 2 voor een reeks van M lage kwaliteitsbeelden, dan geldt: M _M_ H(x, y) =h^~" Gi(x, y) - J ^ Ni(x, y) (2) i=ï i=1 5 Voor grote waarde van M nadert de ruisterm in het rechter lid naar het ensemble gemiddelde wat onder normale omstandigheden nul is, zodat geldt:

M

H(x, y) = g G^x, y) (3) 10 ΤΞΪ

Een inrichting voor het uitvoeren van de bovengenoemde methode zal in het algemeen omvatten een inrichting voor het scannen van de lage kwaliteitsbeelden G^(x, y) in een beeldscann-tijd ter opwekking van lage kwaliteitsbeeldsignalen g^(t). In een 15 weegschakeling worden deze signalen gewogen met een weegfaktor 1/M en de aldus gewogen lage kwaliteitsbeeldsignalen worden in een accumulator geaccumuleerd. Nadat alle M lage kwaliteitsbeeldsignalen aan deze accumulator zijn toegevoerd, wordt de toevoer van verdere lage kwaliteitsbeeldsignalen verhinderd. Op dat moment levert de accumulator 20 aan zijn uitgang een hoog kwaliteitsbeeldsignaal f(t) dat het gewenste hoge kwaliteitsbeeld H(x, y) representeert dat door toevoer van f(t) aan een monitor kan worden verkregen.

Zoals op pagina 686 van referentie 2 is aangegeven, is het bezwaar van deze bekende beeldherstellingsinrichting dat de gewenste 25 helderheid van het beeld pas wordt verkregen nadat alle M gewogen lage kwaliteitsbeeldsignalen zijn geaccumuleerd. Een verder bezwaar van deze bekende inrichting is dat niet altijd van te voren bekend is wat de beste waarde van M is. Dit zal namelijk sterk afhangen van de omstandigheden.

30 B. Doelstelling en samenvatting van de uitvinding

De uitvinding beoogt een alleszins voordelige beeldherstellingsinrichting aan te geven waarin eveneens het hoge kwaliteitsbeeldsignaal wordt verkregen door accumulatie van gewogen lage 35 kwaliteitsbeeldsignalen, maar die de bezwaren van de bovenbeschreven inrichting niet heeft.

Overeenkomstig de uitvinding omvat daartoe deze beeldher-

.**· i'. Λ i 0 5 Q

*« * PHN 11.438 3 stellingsschakeling verder een verschilvormende schakeling waaraan de lage kwaliteitsbeeldsignalen, alsmede de aan de uitgang van de accumulator optredende uitgangsbeeldsignalen worden toegevoerd en waarin van elk lage kwaliteitsbeeldsignaal een uitgangsbeeldsignaal wordt 5 afgetrokken ter opwekking van verschilbeeldsignalen die worden toegevoerd aan de weegschakeling waarin deze verschilbeeldsignalen worden gewogen met een weegfaktor k(i) waarvan de grootte afhankelijk is van het rangnummer van het betreffende verschilbeeldsignaal.

Door nu verder de weegfaktor voor het i-de verschilbeeld-10 signaal gelijk te nemen aan 1/i, wordt bereikt dat het uitgangssignaal van de accumulator continu het gemiddelde voorstelt van alle tot op dat moment aan deze beeldherstellingsschakeling toegevoerd lage kwaliteitsbeeldsignalen, waardoor op elk moment het beeld op de monitor optimale helderheid vertoont. Bovendien kan het accumulatieproces nu op elk 15 gewenst ogenblik worden afgebroken.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de beeldherstellingsschakeling volgens de uitvinding worden de weegfaktoren gelijk gekozen aan gehele negatieve machten van twee en wel in het bijzonder als volgt: k(i) = 2-RND[2log i] (4) 20 Hierin stelt RND een afrondoperatie voor; met andere woorden Λ Λ RND[*log i] is de afgeronde waarde van '‘log i. De op deze wijze vastgelegde weegfaktoren hebben dan achtereenvolgens de waarde 1, 1/2, 1/4, 1/4, 1/4, 1/8, 1/8, 1/8, 1/8, ..... (5)

Weliswaar levert de beeldherstellingsschakeling bij 25 gebruik van laatstgenoemde weegfaktoren theoretisch niet dezelfde beeldkwaliteit op als wanneer k(i) = 1/i, maar is in de praktijk, mede omdat het accumulatieproces niet na een bepaalde tijd moet worden gestopt, het kwaliteitsverschil nauwelijks vast te stellen, terwijl door deze keuze van de weegfaktoren wel de weegschakeling aanzienlijk kan worden 30 vereenvoudigd.

C. Referenties 1. Digital Image Processing; W.K. Pratt; John Wiley and Sons 1978 (ISBN 0-471-01888-0).

35 2. Temporal Filtering Using Pixel Incrementing; H. Bruggemann; Journal of the Society of Motion Picture and Television Engineers,

Augustus 1981, pagina's 686-694.

3-3 3 o o *· * PHN 11.438 4 D. Korte beschrijving van de figuren

Figuur 1 toont een televisie-opname en weergavestelsel dat is voorzien van een beeldherstellingsschakeling volgens de 5 uitvinding; figuur 2 en figuur 3 tonen elk een uitvoeringsvoorbeeld van een beeldherstellingsschakeling.

E. Beschrijving van uitvoeringsvoorbeelden 10 In figuur 1 is een TV-stelsel aangegeven. Het is voorzien van een TV-camera 1 die met een snelheid van bijvoorbeeld 25 Hz een reeks beelden G^(x, y) van een en hetzelfde voorwerp omzet in een reeks analoge beeldsignalen (t). Hierin stelt i het rangnummer van het beeldsignaal voor. Voor deze omzetting wordt het beeld G^(x, y) 15 gescanned volgens een lijnpatroon. Nadat het beeld Gj_(x, y) is gescanned en daardoor het beeldsignaal g^(t) is verkregen, zal het beeld een weinig veranderd zijn. Dit nieuwe beeld zal worden aangeduid met G^+1(x, y) en dit levert na scanning door de TV-camera het beeldsignaal gj_+1(t). Behalve deze beeldsignalen levert de TV-camera 20 telkens als begonnen wordt met het scannen van een nieuw beeld, een beeldsynchronisatiepuls fp.

De aldus verkregen analoge beeldsignalen gjjt) worden in een schakeling 2 omgezet in tijddiscrete beeldsignalen g^(n).

Deze schakeling 2 omvat daartoe een bemonsterinrichting 21 die wordt 25 bestuurd door bemonsterpulsen die optreden met een snelheid fs van bijvoorbeeld 13,5 MHz. In het weergegeven uitvoeringsvoorbeeld omvat deze schakeling 2 verder een analoog-digitaal-omzetter 22 waarin elk aldus verkregen beeldsignaalmonster wordt omgezet in een codewoord van bijvoorbeeld 7 bits.

30 De tijddiscrete beeldsignalen die door de schakeling 2 worden geleverd, worden toegevoerd aan de ingang 31 van de beeldherstellingsschakeling 3. De uitgang 32 daarvan is via een digitaal-analoog-omzetter 4 aangesloten op de monitor 5.

De beeldherstellingsschakeling 3 omvat een accumulator 33 35 die in responsie op het i-de beeldsignaal g^(n) de i-de benadering h^(n) levert van het gewenste beeldsignaal h(n) dat de tijddiscrete signaalrepresentatie is van het gewenste beeld H(x, y). Deze accumulator

·-· '> J Λ P· A

• '* · · & PHN 11.438 5 is voorzien van een ingang 331, een uitgang 332, een optelschakeling 333 met een eerste ingang die is aangesloten op de ingang 331 van de accumulator, met een tweede ingang die is aangesloten op de uitgang 332 van de accumulator, een vertragingsschakeling 334 die een 5 vertragingstijd heeft die gelijk is aan de duur van een beeldsignaal Tjj en waarvan de ingang is aangesloten op de uitgang van de optelschakeling 333 en waarvan de uitgang is aangesloten op de uitgang 332 van de accumulator. Deze beeldherstellings-schakeling omvat verder een verschilvormende schakeling 34 waarvan een eerste ingang is 10 verbonden met de ingang 31 van deze beeldherstellings-schakeling en een tweede ingang is verbonden met de uitgang 332 van de accumulator 33. De uitgang van deze verschilvormende schakeling 34 is via het weegnetwerk 35 aangesloten op de ingang 331 van de accumulator.

Dit weegnetwerk heeft een van het rangnummer i van het 15 lage kwaliteitsbeeldsignaal afhankelijke weegfaktor k(i) en kan met behulp van een schakelaar 36 die door de gebruiker kan worden bediend in een bepaalde beginstand worden gezet en eventueel daarin worden gehouden, namelijk door deze schakelaar blijven ingedrukt te laten.

Verondersteld zal worden dat in deze beginstand de weegfaktor gelijk is 20 aan k(0) = 0. Ingevolge de eerste synchronisatiepuls fp die optreedt nadat schakelaar 36 weer in de niet-geleidende toestand is gebracht, wordt i = 1 en wordt uitgaande van de veronderstelling dat k(i) = 1/i de eerste weegfaktor gelijk aan k(1) = 1. Het beeldsignaal g^(n) wordt dan onveranderd opgeslagen in de vertragingslijn 334. Na het 25 optreden van een verdere beeldsynchronisatiepuls fp wordt het samen met §2(n) toegevoerd aan de verschilvormende schakeling 34 die dan het verschilsignaal §2(n) - §.j(n) levert. Dit verschilsignaal wordt vermenigvuldigd met de nieuwe weegfaktor 1/2 en toegevoerd aan de optelschakeling 333 alwaar bij dit verschilsignaal het beeldsignaal 30 (n) wordt opgeteld. Het aldus verkregen somsignaal s2(n) = 2 [§1(n) + wordt toegevoerd aan de vertragingsschakeling 334 en na het optreden van een volgende beeldsynchronisatiepuls als beeldsignaal h2(n) via de digitaal-analoog-omzetter 4 aan de monitor 5. Zoals uit het bovenstaande » ** -¾ 1« Λ * 4 Γ- ^

=5-· V

PHN 11.438 6 verder eenvoudig is af te leiden, geldt in zijn algemeenheid dat: i hi(n) = i gq(n) (6)

q^T

5 Wanneer nu op een bepaald moment de kwaliteit van het beeld Hjjx, y) dat door h^(n) wordt gekarakteriseerd en dat op de monitor 5 zichtbaar is door de gebruiker als voldoende wordt beschouwd, kan schakelaar 6 weer in de niet-geleidende toestand worden gebracht, waardoor het beeld H^(x, y) niet meer verandert. Omdat, zoals uit uitdrukking (6) blijkt 10 op elk moment h^(n) de gemiddelde waarde is van alle tot op dit moment ontvangen beeldsignalen gq(n), is de helderheid van het beeld H^(x, yj optimaal.

Een uitvoeringsvoorbeeld van de weegschakeling 35 in het geval dat k(i) = 1/i, is weergegeven in figuur 2. Hij omvat een teller 15 3501 van bijvoorbeeld 16 bits. Aan de telingang C daarvan worden de beeldsynchronisatiepulsen fp toegevoerd. Deze teller kan worden gereset bijvoorbeeld door aan de resetingang R een logische "1" toe te voeren. Daartoe is de schakelaar 36 aanwezig die door de gebruiker wordt bediend. Deze teller levert aldus het rangnummer i van beeldsignaal 20 g^(t) dat aan de beeldherstellingsschakeling wordt toegevoerd sinds schakelaar 6 voor de laatste keer in de geleidende toestand is gebracht. Dit getal i wordt samen met het verschilsignaal dat door de verschilvormende schakeling 34 wordt geleverd toegevoerd aan een delerschakeling 3503 die aldus het met de weegfaktor 1/i gewogen 25 verschilsignaal levert.

Opgemerkt zij dat de 2 beeldsynchronisatiepulsen die door deze 16-bits teller kunnen worden geteld, overeenkomen met 65536 beelden. De overdracht hiervan duurt ongeveer 43 minuten. In dit geval moet de gebruiker dus binnen circa 43 minuten bepalen of er een beeld is 30 dat aan zijn wens voldoet.

In de weegschakeling. die in figuur 2 is weergegeven is ervan uitgegaan dat k(i) = 1/i en hij is daarom voorzien van een delerschakeling 3503. Hoewel delerschakelingen algemeen bekend zijn, blijven het relatief gecompliceerde schakelingen. Bovendien kost het 35 uitvoeren van een deling relatief veel tijd.

Een aanzienlijk eenvoudiger uitvoering van de weegschakeling wordt verkregen door de weegfaktoren te kiezen V ; ‘J 5 0 »*> · PHN 11.438 7 overeenkomstig uitdrukking (4) wat voert tot de reeks weegfaktoren die is aangegeven in uitdrukking (5). Niet alleen wordt door deze keuze van de weegfaktoren de weegschakeling aanzienlijk eenvoudiger van uitvoering, maar kan bovendien zijn snelheid aanmerkelijk hoger zijn.

5 Een uitvoeringsvoorbeeld van de weegschakeling waarin de aldus gekozen weegfaktoren worden gebruikt, is weergegeven in figuur 3.

In dit uitvoeringsvoorbeeld is er eenvoudigheidshalve van uitgegaan dat zowel de verschilsignaalmonsters die door de verschilvormende schakeling 34 worden geleverd, als de gewogen verschilsignaalmonsters zoals die 10 door de weegschakeling worden geleverd allen worden voorgesteld in teken en grootte en gelegen zijn tussen +1 en -1.

De in figuur 3 weergegeven weegschakeling omvat wederom de 16-bits teller 3501 die aan zijn telingang C de beeldsynchronisatie-pulsen fp ontvangt en die kan worden gereset door aan de resetingang R 15 kortstondig een logische "1" toe te voeren. Ook nu is daartoe schakelaar 36 aanwezig die door de gebruiker wordt bediend, maar slechts kortstondig geleidend is. Op deze teller 3501 is nu een uitcodeernetwerk 3504 aangesloten met zestien uitgangen die respektievelijk met S1 tot en met S16 zijn aangeduid. Aan uitgang S1 treedt een logische * 1" op 20 telkens als de telstand één is. Is de telstand twee, dan treedt een logische *1" op aan de uitgang S2. Aan de uitgang S3 treedt een logische "1" op bij elk van de telstanden 3, 4, 5; enzovoorts. De weegschakeling omvat verdere een 23 bits uitgangsregister 3505 waarvan de inhoud (zijnde het gewogen verschiïsignaalmonster) bit-parallel wordt 25 overgedragen naar de opteller 333 (zie figuur 1). Voor elk van de 23 bits heeft dit uitgangsregister een bitcel. Deze zijn respektievelijk met BS, B1, B2, ... B22 aangegeven. Bitcel BS bevat het tekenbit, bitcel B1 het meest significante bit MSB en bitcel B22 het minst-significante bit LSB. Van elk 7-bits verschiïsignaalmonster dat door de 30 verschilvormende schakeling 34 wordt geleverd, wordt het tekenbit

(sign) rechtstreeks toegevoerd aan bitcel BS. De overige zes groottebits worden via een zogenaamde routing circuit 3506 toegevoerd aan bepaalde van de overige bitcellen van het uitgangsregister. Daartoe omvat dit routing circuit zestien poortschakelingen 3507-3522 met elk zes ingangen 35 voor bit-parallelle ontvangst van de zes groottebits en zes uitgangen, voor elk van de zes groottebits één. In de figuur is volledigheidshalve aangegeven op welk van de uitgangen het MSB en op welk het LSB

" i > > Λ -* '+ · Λ ƒ> · -J *' ^ PHN 11.438 8 aanwezig is. Deze poortschakelingen worden bestuurd door de signalen op de uitgangen van het uitcodeernetwerk 3504. Meer in het bijzonder worden daardoor de zes groottebits toegevoerd aan de bitcellen B1-B6 als uitgang S1 logisch "1" is. Is daarentegen uitgang S2 logisch “Γ dan 5 worden deze zes groottebits toegevoerd aan de bitcellen B2-B7. Als uitgang S3 logisch "1" is dan worden ze toegevoerd aan de bitcellen B3-B8; enzovoorts. De poortschakelingen zijn zodanig uitgevoerd dat die bitcellen die géén van de zes groottebits krijgen toegevoerd een logische "0" ontvangen.

10 Opgemerkt zij dat in dit uitvoeringsvoorbeeld eenvoudig- heidshalve is aangenomen dat de verschillende signaalmonsters zijn voorgesteld met teken en grootte, maar dat in de praktijk doorgaans de twee-complementvoorstelling wordt gebruikt

Ook zij nog opgemerkt, dat het element 334 (zie figuur 15 1) dat in het voorgaande is aangeduid met vertragingslijn, als digitaal beeldbeheugen kan worden uitgevoerd.

5 J ; J c o

Claims

3?HN 11.438 9 F. Conclusies

1. Beeldherstellingsschakeling voor het omzetten, van een reeks quasi-stationaire lage kwaliteitsbeeldsignalen in een beeldsignaal van hoge kwaliteit, bevattende een ingang voor ontvangst van de lage kwaliteitsbeeldsignalen; een uitgang waarop het hoge kwaliteitsbeeld-5 signaal optreedt; een weegnetwerk met een ingang en een uitgang en voor het wegen van daaraan toegevoerd signalen met een bepaalde weegfaktor; middelen voor het koppelen van de ingang van het weegnetwerk met de ingang van de beeldherstellingsschakeling; een accumulatorschakeling met een ingang die is gekoppeld met de uitgang van het weegnetwerk en een 10 uitgang die is gekoppeld met de uitgang van de beeldherstellingsschakeling; met het kenmerk, dat genoemde koppelmiddelen worden gevormd door een verschilvormende schakeling met een eerste ingang die is aangesloten op de ingang van de beeldherstellingsschakeling, met een tweede ingang die is gekoppeld met de uitgang van de accumulatorschakeling en met een 15 uitgang die is gekoppeld met de ingang van de weegschakeling; dat de weegfaktor van de weegschakeling afhankelijk is van het rangnummer van het ontvangen lage kwaliteitsbeeldsignaal.

2. Beeldherstellingsschakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de weegfaktor gelijk is aan de reciproke waarde van het 20 rangnummer van het ontvangen lage kwaliteitsbeeldsignaal.

3. Beeldherstellingsschakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het verband tussen de weegfaktor k(i) en het rangnummer i 'van het ontvangen lage kwaliteitsbeeldsignaal gelijk is aan: kti) = 2-™Λ°ϊ U 25 waarin RND[2log i] de afgeronde waarde voorsteld van zlog i. 1 n -o» > ; r l ** * . V ^