TW200529101A - Method of removing noise from digital moving picture data - Google Patents

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Description

200529101 15593pif.doc 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本申晴案主張2003年12月11曰於韓國智慧財產局申 請之韓國專利中請案湖·觸2之優先權，該份文件所揭 不之内容全部併入此處以作為參考。 本發明涉及一種動晝之數位式編碼，本發明更特別涉 及一種從數位動晝資料移除雜訊的方法。 【先前技術】 ”—因為數位動畫資料具備大量的資料，這些資料必須被 ^縮以便有效轉送和齡H視頻錢之再生影像品 貝=及改良^料壓縮率所用的技術對提高相關產品的競爭 性是需要的。例如’動晝專家群(MPEG)_2之_壓縮演算 法(algorithm)在需要高晝質的數位多媒體產品中已被用作 磨縮方法’這些數位多媒體產品例如可為高晝質的電視 (high definition TV，即，HDTV)和數位式多用途碟片 由於實際影像輸入系統，各傳送頻道和處理動畫資料 用〜，傳送，和接收器等之技術上之限制，則在動畫資料的 獲得，傳送和接收期間會不可避免地產生雜訊。 雜訊可定義成-組亮度隨著時間而突然改變的像素 (PIXd)，私空間中散紐分佈以其未形成—組有意義的 幾何形狀）。蚊子型雜訊(mGSquitG nGise)是—種散亂雜散 型式，其錢用DCT Μ被的影財沿著影像邊緣而 200529101 15593pif.doc 若吾人在暫時性的空間中在一給定的空間位置上繪出 影像亮度的強度曲線，則雜訊像素在該強度曲線中可被觀 察成一種突然的轉移(transition)。一種直接降低雜訊的方 式是使用某種時間平均濾波技術以移除上述之突然的轉 移。然而，一種快速的移動像素(例如，螢幕中移動物件的 一部份)亦顯示一類似於雜訊之特性，即，快速的移動像素 的強度在短期間中會很敏銳地變化著。單純之平均技術會 造成模糊或甚至使已再儲存之螢幕中之移動物件消失。因 此，使移動效應由雜訊效應中分離已成為一種挑戰。 原理上有三種像素需要處理：靜止像素，移動像素和 雜訊像素。基本的困難性是須避免將移動像素處理成雜訊 像素。若對快速移動像素(例如，螢幕中之快速移動物件） 之移動估計失敗(fail)，則這些像素將像相關之雜訊一樣被 不正確地濾除。若吾人可正確地將像素分類成上述三個種 類，則可避免某些昂貴之計算(避免對靜止像素的移動估計) 且可使濾波效果改良。 影像(框）序列中（其是在數位動晝資料中）已包含(例 如’已壓縮）的雜訊會使再生影像品質和壓縮率劣化，此乃 因雜訊被視為一種信號的射頻(radi〇frequency)成份。雜訊 使影像以數位方式來表示時所需的頻寬增加。由於雜訊被 視為一種貢料，則有效的圖晝資料必須進一步壓縮以滿足 一種已給定的位元速率；然而，進一步壓縮會造成更多的 編碼技巧，例如，阻斷(blowing)技巧。 景^像序列的壓縮率可大大地改良且在使用一種有效的 200529101 15593pif.doc 雜訊降低演算法以預先移除雜訊之後該影像品質可藉由資 料之壓縮(依據MPEG-2方法)來改良。傳統上有多種雜訊 降低演算法，例如，空間濾波法，時間濾波法以及空間-日才間慮波法。 由於空間濾波法是以靜止模型為基準，則再生影像的 外形在雜訊移除之後不能保持著。雖然可使用其它的外形· 適應式濾波為，但這在鐵別一外形(c〇m〇ur)線所需的門限 (threshold)固定成一種定值而與雜訊的程度無關時或產生 一種彩色斑點時不是很有效。彩色斑點的產生是由於頻道 =不同的特性所造成，斑點會在電荷耦合裝置(CCD)感測 器上建立一種彩色濾波陣列(Color Filter Array，CFA)，其 是由不同亮度所造成且以相同的方式來處理而與亮度^ 關。 …、 當處理了靜止影像時，雖然空間濾、波法是移除雜訊的 種有放方’但§使用m濾波法來對—種視頻影像序 列進行濾波時，雜訊移除的程度對每一框(frame)可以不 同。此種雜訊移除程度的不同在視师料再生成視頻影像 序列日$可被表不成-種閃潍(flickering)現象。目此，為了 f良傳統式空間遽波過程之效能，依據雜訊能量(更明確而 言，雜訊能量偏差(variance))決定該外形線時所需的門限值 應適應地(adaptively)改變，且為了移除彩色斑點和各種閃 燦現象，騰了空間之渡波處理之外另須使科間滤波方 法0 。 在時間濾波方法中，使用—種移動補償方法。然而 200529101 15593pif.doc 馬ί号愿_動補償，則在每—框中都需 ㈣⑽之移動，應沿著移動軌跡來進 ° ς 進行更多的計算以對該移動進行估叶。』 另而要 算法為時間濾、波法已用來降低移動 且亦可降低計#上之負載。以 H的時隨波法之效率是_移__妓 據典型的移動偵測演算法是由亮 =能辨認4彩色差所指出的移動。因此，#該主體^背 景之間的⑨度差補大時，彳貞猶軸時即會發生誤差。 為了解決上述問題，則有一種债測移動用之方法，其 在考濾彩色影像的向量特性時係_刪向量的大小（亮 度)差和角度(彩色)差。此種方法在該系統之輸入信號是一 種RGB ^或該紗法以軟體來處料可被制而與計 鼻上之負載和記憶财量無關。然而，#算法係使用 硬體來處理時，則該方法的實用性有—種限制。 YCbCr領域(此後稱為YCbCr彩色空間)是最常用的彩 色座標系統’因為其可用來與單色視頻裝置相容且可與專 業的視頻，理裝置弱_作。輝度Y(Luminanee)包含大部 伤的空間貧訊’人類眼睛由於對細節（detail)的敏感度所形 成的，要性即加人至該空間資訊中。彩色頻道(Cb，Cr，其 分別是監色差和紅色差)可添加彩色資訊。在大部份的輸入 仏號都是此種YCbo形式之信㈣，則YCbCl^式之輸 入信號必須轉換成RGB親找信號歧可騎RGB向 200529101 15593pif.doc 量運算。此外 田％為要非線性之計算以計算_ ’使RGB向量角（彩色):二 硬體的複雜度會增加。 J ^出則 鑑別日"'用的㈣。該門限值大大地影魏波的效能，且若 该門限值太大時’則會產生—麵件，例如，移動之殘像 rr Γ=);賴門限值太小，則雜訊未被移除。例 如’在使用RGB向量之角度(彩色)差而偵測一種移動之方 =播當餘弦函數之輪人值接近於Q時，則各輸出值之間 的差值小’此_門限錢準確地向下設定斜進位以有 效地债測各種移動。為了在決定門限值時克服上述之困難 且有，地移除雜訊，則須處理數量較多的框(F_e)。因 此，需要大容量的記憶體，硬體的複雜度會增加。 除了上述的問題之外，以移動偵測為主之時間濾、波法 中移動偵/貞丨之門限值應適當地依據螢幕彳貞測來改變。否 則’右只使用’’移動偵測，，來對一種包含螢幕資料之一般序 行處理’則林同$幕之雜巾所包含的像素之亮度 或彩色彼此相似時，不同的螢幕可被濾出且不同的螢幕可 在已濾=的框中混合。因此，為了改良傳統上以移動偵測 為主的時間濾波法’則須另外使用一種螢幕變化偵測演算 法。 、 組合以上二種濾波方法的時間_空間濾波法是一種使 門慮波法擴展至時間領域的方法。雖然雜訊可有效地移 200529101 15593pif.doc 除，但该方法包含時間濾波和空間濾波此二者所造成的限 【發明内容】 本發明包含一種由數位動晝資料移除雜訊的方法，使 得虽移動可各易地被偵測時使用在時間濾波中的框的數目 可最小化。
在一以移動偵測為主的時間濾波中，移動偵測的門限 值應依據螢幕(變化)债測和後序中已包含的雜賴能量而 適田地改變。為了有效地移除雜訊，則在雜訊之能量較小 時應使職小的門限值，雜訊之能量較大時應使用較大的 門限值。在YCbCr彩色空間中，亮度/彩色移動門限值應 依獅訊能量來蚊❿不增加計算上的貞擔崎低遽波過 程進行時所需之框的數目。 上述已揭示的方法可劃分成空間濾波法和時間濾波 法，且較錢首先杨"舰法至(輸人之影像)且然後 施加時間濾波法至空間濾波所得的結果。
>依據本發明的外觀，提供一種由數位動晝資料移除雜 訊的方法’其巾該數位動晝資料巾所包含的雜訊經由一種 空^慮波操作而移除，該方法包含：對—像素之彩色成份 進行-種空間遽波運算’以計算(2N+1)X(2N+1)像素局部遮 值；且對該像素的亮度成份進行-種空間濾波 運异以保留一影像的邊緣。 依據本發明的另一外觀，提供-種由數位動晝資料移 除雜訊的方法’其對—影像的亮度成份Y和彩色成份Cb 11 200529101 15593pif.doc =Cr進行一種空間濾波運算且然後對該空間濾波運算的 結果f XY(i，j，n)，Xcb(i, j, η)和 XCr(i, j，η)進行一種時間濾 波運算，該方法包含：在各框之間伽卜種螢幕變化；在 各框之間ι估+計_一種廣域(gl〇bal)移動(例如，相機上下左右 ，動）且沿著每—像素的廣域移動執跡在時間領域上估計 f = VarnT的相對大小；計算一種加權值以债測該影像中 党度成份的移動；且以該榮幕_/移動_為主來進行一 種渡波#作，其廣域移動被補償，使 權值叫㈣—範财雜，其未包含躲的Ϊ化， :,二的”對大〃、，偵繼*彡像巾*度成份的移動所用的加 j 該影像中彩色成份的移動所用的加權值以及正 規化用的常數。 依據本發明的另—外觀，提供—種由數位動晝資料移 二的：法*其包含:對每-像素中的亮度成份和彩色 清、U 一種空間濾波運算；對該以移動偵測為主的空間 /慮波運异的結果資料進行—辦間;*波運算。 為2本發明之上述和其他目的、_和優點能更明顯 明如下。文特舉較佳實關’並配合所_式，作詳細說 【實施方式】 相同的參考數字在各目中表示她的元件。 雜訊p:::明的一實施例，由數位動畫資料移除 請參閱圖卜由數位動畫資料移除雜訊的方法包含本 12 200529101 15593pif.doc 發明的一實施例中一種處理時間濾波法（1 1〇)以及本發明 的另一實施例中一種處理空間濾波法(1 50)。本發明的其它 實施例使用該二種步驟(110和150)的組合。 依據本發明的一種實施例（由數位動晝資料移除雜訊 的方法）’以線性最小均方差(linear minimum mean square error，即，LMMSE)為主的濾波器用來對一種YCbCr格式 的輸入信號中的像素之亮度成份(γ)保留邊緣，且一低通濾 波器(LP)是用來對該輸入信號的彩色成份(CbCr)(改良各 影像之穩定性）。 匕在=驟111中，所謂，，計算各彩色成份之代表值，，是 才曰·獲得各彩色成份之平均值或中央值。因此，”應用該低 通濾波為至各彩色成份”是指在一局部遮罩(例如，圍繞一 、、、ό疋之像素的(2N+1) X (2N+1)像素區）内計算一種平均值。 士對亮度成份U2而言施加該以LMMSE為主的濾波器 時有5種步驟(次步驟）。 ，步驟113中’使用一種預定的雜訊調整邊緣門限值 二對母-像素之亮度成料算—種可適應於—邊緣的代表 該代表值是每-像素(位於—局部遮罩中）的平 均值或中央值，且使料錄於—局部鮮中該 面上之像素來計算該適應於邊緣的代表值。 不是統对者是··該默_觸整邊緣門限值 疋口疋成疋值，而是可依據雜訊之數量來改變。 ^步驟n4中，使用—預定的邊緣調整 用―整η限值和邊緣難代表料算而得)上二吏 13 200529101 15593pif.doc 像素的散祕。該散亂值是指—種偏差值或標 ’偏差值，且像素的偏差值(信號活性)是指影像之已改變 的程度或影像的邊緣度(edge degree)。 在乂驟115中，計异該影像的代表值和該輸入影像之 間的相減影像。該械影像包含該輸人影像的雜 邊緣成份。 、―在^驟116中，對该上述影像之散亂值和雜訊散亂值 進行比較以計算一種加權值。 、、在步驟117中，一較大的加權值施加至該影像的邊緣 成f且一較小的加權值施加至該相減影像的雜訊成份，且 已施加该加權值之該相減影像加至邊緣調整代表值。雜訊 散亂值以雜訊偏差值和雜訊標準差來表示其特徵，且雜訊 偏差值表示雜訊之程度。 在該影像之平面區域上處理完上述的5個步驟(步驟 113至117)之後，濾波結果可近似地與邊緣調整代表值相 同，此乃因一較小的加權值已施加至該影像平面區域上之 相減影像。又，在該影像之—邊緣區域上，缝作用造成 該邊緣調整代表值和該影像邊緣之和(sum)，此乃因一大的 加權值已施加至該影像邊緣區域上之相減影像。 依據本發明的另一實施例，由數位動晝資料移除雜訊 之方法150包含4個步驟(步驟151至154)。 ° 步驟151中，偵測各框之間的螢幕變化。 步驟152中，估計各框之間的一種廣域(gk)bal)移動(例 如，相機上下左右移動），且沿著廣域移動執跡對每一像素 200529101 15593pif.doc 估計（須對廣域移動作補償）該時間領域上的雜訊相對大 /J、〇 步驟153中，沿著廣域移動執跡(例如，須對廣域移動 作補償)對輸入影像中之每一像素進行，，移動，，偵測。在步驟 153中，輸入影像之像素之亮度成份γ和彩色成份(cb =
Cr)同日可使用，且適應於該雜訊的移動門限值被用來偵測該 移動。代表該影像中亮度成份之，，移動，，偵測用之加權值= 及代表該影像中彩色成份之”移動，，偵測用之加權值須算 出。 步驟154中，以螢幕偵測/移動偵測為主之濾波(其中 該廣域移動已被補償)係使用一範圍（序列）之框（包含^幕 未鏈化之情況）中濾波用的全部之加權值或一些加權值，雜 訊之相對大小，偵測影像中之亮度成份移動時所用的加^ 值，以影像中之像素之彩色成份為主來偵測該，，移動” 用的加權值等等來進行。 依據本發明的另一較佳實施例，由數位動晝資料移 雜汛之方法中首先進行空間渡波操作11〇，對已由上述二 間濾波所濾出的框(例如，3個框)以時間濾波15〇為主^ 行廣域移動已補償之螢幕偵測/移動偵測。依據此一較佳总 施例，首先進行空間濾波，雜訊因此被移除至某一程产， 然後可容易地進行，，時間濾波進行時所需的移動偵測”二因 此，依據該較佳實施例之雜訊移除方法可用來移除雜訊。 依據本發明之一實施例的雜訊移除方法中，動 之亮度成份中之邊緣須保留著以增加彩色的明確性:^像 15 200529101 15593pif.doc =::==:時仍保留著，雜訊成份則被平滑 3右7C度成份Y和彩色成份Cb和Cr之空間濾波值分別 =〜(U，〃)，h(0)，和，則這些空間濾波值可以下 方程式來計算： xY〇J9rj) = yY (7,y» + xcbQj.n) xcr(hj,n) y〆，），，” w，j，ny ayr(iJ^y l a ]+n
+ 1 k=i-M /=j-M 〇7(U»—>v (〇，”)） (l) (2) (3)
此處，N表示(2N+l)x(2N+l)像素局部遮罩之大小；丨和』 表示該像素的二維空間座標；n表示一種框；yY(i，上n)表 示雜訊已下降之影像（即，輸入影像)之像素之γ成份； 少4,知)是yY(i5 j，η)之平均值；f，知)2是yY(i，上n)之偏差 值(variance);〜(〇)2是雜訊之偏差值；％(M")是雜訊已 下降之(輸入)影像之像素之Cb成份；且是雜訊已 下降之(輸入)影像之像素之Cr成份。 在方程式1中對該亮度成份Y進行空間濾波操作時， 由於雜訊已下降之影像之平面區域中a"(/，y，《)2ecrw(7，y，〃)2，則 該濾波器的輸出是該雜訊已下降之(輸入）影像之平均值 (代表值）\(/，灿）；且由於對該雜訊已下降之(輸入)影像之 RF成份而言(/，》2 » ση(〇)2，則一預定之加權值成份 (八(ζ·，》-L(〇))加至該雜訊已下降之(輸入)影像之平均值 (代表值)以保持該影像的RF成份。 為了使方程式1應用至該影像的各成份，則可調整該 16 200529101 15593pif.doc 方私式/1以補償_晝之非靜止的特性 。該雜訊已下降之 (輸〜像之平，值和偏差值依據以下所示的方程式4和 方程式5來計算，其係在該(2N+l)x(2N+l)像素局部遮罩區 中該影像之—部份(其未㈣該影像之外形/邊 緣）中進行 (此處係假設絲式1之觀偏差能量❿，心估計出或 已知）。 yriij.ri) X *了八 y-riv (4) Σ llw(kJ,ii)yY{i + kJ + l,ri) L lJV{k,l,ri)k*Nin
k-i~N l=j~N ,..、2 1 ϊ+ΛΓ j+j\f 〜严，A &J，")]2 (5)
k=i~N /=j~N 此處W(k，1，n)是一種邊緣調整加權值，其決定該將被 濾、出之中央像素以及周圍像素是否在以邊緣為主之相同的 (平面）區中。W(k5 1，n)可與中央像素和周圍像素之間的亮 度差成反比。因此，當中央像素和周圍像素是在以邊緣為 主之相同的(平面）區上時，該w(k，丨，…具有一種大的值(例 如，与1)，且當中央像素和周圍像素是在以邊緣為主之不 同的(平面）區上時，該W(k5 1，η)具有一種小的值(例如， 与0)。 該邊緣調整加權值W(k5 1，η)可由如下所示的方程式6 來決定：
Jf △〈 w(k 丄 η) [Δ-/(0] /(ση2) /(Ο c /(O-/K )
C c <Δ(/(σΜ2) ⑹ 0 Λ>/{ση2) 17 200529101 15593pif.doc 此處△表示巾央像素和像素之_亮度差且可定義成 啼。該函數g(·)是一種單調遞增函 t 如’其可為線性函數，指數函數或對數函數乂是 -種等於1或大於1的常數；且雜訊邊緣門限值
是-種單調遞增函數’例如，其可為線性函數，指數 或對數函數。 I 一^-和/(A2)是雜訊調整邊緣門限值。 ，訊調整邊緣門限值f(·)之最小值(其在雜訊小的情 划望主的值)和最大值(其在报多雜訊的情況下是所 ^勺值)可依據傳統的知識來預先決定，且 定義成，，與該最大值和最小值之間的雜fft 偏是值成比例，，。 圖2係本發@的_實施例巾_種邊緣_調整加權值 界«1，!1)當〇1時之特性。 圖3係本發明的一實施例中—種邊緣-調整加權值 w(k，I，η)當C#1(例如，c > 1)時之特性。 n)可ift考圖Λ和大^ Γ31時，加權值輝，！， 欣丨近者中央像素和周圍丨象素之間差異的增大而線性地減 」、。，，圖3中該值亨和伽力之間的線性函數(其表示 f程式6之雜)在某些情況下可以是—種單調遞減函 晴參考方程式4至6以及圖2和圖3，當中央像素和 周圍像素之間的差值△大於或等於該雜訊調整邊緣門限值 /(〜2)時，該加權值W(k, I，η)成為0 ’且在計算平均值和偏 18 200529101 15593pif.doc 差值時相職的周圍像素因此排除。當使㈣加權值 W(k，I，η)來估計局部平均值/偏差值時 ，以下所述的調整特 性可在濾波操作時觀察到。
在估。ΊΆ局4平均值時，邊緣/外形上的反測上的像素 (其與中央像錄不相關，例如，在巾央像素和周圍像素之 間的差值△大於6亥雜訊調整邊緣門限值他2)之情況時)未 被使用’且/、使用各個與中央像素較相關的周圍像素(例 如，在像素位於與中央像素相同的區域中之情況時) ’因此 可防止模糊應產生在—區域邊緣的外形上。由於位於該 具有較大Δ值之區域之邊緣/外形上的雜城份已由該計算 中排除，則該區域之邊緣/外形上的雜訊成份在再生之影像 中已不明顯。
在方ί式6巾。亥區域邊緣之外形不是由固定之門限 ，所決定而是由雜tfl偏差值函數絲計。若該邊緣的外形 是使用傳統的方法(例如，該雜訊調整邊緣門限值f(·)固定 成某種定值時)來蚊，當門賊設定成太小時許多雜訊 =能有效地移除’ a當門限值設定成太大時，該影像的細 微成份不能被保留著。細，依據本發日种目前已揭示 由數位動晝資料移除雜訊的方法，由於雜訊調整邊緣門限 值f(·)是以適應方式(adapti吻)藉由雜訊之有效範圍的決 定（由雜訊偏錄而得)來決定，财各種不 得到良好的結果。 U 通常’該雜訊偏差值估計演算法對實際之影像具有一 種誤差，因此’若所估計的雜訊偏差值或標準偏差值用作 19 200529101 15593pif.doc 雜訊調整邊緣門限值f(·),則該門限值可能不適當地被設 定。然而，即使該雜訊偏差值估計演算法具有一種誤差， 該雜訊的相對大小仍可正確地決定。於是，當該雜訊調整 邊緣門限值f(·)之最大值和最小值像本發明中一樣依據該 雜訊的相對大小而映射至該函數上時，則該門限值仅·)能 可靠地被定義。 因此，依據本發明，在一給定的區段中使用該雜訊偏 差值函數來定義該雜訊調整邊緣門限值f(·)，本發明因此 可較傳統的方法更能適應於該雜訊偏差值估計演算法之誤 差，傳統之方法中直接使用雜訊偏差值或標準差來定義該 門限值。 圖4係本發明的一實施例中在由數位動晝資料移除雜 訊的方法中所包含的每一步驟進行時顯示各計算之輸入_ 和輸出的方塊圖。每一方塊中所晝的符號通常表示該方塊 的輸出，且指入每一方塊中之箭頭通常指出各個用來計算 該方塊之輸出時所需的輸入。 依據本發明的一實施例中在由數位動晝資料移除雜 訊的方法中所包含的每一步驟可更詳細地參考圖4來描 述。 參考圖4，依據本發明的一實施例中由數位動畫資料 移除雜訊的方法包含以下各步驟：對該雜訊已下降之(輸入) 影像(410)之Y成份％(〇)2計算該雜訊偏差值;獲 得該邊緣調整加權值W(k, I，η)，其對該雜訊已下降之(輸 入)影像(420)之Υ成份〜(/·，7>)2使用一種定值C以決定中央 20 200529101 15593pif.doc ^素(f即將被_和周圍像素是否在相同的區域中；使 用该邊緣難加權值輝，卩n)和伽Μ物)以計算 ，使用 w(k，1,η)，()以計算該偏 ⑷0)以計算該㈣之亮度成份¥之^謹从=") 依據本發明的另—實施例由數位動晝㈣移除雜訊 t方法疋-種以移動债測和廣域移自已被補償之Ycbcr 衫色空間中螢幕(變化)_為主之時間渡波操作，且本方 法，用多個框(例如，3個框，其㈣已被補償)。本發明之 只施例的方法將說明如下：偵測各框之間是否有發生螢 幕變化，其將以時間誠方式被―，且在舰操^中考 ;慮该螢幕(變化)债測結果；估計各框之間的廣域移動；沿 著廣域移動軌跡來偵測各像素的移動；然後，在各框(它^ 之間螢幕未變化）中沿著廣域移動執跡來進行該以移動偵 測為主的時間濾波。 、 在以下所述的YCbCr彩色空間中之移動偵測和時間 濾波中，假設先前已進行螢幕(變化)偵測和廣域移動偵測： 將解釋一種依據雜訊能量而在YCbCr彩色空間中進 行的移動偵測。在傳統的移動偵測演算法中，決定各像素 之間由於像素移動所造成的亮度/彩色差所用的門限值是 固定的而與雜訊量無關。因此，若該門限值固定，則當該 雜訊量較小時，該門限值具有過大的值且因此會產生一此 偽影(artefacts)。反之，當該雜訊量大時，該門限值變成太 小，且因此使雜訊不能有效地移除。 21 200529101 15593pif.doc 本發明之由數位動晝資料移除雜訊的方法 變=和純加權值是依據雜訊能量而作適應性的 ⑽===，中央像素之亮度成份⑺是 才或下框之移動向量（其是相針於今声 訊在時間領域中的姆大小可藉由比較 且f由町所示㈣方程式7來計算： trNif X g^Xy {hLn) - xr ^ - mh^n -1)|] ⑺ 1處g[]疋一種單調遞增函數，且在當 ，㈠)|]之值大於門限值ητ(其可由精於 意地設定)時該〜所具有的值是1，且當 ，乂m小於門限值nT時卿斤具有的值是〇。因此， 1 δί1之影像中假設大部份的移動之差值 ΐΐίΐ；(；Γ* nT 7 :錄中偵測亮度成份之移動所用的加權值變成一種 Γ相對^:目前即將遽出的框之中央像素和另一框 _ 、=、像素之間的移動是否在亮度區域中產生。偵測 党度成份移動用的加權值是與各像素之間之亮度差成反比 =ί素之間之亮度差大於-預定的亮度移動二 «X σ S戶斤具有的值是〇。另外，該亮度移動門限值由一 22 200529101 15593pif.doc 與決定該亮度區域巾的祕所㈣預定範 小成比例之函數來決定。 影像中_彩色成份之移動所用的加權值是一種參 考值’其決定：目前即將據出的框之中央像素之 相對應的像素之_軸是否挪色區域中產生 彩 色成份移動用的加權值當各像素之間之彩色差 預定 的彩色移動門限值時該加權值所具有的值是Q。此亥
限值Γ與決定該彩色成份的移動所用的預定 耗圍中之雜όίΐ之大小成比例之函數來決定。 制7C度區域中之移動所用的邊緣調整 k)可由以下所示的方程式8來決定： 緣
Jf ⑻ fj(VarnT)^M^ Cj 0 //(〜l Λ ' 1 ~q ~Δ/ -fi{VarnT)
MfAVarnT)
此處’ Λι表示由像素移動所造成的亮度差且 ，广〜卜础；且g(.)是單調遞增函數，例 > 數’指數函數或對數函數 ;Q是大於1 的二值’儿度門限值右()是單調遞增函數。在方程式8中， 當党度區域巾該娜移動制加權值卿， j，k)之值是0 日^’& :才目對應的像素之亮度成份Y之移冑已被摘測到。 另一方面’销測彩色區域上之移動所用的加權值W c (i， j，k)可以下述的方科9來表示·· 23 (9) 200529101 15593pif.doc wc(ij，k) 二/c (¾ fc(VarnT)^lcQ^r^
C a 0 ^T~^A^fc(VarnT) ^c)fc{VarnT) ^ ·，Ac表示由像素移動所造成的彩色差且可由下式計算 ;g(‘)是單調遞增函數，例如，其可為線性函數，^ =])丨] 數f對數函數；CC是大於1的^值；彩色門限值 调遞增函數。在方程式9中，當彩色區域中該調整^ = :力:權值WC(i，j，k)之值是〇時’這表示相對應的像素=貞 色成份Cb和Cr之移動已被偵測到。 ”心 方程式8和9中的加權函數所具有的形狀基本上 狀相同，且移動_演算法亦依據空間濟波 =中像該外糊般一樣針對雜訊能量來調整。又;^ ，當使用_向量特性來侧各彩色成份 曰Η差/、則各向量之間應進行 色差。又：方程式9中之~可依據彩色差而線性 交，且设定該彩色偵測門限值是容易的。 占現在將心述Ycbcr彩色空間中以移動制和螢幕(變 為主之時間歧(其巾該廣域雜6被補償）。在傳 二的^間渡波中，在大部份情況下亮度成份已被濾、出。當 才、隹訊量不是很大時，傳統方法是有效的；然而，當雜訊量 24 200529101 15593pif.doc 較大且像彩色斑點這類的雜訊混合在彩色領域中時，則移 除雜的效能會大大地下降。 本發明中以上述之螢幕變化偵測和移動偵測演算法 為主來對YCbCr彩色空間進行濾波。 从乂 石以啊(/，乂啊(/，Μ)χ，〜厂、，々） ί,η) = ~Σψ3^Wi 0, j,k)Wc (/,y,k)xcb (i m vk ，卜 ^Cr ih 7, n) = Y~YjVs (k)Wj (/, jy k)Wc (/, y； k)xCr (/ m vkyj — mhk, k) (10) (Π) (12) 此處，泠)是時間濾波之濾波結果，且z是正規化 (normalizing)用之常數。又，mvk和他是第n框和第k框 之間的廣域移動向量。在方程式1〇中，Ws(k)是在一種螢 幕未改’交的範圍中各框濾波用的加權值，且W^i，j，幻和 Wc(i，j，k)是由方程式8和9所定義的移動偵測加權值。 偵測壳度成份之移動所用的加權值Wi(i，上k)決定該 亮度成份之移動是否在一框之將被濾出的像素和另一框 (即，前一框或下一框)之像素之間產生。該加權值Wi(i，j5k) 是與該二像素之間的亮度差成反比例且當該二像素之間的 亮度差大於亮度門限值時該加權值Wi(i，上k)所具有的值 是0。 亮度門限值是由一種與一預定範圍之時間領域中之 雜訊大小成比例的函數來決定，藉此可決定該亮度差所指 出的移動。 偵測該彩色成份之移動所用的加權值Wc(i5 j5 k)決定 該彩色成份之移動是否在目前之框之將被濾出的像素和前 25 200529101 15593pif.doc 一框或下一框之像素之間產生。該加權值Wc(i，j，k)是與該 二像素之間的彩色差成反比例且當該二像素之間的彩色差 大於彩色門限值時該加權值Wc(i，j，k)所具有的值是〇。 彩色門限值是由一種與一預定範圍之時間領域中之 雜訊大小成比例的函數來決定，藉此可決定該彩色差所指 出的移動。 若螢幕變化已在某一已濾出的框中被偵測到，則該框 之後的各框（包含該螢幕已變化的框)應由該濾波操作中排 除。另外’若在該框之某一像素中偵測到該移動，則以下 各框中同一位置上的各像素應由該濾波操作中排除。又， 在某些情況中不可使用Ws(k)和廣域移動向量於方程式1〇 至12中’且w!和wc中之一不可使用。 圖5係本發明的另一實施例中在由數位動晝資料移除 雜汛的方法中所包含的每一步驟進行時顯示各計算之輸入 _和輸出的方塊圖。每一方塊中所畫的符號通常表示該方塊 的輸出，且指入每一方塊中之箭頭通常指出各個用來計算 該方塊之輸出時所需的輸入。 參考圖5，本發明的另一實施例中由數位動晝資料移 除雜訊的方法包含以下各步驟：在時間領域中估計雜訊的 相對旎1 VarnT，這是使用XY(i，上n)所決定的一預定的參考 值來進行’ VarnT是中央像素之亮度成份Y之(上述)空 間濾波，廣域移動估計向量成份mv和mh，以及一種門限 值nT(未顯示，其可由熟悉此技術的人員依據動畫(51〇)中 雜訊的量來設定)等所得到的結果；使用XY(iJ，n)， 26 200529101 作時使用xy(i，j，η)， W!(i，j，k)，mv 和 η mv *mh和一預定的常數〇1 (52〇)對該亮度成份之加權值 W/i，j，k)作適應式(adaptively)的轉換；使用 Xcb(i，j，n)和 xCr(i，j5 η)對該彩色成份之加權值Wc(i，上k)作適應式 (adaptively)的轉換，這是對中央像素的彩色成份cb和Q， VarnT，mv和mh以及一預定的常數Cc(53〇)作時間上的濾 波而計算出來；進行一種時間濾波操作，其獲得資料 xY(iJ,rilxcb^J,nlarrd l(U，〃），其中廣域移動已被補償，在操 n)，xCb(i，j，n)，Xcr(i，j，n)，Wc(i j，k)， 和mh以及該加權值Ws(k)，以便在螢幕變 化未被偵測到之-種範圍(序列）中對各框進行濾波(54〇)。 雖然本發明之空間濾波或時間濾波可獨立地用來移 除雜訊，但極優良的雜訊移除效果之獲得是首先進行空間 纽插作且織施力α糾間驗操作至空間濾波所得的資 料。依據本發明的較佳實施例由數位動晝資料移除雜訊之 方法係依序使用空間濾波操作和時間濾波 士依據本發明由數位動4#__紋綠中，使用 在時間濾、波齡巾的框讀目可下降且可更容胃地谁純
27 200529101 15593pif.doc 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 m 【圖式簡單說明】 圖1係繪示本發明的一實施例中由數位動晝資料移除 雜訊的方法的流程圖。 ' 圖2係本發明的一實施例中一種邊緣-調整加權值w(k， I，η)當C=1時之特性。 ’ 圖3係本發明的一實施例中一種邊緣-調整加權值w(k， 工，η)當C#1時之特性。 圖4係本發明的一實施例中在由數位動晝資料移除雜 汛的方法中所包含的每一步驟進行時顯示各計算之輸入_ 和輪出的方塊圖。 圖5係本發明的另一實施例中在由數位動晝資料移除 雜訊的方法中所包含的每一步驟進行時顯示各計算之輸入 •和輸出的方塊圖。 【主要元件符號說明】 111計算彩色成份之代表值 112 對免度成份施加一以LMMSE為主之5個濾、波 步驟 113計算每一像素的邊緣調整代表值 114估計影像的散亂值 115形成一種相減影像 116計算加權值 28 200529101 15593pif.doc 117 151 152 153 154 計算邊緣調整代表值+加權值x相減影像之值 偵測各框之間螢幕之變換 估計廣域移動和雜訊之相對大小 偵測影像之彩色成份和亮度成份移動時所需> 加權值被計算出 以螢幕偵測/移動偵測為主來進行遽波操作 中廣域移動已被補償 ，其
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Claims (1)

  1. 200529101 15593pif.doc 十、申請專利範圍： 1· 一種從輸入影像之數位動畫資料移除雜訊的方法， 包含在數位動晝資料中的雜訊經由空間濾波操作而移 本方法包括： ' 在輸入影像之各像素之彩色成份上進行第一次处 波操作；以及 i ❿ 在輸入影像之各像素之亮度成份上進行第二次 波操作； 中。 其中雜訊調整邊緣門限值使用在第二次空間濾波操作 一2·如申請專利範圍第1項所述之從輸入影像之數位動 晝資料移除雜訊的方法，其中更包含保留一影像中各邊緣 所需之步驟，其包括： 使用该雜訊調整邊緣門限值在一局部遮罩中算 素的邊緣調整代表值； 使用一預定的雜訊調整加權值來估計該影像的散亂 2，其是使用雜訊調整邊緣門限值和邊緣調整代表值來產 在该邊緣調整代表值和輸入影像之間獲得一種相減影 像； 比較該影像的散亂值和雜訊成份的散亂值以計算一種 加權值；以及 對该影像的邊緣設定一種大的加權值且對該相減影像 中的影像之雜訊設定一種小的加權值，且將該相滅影像(其 30 200529101 15593pif.doc 中已施加該加權值)加至該邊緣調整代表值。 3·如申請專繼圍第2項所述之從輸人影像之數位動 旦貝料移除雜訊的方法，其中該邊緣調整代表值是該像素 的平均值’且絲紐是該像素的偏差值和轉差中之一。 吹4:如申料利範圍第1項所述之從輸人影像之數位動 畫貧料移除雜訊的方法，其巾進行第―次空間濾波操作時 包含該像素的彩色成份的代表值之計算，且在—局部遮罩 中該彩色成份cb和Cr之代表值Xcb(iJ，n)和祕上n)滿 足 1 i+N j+N X〇b l’J’n、-WV\%Nhh，ri) / 1 i+N j+N Xcr /,7>)=2ΪνΤΤΣ ZycXKln) > τ 1 k=i-N l=j~N 热其中N是局部遮罩的大小；i和』是該像素的二維座 標；η表示一種框；yCb(k，丨，n)是輸入影像的Cb成份；且 ycr (k，1，η)是輸入影像的Cr成份。 一5·如申請專利範圍第2項所述之從輸入影像之數位動 晝資料移除雜訊的方法，其中每一像素的邊緣調整 滿足 了广.、 1 i+N j+N yy{hj,r7)= .+N -j+N+ Σ Σηκι, 於、k:i—N l=j一hi k=i-N l=j-M 其中N是局部遮罩的大小；i和j是該像素的二維座 標；η表示一種框；yY(iJ，n)是輸入影像的亮度成份；w « 1，η)是邊緣調整加權值，其用來決定該座標丨和』上的像素 以及該局部遮罩内的周圍像素是否在以該邊緣為基準的同 一個領域中。 31 2〇〇52mL 6·如申印專利範圍第5項所述之從輸入影像之數位動 ，資料移雜關方法，其巾舰霞加餘w (k，u叫 =與座上的中央像素和關像素之間的亮度差成反 t备邊一像素之間的亮度差大於雜訊調整邊緣門限值 調整加權值w (k，u n)等於G;且該雜訊調整邊緣 函種在—預定的範财與該雜訊的大小成比例的 金次7」如申明專利範圍第5項所述之從輸入影像之數位動 =料移除雜訊的方法，其中邊緣調整加權值w (k，i，⑴ 1 Jf Δ<^ώ 妒(灸，/，《)=二/(σ2) C f 0 ，△>/(〇 且滿座標(1’j)上的像素和周圍像素之間的亮度差 數；g(·) 八㈣川〜丨)；c是等於1或大於1的常 調遞數早調遞增函數；且雜訊調整邊緣門_·)是單 位動8晝或Γ所述之從輸人影像之數 滿足 Μ，、β 、法，其中所估計之影像之散亂值 ^ y+Ar XiJ.nf k 笔i，N l;j—N 其中N是局部遮罩的大小；丨和j是該像素的二維座 32 200529101 15593pif.doc 才=n表示一種框，是對yY(i，j5 η)施加邊緣調整加 權值W (k，1，η)時之偏差值；界(k，1，η)是邊緣調整加權值； %(0，〃)是邊緣調整代表值。 圭次9如申請專利範圍第2項所述之從輸入影像之數位動 畫貝料移除雜訊的方法，其中該相減影像滿足 Λ(’，知卜“"，”)。 動查申請專利範圍第2項所述之從輸入影像之數位 a i 、f移除雜訊的方法，其中該加權值滿足 … σΚ σ yY (^jy ri)2 叙蚩如申請專利範圍第2項所述之從輸入影像之數位 :資料移除雜訊的方法，其巾設定該加權值至該 像時之步驟滿足 〜 ^r(l，j，n)2 -crn(i，j，n)2 — ^yY{iJ,n)2 (外(〇) (’，乂 ")） 足 括： ’且將該相減影像加至該逯緣調整代表值時之步驟滿 少〆/，知)）。 12.種從數位動晝資料移除雜訊的方法，本方法包 在-輸人影像之各像素之亮度成份進行第* 間濾波操作；以及 二 在該輸入影像之各像素之彩色成份Cb 二次空間濾波操作；然後 進仃弟 33 200529101 15593pif.doc 在空，波操作之各別所得到的結果 ^，·^和灿⑽上進行時間濾波操作。，， 除雜項所述之從數位動畫資料移 偵測各框之間的螢幕變化； 估计各框之間的廣域移動； 仕^^母—像素的廣域移動執跡在時間上相鄰的框之間 估计6亥4訊VarnT的相對大小； _ΐί第—加權值(Wl(i，j，k))，則貞測該影像中每一像 素的冗度成份的移動；以及 計算第二加權值(，js k)) ’以_該影像中每一像 素的彩色成份的移動。 H·如申請專利範圍帛U項所述之餘位動畫資料移 示雜訊的方法，1其中雜訊VarnT的相對大小滿足 ηΤ γ^Ν〇. ^NiJ Xg^XY^J^n^xY(i-rnvj'-mh,n-l^] 其中丨和』是該像素的二維座標；n表示一種框；mv mh疋廣域移動向量成份；g[]是單調遞增函數；當 —Xr(7· —之值大於該門限值nT時，a之 值是1且當g小於該門限值ηΤ時，巧之值是〇。 15.如申請專利範圍第13項所述丄從數位動晝資料移 =雜訊的方法，其中偵測該影像中每一像素之亮度成份之 多動所用的加權值Wi(i，j，k)滿足 34 200529101 15593pif.doc Jf δ7<· MVafjr) C； fl(VarnT)- fj ^VarnT C7 <Δ; < fj(VarnT) 0 ，^)fj{VarnT) 且偵測該影像中每一像素之彩色成份之移動所用的力口 權值wc(i，j，k)滿足 Wc(i，j,k) [Ac-fc(VarnT)] fc(VarnT： fc(VarnTy fc(V^nT) Cc Cc fc (FarnT ) cT~ <AC <fc{VarnT) ^c)f〇{VarnT) 其中 ) Δ〇 =^xc^J^)~xcdi-mvJ-mh,n-k)\ + \xCr(iJ^)~xCr(i-mvj^^^ ^ g(·)疋任思的早调遞增函數，Ci和Cc是大於1的常數·每 一亮度門限值fi(·)和彩色門限值fc(·)都是單調遞增函數。 16.如申請專利範圍第12項所述之從數位動晝資料移 除雜訊的方法，其中更包含：在一系列未包含螢幕變化的 框中對各框進行時間濾波操作，其以移動偵測為主且對廣 域移動作補償以及使用：雜訊的相對大小；一種加權值y' 其Z來偵測該影像中彩色成份之移動；以及一種正規化用 的常數； 偵測該亮度成份之移動所用的加權值 且當該亮度差大於-預定的= _G，該亮度移朗限值由—種在一預 、乾中與该雜訊的大小成比例的函數來決定；以及 35 200529101 15593pif.doc 偵測該彩色成份之移動所用的加權值當像素之間的彩 色差大於一預定的彩色移動門限值時等於〇，該彩色移動 門限值由一種在一預定的範圍中與該雜訊的大小成比例的 函數來決定。 17·如申請專利範圍第16項所述之從數位動晝資料移 除雜訊的方法，其中進行時間濾波操作時之步驟滿足： ^ (/,7,= (hh Wc 7,k)xY (i - rnvk, j - mhk,k) = ，學c(U私,(/-mvj —所』 其中私·)是時間濾波之結果；Ws(k)是未包括螢幕變化 之一系，之框中對各框作濾波用的加權值;mvk和mhk是第 η框和第k框之間廣域移動之向量成份；z是正規化用的常 括 • 種從數位動晝資料移除雜訊的方法，本方法包 =了像素中對亮度成份和彩色成份進行第一次空間 濾波操作 包二次空間咖 對弟一次和塗_ A 測為1 主j進，二;:據波所得結果之她 除雜訊的方18項所狀從触動晝資料移 在每一像波操作時之步驟包括： 。9由偵測各個沿著廣域移動執跡之移動 36 200529101 15593pif.doc 來估計雜訊的相對大小； 計算一種加權值，其用來偵測該影像中每一像素的 度成份的移動； 計算一種加權值，其用來偵測該影像中每一像素的彩 色成份的移動；以及 口在一系列未包含螢幕變化的框中對各框進行時間濾波 插作以濾出各框，對廣域移動作補償以及使用：雜訊的相 對大j，種加權值，其用來偵測該影像中之亮度成份； 以及一種加權值，其用來偵測該影像中之彩色成份。 如·如申請專利範圍第18項所述之從數位動晝資料移 Hk的方法’其中更包括保留該影像中的邊緣所需的步 驟· 使用一預定的雜訊調整邊緣門限值來計算每一像 邊緣調整代表值； 預疋的雜訊調整加權值和該邊緣調整代表值來 估计忒衫像的散亂值，該預定的雜訊調整加權值使用該雜 訊調整邊緣門限值來產生； H于種相減影像’該邊緣調整代表值和一輸入影像； 比較该影像的散射值和該雜訊成份的散射值以計算出 種力格值，且施加該加權值至該相減值；以及 將°亥相減影像(其中已施加各加權值)加至邊緣調整代 表值， 中該代表錢—種平触，雜亂值是_種偏差值 或知準差。 37
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