WO2013044907A1

WO2013044907A1 - Verfahren zur rauschunterdrückung in bildern einer bildsequenz

Info

Publication number: WO2013044907A1
Application number: PCT/DE2012/100272
Authority: WO
Inventors: Burkhard Hahn
Original assignee: Jenoptik Optical Systems Gmbh
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2013-04-04
Also published as: US20140212063A1; US9092857B2; DE102011054056A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rauschunterdrückung in Bildern einer Bildsequenz. Aufgabe der Erfindung ist es eine Möglichkeit zu finden, um bei Bildern einer Bildsequenz, insbesondere mit wachsender Bildanzahl, eine iterativ besser angepasste Rauschunterdrückung zu gewährleisten. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Rauschunterdrückung gelöst, das einen Tiefpassfilter-Algorithmus: Formel (AA) mit einer Dämpfungsfunktion Formel (BB) vorsieht.

Description

Verfahren zur Rauschunterdrückung in Bildern einer Bildsequenz

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rauschunterdrückung in Bildern einer

Bildsequenz.

Auf dem Gebiet der digitalen Bildverarbeitung ist bekannt, dass entsprechend der Eigenschaften der zur Bilderfassung verwendeten Sensoren, charakteristische Bildstörungen auftreten. Digitalbilder, die unter ungünstigen Belichtungsverhältnissen aufgenommen werden, oder die einen hohen Anteil an dunklen Bildbereichen aufweisen, zeigen einen verhältnismäßig großen Rauschpegel. Zur Verringerung des in den Bildern vorhandenen dominierenden Photonenrauschens werden im Allgemeinen Filterungsmethoden eingesetzt, die das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern. Dazu wird in der Regel ein Zeitfilter auf die Regionen der Bilder angewandt, in denen keine Bewegung vorhanden ist. Basierend auf den, bei jedem gesondert betrachteten Bildpunkt festgestellten Veränderung der Intensität wird eine Detektion von bewegten Bildinhalten durchgeführt. Es wird angenommen, dass sich ein Bildpunkt in Bewegung befindet, wenn die Intensitätsschwankung zwischen Bildern einer Sequenz einen Schwellwert übersteigt, der mit der Standardabweichung des Rauschens in direktem Zusammenhang steht. Diese als in Bewegung befindlich ermittelten Bildpunkte werden nicht oder nur geringfügig gefiltert. Auf die als statisch oder unbeweglich ermittelten Bildpunkte wird eine in der Patentschrift US 6,314,160 B1 beschriebene Verarbeitung mit einem starren rekursiven Zeitfilter angewendet. Durch Verwendung eines rekursiven Tiefpasses als Filtergrundlage wird die maximale Mittlungslänge über eine Bildfolge begrenzt. Das Verfahren weist deshalb eine beschränkte Güte der Rauschunterdrückung und ein langsames Einschwingverhalten auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu finden, um bei Bildern einer Bildsequenz, insbesondere mit wachsender Bildanzahl, eine iterativ besser angepasste Rauschunterdrückung zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Rauschunterdrückung gelöst, das einen Tiefpassfilter-Algorithmus: mit einer Dämpfungsfunktion a" = a"^{aQ"^,Y" ) vorsieht. Die Dämpfungsfunktion "f hängt für jeden Bildpunkt zum einen von einem Dämpfungsfaktor 0" und zum anderen von einem Bewegungsmaß T" ab. Das Bewegungsmaß T"f ist abhängig von einer Grauwertdifferenz dQ"f = P"_} . - Q"f zwischen gefiltertem und ungefiltertem Bildpunkt, einer vorgebbaren Differenzschwelle dif _ swl und von einer Amplitude des Grauwertes ß"}¹ des Bildpunktes.

Es erfolgt eine Adaption des Dämpfungsfaktors 0" an die Dauer der Unbewegtheit Y"f ~ 0 des Grauwertes eines Bildpunktes. Weiterhin wird für den Dämpfungsfaktor 0"⁺. ein unterer Grenzwert O . und ein oberer Grenzwert ert) definiert.

Au ßerdem weist die rekursive Filterung von unbewegten Bildpunkten {Y"f = 0 ) einen sich θ_^ nähernden Dämpfungsfaktor und von bewegten Bildpunkten ( Γ"⁺¹ = 1 ) mit hoher Grauwertdynamik einen sich θ^ nähernden Dämpfungsfaktor auf.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

In einer Variante des Verfahrens wird auf jeden Bildpunkt eines Bildes aus einer Sequenz ein Filteralgorithmus mit einer rekursiven Mittelwertbildung angewendet. Der dazu verwendete Tiefpassfilter wirkt iterativ mit einer für den Bildpunkt angepassten Dämpfungsfunktion "f auf die Grauwertdifferenz dQ. f aus dem

Grauwert Q"† des Bildpunktes eines aktuell aufgenommenen Bildes und dem

Grauwert />". des Bildpunktes eines zuvor aufgenommenen und bereits gefilterten

Bildes. Die Dämpfungsfunktion wirkt in Abhängigkeit von einem für den Bildpunkt angepassten Dämpfungsfaktor 0" und des Bewegungsmaßes T"†. Der Wert des

Bewegungsmaßes T" richtet sich nach der Grauwertdifferenz dQ"f und wird durch einen vorzugebenden Schwellwert dif _ swl und einen Wichtungsfaktor y"f beeinflusst. Dieser Wichtungsfaktor ist abhängig vom Grauwert Q"f und einem

Referenzgrauwert Q0. Die Anpassung des Dämpfungsfaktors " erfolgt ebenfalls in Abhängigkeit vom Bewegungsmaß T" und dem Wert des bereits iterativ angepassten Dämpfungsfaktors arO"_;. , der zur Filterung des vorherigen Bildes verwendet wurde.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich ein bewegter Bildinhalt erkennen lässt wenn sich der Grauwert des dynamischen Bildinhalts vom Grauwert des statischen Bildinhalts abhebt. Die so entstehende Differenz ist damit höher als die Differenz, die zwischen verrauschten Bildpunkten in einem statischen Bildausschnitt auftritt. Anhand dieser Unterscheidung können dynamische Bildinhalte mit einer anderen Rauschunterdrückung bearbeitet werden als die Statischen. Der erfindungsgemäße Filteralgorithmus ermöglicht es, die dämpfende Filterwirkung in verrauschten, statischen Bildbereichen iterativ zu verstärken und in dynamischen Bildbereichen zu reduzieren bzw. überhaupt keine Dämpfung zuzulassen.

Die Entscheidung, ob ein Bildpunkt als dynamisch oder als statisch eingeschätzt wird, erfolgt mit dem Bewegungsmaß T"† . Es wird definiert durch:

m+1

dQ f * r f < dif _ swl]

dif _ swl

= 1

Mit dem Schwellwert dif _ swl und dem Wichtungsfaktor wird die

Grauwertdifferenz dQ. f gewichtet. Der Schwellwert dif _ swl wird vorgegeben und der Wichtungsfaktor y"f folgendermaßen berechnet:

Das Rauschen eines Bildpunktes ist von der Signalstärke seines Grauwertes abhängig. Hellere Bildpunkte weisen ein stärkeres Rauschverhalten auf als dunklere Bildpunkte. Durch die Verwendung des Referenzgrauwertes Q0 wird somit die Helligkeit des Grauwertes eines Bildpunktes berücksichtigt. Ein vorteilhafter Wert von Q{) liegt bei 30% des maximalen Grauwertes GW_^ . Der Schwellwert dif _ swl kann Werte zwischen 0 und GW_^ annehmen und bestimmt die Trennung zwischen bewegten und unbewegten Bildpunkten. Der Wert dieses Schwellwertes dif _ swl hat somit Einfluss auf die Stärke der Kantenverschmierung an bewegten Bildinhalten.

Die Dämpfungsfunktion "f ist im Wesentlichen von der Grauwertdifferenz dQ"f , der Signalstärke Q"f und dem Dämpfungsfaktor O" abhängig: n⁺¹ = Oⁿ⁺¹ * (l - Γ."⁺

wobei: Γ, n+ ,l

dif _ swl

1

sonst] wobei: dW? = dQ * γ. ⁺.

Eine iterative Adaption des Dämpfungsfaktors O" in Richtung stärkerer Dämpfungswirkung an die Dauer der Unbewegtheit P" ~ /^>" eines Bildpunktes Q"f führt zu einer verbesserten Rauschunterdrückung. Bei unbewegten Bildpunkten ist eine vorteilhafte Anpassung des Dämpfungsfaktors durch folgende Sequenz gegeben:

Bei andauernder Unbewegtheit wird der Dämpfungsfaktor O"^ iterativ erhöht, sodass er sich dem Wert 1 nähert und somit die Dämpfungsfunktion "f eine maximale Rauschunterdrückung an diesem Bildpunkt ermöglicht.

Der Dämpfungsfaktor 0" ist damit abhängig vom Dämpfungsfaktor ert)" . , der zur

Filterung des Bildpunktes des vorhergehenden Bildes verwendet wurde und von dem Bewegungsmaß T"† eines Bildpunktes des aktuellen Bildes. Naheliegend ist, dass der Dämpfungsfaktor 0" für ein kleines Bewegungsmaß T" vergrößert und für ein großes Bewegungsmaß T"f verringert wird. Das erfolgt innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte θ^ und αθ_^ . Eine vorteilhafte Realisierung dieser Anpassung kann in dieser festgelegten Unterteilung erfolgen:

wobei eine Grenzwertüberschreitung zu folgender Anpassung führt:

Wird ein Bildpunkt als nicht bewegt oder als rauschend eingeschätzt, wird der Dämpfungsfaktor aus dem vorhergehenden Filterdurchgang um den Betrag A_a erhöht und somit die Dämpfung verstärkt. Bei einem nur als mittelmäßig bewegt eingeschätzt Bildpunkt wird der Dämpfungsfaktor 0" unverändert übernommen.

Wird der Bildpunkt als bewegt eingeschätzt, erfolgt eine Abschwächung des Dämpfungsfaktors ÖT0" aus dem vorherigen Filterdurchgang um den Betrag A_a . Ein als stark bewegt eingeschätzter Bildpunkt setzt die Filterstärke des Dämpfungsfaktors 0" auf den unteren Grenzwert θ^ zurück, wodurch an diesem Bildpunkt eine sehr geringe oder keine Dämpfung mehr erfolgt.

Soll die Anpassung des Dämpfungsfaktors 0" noch variabler und genauer erfolgen, ist es von Vorteil, eine umfangreichere differenzierendere Bereichseinteilung in einer look up-Tabelle zu hinterlegen. «0 - Sequenz von Dämpfungsfaktoren

- oberer/unterer Grenzwert des Dämpfungsfaktors

- auf Bildpunkt angepasster Dämpfungsfaktor

- Dämpfungsfaktor des Vorgängers

- auf den Bildpunkt angepasste Dämpfungsfunktion

- Dämpfungsfunktion die auf den Vorgänger angewendet wurde

Δ_β - Änderungsbetrag des Dämpfungsfaktors

00 - Referenzgrauwert

- maximaler Grauwert

Q - Grauwert des aktuellen Bildpunktes dQtf - Grauwertdifferenz aus .". und Q"

- Grauwert des aktuellen Bildpunktes nach der Filterung

- Grauwert des vorrausgegangenen Bildpunktes nach der Filterung dif _ swl - Schwellwert für Bewegungsmaß

- Wichtungsfaktor (Grauwert)

- Bewegungsmaß

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren zur Rauschunterdrückung in Bildern einer Bildsequenz dem Algorithmus folgend: p₍^ = ;¹ * p₍- + (i - )* ö";¹ mit: P" = Grauwert eines Bildpunktes der i-ten Zeile und der j-ten

Spalte nach der (n+1 )-ten Iteration,

P"_j = Grauwert eines Bildpunktes der i-ten Zeile und der j-ten

Spalte nach der (n)-ten Iteration,

Q" = Grauwert eines Bildpunktes der i-ten Zeile und der j-ten

Spalte nach der (n+1 )-ten Aufnahme (ungefiltert) und " = Dämpfungsfunktion für einen Bildpunkt in der i-ten Zeile und der j-ten Spalte, wobei der Algorithmus ein rekursiver Tiefpass mit einer für den Bildpunkt angepassten Dämpfungsfunktion " ist und die Wirkung der Dämpfung abhängt von einer Grauwertdifferenz dQ" = P", . - Q" zwischen gefilterten und ungefilterten Bildpunkten, von einer Amplitude des Grauwertes Q"f des Bildpunktes, ferner gilt:

mit y" = Wichtungsfaktor und

Q{) = Referenzgrauwert, dadurch gekennzeichnet, dass

- eine Adaption der Stärke des Dämpfungsfaktors 0" unter Berücksichtigung der Sequenzlänge erfolgt, in der ein Bildpunkt der i-ten Zeile und j-ten Spalte einen unveränderten Grauwert aufweist,

- die Dämpfungsfaktoren 0" mit einem Grenzwert θ^ und einem Grenzwert θ_^ definiert werden,

- abhängig von einem Schwellwert dif _swl ein Bewegungsmaß

[für dQ†*_r†<dif_swl]

dif _ swl

= 1 erstellt wird, wobei dann gilt: "f = 0" * (l - rf),

- abhängend vom Bewegungsmaß T"f eine Wichtung des Dämpfungsfaktors 0" erfolgt,

- die rekursive Filterung von unbewegten Bildpunkten mit einem sich θ_^ nähernden Dämpfungsfaktor 0" erfolgt und

- die rekursive Filterung von bewegten Bildpunkten mit einem sich θ^ nähernden Dämpfungsfaktor 0" erfolgt.