DE69421377T2

DE69421377T2 - Filter zur Rauschunterdrückung und Kantenverstärkung von numerischen Bildsignalen mit Hilfe unscharfer Logik

Info

Publication number: DE69421377T2
Application number: DE69421377T
Authority: DE
Inventors: Massimo Mancuso; Rinaldo Poluzzi; Gianguido Rizzotto
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1994-02-28
Filing date: 1994-02-28
Publication date: 2000-03-23
Anticipated expiration: 2014-03-01
Also published as: EP0669598A1; JP2756420B2; JPH0869526A; EP0669598B1; US5757977A; DE69421377D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filter für Videoanlagen, insbesondere ein Filter, welches mit Fuzzy-Logik zwecks Rauschreduktion und Kantenverstärkung in digitalen Bildsignalen arbeitet.
Es ist bekannt, daß man im allgemeinen eine Verringerung des in Signalen jeglicher Art enthaltenen Rauschens unter Einsatz von Tiefpaßfiltern mit voreingestellter Grenzfrequenz erreicht.
In der Mehrzahl der Fälle jedoch geht mit dem Einsatz solcher Filter eine Reduzierung von Signalkomponenten einher, die möglicherweise brauchbare Information enthalten.
Im Fall von Bildsignalen beispielsweise beinhaltet der Einsatz von Tiefpaßfiltern die Dämpfung der hochfrequenten Komponenten der Signale, die nützliche Information bezüglich der Bildkonturen oder - Kanten enthalten.
Um diesen Nachteil zu mildern, werden adaptive Filter eingesetzt, deren Frequenz ansprechend auf die Charakteristik der an ihrem Eingang anstehenden Signale angepaßt wird.
Allerdings sind solche Filters schaltungstechnisch äußerst komplex. Auf dem Gebiet der Bildsignalverarbeitung erfolgt die Rauschverringerung auch mit Hilfe nicht-linearer Filter, darunter ein in der Literatur als Mittelungsfilter bezeichnetes Filters, ferner Filter, die mit Fuzzy-Logik arbeiten.
Die "Fuzzy"-Prozeduren, die bei Filtermethoden zum Einsatz gelangen, um das in Bildsignalen enthaltene Rauschen zu reduzieren, sind z. B. beschrieben in dem Artikel "Fuzzy Operators for Sharpening of Noisy Images" von F. Russo und G. Ramponi, erschienen in Electronics Letters Vol. 28 Nr. 18. August 1992.
Diese Prozeduren sind auch beschrieben in dem Artikel "Working on Image Date Using Fuzzy Rules" von F. Russo und G. Ramponi, erschienen in Signal Processing IV Theories and Applications, Proceedings of EUSIPCO-92, Brüssel, Belgien, August 1992, und in dem Artikel "A Fuzzy If-Then Approach to Edge Detection" von C. W. Tao und W. E. Thompson, Proceedings of the Second IEEE Conference on Fuzzy Systems, San Francisco, California, März/April 1993.
Allerdings weisen diese Filter eine komplexe Baustruktur auf und sind folglich in der Herstellung teuer.
Auf dem Gebiet der Bildsignalverarbeitung besteht eine grundlegende auszuführende Operation in der Bildkantenhervorhebung.
Diese Operation wird deshalb ausgeführt, weil im allgemeinen das Videosignalband aus Übertragungsgründen beschränkt ist (z. B. bei Fernsehsignalen), außerdem aufgrund sogenannter Kompressionsalgorithmen (d. h. solche, die bei der JPEG und MPEG- Norm Verwendung finden).
Videosignalbandbeschränkung führt zur Dämpfung von hochfrequenten Komponenten der Signale und folglich zu einem Verlust der Bildkantendefinition.
Die Betonung dieser Bildkanten erfordert daher eine Hochpaßfilterung, um die Dämpfung in Richtung der hohen Frequenzen zu kompensieren.
Aus dem oben Gesagten ist ersichtlich, daß Rauschreduktion und Bildkantenbetonung zwei schwierig miteinander in Einklang zu bringende Prozesse darstellen, weil der erste Prozeß eine weitere Verringerung des Videosignalbandes erfordert, wohingegen der zweite Prozeß eine Betonung der hohen Frequenzen dieser Signale erfordert. Die allgemein gewählte Lösung besteht darin, daß die zwei Prozesse in Kaskade durchgeführt werden, d. h. es wird zunächst eine Filterung der niederfrequenten Videosignalkomponenten zur Rauschverringerung vorgenommen, anschließend erfolgt ein Filtern der Hochpaßkomponenten, um die Bildkanten zu betonen.
Allerdings ist diese Lösung deshalb nicht optimal, weil die erste Filterung die Kanten zusätzlich dämpft, wohingegen die zweite Filterung wiederum das Rauschen verstärkt.
Die EP-A-0 415 648 beschreibt ein Filter zur Bildverarbeitung, bei dem die Ausganswerte einer Kantenbetonung und einer Glättung korrigiert werden durch einen Steuerwert, der durch Fuzzy-Folgerungsalgorithmen erhalten wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter für digitale Bildsignale anzugeben, welches in der Lage ist, zu unterscheiden zwischen Information bezüglich der Kanten und Rauschinformation.
Auf diese Weise schafft das Filter eine Rauschreduktion nur bei digitalen Bildsignalen, bei denen Rauschen vorhanden ist, und eine Betonung der Kanten erfolgt nur dann, wenn es digitale Bildsignale für solche Kanten gibt.
Das entworfene Filter basiert auf Fuzzylogik. Der Filteraufbau ist von der Struktur her einfach und läßt sich folglich wirtschaftlich fertigen.
Auf der Grundlage dieser Lösungsidee wird die Aufgabe gelöst durch ein Filter, welches mit Fuzzylogik zur Rauschreduktion und Kantenverstärkung in digitalen Bildsignalen arbeitet, wie es im Kennzeichnungsteil der dieser Beschreibung beigefügten Ansprüche angegeben ist.
Die Merkmale und Vorteile des Filters, welches mit Fuzzylogik zur Rauschreduktion und Kantenverstärkung in digitalen Bildsignalen erfindungsgemäß arbeitet, sind in der Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung nachstehend als Beispiel unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen dargelegt:
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Filters gemäß der Erfindung; und
Fig. 2 eine detaillierte schematische Ansicht einer Einzelheit des Filters nach Fig. 1.
Das Diagramm in Fig. 1 zeigt ein Filter 1, welches nach Fuzzylogik bezüglich digitaler Bildsignale arbeitet und mindestens eine erste und eine zweite Verarbeitungsschaltungseinrichtung 2 und 3 aufweist, ausgelegt zur Auswahl einer Bildkante.
Jede der Schaltungssteuereinrichtungen enthält mindestens ein erstes und ein zweites Vergleichselement (S1, S2, S3 und S4), die jeweils mindestens einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluß und mindestens einen Ausgangsanschluß aufweisen, wobei die Eingangsanschlüsse dazu ausgelegt sind, separate digitale Signale eines Bildes zu empfangen, außerdem mindestens eine Folgerungsschaltung (C1 und C2), die mindestens einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluß und mindestens einen Ausgangsanschluß aufweisen.
Speziell sind der erste und der zweite Eingangsanschluß der Folgerungsschaltung C1 in der ersten Verarbeitungsschaltungseinrichtung 2 an die Ausgangsanschlüsse des ersten bzw. des zweiten Vergleichselements S1 und S2 in der Verarbeitungsschaltungseinrichtung 2 angeschlossen.
Der erste und der zweite Eingangsanschluß der Folgerungsschaltung C2 in der zweiten Verarbeitungsschaltungseinrichtung 3 sind an die Ausgangsanschlüsse des ersten bzw. des zweiten Vergleichselements S2 und S4 in der zweiten Verarbeitungsschaltungseinrichtung 3 angeschlossen.
Die Folgerungsschaltungen C1 und C2 enthalten jeweils eine Einheit, die entsprechend Fuzzlogik arbeitet, ausgestaltet in der Weise, daß Aktivierungspegel "Vi" definiert werden, die von Signalen abhängen, die von den Vergleichselementen erzeugt werden.
Genauer gesagt: jede Fuzzlogik-Einheit arbeitet wirksam entlang einer gewissen Richtung eines zu verarbeitenden Bildes, und jeder Aktivierungspegel "Vi" repräsentiert ein Vertrauensmaß dafür, daß ein digitales Eingangssignal zu einer Bildkante gehört, die sich entlang der Richtung erstreckt, die senkrecht steht auf der Richtung, in der die Einheit vorgeht.
Jeder Aktivierungspegel "Vi" kann Werte in dem Intervall [0,1] annehmen.
Die Anzahl von Verarbeitungsschaltungseinrichtungen in dem Filter 1 hängt ab von der Größe eines zu verarbeitenden Bildes und an zweiter Stelle von der Anzahl von Richtungen, entlang denen die Fuzzlogik- Einheiten arbeiten.
Das Filter 1 enthält außerdem eine Rauschdetektorschaltung 4 mit mindestens einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß und mindestens einem Ausgangsanschluß.
Der erste und der zweite Eingangsanschluß der Rauschdetektorschaltung 4 sind an den Ausgangsanschluß der Folgerungsschaltung C4 in der ersten Verarbeitungsschaltungseinrichtung 2 bzw. an den Ausgangsanschluß der Folgerungsschaltung C2 in der zweiten Verarbeitungsschaltungseinrichtung 3 angeschlossen.
Die Rauschdetektorschaltung 4 ist so ausgebildet, daß sie Operationen nach Maßgabe von Fuzzylogik-Regeln auf der Grundlage von Aktivierungspegeln "Vi" ausführt, welche in den Folgerungsschaltungen C1 und C2 definiert werden.
Das Ergebnis der Operationen wird dargestellt durch ein Signal K, welches Werte annimmt, die in dem Intervall [0,1] liegen.
Jene Anzahl K gibt ein Maß an Vertrauen an, welches die Rauschdetektorschaltung 4 bei der Abschätzung dafür einrichtet, daß das digitale Eingangssignal Rauschen enthält oder nicht.
Das Filter 1 enthält außerdem eine Rauschreduktionsschaltung 5 mit mindestens einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß und mindestens einem Ausgangsanschluß.
Der erste Eingangsanschluß der Rauschreduktionsschaltung 5 ist mit dem Ausgangsanschluß der Rauschdetektorschaltung 4 gekoppelt, und der zweite Eingangsanschluß der Rauschreduktionsschaltung 5 dient zum Empfangen von digitalen Bildsignalen.
Die Rauschreduktionsschaltung 5 ist so ausgelegt, daß sie die digitalen Bildsignale auf der Grundlage des Werts des Signals K filtert, und zwar zu getrennten zeitlichen Momenten und entsprechend voreingestellten Zeitintervallen.
Speziell werden für K = 1 die digitalen Bildsignale gefiltert, während sie für K = 0 unverändert bleiben, darüberhinaus können sämtliche Zwischenzustände zwischen diesen zwei Werten auftreten.
Das Filter 1 enthält außerdem eine Bildkanten-Erfassungsschaltung 6 mit mindestens einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß und mindestens einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluß.
Der erste und der zweite Eingangsanschluß der Bildkanten- Erfassungsschaltung 6 sind an den Ausgangsanschluß der Folgerungsschaltung C1 in der ersten Verarbeitungsschaltungseinrichtung 2 bzw. an den ersten Ausgang der Folgerungsschaltung C2 in der zweiten Verarbeitungsschaltungseinrichtung 3 angeschlossen.
Die Bildkanten-Erfassungsschaltung 6 enthält entweder mindestens ein Speicherregister, in dem mindestens ein Fuzzylogik-Prozeß gespeichert ist, oder eine Fuzzylogik-Einheit, und ist so ausgebildet, daß sie Operationen auf der Grundlage der Aktivierungspegel "Vi" ausführt, die in der Folgerungsschaltung C1 und C2 definiert werden.
Das Ergebnis der Operationen wird dargestellt durch Signale Ei, die Werte in einem geeigneten Intervall annehmen und jeweils ein Vertrauensmaß dafür repräsentieren, daß ein digitales Eingangssignal zu einem speziellen Typ von Bildkante und nicht zu einem anderen Typ gehört.
Das Filter 1 enthält außerdem eine Bildkanten-Betonungsschaltung 2, wie in Fig. 2 dargestellt ist, und diese besitzt mindestens einen ersten, einen zweiten und einen dritten Eingangsanschluß und mindestens einen Ausgangskreis.
Der erste und der zweite Eingangsanschluß der Bildkanten- Betonungsschaltung 7 sind an den ersten bzw. den zweiten Ausgangsanschluß der Bildkanten-Erfassungsschaltung 6 angeschlossen, und der dritte Eingangsanschluß der Bildkanten-Betonungsschaltung 7 ist an den Ausgangsanschluß der Rauschreduktionsschaltung 6 angeschlossen.
Die Bildkanten-Betonungsschaltung 7 enthält mindestens ein erstes und ein zweites Schaltungselement 8 und 9 mit mindestens jeweils einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß und mindestens einem Ausgangsanschluß.
Der erste Eingangsanschluß des ersten und des zweiten Schaltungselements 8 und 9 sind an mindestens einen Ausgangsanschluß einer Schnittstellenschaltung 10 angeschlossen, die mit mindestens einem Eingangsanschluß an den Ausgangsanschluß der Rauschreduktionsschaltung 5 gekoppelt ist, während der zweite Eingangsanschluß des ersten Schaltungselements 8 und der zweite Eingangsanschluß des zweiten Schaltungselements 9 an den ersten bzw. den zweiten Ausgangsanschluß der Bildkanten-Erfassungsschaltung 6 angeschlossen sind.
Die Schaltungselemente 8 und 9 sind so ausgelegt, daß sie bezüglich gefilterter digitaler Bildsignale eine Betonung oder Hervorhebung von Bildkanten auf der Grundlage des Werts des Signals Ei vornehmen. Die Bildkanten-Betonungsschaltung 7 enthält außerdem einen Vergleicher 11 mit mindestens einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß und mindestens einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluß.
Der erste und der zweite Eingangsanschluß des Vergleichers 11 sind an den ersten bzw. den zweiten Ausgangsanschluß der Bildkanten- Erfassungsschaltung 6 angeschlossen.
Die Bildkanten-Betonungsschaltung 7 enthält außerdem einen Multiplexer 12 mit mindestens einem ersten, einem zweiten, einem dritten und einem · vierten Eingangsanschluß und mindestens einem Ausgangsanschluß, der den Ausgangsanschluß des Filters 1 bildet.
Der erste und der zweite Eingangsanschluß des Multiplexers 12 sind an den Ausgangsanschluß des ersten Schaltungselements 8 bzw. den Ausgangsanschluß des zweiten Schaltungselements 9 angeschlossen, und der dritte und der vierte Eingangsanschluß des Multiplexers 12 sind an den ersten bzw. den zweiten Ausgangsanschluß des Vergleichers 11 angeschlossen.
Der dritte und der vierte Eingangsanschluß sind Befehlsanschlüsse des Multiplexers 12.
Der Vergleicher 11 ermittelt aus den Signalen Ei dasjenige, welches den Maximumwert hat, und auf der Grundlage dieses Werts gibt er eine logische "1" an die Befehlsanschlüsse des Multiplexers 12.
Auf der Grundlage des aktivierten Befehlsanschlusses wählt der Multiplexer 12 unter den Ausgangssignalen der Schaltungselemente 8 und 9 Ausgangssignale des Filters 1 aus.
Es ist ersichtlich, daß Modifikationen, Zusammenfassungen und Austauschungen von Elementen der oben ohne Beschränkung als Beispiel beschriebenen Ausführungsform möglich sind, ohne dadurch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims

1. Gemäß Fuzzylogik arbeitendes Filter für digitale Bildsignale, umfassend

- mindestens eine erste und eine zweite Verarbeitungsschaltungseinrichtung (2, 3), ausgelegt zum Auswählen einer Bildkante; wobei jede solche Verarbeitungsschaltungseinrichtung aufweist:

mindestens ein erstes und ein zweites Vergleichselement (S1, S2, S3, S4) mit jeweils einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß und mindestens einem Ausgangsanschluß, wobei die Eingangsanschlüsse dazu ausgelegt sind, gesonderte digitale Signale eines Bildes zu empfangen;

mindestens eine Folgerungsschaltung (C1, C2) mit mindestens einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß und mindestens einem Ausgangsanschluß, von denen der erste und der zweite Eingangsanschluß der Folgerungsschaltung (C1) in der Verarbeitungsschaltungseinrichtung (2) an die Ausgangsanschlüsse des ersten und des zweiten Vergleichselements (S1, S2) in der ersten Verarbeitungsschaltungseinrichtung (2) angeschlossen sind, und der erste und der zweite Eingangsanschluß der Folgerungsschaltung (C2) in der zweiten Verarbeitungsschaltungseinrichtung (3) an die Ausgangsanschlüsse des ersten und des zweiten Vergleichselements (S3, S4) in der zweiten Verarbeitungsschaltungseinrichtung (3) angeschlossen sind;

wobei jede der Folgerungsschaltungen (C1, C2) eine Einheit enthält, die gemäß Fuzzlogik arbeitet, ausgelegt zum Definieren von Aktivierungspegeln, die von Signalen abhängen, die durch die Vergleichselemente erzeugt werden;

eine Rauschdetektorschaltung (4) mit mindestens einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß und mindestens einem Ausgangsanschluß, von denen der erste und der zweite Eingangsanschluß an den Ausgangsanschluß der Folgerungsschaltung (C1) in der ersten Verarbeitungseinrichtung (2) und an den Ausgangsanschluß der Folgerungsschaltung (C2) in der zweiten Verarbeitungseinrichtung (3) angeschlossen sind;

wobei die Rauschdetektorschaltung (4) derart ausgebildet ist, daß sie Operationen gemäß Fuzzlogik-Regeln auf der Grundlage der in den Folgerungsschaltungen (C1, C2) definierten Aktivierungspegeln ausführt;

- eine Rauschreduktionsschaltung (5) mit mindestens einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß und mindestens einem Ausgangsanschluß, von denen der erste Eingangsanschluß an den Ausgangsanschluß der Rauschdetektorschaltung (4) angeschlossen ist, und der zweite Eingangsanschluß der Rauschreduktionsschaltung (5) so ausgebildet ist, daß er digitale Bildsignale empfängt, und die Rauschreduktionsschaltung (S) derart ausgebildet ist, daß sie die digitalen Bildsignale auf der Grundlage von Operationen filtert, die gemäß Fuzzilogik- Regeln ausgeführt werden und von der Rauschdetektorschaltung (4) nach Maßgabe voreingestellter Zeitintervalle zu diskreten Zeitpunkten kommen;

wobei das Filter (1) dadurch gekennzeichnet ist,

daß es aufweist:

- eine Bildkanten-Erfassungsschaltung (6) mit mindestens einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluß und mindestens einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluß, wobei der erste und der zweite Eingangsanschluß der Bildkanten- Erfassungsschaltung (6) mit dem Ausgangsanschluß der Folgerungsschaltung (C1) in der ersten Verarbeitungsschaltungseinrichtung (2) bzw. mit dem Ausgangsanschluß der Folgerungsschaltung (C2) in der zweiten Verarbeitungsschaltungseinrichtung (3) verbunden ist, und die Bildkanten-Erfassungsschaltung (6) derart ausgebildet ist, daß sie Operationen nach Maßgabe von Fuzzylogik-Regeln auf der Grundlage von Aktivierungspegeln ausführt, die in den Folgerungsschaltungen (C1, C2) definiert werden; und

- eine Bildkanten-Betonungsschaltung (7) mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Eingangsanschluß und mindestens einem Ausgangsanschluß, von denen der erste und der zweite Eingangsanschluß an den ersten bzw. den zweiten Ausgangsanschluß der Bildkanten-Erfassungsschaltung (6) angeschlossen sind und der dritte Eingangsanschluß der Bildkanten-Betonungsschaltung (7) an den Ausgangsanschluß der Rauschreduktionsschaltung (5) angeschlossen ist, wobei die Bildkanten-Betonungsschaltung (7) Schaltungselemente (8, 9) enthält, die dazu ausgebildet sind, bezüglich gefilterter digitaler Bildsignale eine Betonung von Bildkanten auf der Grundlage von Operationen vorzunehmen, die gemäß Fuzzylogik-Regeln durch die Bildkanten-Erfassungsschaltung (5) durchgeführt werden.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildkanten-Erfassungsschaltung (6) mindestens ein Speicherregister zum Speichern mindestens eines Fuzzylogik-Prozesses aufweist.

3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildkanten-Erfassungsschaltung (6) eine gemäß Fuzzylogik arbeitende Einheit enthält.

4. Filter nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein erstes und ein zweites Schaltungselement (8, 9) in der Bildkanten-Betonungsschaltung (7) jeweils mindestens einen ersten und einen Eingangsanschluß und mindestens einen Ausgangsanschluß aufweisen, von denen der erste Eingangsanschluß des ersten und des zweiten Schaltungselements (8, 9) an mindestens einen Ausgangsanschluß einer Schnittstellenschaltung (10) angeschlossen ist, die mit mindestens einem Eingangsanschluß an den Ausgangsanschluß der Rauschreduktionsschaltung (5) gekoppelt ist, der zweite Eingangsanschluß des ersten Schaltungselements (8) und der zweite Eingangsanschluß des zweiten Schaltungselements (9) an den ersten bzw. den zweiten Ausgangsanschluß der Bildkanten- Erfassungsschaltung (6) gekoppelt sind.

5. Filter nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildkanten-Betonungsschaltung (7) einen Vergleicher (11) aufweist, der mindestens einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluß und mindestens einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluß aufweist, wobei der erste und der zweite Eingangsanschluß des Vergleichers (11) an den ersten bzw. den zweiten Ausgangsanschluß der Bildkanten-Erfassungsschaltung (6) angeschlossen sind.

6. Filter nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildkanten-Betonungsschaltung (7) einen Multiplexer (12) mit mindestens einem ersten, einem zweiten, einem dritten und einem vierten Eingangsanschluß und mindestens einem Ausgangsanschluß, der einen Ausgangsanschluß des Filters (1) bildet, aufweist, wobei der erste und der zweite Eingangsanschluß des Multiplexers (12) an den Ausgangsanschluß des ersten Schaltungselements (8) bzw. an den Ausgangsanschluß des zweiten Schaltungselements (9) angeschlossen sind, der dritte und der vierte Eingangsanschluß des Multiplexers (12) an den ersten bzw. den zweiten Ausgangsanschluß des Vergleichers (11) angeschlossen sind, und der dritte und der vierte Eingangsanschluß Steueranschlüsse des Multiplexers (12) sind.