DE69321011T2

DE69321011T2 - Verfahren und Gerät zur Rauschmessung

Info

Publication number: DE69321011T2
Application number: DE69321011T
Authority: DE
Inventors: Michael F-67400 Illkirch Knee
Original assignee: Thomson Multimedia SA
Current assignee: Vantiva SA
Priority date: 1992-03-23
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 1999-02-18
Anticipated expiration: 2013-03-16
Also published as: JPH0651009A; US5387946A; JP3171283B2; EP0562407A1; DE69321011D1; EP0562407B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rauschmessung.

Hintergrund

Es sind verschiedene Verfahren zur Rauschmessung bekannt. Die Aktivität von Pixelblöcken kann gemessen und für die Rauschmessung verwendet werden. Es ist jedoch schwierig, zwischen dem Rausch- und dem Bildinhalt zu unterscheiden.
Aus US 4,873,574 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rauschmessung in Videosignalen bekannt. Gemäß diesem Dokument wird das Rauschen dadurch gemessen, daß aufeinanderfolgend der Unterschied zwischen zwei abwechselnden Zeilen des zusammengesetzten Fernsehbildsignals gebildet wird. Die absoluten Unterschiedswerte werden in einem Akkumulator aufsummiert, wodurch der gemessene Rauschwert erzeugt wird.

Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Rauschmessung zu offenbaren, das auf der Aktivität von Blöcken von Pixelwerten beruht. Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene erfindungsgemäße Verfahren gelöst.
Vorteilhafte zusätzliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den entsprechenden Unteransprüchen.
Die Erfindung verwendet die Entdeckung, daß der aktive Bildinhalt auch Signalteile enthält, von denen die Hauptaktivität durch Rauschen verursacht wird. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung von gemessenen Block-Aktivitätswerten von Bildblöcken wird mit einem Verfahren zum Gewinnen einer laufenden Abschätzung eines bestimmten Punktes in der Wahrscheinlichkeitsverteilung kombiniert und für die Rauschmessung verwendet. Dadurch kann auch das Rauschen von Signalteilen mit aktivem Bildinhalt gemessen werden.
Im Prinzip besteht das erfindungsgemäße Verfahren in einer Rauschmessung, wobei die Aktivitätswerte A von Pixelblöcken periodisch berechnet und mit einem geschätzten Rauschwert N verglichen werden, der in einer Akkumulatorschaltung gespeichert ist, und wobei im Falle von A > N ein erster Korrekturwert in der Akkumulatorschaltung dem Rauschwert N hinzugefügt wird und im Falle von A ≤ N ein zweiter Korrekturwert, der 10 bis 100 mal größer als der erste Korrekturwert ist, in der Akkumulatorschaltung von dem Rauschwert N subtrahiert wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu offenbaren, die das erfindungsgemäße Verfahren verwendet. Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst.
Im Prinzip umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel zum Erfassen von Blöcken des aktiven Bildes nur in Intervallen, die durch einen Pseudo-Zufallszahlengenerator bestimmt werden, Mittel zum Berechnen des Mittelwertes für jeden Block und Mittel zum Subtrahieren dieses Mittelwertes von den Pixelwerten des gegenwärtigen Blocks, Mittel zum Berechnen von absoluten Werten oder Quadraten der Unterschiedswerte von dem Ausgang der Subtraktionsmittel, Mittel zum Aufsummieren der absoluten Werte oder der Quadrate für jeden Block, um dadurch die Aktivitätswerte A zu erzeugen, einen Komparator zum Vergleichen der Aktivitätswerte A und der abgeschätzten Rauschwerte N, die in einer Akkumulatorschaltung gespeichert worden sind, wobei gesteuert durch den logischen Ausgangswert des Komparators im Falle A > N der erste Korrekturwert in der Akkumulatorschaltung dem Rauschwert N hinzugefügt wird und im Falle A ≤ N der zweite Korrekturwert in der Akkumulatorschaltung von dem Rauschwert N subtrahiert wird.

Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 die allgemeine Funktion der Rauschmessung;
Fig. 2 die Messung der Aktivität;
Fig. 3 ein digitales Filter;
Fig. 4 die Erfassung von Pixelblöcken;
Fig. 5 im Prinzip die Block-Energieberechnung;
Fig. 6 das Verfahren der statistischen Verteilung;
Fig. 7 eine erfindungsgemäße Rauschmeßvorrichtung.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 wird die Aktivität A eines ankommenden Bildsignals Y, z. B. eines Fernsehsignals, üblicherweise die Luminanzkomponente, periodisch (z. B. 192 mal pro Vollbild im Falle von 3 · 3 Pixelblöcken) in einer Meßschaltung 11 unter der Zeitsteuerung eines Synchronsignals S gemessen. Die resultierenden Aktivitätswerte A werden in einer Verteilungsschaltung 12 gemäß ihrer statistischen Verteilung verarbeitet, um eine Rauschabschätzung N zu erzeugen, die sich entweder mit derselben Geschwindigkeit oder wesentlich langsamer als A ändert, z. B. einmal pro Sekunde.
Die Meßschaltung 11 wird in größeren Einzelheiten in Fig. 2 erklärt. Das Bildsignal Y läuft durch ein Filter 21, üblicherweise ein Hochpaßfilter, dessen Ausgang H dem Rauschinhalt des Bildsignals mehr angenähert ist als das ursprüngliche Bildsignal. Kleine Blöcke B des gefilterten Bildsignals H werden dann durch eine Blockschaltung 22 erfaßt, die durch das Synchronsignal S gesteuert wird. Die Energie jedes Blocks B wird in einer Energieberechnungsschaltung 23 berechnet. Die Blöcke können eine oder alle horizontale, vertikale und zeitliche Dimensionen enthalten.
In einer Version der Erfindung ist das Bildsignal digital und wird gefiltert, indem von ihm der Durchschnitt von kleinen Blöcken des Bildes subtrahiert wird, wie in Fig. 3 dargestellt. Der Durchschnitt jedes Blockes wird mit einem Block- Durchschnittsrechner 32 berechnet und mit einer Subtraktionsschaltung 33 von dem Bildsignal Y subtrahiert, das in geeigneter Weise durch eine Verzögerungsvorrichtung 31 verzögert worden ist. Die Blöcke können die gleichen sein wie unten beschrieben, und sie können in der gleichen Weise erfaßt werden. Bei einer anderen Version kann das gefilterte Signal aus der Differenz zwischen dem Signal selbst und einer optimalen linearen oder adaptiven Vorhersage des Signals bestehen. In einer weiteren Version können die Videosignalzeilen mit einem eindimensionalen analogen Hochpaßfilter gefiltert werden.
In einer Version der Erfindung werden die Blöcke in der Blockschaltung 42 erfaßt, indem der Takt Clk mit dem UND-Tor 42 an dem Eingang zu einem seriellen Schieberegister 41 getastet wird, was in Fig. 4 dargestellt ist. Der zweite Eingang des Tors 22 ist über eine Steuerschaltung 43 mit der Sync-Schaltung S verbunden. In dieser Version wird alle n Zeilen höchstens ein Block erfaßt, wobei n die Zahl von Zeilen ist, die die Größe des Blocks überspannen.
Bei einer anderen Version werden die Blöcke kontinuierlich mittels Zeilenverzögerungen erfaßt.
In beiden Versionen muß die Blockschaltung 22 sicherstellen, daß nur Teile des Bildsignals, die Übertragungsrauschen ausgesetzt worden sind, und die nicht in dem Empfänger rekonstruiert worden sind, erfaßt werden.
Die Energie eines Blocks wird in einer Energie- Rechenschaltung 23 durch Summieren der Quadrate der Abtastwerte in dem Block berechnet. Es können auch andere Lösungen verwendet werden. Eine einfache aber wirksame Lösung ist die Summierung der absoluten Werte anstelle der Quadrate, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Die Pixelwerte des Blocks B werden einer Absolutwertschaltung 51 zugeführt. Die Ausgangswerte werden in einer Addierschaltung 52 aufsummiert. Jede Summe wird zwischenzeitlich in einem Register 53 gespeichert, z. B. einen D-Flip-Flop. Dieses Register wird mit einem Block-Startsignal 54 am Beginn jedes Blocks gelöscht. Die resultierende Annäherung an die Energie jedes gefilterten Blocks bildet eine Abschätzung der Aktivität des entsprechenden Teils des ursprünglichen Bildes. Bei einer Version der Erfindung ist der endgültige Ausgang A dieser Funktion der Logarithmus der abgeschätzten Aktivität.
Die Abtastungen der Bildaktivität werden verarbeitet, wobei ihre statistischen Eigenschaften ausgewertet werden, um eine globale Abschätzung des Rauschens in dem Bild zu erhalten, die so unabhängig wie möglich von den Einzelheiten in dem Bild ist. Bei einer Version der Erfindung besteht die Rauschabschätzung aus einer laufenden Annährung N an den k%-Punkt, auf der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Aktivitätsabtastungen, wobei k üb licherweise zwischen 1 und 10 liegt. Dies bedeutet, daß innerhalb einer gegebenen Periode k% der Aktivitätsabtastungen A unter N liegen und (100-k)% der Aktivitätsabtastungen größer als N sind.
Gemäß Fig. 6 wird diese Annäherung N in einem Akkumulator 63 gehalten und in einem Komparator mit den ankommenden A- Abtastungen der Reihe nach verglichen. Der Ausgang des Komparators 61 steuert einen Schalter 62, der entweder einen ersten oder einen zweiten Korrekturwert in den Akkumulator 63 eingibt. Die folgende Regel wird angewendet:
Wenn A > N: ist der erste Wert +k · d/100
Andernfalls: ist der zweite Wert -(100-k) · d/100
worin d ein kleiner Konvergenzparameter ist (üblicherweise in der Größenordnung von 0,01), der erlaubt, daß sich N langsam ändert. Die Wirkung der Anwendung dieser Regel in einem eingeschwungenen Zustand ist das Halten von N an dem k%-Punkt der Verteilung der Werte von A.
Wenn A (und daher N) logarithmisch ausgedrückt wird, besteht der endgültige Prozeß darin, einen Korrekturwert zu addieren, der von der Blockgröße und der Aktivitätsmessung A abhängt, und der zusätzlich von der Art des erwarteten Übertragungsrauschens abhängen darf. Theoretische Annäherungen an den optimalen Wert dieser Korrektur können berechnet werden. Vorteilhafterweise wird er durch Anwendung des Rauschmeßsystems an ein typisches Bild mit Übertragungsrauschen abgeschätzt, dessen Leistung auch durch andere Rauschmeßverfahren bekannt ist.
Vorteilhafterweise kann die endgültige Rauschabschätzung N als Funktion von Annäherungen nicht nur an den k%-Punkt der Wahrscheinlichkeitsverteilung berechnet werden, sondern auch an andere Parameter, die von dieser Verteilung abhängen, z. B. die Mitte (der 50%-Punkt) oder der. Mittelwert.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Nur 3 · 3 Blöcke des aktiven Bildes werden in Intervallen erfaßt, die durch einen Pseudo-Zufallszahlengenerator 75 bestimmt werden. Die Ausgangswerte dieses Generators werden in einer Addierstufe 743 aufsummiert und durch ein D-Flip-Flop 742 akkumuliert. Ein Zeitsteuergenerator 74 empfängt ein Synchronsignal S und liefert aktive Bild-Fenster-Informationen an ein UND- Tor 732 und die Abtast-Zählung an einen Komparator 741, in dem diese Abtast-Zählung mit dem Ausgang der Addierstufe 743 verglichen wird. Der Ausgang des Komparators 741 wird dem zweiten Eingang des Tors 732 zugeführt, das Block-Startsignale an einen Block-Taktgenerator 73 ausgibt. Der Block-Taktgenerator ist mit einem Eingang ,in' und mit einem Eingang ,out' eines Schieberegisters 71 verbunden, der die 3 · 3 Blöcke - wie in Fig. 4 beschrieben - erfaßt. Von den Ausgangsblöcken des Registers 71 wird der Mittelwert für jeden Block unter Verwendung einer Addierstufe 722 und eines D-Flip-Flop 723 berechnet, um die neun Pixelwerte aufzusummieren, und eines Teilers 724, der die Summe durch neun teilt und den Block-Mittelwert ausgibt. Dieser Block- Mittelwert wird in einer Subtraktionsschaltung 725 von den Pixelwerten des gegenwärtigen Blocks subtrahiert, die in geeigneter Weise durch eine Verzögerungsschaltung 721 verzögert werden. Die hochpaßgefilteteten Blockwerte B am Ausgang der Subtraktionsschaltung 725 verlaufen dann durch eine Absolutwertschaltung 726 und werden für jeden Block durch eine Addierstufe 727 und einen D-Flip-Flop 728 aufsummiert. Die Filteroperation besteht aus der Berechnung der Differenzen der Blockabtastungen aus dem Mittelwert jedes Blocks, und die Energie wird durch Summieren der absoluten Werte dieser Differenzen angenähert.
Der Ausgang der Addierstufe 727 verläuft durch eine Schaltung 729 für logarithmische Werte, die Werte ausgibt, die die Aktivität A darstellen. Die statistische Verteilungsverarbeitung besteht aus der Abschätzung des (annähernd) 3%-Punktes auf der Verteilung der logarithmischen Werte der Aktivität.
Ein Komparator 76 vergleicht die Aktivität A und die Rauschabschätzung N, die in dem Akkumulator 78 berechnet worden ist. Ein Schalter 77 wird durch den logischen Ausgangswert des Komparators 76 gesteuert und speist entweder (im Falle A > N) die Zahl ,+1' oder (im Falle A ≤ N) die Zahl,-32' in den Eingang des Akkumulators 78. Die Zahl,-32' ist gewählt worden, weil 32 · 3% annähernd gleich 100% ist. Der Startwert des Akkumulators 78 kann null sein. Schließlich wird ein konstanter Korrekturwert 791, der äquivalent zu 6,3 dB ist, in einer Addierstufe 79 der Rauschabschätzung N hinzugefügt, wobei diese Berechnung unter Verwendung von künstlichem Rauschen mit einer flachen Verteilung berechnet worden ist, die einem grauen Bild hinzugefügt wurde. Am Ausgang 70 der Addierstufe ist die endgültige Rauschabschätzung N verfügbar.
Die Rauschwerte N können auch angesammelt werden, und es kann zugelassen werden, daß sie schließlich am Eingang der Addierstufe 79 mit einer kleineren Periode geändert werden, z. B. einmal pro Sekunde.
Zusätzlich kann eine weitere Korrektur der Rauschabschätzung N zugeführt werden, wobei die mittlere Aktivität des Bildes berücksichtigt wird, beispielsweise durch Subtrahieren 1/4 · (B-15) von der Rauschabschätzung, wobei B die mittlere Aktivität der verarbeiteten Blöcke, ausgedrückt in dB ist.

Claims

1. Verfahren zur Rauschmessung in Videosignalen, bei dem Differenzwerte in einem Akkumulator aufsummiert werden, um einen Rauschwert zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß Aktivitätswerte A von Pixelblöcken periodisch mit den folgenden Schritten berechnet werden (11):

a.) Erfassen von Blöcken des aktiven Bildes in Intervallen, die durch einen Pseudo-Zufallszahlengenerator (75) bestimmt werden,

b.) Berechnen des Mittelwertes der Pixelwerte für jeden Block und Subtrahieren dieses Mittelwertes von jedem dieser Pixelwerte, oder es wird die Differenz jedes Pixelwertes jedes Blocks und eine lineare oder adaptive Vorhersage jedes Pixelwertes berechnet, oder es werden Pixelwerte von Videosignalzeilen in jedem Block mit einem eindimensionalen analogen Hochpaßfilter gefiltert,

c.) die absoluten Werte (51, 726) oder die Quadrate der resultierenden Differenz-Pixelwerte oder der gefilterten Pixelwerte (B) jedes Blocks in dem vorangehenden Schritt b.) werden für jeden Block aufsummiert (52, 53; 727, 729), wodurch die Aktivitätswerte A für jeden Block erzeugt werden, und wobei die Aktivitätswerte jeweils der Reihe nach mit einem geschätzten Rauschwert N verglichen werden (61, 76), der in einer Akkumulatorschaltung (63, 78) gespeichert ist, und wobei im Fall A > N ein erster Korrekturwert in der Akkumulatorschaltung dem Rauschwert hinzugefügt wird, und im Fall A ≤ N ein zweiter Korrekturwert, der 10 bis 100 mal größer als der erste Korrekturwert ist, in der Akkumulatorschaltung von dem Rauschwert N subtrahiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Luminanzwerte der Pixel zur Berechnung des Aktivitätswertes A verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Blöcke eine oder alle horizontalen, vertikalen und zeitlichen Dimensionen enthalten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Aktivitätswerte A mit einer ersten Periode berechnet werden und die Rauschwerte N angesammelt werden und sich an einem Ausgang (79) mit einer zweiten Periode ändern dürfen, die kleiner ist als die erste Periode.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Blöcke nur von den aktiven Bildzeilen genommen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Aktivitätswerte A eine Schaltung für logarithmische Werte (729) durchlaufen, bevor sie mit dem Rauschwert N verglichen werden (76), und daß ein fester Korrekturwert (791) dem Rauschwert N hinzugefügt wird (79).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der feste Korrekturwert (791) so eingestellt wird, daß man einen Rauschwert N erhält, der von einer Rauschmessung eines typischen Bildes mit Übertragungsrauschen unter Verwendung eines unterschiedlichen bekannten Rauschmeßverfahrens empfangen worden ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Multiplikationsfaktor für den zweiten Korrekturwert von der Mitte oder dem Mittelwert der Verteilung der Aktivitätswerte A abhängt.

9. Vorrichtung für die Rauschmessung in Videosignalen, umfassend Mittel (727, 728) zur Aufsummierung absoluter Differenzwerte, um einen gemessenen Rauschwert zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (71, 73, 732, 74, 741, 742, 743) zum Erfassen von Blöcken des aktiven Bildes nur in Intervallen vorgesehen sind, die durch einen Pseudo- Zufallszahlengenerator (75) bestimmt werden, daß Mittel (721, 722, 723, 724) zur Berechnung des Mittelwertes der Pixelwerte für jeden Block und Mittel (725) zum Subtrahieren dieses Mittelwertes von jedem dieser Pixelwerte vorge sehen sind, daß Mittel (726) zur Berechnung absoluter Werte oder der Quadrate der Differenz-Pixelwerte von dem Ausgang der Subtraktionsmittel (725) vorgesehen sind, wobei die Mittel (727, 728) zum Aufsummieren absoluter Differenzwerte vorgesehen sind, um für jeden Block die absoluten Werte oder die Quadrate aufzusummieren und dadurch die Aktivitätswerte A für jeden Block zu erzeugen, daß ein Komparator (76) vorgesehen ist, um der Reihe nach jeden Aktivitätswert (A) und geschätzte Rauschwerte N zu vergleichen, die in einer Akkumulatorschaltung (78) gespeichert sind, wobei gesteuert durch den logischen Ausgangswert des Komparators (76) im Fall von A > N ein erster Korrekturwert in der Akkumulatorschaltung (78) dem Rauschwert N hinzugefügt und im Fall von A ≤ N ein zweiter Korrekturwert in der Akkumulatorschaltung (78) von dem Rauschwert N subtrahiert wird.