4. Bildqualitätsverbesserung 4.1 Kantenanschärfung Die subjetiv empfundene Bildqualität hängt zu einem wesentlichen Teil von der Kantenschärfe der vorhandenen Konturen ab. Weiche Übergänge vermitteln einen unscharfen Bildeindruc. Eindimensional betrachtet erlärt sich dies als Sprungantwort, die unterschiedlich steil verlaufen ann. Im Signalspetrum entspricht das einer zu höheren Frequenzen hin abfallenden Spetralcharateristi. Mit einer Frequenzganganhebung läßt sich daher eine Sprungbzw. Kantenversteilerung erreichen. Das Schlüsselelement einer Kantenanschärfung stellt also ein Hochpaß dar, der häufig auf der Basis eines Tiefpasses realisiert wird: Hochpaß: T T 1/4 1/2 1/4 Frequenzgang: H() f 1 0 f a /2 f a f 50
Die Verwendung eines Hochpaß allein ist nicht sinnvoll, da durch das damit verbundene Unterdrücen des Gleichwertes ( f =0 ) onstante Grauwerte in Bildern (Flächen) zu Schwarz mutieren. An Bildonturen entstehen Über- und Unterschwinger, sich die bipolar sowohl ins Positive als auch ins Negative erstrecen. Alle negativen Anteile werden allerdings bei der Bildwiedergabe unterdrüct bzw. begrenzt, da Null bereits Schwarz entspricht. Um ein reines Hochpaßsignal auf einem Monitor sinnvoll darstellen zu önnen, muß daher ünstlich ein Gleichspannungsoffset hinzugefügt werden. Es resultiert ein Konturbild, das nur die Kanten eines Bildes auf der Basis eines Mittelgrau zeigt. Für die Kantenanschärfung sollte aus den genannten Gründen ein reiner Hochpaß, sondern eine Frequenzganganhebung erfolgen. Dies realisiert man in möglichst flexibler Weise durch gewichtete Addition eines Hochpaßsignals zum ursprünglichen Bildsignal. Ein Verstärungsfator im Hochpaßzweig bestimmt dabei die Stäre der Frequenzganganhebung. Frequenzganganhebung: HP Frequenzgang: Hf () 1 0 f a /2 f a f 51
Durch den Einsatz einer nichtlinearen Kennlinie im Hochpaßzweig werden hochfrequente Störüberlagerungen von leinerer Amplitude (i.a. Rauschen) unterdrüct. Dazu muß der Schwellwert der Kennlinie geeignet angepaßt werden. An Kanten (Signalsprung) ergibt sich am Hochpaßausgang eine höhere Amplitude, die den Schwellwert überschreitet. Erst dieses Signal wird mit dem Fator bewertet dem Originalsignal zugeführt. Als Konsequenz ergibt sich aus dieser adaptiven ( d.h. vom momentanen Signal abhängigen) Verarbeitung ein unveränderter Störabstand in Flächen bei versteilerten Kanten. Im Bereich der Kanten ann jedoch die erhöhte Rauschüberlagerung bedingt durch die Frequenzganganhebung nicht vermieden werden. Fehler önnen entstehen, wenn Kanten mit geringem Kontrast hinter dem Hochpaß eine genügende Amplitude liefern, um den Schwellwert zu überschreiten, so daß dann eine Anschärfung erfolgen ann. Adaptive Anhebung: HP u 1 u 2 Nichtlineare Kennlinie: u 2 u 1 Schwellen 52
Signalverlauf: HP Das bisher nur eindimensional beschriebene Verarbeitungsprinzip läßt sich einfach auf die planare (zweidimensionale) Bildebene übertragen. Dazu verwendet man entweder ein zweidimensionales Hochpaßfilter oder eine Verarbeitung in Parallelform, also mit separatem Horizonal- und Vertialhochpaß. Hierbei ann separat mit entsprechenden Wichtungsfatoren x und y die Konturorretur angepaßt werden. Durch die Besonderheit des Zeilensprunges bei Videosignalen ist dies günstig, da innerhalb eines Teilbildes die Zeilen und damit die vertial übereinanderstehenden Bildpunte in einem anderen Abstand stehen als die horizontal benachbarten Pixel. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Anhebungsfrequenzgänge mit maximaler Anhebung bei unterschiedlichen Ortsfrequenzen 1/2Δx bzw. 1/4Δy (Pixelabstand horizontal Δx, aber Zeilenabstand im Teilbild 2Δy!). 2-dim. Kantenorretur: x HP x HP y y 53
Wirungsweise von Rauschen bei Frequenzganganhebung: ohne Kennlinie Original mit Kennlinie 54
4.2 Rauschredution 4.2.1 Planare Verfahren zur Rauschredution (Coring) Die adaptive Kantenorretur ann durch Ergänzen eines Tiefpaßfilters im direten Kanal und einer neutralen Hochpaßbewertung mit =1 zur Rauschredution umgeformt werden. Die eigentliche Rauschredution übernimmt dabei das Tiefpaßfilter, während der Hochpaßzweig die Detailinformation (Kanten) bereitstellt, wobei durch die nichtlineare Kennlinie ebenfalls Rauschen unterdrüct wird. Es resultiert also eine Rauschredution nur im Bereich von Flächen (niedrige Ortsfrequenz), während die Kanten nicht verschliffen werden, jedoch die alte Rauschüberlagerung behalten. Die folgende Schaltung zeigt dieses Verfahren, das den Namen Coringverarbeitung trägt. Entsprechend nennt man die Kennlinie Coringennlinie. HP TP = Rauschen Hochpaß und Tiefpaß (i.a. 2-dimensional) sollten exat omplementär zueinander arbeiten, so daß die Ausgangssignale beider Filter in der Summe wieder das Originalsignal liefern (abgesehen vom Einfluß der Nichtlinearität). Dies ann wieder wie bei der Kantenanschärfung durch ein einziges Tiefpaßfilter erreicht werden. 55
Komplementäre HP/TP-Trennung: HP T T TP Filtertyp zur Rauschredution: Der Tiefpaß zur Rauschredution muß nicht als idealer rechtecförmiger Frequenzgang angenähert werden. Günstiger ist eine Roll-Off-Charateristi (z.b. Cosinusform). Die beste Rauschunterdrücung ergibt sich, wenn alle Koeffizienten gleichgewichtet sind. Im obigen Filter 2. Ordnung also jeweils 1 bzw. 1/3. Die Störabstandsverbesserung läßt sich bei insgesamt n Filterabgriffen angeben zu Störabstandsverbesserung: Δ S N = 20 log n Beispiele: TP 1. Ordnung n=2 ΔS/N= 3,0dB TP 2. Ordnung n=3 ΔS/N= 4,8dB TP 3. Ordnung n=4 ΔS/N= 6,0dB 2-dim. TP (2x2) n=4 ΔS/N= 6,0dB 2-dim. TP (3x3) n=9 ΔS/N= 9,5dB 2-dim. TP (4x4) n=16 ΔS/N=12,0dB Bildbeispiel: Originalrauschen nach 4x4-Tiefpaß 56
4.2.2 Rauschredution mit bewegungsadaptivem reursivem Filter Durch die hohe Redundanz aufeinanderfolgender Videobilder, die sich nur in bewegten Details unterscheiden, bietet es sich an, vorhandenes Rauschen durch Mittelung bzw. Filterung in der zeitlichen Tiefe zu unterdrücen. Filterungen in der zeitlichen Richtung önnen zwar auch als Transversalfilter ausgeführt werden, jedoch müssen als Verzögerungselemente Bildspeicher verwendet werden. Um diesen Aufwand zu minimieren, ist hier der Einsatz von Reursivfiltern zwecmäßig. Die sonst störende nicht vorhandene Phasenlinearität von Reursivfiltern ist dabei unbedeutend, da sich die Auswirungen nicht im planaren Bild bemerbar machen. Durch die zeitliche Filterung werden also einerlei Kanten im Bild verändert, solange sie sich nicht bewegen. Die Auflösung eines ruhenden Bildes bleibt also vollständig erhalten. Für den zunächst vereinfachten Fall einer unbewegten, verrauschten Szene läßt sich bereits mit einem zeitlichen Reursivfilter 1. Ordnung durch geeignete Wahl eines einzigen Filteroeffizienten a eine beliebige Tiefpaßfilterwirung und damit Rauschunterdrücung realisieren. Das unbewegte Bild verändert sich dabei nicht, nur die von Bild zu Bild unterschiedlichen Rauschanteile werden gedämpft. Das Rauschen erscheint in einer Videosequenz nicht eingefroren wie in einem Foto bei der planaren Bildverarbeitung, sondern enthält eine schnelle Bewegung. Auf diese Bewegung wirt der zeitliche Tiefpaß mit seinem Frequenzgang und veringert die Rauschleistung damit. Reursivfilter zur Rauschredution: 1-a mit T B =40ms (Vollbildverzögerung) a T B In der dargestellten Blocschaltung des Reursivfilters ist neben dem Filteroeffizienten a noch einer Vorabbewertung 1-a eingangsseitig vorhanden, die zur Normierung des Signals dient. Damit wird sichergestellt, daß die Filterübertragungsfuntion bei f=0 den Wert 1 aufweist, also H(0)=1 gilt. Ansonsten würde das Filter insgesamt eine Verstärung aufweisen und somit den Kontrast des Videosignals verändern. 57
Für eine pratische Realisierung ist eine veränderte Strutur der Blocschaltung bei identischem Verhalten vorteilhaft. Dazu ann eine Betrachtung des Filters mit einfachen Klemmenbezeichnungen A, B und C in Form einer Gleichung vorgenommen werden: 1-a A C T B a B Mathematische Beschreibung: C = ( 1 a) A + a B Statt der direten Koeffizientenbezeichnung a wird in diesem Zusammenhang meist eine alternative Bezeichung mit der Definition =1-a genutzt. Damit ann die obige Formel folgendermaßen umgestellt werden: C = A + (1 ) B C = ( A B) + B Dies führt auf eine Schaltungsstrutur, die unverändert als Reursivfilter 1. Ordnung wirt, aber nur noch einen einzigen Multiplizierer für die Bewertung mit beinhaltet: + - T B Wirung -Fator: = 1 bzw. a = 0 Filter ist ausgeschaltet = 1 0 bzw. a = 0 1 Filter zunehmend wirsam 58
Während das vorliegende zeitliche Reursivfilter in ruhenden Bildbereichen einerlei Veränderungen bewirt (nur überlagertes Rauschen wird verringert), resultiert bei Bewegung im Bild eine Verschleifung der bewegten Kanten (Nachzieheffet). Dieses Verwischen von bewegten Objeten muß unbedingt vermieden werden. Dies ann durch die Steuerung des - Fators realisiert werden, der in den Bildbereichen, die Bewegung enthalten, auf =1 gesetzt wird. Dies ann Pixel für Pixel neu eingestellt werden. Es muß also nicht das ganze Bild mit einem onstanten -Fator gefiltert bzw. nicht gefiltert werden. Die Information, in welchen Bereichen des Bildes Bewegung auftritt, erhält man sehr einfach aus der Differenz zweier benachbarter Bilder. Der dazu notwendige weitere Bildspeicher ist allerdings nicht notwendig, da in der umgeformten Schaltung des Reursivfilters bereits eine solche Bilddifferenz enthalten ist (A-B). Es liegt zwar nur die Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem um ein Vollbild verzögerten (gefilterten) Ausgangssignal vor, sie ann aber gleichwertig als Basis für einen sogenannten Bewegungsdetetor genutzt werden. Aus der Bilddifferenz A-B bildet der Bewegungsdetetor zunächst einen Betrag. Alle von Null verschiedenen Werte (zu jedem Bildpixel gibt es eine Betragsdifferenz) bedeuten eine Bewegung. Da jedoch das überlagerte Rauschen ebenfalls wie eine Bewegung zu leinen Differenzen führt, muß mit einem zusätzlichen Schwellwert eine Trennung zwischen dem Rauscheinfluß und einer tatsächlichen Bewegung erfolgen. Zur weiteren Verringerung der Rauschdifferenzen ann mit einem leinen planaren Filter (z.b. 3x3-Filter) hinter der Betragsbildung im Bewegungsdetetor eine Glättung erfolgen, so daß eine leinere Schwelle eingestellt werden ann, ab der eine Betragsdifferenz als Bewegung gewertet wird. Bewegungsdetetor: Betrag Glättung Kennlinie A-B TP u d (planarer Tiefpaß) Kennline: 1 min u Schwelle Filter aus Überblendung Filter ein u d Hinweis: Der -Fator sollte nicht von min auf 1 geschaltet, sondern weich übergeblendet werden! Entsprechend ist die Kennlinie zu gestalten. 59
Die gesamte Schaltung der bewegungsadaptiven Rauschredution mit zeitlichem Reursivfilter sieht dann folgendermaßen aus: A-B Beweg.- Detetor + - T B Bildbeispiel: Bild 1 (A) Bild 2 (B) Differenz (A-B) 60