专利名称：图像噪声降低方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种降低图像噪声的方法和装置，例如，最好用来处理数字化的图像信号。本发明特别涉及一种降低图像噪声的方法和装置，用来解决当采用所谓ε-滤波器降低图像信号的噪声成分时的麻烦。
背景技术：
例如，为了减少包含在图像信号中的噪声成分，迄今，已提出了各种方法。具体地说，一种最简单的、具有大的降低噪声作用的方法是采用低通滤波器(以下，用LPF来代替)的方法。LPF是一种用来只传输具有低于基准频率成分的信号的器件。也就是说，把一种频率变化的信号输入到LPF，观察输出信号的幅值，就得到一种特性，即高频成分的电平比较低。
然而，当从不同的点观测时，LPF采用观测像素和其周围的相邻像素的平均值，作为观测像素的新值。也就是说，就这种方法来说，与周围像素紧密相关的观测像素的信号电平，即使电平值作了平均，其值也没有大的变化。但是，具有非相关性的随机噪声成分与包含在周围像素中的噪声成份进行平均时，该成分的值近似于“0”。
因此，当采用上面的LPF时，噪声的抑制作用随着周围像素的搜索面积扩展而增强。可是，就由LPF用周围像素作平均运算来说，图像边缘的信息也类似于噪声一样减少了，其结果，虽然噪声降低了，但整个图像变模糊了，于是，缺点就出现了，即图像质量变坏了。因此，用作降低噪声的装置LPF，通常是不采用的。
为了解决LPF的缺陷，被称作ε-滤波器被揭示(参考电子、信息、通信工程师学会杂志期刊(Journal of Institute of Electronics，Information，andCommunication Engineers)1994年4月Vol.77 No.8，pp.844-852。KaoruArakana《非线性数字滤波器及其应用》Nonlinear Digital Filter and ItsApplication)。这就是，关于在这份文献中所揭示的ε-滤波器，当把观测像素和周围像素作平均时，首先，它要测定周围像素与观测像素是否有相关性。
特别是，通过设置某一参考电平θ，当周围像素的电平被包括在观测像素电平的±θ范围内时，则周围像素的电平就加入平均因子，如果周围像素的电平不包括在±θ范围，那么，周围像素的电平就不加入平均因子。因此，是否把所有的周围像素加入平均因子要作探查，然后，把观测像素和周围像素作为运算对象，进行平均运算，就得到一个新的观测像素的值。
所以，即使图像边缘进入搜索区域，当组成边缘的像素的电平超出观测像素电平的±θ范围时，该边缘也不当作运算对象，例如，不会发生由于组成边缘的像素被列入平均而使图像变成模糊的情况。这就是说，用ε-滤波器，事实上，通过适当地选择参考电平值θ，能够仅抑制噪声成分，而按原样保留图像边缘。
此外，一种ε-滤波器的实际电路结构在下面用图5来描述。在图5中，方框图1部分表示图像区域的某一点、观测像素o的图像状态及其周围像素a、b、c、d、e、f、g和h。并且，当这些像素的电平值用与a到h和0一样的标号替换时，这些周围像素的电平值a到h就被传送到选择电路2。此外，上述参考电平值θ和观测像素的电平值o都输入到选择电路2。
在选择电路2中，周围像素a的电平值a和观测像素o的电平值o之差的绝对值|a-o|首先算出，并将该差的绝对值与参考电平θ比较。然后，当上述差的绝对值小于参考电平θ的值时，电平值a就输出到输出端口3。而当上述差的绝对值大于参考电平θ的值时，电平值a则不输出到输出端口3，但输出“0”值。而且，同样的计算都施加于其他周围像素b到h的电平值b到h。
因此，举例来说，选择电路2设置有8输出端口3，其输出端口数等于周围像素的数目，并且，当上述差的绝对值小于参考电平θ的值时，电平值a到h就输出到输出端口3，而当该差值的绝对值大于参考电平θ的值时，则将“0”值输出到端口3。此外，选择电路2还设置有输出端口4，将上述电平值a-h输出到输出端口3的数目加上“1”后所得到的值输出到输出端口4。
也就是说，当观测像素和周围像素之间的差的绝对值小于参考电平θ的值时，电平值a到h将由选择电路2的输出端口3输出。并且值“9”被输出到端口4。此外，当观测像素和周围像素之间的差的绝对值都大于参考电平θ的值时，值“0”从端口3的全部输出端口输出，且值“1”从输出端口4输出。
选择电路2的输出端口3的输出量和观测像素o的电平值o都输送到加法器5，并且由加法器5的输出端口6所选取的值被输送到减法器7。此外，从选择电路2的输出端口4输出的值被输送到除法器7。然后，在除法器7中，由加法器5的输出端口6输出的值，用选择电路2的输出端口4输出的值除，并且，上面的运算结果由输出端口8输出。
设置某一参考电平θ，当周围像素的电平包含在观测像素电平的±θ范围内时，周围像素的电平被结合到平均因子中，但当周围像素的电平不包含在这个范围内时，那么，周围像素的电平不被结合到平均因子中，因此，是否结合所有的周围像素作为平均因子要作探查，并且，只把要结合作为平均因子的周围像素当作运算对象，作为结果，通过与观测像素进行平均运算得到的观测像素的新值就输出到输出端口8。
上述器件中的选择电路2的一种具体的电路结构类似如示于图6中的结构。举个例子，即在图6中，获得与上述周围像素的数目相等的8个比较器20。上述周围像素的的电平值a-h、观测像素的电平值o和参考电平值θ都输入到比较器20。然后，当周围像素和观测像素之间的差的绝对值小于参考电平θ的值时，每个比较器20就都输出值“1”。
此外，由比较器20的每路输出的信号被输送到与门21。并且，周围像素的电平值a到h输送到与门21，当从上述比较器20的每一路输出的信号等于“1”时，周围像素的电平值a到h的相应的值通过与门21输送到输出端口3。此外，由各比较器20输出的信号输送到加法器22。并且，加法器22的加法输出输送到加法器23，并值“1”被加并输出到输出端口4。
因此，在这种电路结构的情况下，当电平值a到h与观测像素的电平值o之差的绝对值小于参考电平θ的值时，周围像素的电平值a到h通过与门21输出。并且，当该差的绝对值大于参考电平θ的值时，则输出值“0”。此外，将输出到输出端口3的电平值a到h的数目加上“1”后所得到的值，通过上述与门21输出到输出端口4。
于是，当上述差值的绝对值小于参考电平θ的值时，选择电路2输出电平值a到h和将输出电平值a到h的数目加上“1”后得到的值。此外，电平值a到h与观测像素的电平值o相加，并将和值除以由输出电平值a到h的数目加上“1”后所得到的值。从而，仅对作为平均因子的像素进行平均运算，并得到观测像素的一个新值。
因此，上述ε-滤波器就使其能有效地降低噪声而又保护图像边缘。但是，既然如此，这种现象就发生了，即用来平均观测像素的区域的移动，取决于当作平均因子的像素的位置，因此，作为像素重心的信号相位就偏离观测像素的位置。举例来说，当结合到到平均因子中的那些像素有偏移时，平均的信号相位就成了那些像素的中心，因此它偏离了观测像素的位置。
也就是说，如图7A所示，当加入到平均因子的那些像素只是像素b、c、e、g和h时，就使平均像素信号相位变到包括像素o在内的6个像素的中心(像素e和o之间的中间点)，用符号●表示，而偏离了观测像素o的位置。并且，就图7B到7D来说，平均像素信号相位也相应地用符号●来表示，并都偏离了观测像素o的原来位置。
此外，对于包括如图8A所示的中间电平的图像边缘，运算就不是固定的，因此，边缘可能不规则。这就是说，观测像素出现在中间电平的位置上，这就导致最接近于观测像素的任一电平。但是，当中间电平和边缘前后的像素的电平之间的差的绝对值接近于参考电平θ时，由于中间电平的微小波动，导向相反，边缘就可能不规则，如图8B所示。
这就是说，在图8A中，确定在中间电平位置的观测像素接近于黑方块，就对包括三个黑方块像素在内的六个像素进行平均，并如图7A所示，信号相位就向右移动0.5像素。但是，当确定观测像素接近于白方块时，就对包括三个白方块像素在内的六个像素进行平均，与上述情况正相反，信号相位则向左移动0.5像素。因此，由于中间电平的微小波动，信号相位就要向右和向左移动。
此外，当信号相位以一条任意线性像素向右和向左移动时，图像边缘就像图8B所示那样不规则，并出现在屏幕上作为与原始边缘不同的噪声。图像边缘的上述不规则现象不仅发生在所说明的垂直边缘，而且也发生在水平或对角线的边缘。总之，它们作为与原始边缘不同的噪声出现在屏幕上。
发明内容
本发明使得能够避免平均信号相位从观测像素的位置移位，并消除产生的图像边缘不规则的可能性。因此，就本发明来说，在关于观测像素点对称位置上的像素组合在一起，并且，只有当两种像素都被选定时，通过只采用组合像素，执行平均运算。公开了涉及上述本发明的降低图像噪声的方法和装置。
图1是表示选择电路实施例的结构方框图，该电路用于本发明所应用的降低图像噪声的方法和装置；图2是图解说明，用于解释在图1中实施例的运算；图3是图解说明，用于解释本发明的另一种实施例；图4是表示选择电路的另一种实施例的结构方框图，该电路用于本发明所施加的、降低图像噪声的方法和装置；图5是用于解释系统的方框图，本发明的降低图像噪声的方法和装置施加于该系统；图6是表示一种选择电路结构的方框图，该电路用于传统的降噪方法和装置；图7是图解说明，用来解释图6中的结构；以及图8是图解说明，用来解释图6中的结构。
具体实施例方式
本发明通过参照
如下。图1是选择电路2的一种实施例的结构方框图，选择电路用于本发明所应用的降低图像噪声的方法和装置。也就是说，在本发明中，整个装置的结构与图5中所示的现有技术的结构完全相同。此外，本发明经改进如图6所示的选择电路2，解决了上述传统的ε-滤波器的问题。
举例来说，在图1中，提供等于周围像素的数目的8个比较器11，这与图6中情况完全相同，并且，上述周围像素的电平值a到h、观测像素的电平值o以及参考电平θ的值都输送到这些比较器11。当周围像素和观测像素之间的差的绝对值小于参考电平θ的值时，则从每个比较器1输出值“1”。这种结构与传统比较器20的结构完全相同。
此外，在上述像素a到h中，在关于观测像素点对称位置上的那些像素被组合在一起。即周围像素a和h、b和g、c和f以及d和e分别被组合在一起。然后，从比较器11输出的信号输送到4个与门电路12。由此，当观测像素和组合像素电平值之间的差的两个绝对值都小于参考电平θ时，将从与门电路12输出值“1”。
此外，按照上述组合，从与门电路12输出的这些信号输送到8个与门13。而且，周围像素的电平值a到h输送到与门13，并且，当从与电路12输出的信号是值“1”时，相应的周围像素的电平值a到h，通过与门13输出到输出端口3。这些与门13的结构与传统的与门21的结构完全相同。
此外，从与电路12输出的信号输送到加法器14。而且，加法器14的加法输出值输送到乘法器15并加倍。然后，乘法器15的乘积输出输送到加法器16，并与值“1”相加，再输出到输出端口4。这就是说，在这种情况下，因为从与电路12输出的信号对两个组合的周围像素代表从比较器11输出的信号，这样，该信号由乘法器15对其乘以2就设置成原来的值。
因此，在上述电路结构的情况下，对于以观测像素o为点对称位置组合所得到的周围像素，当其电平值a到h和观测像素的电平值o之间的差的绝对值都小于参考电平θ的值时，周围像素的电平值a到h就通过与门13输出到输出端口3。并且，将“1”加到输出端口3(通过上述与门13，将电平值a到h输出到输出端口)的数目上所得到的值输出到输出端口4。
于是，当上述差的绝对值小于参考电平θ的值时，选择电路2输出电平值a到h和将“1”加到输出的电平值a到h的数目上所得到的值。然后，将这些电平值a到h与观测像素的电平值o相加，并将和值除以由“1”加上输出的电平值a到h的数目所得到的值，因此，只对当作平均因子的那些像素进行平均运算，并选择观测像素的一个新值。
然后，在这种情况下，从选择电路2输出的周围像素的电平值a到h就有必要与在关于观测像素o的点对称位置的那些像素组合。因此，当执行平均运算时，平均的信号相位不偏离观测像素的原来位置，而信号相位总是与观测像素的位置相重合。因此，有可能消除对于现有技术所描述的图8中的图像边缘不规则的可能性。
举个例子来说，在图8A中的图像边缘的情况下，即使检定在中间电平位置的观测像素接近于白的或黑的方块，只有点对称像素之一不结合到平均因子，而此时，中间电平上下的周围像素被结合到平均因子。因此，由于中间电平的微小波动，信号相位也不向右和向左移动，直接输出图8A中的图像边缘，并且消除了图8A中的图像边缘的不规则性。
根据本发明，当如图2所示的观测像素只一点有电平波动、且观测像素的电平值o和周围像素的电平值a到h之间的差的绝对值小于参考电平θ的值时，就对观测像素o的电平值作平均，并且噪声降低。此外，当观测像素的电平值o和周围像素的电平值a到h之间的差的绝对值大于参考电平θ的值时，电平值维持合适的电平值。
因此，在上述实施例的情况下，通过组合在关于观测像素点对称位置的那些像素，只采用选择的两个像素并执行平均运算，平均信号相位就不偏离观测像素原来的位置，并且，能够消除生成的图像边缘不规则的可能性。
所以，就传统装置来说，如果结合到平均因子的像素有偏移，信号相位就偏离观测像素的原来位置，因此，图像边缘的不规则性及其类似的问题不能消除。但是，本发明使其能够容易地解决这些问题。
此外，根据本发明，没有将存在偏移的像素结合到平均因子中的可能性，从而也没有平均信号相位偏离观测像素原来位置的问题的可能性。因此，有可能扩展搜索周围像素的范围。这就是说，就上述实施例来说，搜索3×3像素。然而，也能够搜索5×5像素或像如图3所示那样搜索更多的像素。
为此，为了搜索如图3所示的5×5的像素，观测像素的电平o、周围像素的电平值a到y(o除外)以及参考电平θ的值都输入到如图4所示的选择电路2的24个比较器41。然后，当周围像素的电平值和观测像素的电平值之间的差的绝对值小于参考电平θ的值时，就从每个比较器41输出值“1”。上述结构可由扩展与传统比较器20的结构完全相同的结构而得到。
此外，在关于观测像素o的点对称位置的上述像素a到y(o除外)被组合。即周围像素a和y、b和x、c和w、......都分别被组合。然后，从比较器41输出的信号输送到12个与电路42。由此，当组合像素和观测像素的电平值之间的差的绝对值小于参考电平θ的值时，与电路42输出值“1”。
然后，与电路42输出的信号，按照上述组合输送到24与门43。此外，周围像素的电平值a到y(o除外)相应地输送到与门43，并且当上述与电路42输出的信号相应地为值“1”时，对应的周围像素的电平值a到y(o除外)通过与门43输出到输出端口3。通过扩展和传统与门21的结构完全相同的结构，得到这些与门43的结构。
此外，虽然没有图解说明，从与电路42输出的信号输送到加法器，而和值由乘法器乘以2。然后，乘法器输出的乘积输送到加法器，与值“1”相加，再输出到输出端口4。这就是说，在这种情况下，由于从与电路42输出的信号，对两个相应组合的周围像素代表从比较器41输出的信号，这样，通过由乘法器倍乘这些信号，先前的信号就设置成原来的值。
于是，当上述差值的绝对值小于参考电平θ的值时，选择电路2输出电平值a到y(o除外)以及将“1”与要输出的电平值的数目相加得到的值。然后，这些电平值和观测像素的电平值相加，并用输出电平值的数目与“1”相加得到的值除，所以，只对当作平均因子的那些像素执行平均运算，并且选定了观测像素的一个新值。
这样，还就这个实施例来说，通过只采用在关于观测像素点对称位置而被组合、且两者都被选定的那些像素，执行平均运算。所以，平均信号相位不偏离观测像素的原来位置，并且生成的图像边缘的不规则性等也可能消除。只要扩展电路，上述结构就能适合于搜索7×7像素或更多像素的情况。
也就是说，当ε-滤波器的噪声抑制作用最大地表现出来时，平均运算被应用到平面图像，即图2中所有的像素a到h。当平均因子的数目如图7所示那样减少时，噪声抑制作用也降低。因此，就这种图像来说，即使关闭ε-滤波器的运算，对这种图像的影响程度也是小的。
所以，就本发明来说，执行处理就导致减少平均因子。但是，当上述图像边缘进入一个区域时，平均的作用根本上就降低了。因此，采用本发明不会加速图像变坏，而可能以本来的形状保持边缘并在平面图像的情况下最大限度地表现噪声抑制作用。
这样，上述降低图像噪声的方法，是用来降低噪声成分的降低图像噪声的方法，而降低噪声成分是采取检测观测像素及其周围像素之间的电平差，并只选择那些电平差小于参考值以便作平均运算的像素，其中通过在作平均运算时，只采用那些位于观测像素点对称位置的、被组合且两者都被选择的那些像素，执行平均运算。这样，平均信号相位就不偏离观测像素的原来位置，且能够消除图像边缘不规则的可能性。
此外，上述降低图像噪声的装置，是用来降低噪声成分的装置，包括检测器，用于检测观测像素及其周围像素之间的电平差，选择器，用于只选择其电平差小于参考电平的那些像素，运算器，用于通过使用所选择的像素执行平均运算，其特性在于，通过采用用于组合在关于观测像素的点对称位置上的像素、选择组合的两者都被选择的像素，并由此用于通过两种运算器执行平均运算，平均信号相位不偏离观测像素的原来位置，并且，能够消除图像边缘的不规则或类似缺陷的可能性。
本发明不限于上述实施例，只要不偏离本发明的精神，允许作各种修改。
这就是说，根据本发明，通过只采用组合在关于观测像素的点对称位置上的、且两者都选择的那些像素，执行平均运算。这样，平均信号相位不偏离观测像素的原来位置，并且，能够消除图像边缘不规则的可能性。
此外，根据本发明，通过设置周围像素的范围为3×3，有可能进一步扩展周围像素的搜索范围。
而且，根据本发明，通过设置周围像素的范围为5×5，有可能进一步扩展周围像素的搜索范围。
而且，根据本发明，通过设置周围像素的范围为超过5×5，有可能进一步扩展周围像素的搜索范围。
而且，根据本发明，通过数字化并处理每个像素电平，有可能实施更好的处理。
而且，根据本发明，通过只采用组合在关于观测像素的点对称位置上的、且两者都选择的那些像素，平均信号相位就不偏离观测像素的原来位置，并且，能够消除产生图像边缘不规则的可能性。
而且，根据本发明，通过设置周围像素的范围为3×3、5×5或更多，有可能进一步扩展周围像素的搜索范围。
而且，根据本发明，通过设置周围像素的范围为3×3，有可能进一步扩展周围像素的搜索范围。
而且，根据本发明，通过设置周围像素的范围为5×5，有可能进一步扩展周围像素的搜索范围。
而且，根据本发明，通过设置周围像素的范围超过5×5，有可能进一步扩展周围像素的搜索范围。
而且，根据本发明，通过数字化并处理每个像素电平，有可能实施更好的处理。
从而，就传统装置来说，当结合到平均因子的像素在ε-滤波器中有一个偏移时，平均信号相位就可能偏离观测像素的原来位置，因此，不可能解决图像边缘的不规则的问题。可是，根据本发明，有可能容易地解决这个问题。
权利要求
1.一种降低图像噪声的方法，包括通过检测观测像素与周围像素之间的电平差、并只选择其电平差小于参考值的那些像素作平均运算，来降低噪声，其特征在于将在关于观测像素的点对称位置的那些像素组合，并只采用其两者都被选择的、所述的组合像素，进行所述的平均运算。
2.如权利要求1所述的降低图像噪声的方法，其特征在于周围像素的范围设置为3×3。
3.如权利要求1所述的降低图像噪声的方法，其特征在于周围像素的范围设置为5×5。
4.如权利要求1所述的降低图像噪声的方法，其特征在于周围像素的范围设置为超过5×5。
5.如权利要求1所述的降低图像噪声的方法，其特征在于数字化并处理每个像素的电平。
6.一种降低图像噪声的装置，用于降低噪声成分，包括检测器，用于检测观测像素与周围像素之间的电平差；选择器，用于只选择其电平差小于参考值的那些像素；以及运算器，用于通过采用所选择的像素进行平均运算；其特征在于在关于观测像素的点对称位置上的像素被组合，并提供装置用来导出两者都被选择的组合像素，以及通过所述的运算器，只采用所述的、引伸的像素，执行平均运算。
7.如权利要求6所述的降低图像噪声的装置，其特征在于周围像素的范围设置为3×3。
8.如权利要求6所述的降低图像噪声的装置，其特征在于周围像素的范围设置为5×5。
9.如权利要求6所述的降低图像噪声的装置，其特征在于周围像素的范围设置为超过5×5。
10.如权利要求6所述的降低图像噪声的装置，其特征在于数字化并处理每个像素的电平。
全文摘要
一种降低图像噪声的方法和装置，其通过平均感兴趣的像素的周围像素的像素电平以便每个周围像素的像素电平和感兴趣像素的像素电平之间的差小于参考值，其中关于感兴趣的像素(o)点对称的周围像素(a－h，b－g，c－f，d－e)被相互组合，并且通过使用周围像素进行平均，以便点对称的两个周围像素的电平和感兴趣的像素(o)的电平之间的差小于参考值θ。用来平均的所有像素位置的重心总是与感兴趣像素的位置一致，因此因为图像噪声降低可以避免不规则的图像边缘。
文档编号H04N1/409GK1461454SQ02801117
公开日2003年12月10日 申请日期2002年2月20日 优先权日2001年2月26日
发明者中岛健, 三井敏 申请人:索尼公司