信號濾波的方法和裝置的製作方法
2023-05-07 16:00:46
專利名稱：信號濾波的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一信號濾波的方法，在此可將信號幅度賦值於一個量化兩維參考平面，而為對有用信號成分進行放大，在濾出直流成分和高頻成分後，可將一經過濾波的信號加到未經濾波的輸入信號。
同時本發明也涉及一個信號濾波裝置，其中，信號幅度被賦值於一個量化兩維參考平面，在此裝置中設置有將輸入信號分路的分向濾波器和在一濾波支路中設置的頻率相關濾波器。
這樣的裝置特別適用於電子圖象處理儀器中能改善圖象質量。這類圖象過程特別會在數字圖象處理領域出現，而藉助這種濾波裝置將改善其信息表達力。現有技術一個公知的濾波裝置如EP-B-0051068中所述。然而事實表明，這一公知方法和裝置在當有用信號的幅度不是顯著大於所疊加的幹擾信號的幅度時，就不能獲得滿意的結果。這就使得信噪比很小的信號不能得到充分的濾波，例如在一表面僅有很弱的且有較規律的圖紋結構時的圖象信號的情況下，使用傳統方法在幹擾信號存在較弱時，就不能得出足夠清晰、結構分明的外形輪廓。
因此本發明的目的是對前述現有技術加以改進，以便能對信噪比小的信號進行有效的濾波。
按照本發明，這一任務是這樣解決的，即欲進行濾波的信號成分在經至少一級輪廓濾波作頻率濾波之後，將此欲濾波成分中幅度超過予定閥值的分量去除，此閥值隨輸入信號幅度的大小作相應調整;而在完成全濾波信號前，將為產生此全濾波信號輪廓濾波級的輸出信號從頻率濾波器的輸出信號中減去。
本發明的另一目的是對前述現有技術的裝置進行改進，使其能適應本發明的方法。
這一任務按照本發明解決如下頻率相關濾波器至少設有一下限頻率，此濾波器的輸出信號在一分向濾波器區域內進行分路，使其不僅傳送到至少一消除輪廓信號成分的輪廓濾波器，還傳送到一個減法級，在其為除去噪音的區域內，把輪廓濾波器的輸出信號從濾波器的輸出信號中減去。
藉助本發明的方法，通過級聯的多級輪廓濾波，幾乎可以實現對噪音部分進行任何準確程度的檢波。與現有的公知技術方法不同，這裡不僅々是在濾波支路中消除噪音，而是相反，首先在一附加濾波平面中，從欲濾波的信號中消除輪廓信號部分。這一附加濾波平面的目的是予先準備一個信號，該信號儘可能不含有輪廓信息，並通過這一信號使得能在其與一個基本上是一高通濾波器的輸出相減時，不致削弱該輪廓信息。採用這樣的濾波方法，就可能實現對在一個包含很大幹擾的輸入信號中的本身特別弱的輪廓信號加以放大。特別是它可以實現那些輪廓信息的幅度小於與輪廓信號相混的噪音幅度的輪廓信息進行放大。在處理圖象信息中，甚至在例如圖紋結構影象微弱的背景區域，亦能對模糊的信號中的這些信號加以放大。這种放大可以在不知道輸入信號內容信息的情況下進行。與至少必須知道要尋找的是什麼的圖象識別方法相反，通過這一方法能發現未知的輪廓信息。
按本發明的一最佳實施方案，不同強度的輪廓依次在以下各濾波器區域內消除。這樣級聯的優點是，每一級濾波元件的設計可以直接針對在信號流向上殘餘輪廓強度增高的噪音成分。
按本發明的另一最佳實施方案，至少在一輪廓濾波級內至少設置一各向異性低通濾波器，它可以予定的方向和長度對輪廓部分進行檢波。應用各向異性具有這樣的優點，即為了識別一個輪廓不僅々是求出持定坐標上的信息幅度，而且還在於利用由在該參考平面內一定的變化方向上依次排列的幅度曲線所標明的輪廓。幹擾信號則相反，它們基本上是按統計分布形式出現的。因此為了檢出弱的輪廓信號，採用各向異性低通濾波器是恰當的，為此就需要應用參考平面內比較多的坐標。
按本發明的又一最佳實施方案，在一個輪廓濾波級內至少設置兩個分級部件，它們設置有在參考平面內具有不同定向的各向異性低通濾波器。通過在一輪廓濾波級內安置不同定向的各向異性低通濾波器，就可能較可靠地在每一輪廓濾波級找到可預選強度的輪廓。這使得可能對後續輪廓濾波級作最佳設計，因此超過一定強度的輪廓，很大可能不再出現在後面各級中。
按本發明的又一優選實施方案，可以這樣來消除參考平面內被離析出的信號部分，即將對應於相關坐標的信號幅度值設置為零。這種賦值為零的好處在於，在隨後的數字處理中，對欲進行的應答過程僅需很少的運算就能實現。因而能實現高速處理，這在圖象再生技術領域或通訊領域使用的設備中，能容許很高的傳送速度。被離析出的幅度很可能帶有較強的幹擾。
本發明的進一步細節可以下面詳細的說明和附圖給出。這些附圖列舉說明本發明優選實施方案，它們是
圖1為表達本濾波方法原理過程的電路方框圖;
圖2為一併聯連接有分級部件的輪廓濾波級的方框電路圖;
圖3為具有級聯輪廓濾波級裝置的部分方框電路圖;
圖4為具有級聯輪廓濾波級裝置的另一方面的圖示;
圖5為具有級聯輪廓濾波級裝置在輸入區域的圖示;
圖6為輸入區域信號變化曲線的簡化一維信號圖示;
圖7為由圖6所示信號變化檢波得的具有相應大幅度的輪廓信號的圖示;
圖8為圖6中信號在按圖7所示進行消除後得到的輪廓的信號曲線的圖示;
圖9為圖8所示信號在採用三個鄰接座標的低通濾波器中經低通濾波所得的信號曲線;
圖10為在考慮到圖9所標出閥值時圖9的信號曲線的剩餘信號;
圖11為藉助數字計算機實施本濾波法的算法原理流程圖;
圖12為說明相應一掃描平面坐標的幅度值的原理圖;和圖13給出了消除單個信號成份的流程圖。
一信號濾波裝置主要由一分向濾波器(1)構成，在(1)中從輸入端(2)來的輸入信號被分路入一通過支路(3)和一濾波支路(4)。引入濾波支路(4)的輸入信號部分首先送入高通濾波器(5)，該高通具有兩維信號工作方式。基於高通濾波器(5)這種兩維信號工作方式，在進行高通濾波時就可以在一數位化的參考平面(6)內對座標軸(7，8)的分布以它們相應的幅度值來考慮可予定位的圖象點。不用高通濾波(5)原則上也可以使用帶通濾波器。對應參考平面(6)內坐標軸(7，8)的圖象點原理布置圖如圖12所示。從圖1給出的裝置的方框電路圖結構可以明顯地看出，在信號流方向上在高通濾波器(5)的後面設置有一濾波器分岔(9)，離開高通濾波器(5)的信號在此被分路到一耦合支路(10)和一輪廓濾波支路(11)。在輪廓濾波支路(11)內設置有輪廓濾波級，在其中輪廓成分被檢波出，而由此輪廓濾波級出來通過濾波支路(11)繼續傳送的信號成份被去除。根據欲得到的濾波結果，可以僅採用一個輪廓濾波級(12)，或採用多個串聯的輪廓濾波級(12)。在使用多個串聯輪廓濾波級電路時，應該在信號流向上首先消除強輪廓，隨後再消除較模糊的輪廓。
由輪廓濾波支路(11)出來的信號在減法級(13)中，從通過耦合支路(10)繼續傳送的信號分量中減去。從而在此減法級(13)的輸出端(14)出現在很大程度上去除了噪音成分的輪廓信號可供使用。此信號在放大級(15)中放大，隨後在合併控制級(16)中與通過支路(3)連續傳送的輸入信號部分相加。由此在輸出端(17)產生一可測定的信號，此信號與輸入端(2)的信號相比具有明顯提高的信噪比。
在放大級(15)和輸出端(14)之間可以接入一個選擇器，藉助它可以消去對應參考平面內各別的信號幅度。如在參考平面(13)內的一些坐標賦給它們的幅度值不為零，而在緊鄰這一工作坐標的周圍卻沒有不為零的幅度賦值坐標，這些幅度值很可能來自幹擾，而不相應於任何有用信號成分。使用這一選擇器就有可能濾出這樣的幹擾。這樣所發現的坐標將相當於零值，或者至少是與零十分接近的值。
對如圖12所示參考平面(6)內的幅度分配進行的這種選擇過程的實例如圖13所述。首先檢查坐標E，看它的值是否不等於零。如果不是，可接著檢驗最鄰近的一個圖象點。如果正的坐標賦值幅度不為零，那麼就對它周圍緊鄰的坐標逐個進行檢驗，直到發現幅度不為零的值。在發現這樣一個幅度值時，即對後一個圖象點作同樣分析。若在E周圍緊鄰的所有坐標幅值均為零時，就把坐標E所賦的幅度值也置為零。原則上說有可能在檢驗下一個圖象點時，針對一定的坐標的幅度值來考慮在前一個周期所得到的信息。基於費時少的數位化方法對值為零或否進行檢測，按圖13中的流程也就可以很少時間進行對每個圖象點的檢測。
圖2給出了帶有並行連接分級元件(18)的輪廓濾波級(12)的結構圖。欲予濾波的信號被引至濾波級輸入端(19)，並在濾波分支(20)處分別導入分級元件(18)和檢波器(21)。每一分級元級(18)由一各向異性低通濾波器(22)和一閥值部件(23)組成。使用閥值部件(23)能將小於予定閥值(24)的信號部分消除，而讓大於閥值(24)的信號部分不變地通過，或乘以一放大因子。特別要考慮的是對於正和負的幅度要設置同樣的閥值(24)。各向異性低通(22)表明在參考平面(6)內為定向濾波。例如一個簡化結構的各向異性低通(22)是在坐標軸(7，8)方向定向，其在參考平面(6)所使用的區域，其寬度基本上為一量化級寬度，而其長度則為予先給定的量化級數。簡單低通(22)的長度例如可以取3或5個量化級。除了在坐標軸(7，8)上定向外，為了發現傾斜通過的輪廓，也可以予先確定低通(22)任意其他方向。閥值部件(23)的輸出端和邏輯元件(25)相聯，它可採用邏輯「或」元件。邏輯元件(25)的輸出端與檢波器(21)相聯，其中將邏輯元件(25)提供的信號減去通過濾波器輸入端(19)引入的信號。這樣就實現了消去在分級元件(18)區域內得到的輪廓。
圖3給出了輸入級區域實現級聯濾波器的結構元件詳細電路圖。圖3的電路和圖4和圖5的電路一塊形成濾波器的整個電路。圖3濾波級的結構元件通過連接端(26、27、28、29)和圖4的結構元件相聯，圖4的結構元件通過連接端(30、31、32、33)和圖5的結構元件相聯。
通過濾波分岔(9)引入第一輪廓濾波級(12)的信號在閥值部件(23)以一個作電平匹配的閥值特徵曲線賦值。為了確定閥值(24)設置了適配元件(34)，為其作成了適配特性曲線(35)。藉助此適配特性曲線給定欲濾波信號的正負幅度成分的對稱的閥值。此外，在輸入端(2)施加的輸入信號被導入到適配元件(34)上，並根據這一輸入信號的實際幅度通過適配特性曲線(35)求得此時的閥值。對應於輸入信號幅值等於零時的閥值(24)有一個最小值，而此適配特性曲線由這個最小閥值開始向外延伸成一個參考平面，該參考平面由一閥值軸和一幅度軸限定，並且最好具有減小的梯度。適配特性曲線的變化最好和欲濾波輸入信號(2)的信噪比的與電平相關的變化成比例。閥值特性曲線根據欲濾波信號的信噪比，根據所採用的量化單元，或根據欲濾波信號的其它已知信息確定。為了確定不同輪廓濾波級的閥值(24)可以使用不同閥值特性曲線和適配特性曲線(35)。
在一隨後的濾波級(12)中閥值部件(23)相串聯，它們的各向異性低通(22)總具有不同的定向，這裡所用的各向異性低通濾波器(22)總具有一個量化級的濾波寬度和3量化級濾波長度。因此這一低通濾波器特別適用於發現粗輪廓、亦即具有較高信號幅度的輪廓。在構成放大級(15)的分級元件(18)中的閥值元件(23)的閥值(24)最好同樣選擇。
在圖4給出了另外兩個構成第二輪廓濾波級(12)的分級元件(18)，它們與圖3中和前兩個分級元件(18)相串聯。第4個分級元件(18)的輸出信號饋送至下一個輪廓濾波級(12)的輸入端。為了發現較細的輪廓，第三個輪廓濾波級(12)具有較長構形的各相異性低通濾波器(22)。圖4描述第三個輪廓濾波器級的各向異性低通濾波器，它具有一量化級的濾波器寬度和五量化級的濾波器長度。
根據圖4第三個輪廓濾波級(12)還可以連接另外的輪廓濾波級(12)。信號流向上的最後一個輪廓濾波級(12)的輸出信號將饋入減法級(13)，並從通過耦合支路(10)饋入的信號中減去。放大級(15)根據圖5的結構形式裝設有一限幅元件(36)，其中設置有放大特性曲線(37)，並通過一適配元件(39)規定最大輸出值(38)，此適配器根據輸入端(2)輸入信號的幅值調整此最大輸出值(38)。適配元件(39)例如可以具有線性特性，它使得可為正、負幅值對稱地予設最大輸出值(38)。適配器(39)的這一特性基本上可作成線性的，因而能將最大輸出值(38)與輸入信號幅度作線性相關。可適當地對放大特性曲線(37)進行補償。
限幅元件(36)的輸出和匯合級(16)相連，在此將限幅元件(36)的輸出信號加到輸入信號上。
在圖中給出了相對於時間軸(41)和幅度軸(42)的高通(5)輸出端的典型信號曲線(40)。圖7表示第一輪廓濾波級(12)的閥值元件(23)的輸出信號(43)，圖8則為通過檢波器(21)將閥值元件(23)的輸出信號(43)從高通(5)的輸出信號(40)中減去而得的輸出信號(44)。
圖9表示藉助具有相應放大因子的低通濾波器對圖8中信號濾波所得的信號。為此採用了一其濾波寬度為一量化級、濾波長度為三量化級的各向異性低通濾波器(22)。因而由此產生的輸出信號(45)具有較之輸出信號(43)大的幅值和另一動態特性。在計及圖9所示閥值(24)時，在消除輪廓後就得到如圖10中那樣的輸出信號(46)。
將主要過程實現為數字電腦程式的原理流程圖如圖11所示。這裡各軟體模塊均被給予與圖3至5中相對應配置的電路部件相同的標號。輸入信號首先經一模擬高通濾波器(5)的軟體模塊濾波，隨後被導送到設置有一適配閥值特性曲線的閥值元件(23)。然後通過一模擬檢波器(21)的模塊使得在被檢波輪廓區域內減少輪廓信號。在後面一濾波級設置如圖11所示組成形式的兩個各向異性低通濾波器(22)，它們例如取坐標軸(7，8)方向的定向。接著此各向異性低通濾波器(22)的輸出被再引導送至模擬適配閥值部件(23)的模塊。閥值部件(23)的輸出值與檢波器(21)的輸出值被並聯連接到邏輯元件(25)以實現它們相互之間的「或」組合。邏輯元件(25)的輸出在後面一輪廓濾波級(12)再次經過各相異性低通濾波器(22)和適配閥值部件(23)濾波，而該對應閥值部件(23)的輸出值和被串聯接入的邏輯部件(25)的輸出信號互相關連地送到另一邏輯部件(25)。在信號流通方面最後一個邏輯元件(25)的輸出信號被送到減法級(13)以便由帶有噪音信號的輪廓信號中消除噪音信號，並在匯合控制(13)區域將此輪廓信號加進圖象信號之前，在放大級(15)進行放大和在必要時對此輪廓信號加以限幅。
圖11中以相同標號註明的模塊，例如說，可以作為子程序來實現，它們將在一流程控制中所規定的時刻被調用。
本方法和裝置可以在許多能對分配於一參考平面的信號變化進行濾波的實用場合得到應用。一典型的例子是對圖象在再生技術中進行濾波。
但敢可想像到許多其它方面的應用可能性。例如在圖象處理方面，由此可以改善通過電視圖文設備或傳真電話傳送的圖象信息和質量，但也可以對電視圖象、視頻裝置上顯現的圖形或衛星圖象進行濾波處理，以便加工出圖象內消失的輪廓。這種方法和裝置一般也可以被應用於除圖象加工以外的領域。原則上，在所有利用可將信號變化過程列入一平面內的場合都會出現有用信號成分被幹擾信號所疊加的問題。這裡僅舉測取一平面上的溫度分布圖為例。在一以多維參數空間表達的參數狀態下，亦能採取的或者是以每次三維的部分組成進行濾波處理，或者是按照例如圖11和13所述的處理算法進行向量處理，即在各自的作業中，給欲處理的參數均作適應於向量和矩陣運算的多維化配置。
進一步也可以想到，將設有在級(15、16)作進一步處理的輸出信號(14)看作是去除了幹擾的輪廓信號，從而能被應用於例如圖形識別領域的任務中作為特徵提取級的輸入信號。
在針對圖1所示稍加改變的實施方案中，為了儘可能減少有時可能發生的輸出的殘餘誤差，最好在輪廓濾波器(12)中的一個設置一矯正曲線。此矯正曲線的變化最好這樣選擇，即在附加這一矯正曲線後輪廓信號的變化應基本上不受輸入信號的隨電平改變的信噪比的改變的影響。由此來近似地實現不隨電平變化的信噪比。採用這種工作方式時所考慮的是，減法級(13)作為消隱級工作，此消隱級則受信號流方向上的最後一濾波級(12)的控制。這樣即使在經由減法級(13)區域內的耦合支路(10)到達的信號與在信號流向上的最後一濾波級(12)中予置的「零」不一致時，總還是要將其置為「零」。
這樣的矯正曲線也可以考慮在圖3所示的實施方案中實現。在此，該矯正曲線將適於設置在檢波器(21)的輸出區域。
權利要求
1.一種信號濾波方法，其中信號幅度可賦值於一量化兩維參考平面上，而為將有用信號放大，在濾出直流成分和高頻成分之後，將經濾波的信號加到未經濾波的輸入信號上，其特徵是在欲予濾波的信號部分，在至少一輪廓濾波級(12)中作頻率濾波之後，該欲予濾波的信號部分的具有高於一予定閥值(24)的幅值的成份被去除掉，此閥值(24)依據輸入信號的幅度被相應調整，和在取得一總濾波信號之前，輪廓濾波級(12)的輸出信號為產生該總濾波信號被從頻率濾波器的輸出信號中減去。
2.按權利要求1的方法，其特徵是該欲予濾波的信號被順序多次濾波，並首先濾出明顯的輪廓，然後濾出較弱的輪廓。
3.按權利要求1和2的方法，其特徵是總濾波信號在被加到輸入信號之前被放大。
4.按權利要求1至3中之一的方法，其特徵是在至少一輪廓濾波級(12)區域內，一輪廓變化藉助一各向異性低通濾波器(22)檢波，該低通濾波器(22)在參考平面(6)內具有予定的定向。
5.按權利要求1至4中之一的方法，其特徵是欲予濾波的信號在一具有不同量綱分級元件(18)的輪廓濾波級(12)區域內進行濾波，該分級元件至少設置有在參考平面(6)內部不同定向的各向異性低通濾波器(22)。
6.按權利要求5的方法，其特徵是至少兩個濾波過程在二分級元件(18)區域內平行進行。
7.按權利要求5的方法，其特徵是至少兩個濾波過程在二分級元件(18)區域內在時間上依次進行。
8.按權利要求1至7中之一的方法，其特徵是欲予濾波的信號在互相依次連接的輪廓濾波級(12)區域內由具有不同低通長度的各向異性低通濾波器(22)進行濾波。
9.按權利要求1至8中之一的方法，其特徵是在將總濾波信號加到輸入信號前，進行對總濾波信號的限幅處理。
10.按權利要求1至9中之一的方法，其特徵是作相應於閥值(24)和限幅按照輸入信號的時間上直接分配的幅值大小來進行。
11.按權利要求1至10中之一的方法，其特徵是所採用的輪廓濾波級(12)的數量相應地按對輸入信號的分析進行。
12.按權利要求1至11中之一的方法，其特徵是至少一個各相異性低濾(22)在參考平面(6)內的定向相對應地由對輸入信號的分析確定。
13.按權利要求1至12中之一的方法，其特徵是在將噪音信號從含有輪廓信息的信號中減去之後，由參考平面內消除各別的幅度信號。
14.按權利要求1至13中之一的方法，其特徵是對帶有圖象信息的信號進行濾波。
15.按權利要求14的方法，其特徵是對再生技術範圍內的信號進行濾波。
16.按權利要求14的方法，其特徵是對在通訊技術領域的信號進行濾波。
17.按權利要求16的方法，其特徵是對電視電話通訊裝置領域內的圖象信號進行濾波。
18.按權利要求1至14的方法，其特徵是對圖象分析(圖形識別)領域內的、特別是在醫學圖象處理中的信號進行濾波。
19.按權利要求1至18的方法，其特徵是頻率濾波是作為高通濾波進行的。
20.一信號濾波的裝置，其中信號幅度可賦值於一量化兩維參考平面上，並設有一將輸入信號分流的分向器和在濾波支路設置的頻率相關的濾波器，其特徵是該頻率相關的濾波器至少設置有一下限頻率，該濾波器的輸出信號在一濾波分向器(9)的區域內被分向，使其不僅被引導到至少一個消除輪廓信號部分的輪廓濾波級(12)，而且被引導一減法級(13)，在此減法級區域內，為消除噪音將該輪廓濾波級(12)的輸出信號由濾波器的輸出信號中減去。
21.按權利要求20的裝置，其特徵是至少串聯連接有兩個輪廓濾波級(12)以作不同強度地濾波輪廓。
22.按權利要求20或21的方法，其特徵是在至少一輪廓濾波級(12)內設置有至少兩個分級元件(18)，它們具有為發現不同定向輪廓的在參考平面(6)內不同定向的各向異性低通濾波器。
23.按權利要求20至22中之一的裝置，其特徵是各向異性低通濾波器(22)具有一予定量化級寬度和一予定量化級長度。
24.按權利要求20至23中之一的裝置，其特徵是至少該閥值部件(23)或該各向異性低通(22)被開發成為一能於數字計算機上執行的算法。
25.按權利要求20至24中之一的裝置，其特徵是至少在一個輪廓濾波級(12)區域內為識別輪廓信號成分設置有適應的閥值部件(23)，為調節其閥值該閥值部件連接有一估價輸入信號的幅值的適配部件(34)。
26.按權利要求20至25中之一的裝置，其特徵是並行連接的分級元件(18)的輸出信號導送到一與其經過一「或」邏輯互相組合的邏輯部件(25)。
27.按權利要求20至26中之一的裝置，其特徵是為了去消各別的信號成分，將參考平面(6)中該相應坐標規定其幅度值為零。
28.按權利要求20至27中之一的裝置，其特徵是各別信號成分的消除在一選擇器的區域內進行，該選擇器至少對那引動賦給在一工作坐標周圍坐標的幅度值進行檢驗，看它們是否等於零，如果發現所有這些幅度均為零，即將此工作坐標的幅值亦置為零。
29.按權利要求20至28中之一的裝置，其特徵是為了保證輪廓信息，設置有一將經濾波的信號與未濾波的輸入信號相加的組合級(9)。
全文摘要
本方法用於對信號進行濾波，其中可將信號幅度賦值於一個量化兩維參考平面。為了將有用信號部分放大，在濾出直流分量和高頻分量之後，可將一經過濾波的信號與未經濾波的輸入信號相加。在欲濾波的信號部分經過頻率相關的濾波之後，在至少一輪廓濾波級中將欲濾波信號部分的具有超過一預定閾值的幅度的成分去除。此閾值根據輸入信號的幅度作相應調整。此外，為產生總濾波信號將輪廓濾波級的輸出信號由與頻率相關的濾波器的輸出信號中減去。
文檔編號H04N1/409GK1065166SQ9210190
公開日1992年10月7日 申請日期1992年2月22日 優先權日1991年2月22日
發明者F·利包斯基 申請人:利諾泰普-赫爾有限公司