Brevet FR2860941A1 — publié le 20050415

La présente invention est relative à un dispositif et un procédé d'estimation de niveau de bruit d'un signal vidéo, ainsi qu'à un système de réduction de bruit et à un système de codage comprenant un tel dispositif. La réduction du bruit est un élément essentiel dans le pré-traitement vidéo avant codage. Elle est basée sur un filtrage temporel récursif, dont le taux de récursivité s'ajuste en fonction du niveau de bruit présent dans la séquence d'images à traiter. L'estimation du niveau de bruit est donc importante afin d'obtenir un 10 système de filtrage qui s'adapte automatiquement à la séquence d'images entrantes. Dans des méthodes connues, en l'absence totale de mouvement et grâce à son caractère temporellement aléatoire, le bruit peut se détecter en effectuant la différence pixel à pixel entre deux images consécutives. La moyenne des différences sur une image constitue alors une représentation du niveau de bruit. Lorsqu'il y a mouvement, l'estimation du niveau de bruit peut se faire en calculant la différence entre l'image courante et l'image précédente reconstruite à l'identique de l'image courante grâce au champs de vecteurs fourni par l'estimateur de mouvement. Cependant, de telles méthodes présentent de nombreux inconvénients: - le vecteur de mouvement peut présenter des erreurs d'estimation, ce qui provoque une mauvaise reconstruction de l'image et surestime donc le niveau de bruit, dès lors qu'il y a mouvement dans la séquence d'images, le vecteur de mouvement et donc les différences entre images (DFD pour Displaced Frame Difference), sont incohérents sur tout le pourtour de l'image, ce qui fausse également l'estimation du niveau de bruit l'estimation du niveau de bruit est basée sur le caractère aléatoire du bruit, ce qui n'est pas toujours fiable. 2860941 2 La présente invention concerne un dispositif d'estimation du bruit robuste utilisant la différence pixel à pixel entre l'image source et l'image filtrée, retardée d'une image et compensée en mouvement permettant d'obtenir une bonne estimation du bruit, en réduisant considérablement les effets négatifs exposés ci-dessus. A cet effet, l'invention propose un dispositif d'estimation du niveau de bruit d'un signal vidéo représentant des séquences d'images comprenant des moyens d'interpolation compensée en mouvement, - un filtre récursif destiné à recevoir sur une première entrée la sortie du filtre récursif compensée en mouvement par les moyens d'interpolation compensée en mouvement et sur une seconde entrée le signal vidéo, - des moyens de calculer la différence entre le signal vidéo et la sortie du filtre récursif compensée en mouvement par les moyens d'interpolation, Selon l'invention, le dispositif comporte des moyens d'estimer le niveau de bruit du signal vidéo en fonction de ladite différence et d'un seuil maximal bornant cette différence. Ce dispositif peut rendre robuste l'estimation du niveau de bruit dans 20 une séquence vidéo et permettre d'améliorer les performances d'un réducteur de bruit auquel il serait associé. Préférentiellement, les moyens d'estimer le niveau de bruit comprennent des moyens de comparer, pour chaque pixel d'une image du signal vidéo, la différence entre la valeur dudit pixel et la valeur dudit pixel après filtrage récursif compensé en mouvement, audit seuil (Sc). Ceci peut rendre possible une meilleure estimation de niveau de bruit pour chaque pixel et éviter ainsi une estimation globale qui engendrerait des effets de flous sur la trame. Avantageusement, le dispositif comporte - des moyens de définir pour chaque image une fenêtre de travail composée d'un nombre de pixels centrée sur l'image, 2860941 3 - des moyens d'accumuler, pour chaque pixel dans la fenêtre de travail dont la différence entre sa valeur et sa valeur après filtrage récursif compensé en mouvement est inférieure audit seuil, ladite différence, - des moyens de calculer un niveau de bruit moyen (amoy) en divisant les 5 différences accumulées précédemment par le nombre de différences accumulées. Une telle fenêtre de travail permet une meilleure estimation du niveau de bruit en s'affranchissant des potentielles erreurs de calculs de vecteur de mouvement sur les bords de l'image. Selon un mode préféré de réalisation, le dispositif comporte: - des moyens de mesurer les corrélations inter-images et intratrame de chaque image, des moyens de calculer un niveau de bruit global pour chaque 15 trame en fonction du niveau de bruit moyen et des corrélations inter-images et intra-trame, - des moyens de calculer un niveau de bruit local pour chaque pixel de ladite trame en fonction du niveau de bruit global de ladite trame et de la luminance dudit pixel. Avantageusement, ledit seuil est lié à des paramètres de filtrage dudit filtre récursif. L'invention est également relative à un procédé d'estimation du niveau 25 de bruit d'un signal vidéo représentant des séquences d'images comprenant les étapes: - d'interpolation compensée en mouvement, - de filtrage récursif destiné à recevoir sur une première entrée d'un filtre récursif la sortie dudit filtre récursif compensé en mouvement par les 30 moyens d'interpolation et sur une seconde entrée du filtre récursif le signal vidéo, - de calcul de la différence entre le signal vidéo et la sortie du filtre récursif compensée en mouvement par les moyens d'interpolation, 2860941 4 Selon l'invention, le procédé comporte une étape d'estimation du niveau de bruit du signal vidéo en fonction de ladite différence et d'un seuil maximal bornant cette différence. L'invention sera mieux comprise et illustrée au moyen d'exemples de modes de réalisation et de mise en oeuvre avantageux, nullement limitatifs, en référence aux figures annexées sur lesquelles: - la figure 1 représente un dispositif de réduction du bruit couplé à un dispositif d'estimation de bruit selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente un mode de réalisation d'un filtre récursif tel que pouvant être utilisé dans le dispositif de réduction de bruit. Un dispositif d'estimation de bruit tel que représenté en figure 1 permet d'effectuer une estimation robuste du bruit sur une séquence vidéo 10 e(x, y,t). Une bonne estimation du bruit permet d'améliorer considérablement les performances d'un réducteur de bruit. A cet effet, le réducteur de bruit comporte un filtre récursif 1. Un exemple de filtre récursif performant pouvant être utilisé est illustré en figure 2. Pour obtenir un fonctionnement performant, les méthodes de réduction de bruit faisant appel à un filtrage récursif considèrent la très forte corrélation temporelle des images d'une séquence vidéo. Par conséquent, les notions de mouvement et de déplacement sont importantes pour la mise au point d'une réduction de bruit efficace. C'est pourquoi, le filtre récursif 1 est couplé à des moyens 2 d'interpolation compensée en mouvement. Le dispositif 3 d'estimation du niveau de bruit de la séquence vidéo entrante 10 fournit le niveau de bruit estimé 11 appelé a au filtre récursif 1. Le dispositif 3 d'estimation du bruit comporte des moyens 4 de comparaison recevant en entrée un seuil Sc qui peut être lié à la sévérité de filtrage du filtre récurssif 1. 2860941 5 Par exemple, si l'on suppose disposer d'un curseur de réglage de filtrage à 5 positions (position_curseur), on peut attribuer à Sc la valeur suivante: Sc =16 + position _curseur, 16 étant une valeur fixée arbitrairement. Les moyens 4 de comparaison reçoivent également en entrée la sortie d'un différentiateur 9. Le différentiateur 9 effectue la différence entre le signal vidéo entrant 10 et la sortie filtrée compensée en mouvement 11 r(x,y,t). Le différentiateur 9 effectue une différence pixel à pixel entre les deux signaux. Les moyens 4 de comparaison comparent la différence reçue du différentiateur 9 avec une valeur de seuil Sc. Si e = e(x, y, t) - r(x, y, t) Les moyens de comparaison 4 permettent ainsi d'éliminer les erreurs 20 de valeur importante qui sont sans rapport avec le bruit à supprimer. Les moyens de validation permettent de ne travailler que sur une fenêtre de l'image pour améliorer la robustesse du dispositif. Le signal vidéo étant représentatif d'une image, les vecteurs de mouvement présentent souvent des imperfections sur les pixels situés au bord de l'image. Il est donc avantageux de travailler sur une fenêtre de l'image située au milieu de l'image de façon à ne pas prendre en compte les pixels situés sur les bords. Un module 6 d'accumulation accumule toutes les différences retenues par le module 5 de validation. Un module 7 calcule un niveau de bruit moyen amoy estimé en divisant tout d'abord la somme des différences accumulées par le module 6 par le nombre de différences accumulées. On obtient ainsi Diifmoy: 2860941 6 Diffmoy = E différencesaccumulées nombrededifférencesaccumulées Ensuite, ce premier niveau de bruit obtenu est adapté à l'application cible, et est rendu dépendant de la sévérité de filtrage. = diffmoyz x position curseur 6,,, y diffmoy + position curseur On constate donc que plus la valeur du curseur augmente, plus le niveau de bruit estimé augmente et plus le filtre récursif est sévère. De façon avantageuse, dans ce mode de réalisation amoy est borné entre 0, 5 et 15,5. La valeur de amoy évolue suivant les trames, mais la variation d'une trame à l'autre est limitée à +0.5 ou à moins 2. Il est donc possible de réduire rapidement la valeur de amoy mais il est plus difficile de l'accroître rapidement qfin d'éviter un phénomène d'oscillations. Le module 7 produit donc en sortie un niveau de bruit estimé transmis 20 à un module 8a de pondération globale. Afin de corriger le niveau de bruit moyen amoy produit par le module 7, celui-ci est pondéré par le module 8a qui génère alors un niveau de bruit global glob. Ceci est particulièrement avantageux pour les signaux vidéos présentant un fort mouvement etlou une forte définition. Le module 8a effectue une pondération globale au niveau de l'image. La corrélation inter images (corrinter) est égale à la somme de toutes les différences pixel à pixel entre la trame courante T et la trame précédente T-2, divisée par le nombre de pixels dans la trame. La corrélation intra trame (corrintra) est égale à la somme de toutes les 30 différences pixel à pixel entre la ligne courante de la trame et la ligne précédente de la trame divisée par le nombre de pixels dans la trame. glob = K 6moy 2860941 7 On pondère donc 6moy en fonction des corrélations inter images et intra trame mesurées sur la séquence d'image en cours de traitement par le dispositif de réduction de bruit 1 selon la formule suivante: Le coefficient K peut être calculé, à titre illustratif, selon la manière suivante: Corr = COrr1nt ra + Cotant er Si la valeur de Corr est située entre deux seuils SI et S2, alors K varie linéairement entre les valeurs 1 et 2 . Les seuils SI et S2 sont choisis par rapport à deux séquences vidéo 15 type: Premièrement, une séquence vidéo simple sans mouvement important et à faible définition: la valeur de Corr calculée sur cette séquence donne la valeur de SI. Deuxièmement, une séquence vidéo complexe avec fort mouvement et 20 à forte définition: la valeur de corr calculée sur cette séquence donne la valeur de S2. A titre illustratif, on peut avoir: Si Corr S2 alors K=2 Ce qui donne: - Pour une séquence simple: 6giob = 6moy. - Pour une séquence complexe 6glob = 6moy/2. - Pour une séquence vidéo située entre ces deux extrèmes, 6g,ob = 6g,ob pondéré par la valeur de corr . 2860941 8 Le module 8b de pondération local reçoit en entrée agiob et un seuil de luminance, seuil_luminance, afin d'effectuer une pondération locale au niveau de chaque pixel. En effet, en exploitant une propriété du système visuel humain concernant la faible sensibilité de l'oeil aux dégradations dans des zones de faible luminance, il est avantageux d'effectuer une pondération du niveau de bruit localement au niveau de chaque pixel. Si la valeur de la luminance du pixel courant est inférieure à un seuil, seuil luminance, le niveau de bruit estimé associé à ce pixel est porté à une 10 valeur supérieure. A titre illustratif, on peut par exemple pondérer localement à chaque pixel, le niveau de bruit estimé sur la trame aglob par 1.25 pour obtenir le niveau local a de bruit dudit pixel. La figure 2 représente un exemple de filtre récursif pouvant être utilisé dans le dispositif de réduction de bruit comme décrit en figure 1. Un filtre réducteur de bruit 1 comme représenté en figure 2 peut permettre de corriger les imperfections liées à la compensation de mouvement dans un dispositif de filtrage récursif compensé en mouvement. Un tel dispositif permet de séparer les erreurs dues à la compensation de mouvement et le bruit réel. Le dispositif 1 comporte un module 13 de filtrage récursif et un multiplexeur 21. Le bruit contenu dans certaines séquences vidéo peut réduire l'efficacité d'un codeur vidéo, par exemple de type MPEG, engendrant une mauvaise qualité de visualisation malgré un débit de codage raisonnable. Le filtre récursif 13 a de préférence une granularité de l'ordre du pixel. Le signal vidéo 10 est représentatif d'une image et est composé d'un certain nombre de pixels. Chaque image est codée en mode entrelacé et est composé de deux trames. Chaque pixel de l'image est filtré par le dispositif 13. Le signal vidéo 10 est reçu sur une entrée du soustracteur 19. Le soustracteur 19 reçoit sur sa deuxième entrée la sortie du multiplexeur 21, m(x,y,t). Le filtre récursif 13 reçoit en entrée une estimation du niveau de bruit 5 12 sigma trame (a) de la trame effectuée par un estimateur de bruit tel que représenté sur la figure 1. Le niveau de bruit (a) est utilisé pour calculer un coefficient de récursivité a. Le coefficient de récursivité a pondère l'efficacité du filtrage en fonction du niveau de bruit a dans la trame et de l'erreur 18 calculée entre le signal vidéo e(x,y,t) en entrée et la sortie m(x,y,t) du multiplexeur 21, soit la sortie du différentiateur 19. a = et a e [0.25;1] 4xo- Le coefficient a est transmis au multiplieur 20. En sortie du multiplieur 20, on obtient donc a x e = a(e(x, y, t) m(x, y, t)) En sortie de l'additionneur 15 on obtient f(x,y,t). f (x, y,t) = a x e(x, y,t) + (1 a) x m(x, y,t) Le signal f(x,y,t) est ensuite transmis aux moyens 2 d'interpolation compensée en mouvement après avoir subi un retard d'une trame f(x,y,t-1). Les moyens 2 d'interpolation génèrent à partir de f(x,y,t-1) et du vecteur de déplacement (dx,dy) de la trame courante, la sortie compensée en mouvement r(x,y,t). 2860941 10 La sortie compensée en mouvement r(x,y,t) est ensuite transmise à un différentiateur 22. Le différentiateur 22 reçoit également en entrée le signal vidéo e(x,y,t). Le différentiateur 22 produit en sortie le signal g(x,y,t). g(x, y,t) = e(x, y,t) r(x, y,t) Le comparateur 23 représenté en figure 1 reçoit en entrée g(x,y,t) et un seuil Se de niveau de bruit. Le seuil Se dépend de l'application finale à laquelle peut être associé le dispositif de réduction de bruit selon l'invention. Il représente un compromis entre l'efficacité du réducteur de bruit et l'apparition d'artefacts en sortie du filtre réducteur de bruit. Dans un premier mode de réalisation, le seuil Se peut être lié linéairement à un degré de sévérité de filtrage. Par exemple, si l'on suppose disposer d'un curseur de réglage de filtrage à 5 positions (position-curseur), on peut attribuer à Se la valeur suivante: Se =16 + position _curseur, 16 étant une valeur fixée arbitrairement. Dans un second mode de réalisation, Se peut être adapté au niveau de bruit a et ainsi le faire varier pour chaque trame. Selon un troisième mode de réalisation, le seuil peut être modifié dynamiquement et localement et adapté à des zones caractéristiques de l'image en cours de traitement. Ainsi, pour les zones de mouvement, le risque d'artefacts augmente et il est préférable de baisser la valeur du seuil Se. Pour les zones de faible mouvement, la valeur du seuil peut être plus élevée. Le multiplexeur 21 aiguille vers une entrée du filtre récursif le signal vidéo e(x,y,t) ou la sortie compensée en mouvement r(x,y,t) en fonction du seuil Se. 2860941 11 Le multiplexeur permet de faire un tri entre le bruit réel et les erreurs de compensation. Le comparateur 23 génère un signal de commande vers le multiplexeur 21. Si g(x,y,t) > Se, alors le signal de commande envoyé vers le multiplexeur 21 informe le multiplexeur 21 de transmettre le signal vidéo e(x,y,t) au filtre récursif 13. Si g(x,y,t) 2860941 12 Revendications 1. Dispositif d'estimation du niveau de bruit d'un signal vidéo représentant des séquences d'images comprenant - des moyens (2) d'interpolation compensée en mouvement, - un filtre récursif (1) destiné à recevoir sur une première entrée la sortie (r(x,y,t)) du filtre récursif compensée en mouvement par les moyens (2) d'interpolation compensée en mouvement et sur une seconde entrée le signal vidéo (10), - des moyens (9) de calculer la différence entre le signal vidéo (10) et la sortie (r(x,y,t)) du filtre récursif (1) compensée en mouvement par les moyens (2) d'interpolation compensée en mouvement, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (4) d'estimer le niveau de bruit (a) du signal vidéo (10) en fonction de ladite différence et d'un seuil maximal (Sc) bornant cette différence. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens d'estimer le niveau de bruit comprennent des moyens (4) de comparer, pour chaque pixel d'une image du signal vidéo (10), la différence entre la valeur dudit pixel et la valeur dudit pixel après filtrage récursif compensé en mouvement, audit seuil (Sc). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte - des moyens (5) de définir pour chaque image une fenêtre de travail composée d'un nombre de pixels centrée sur l'image, - des moyens (6) d'accumuler, pour chaque pixel dans la fenêtre de travail dont la différence entre sa valeur et sa valeur après filtrage récursif compensé en mouvement est inférieure audit seuil, ladite différence, - des moyens (7) de calculer un niveau de bruit moyen (amoy) en divisant les différences accumulées précédemment par le nombre de différences accumulées. 2860941 13 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesurer les corrélations inter-images et intratrame de chaque image, des moyens (8a) de calculer un niveau de bruit global (ag!ob) pour chaque trame en fonction du niveau de bruit moyen (amoy) et des corrélations inter-images et intra-trame, des moyens (8b) de calculer un niveau de bruit local pour chaque pixel de ladite trame en fonction du niveau de bruit global (ay,ob) de ladite trame et de la luminance (seuil_luminance) dudit pixel. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit seuil (Sc) est lié à des paramètres de filtrage dudit filtre récursif (1). 15. 6. Procédé d'estimation du niveau de bruit d'un signal vidéo représentant des séquences d'images comprenant les étapes: - d'interpolation compensée en mouvement, - de filtrage récursif destiné à recevoir sur une première entrée d'un filtre récursif la sortie dudit filtre récursif compensé en mouvement par les moyens d'interpolation et sur une seconde entrée du filtre récursif le signal vidéo, - de calcul de la différence entre le signal vidéo et la sortie du filtre récursif compensée en mouvement par les moyens d'interpolation, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'estimation du niveau de bruit du signal vidéo en fonction de ladite différence et d'un seuil maximal bornant cette différence. 7. Dispositif de réduciton de bruit d'un signal vidéo comprenant un dispostif d'estimation du niveau de bruit selon l'une des revendications 1 à5.