- 電視的訊號處理流程與相關(guān)元件
- 數(shù)字電視信號依然需要后處理
- 針對影像編碼的消除區(qū)塊效應(yīng)濾波器技術(shù)
- 標(biāo)準(zhǔn)中值濾波器
- 中央加權(quán)中值濾波器
- 三態(tài)式中值濾波器
電視的訊號處理流程與相關(guān)元件
一般來說，影像信號皆是動態(tài)呈現(xiàn)的，依照不同地區(qū)的規(guī)范，可分為每秒30個畫面（NTSC交錯式掃瞄），或是每秒25個畫面（PAL交錯式掃瞄），大量模擬影像信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號在頻寬耗用上非常龐大，為了節(jié)省頻寬，進(jìn)而加快信號處理速度，影像在進(jìn)行解析后會將色彩以壓縮方式來傳遞，因此影像壓縮晶片是非常重要的核心元件。在一般通用設(shè)計上，影像輸出IC控制板（ControllerBoard）的核心元件包括：視頻解碼器（VideoDecoder）、解交錯式掃瞄器（De-Interlacer），及縮放控制器（Scaler）等。
圖說：HDTV的元件配置方塊圖。
除此之外，電視信號的處理還包含了類比與數(shù)位轉(zhuǎn)換元件（AnalogDigitalConverter,ADC）、相鎖迴路（PhaseLockLoop,PLL）、數(shù)字視頻介面（DigitalVideoInterface,DVI）以及低電壓差動信號處理介面（LVDS）等分離元件，其中ADC與VideoDecoder則是因?yàn)橥瑫r包含了模擬與數(shù)字信號的混合設(shè)計晶片技術(shù)，在電路結(jié)構(gòu)方面相對復(fù)雜，因此多以獨(dú)立形式存在，難以與其他元件整合。在此歸納出下列幾點(diǎn)：
1.前端信號的接收和轉(zhuǎn)換
■ADC：將模擬RGB信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
■PLL：在模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換過程中負(fù)責(zé)信號採樣，多數(shù)已嵌入ADC元件中。
■DVIRx：接收以數(shù)字編碼格式所輸入的影音信號，如來自PC-DVI介面或其它數(shù)字影音裝置的信號等；若嵌入HDCP晶片，則可以執(zhí)行來自DTV加密／付費(fèi)視頻的解密。
■VideoDecoder：傳統(tǒng)NTSC/PAL/SECAM等TV信號采取復(fù)合波形輸入，VideoDecoder內(nèi)含梳形濾波器（Combfilter）功能，可以將復(fù)合端子（Composite、CVBS）、S端子或色差端子（YpbPr/YUV）所輸入的模擬信號分離，內(nèi)含多組ADC將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
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2.中介信號處理與增益
■De-Interlacer：主要將電視信號所用的交錯式掃瞄（interlaced）轉(zhuǎn)換為目前各種新型顯示裝置如LCDTV、PDPTV、rear-projectionTV等所用的逐行循序掃瞄（progressive）。
■De-Interlacer可稱為DTV控制IC的首要核心，廠商設(shè)計時多視系統(tǒng)需求，嵌入增益軟件以提供畫質(zhì)調(diào)整及改善，例如：亮度、對比、色調(diào)調(diào)整、噪音消除、黑階延伸（black-levelExtension）、銳利度調(diào)整（peaking/sharpness）及Gamma修正等。
3.后端－信號調(diào)整與輸出
■Scaler：目的在將不同影音裝置所輸入的畫面解析度或形狀大小進(jìn)行調(diào)整，重新填寫成DTV的原始像素矩陣（NativeResolution）。
■OSD：負(fù)責(zé)調(diào)整螢?zāi)伙@示亮度、對比、垂直與水平位置，通常視系統(tǒng)支援的語言及字型多寡而決定以內(nèi)嵌或外加方式配置。
■LVDS：傳輸已處理好的影像信號至DVT面板模組。
數(shù)字電視信號依然需要后處理
在數(shù)字電視接收端，數(shù)字信號藉由天線、調(diào)諧器（tuner）、數(shù)字解調(diào)器（digitaldemodulator）轉(zhuǎn)變成數(shù)字資訊。由于在傳輸過程中，信號難免會受到各種不同類型之干擾，因而導(dǎo)致接收到的資料會有錯誤之發(fā)生。為了能降低錯誤發(fā)生的機(jī)率，故資料在調(diào)變之前，會經(jīng)過通道編碼（channelcoding）處理。而在資料被接收及解調(diào)之后，再經(jīng)由對應(yīng)之通道解碼（channeldecoding）來處理。通道解碼器可偵測錯誤之發(fā)生及糾正所發(fā)生之錯誤（當(dāng)然要在所選用通道編碼方式的糾正能力范圍之內(nèi)）。資料經(jīng)過通道解碼之后，解多工器（de-multiplexer）將抽取其中使用者所選定節(jié)目之視頻流和音頻流，并分別送到視頻解碼器和音頻解碼器進(jìn)行處理。視頻經(jīng)過解碼后，還要進(jìn)行數(shù)字至模擬信號轉(zhuǎn)換，最后才會將信號送到面板進(jìn)行顯示動作。
由上述可知，數(shù)字電視的純數(shù)字信號并不是直接通達(dá)螢?zāi)唬喾吹模虚g仍需要經(jīng)過幾道解編碼以及數(shù)字與模擬轉(zhuǎn)換的程序，而數(shù)字視頻的原生解析度可能無法完全匹配LCDTV的面板真實(shí)解析度，舉例來說：臺灣的數(shù)字電視內(nèi)容僅為DVD畫質(zhì)的480i解析度，目前主流LCDTV真實(shí)解析度都在720P以上，更高規(guī)格的1080PHD面板LCDTV也逐漸普及當(dāng)中，在這些高解析度LCDTV中觀賞數(shù)字電視節(jié)目，如果沒有進(jìn)行相關(guān)的后處理（比如說透過Scaler將來調(diào)整原有視頻內(nèi)容的大小），那么在電視上就只能看到點(diǎn)對點(diǎn)的小小畫面。Scaler的畫面大小調(diào)整并不是單純只有改變解析度而已，針對畫面擴(kuò)大之后所會產(chǎn)生的畫面瑕疵問題，都必需要透過各種演算法來加以補(bǔ)充。
將視頻壓縮比過高會讓畫面產(chǎn)生區(qū)塊噪音或馬賽克效應(yīng)。視頻經(jīng)過預(yù)處理／后處理后，編碼器壓縮起來會更輕松，并且進(jìn)一步提高影像品質(zhì)，連帶降低發(fā)送頻寬要求。該功能對有線、衛(wèi)星、電信和IPTV廣播商業(yè)模式非常重要，因?yàn)闈M足高品質(zhì)要求必須在很窄的頻寬條件下實(shí)現(xiàn)。預(yù)處理可能包括在視頻進(jìn)入編碼器之前使用2D濾波技術(shù)濾除特定高頻信號，以有效減少區(qū)塊效應(yīng)。某些公司編碼產(chǎn)品的視頻與影像處理套件中就包括了2D的有限脈沖響應(yīng)（FIR）和中值濾波器功能，可利用3×3、5×5或7×7恒定系數(shù)矩陣執(zhí)行2DFIR濾波作業(yè)。因此，為了在頻寬受限環(huán)境中獲得最佳性能，預(yù)先處理對任何的視頻壓縮方法來說相當(dāng)關(guān)鍵。而電視影像解碼器在針對諸如H.264、MPEG-2等影像編碼進(jìn)行解碼動作時，也都需要進(jìn)行如去方塊（De-Block）反交錯掃瞄（De-Interlace）等處理，為了呈現(xiàn)出完美的畫面，數(shù)字電視信號對濾波技術(shù)的需求并不比傳統(tǒng)模擬電視信號少。
數(shù)字化的電視時代，模擬應(yīng)用仍佔(zhàn)大宗
雖然電視都已經(jīng)數(shù)字化，但是一般觀眾收看最多的，依然是模擬電視節(jié)目，以臺灣的狀況來說，數(shù)字電視的發(fā)展重點(diǎn)在于高速接收的行動應(yīng)用，而非真正的高畫質(zhì)數(shù)字信號，數(shù)字電視本身畫質(zhì)表現(xiàn)并不特別突出，加上缺乏具備足夠吸引力的節(jié)目內(nèi)容，大多數(shù)消費(fèi)者仍選擇頻道與節(jié)目相對精彩的有線電視。有線電視采用的是標(biāo)準(zhǔn)的類比訊號，透過同軸電纜傳輸節(jié)目內(nèi)容，信號本身的好壞影響節(jié)目畫面品質(zhì)甚大。不僅在臺灣，世界各國也多以模擬電視為播放主流，為了達(dá)到良好的畫面品質(zhì)，除了力求信號的品質(zhì)以外，電視本身的濾波能力更佔(zhàn)了最大比例的重要性。
針對影像編碼的消除區(qū)塊效應(yīng)濾波器技術(shù)
以區(qū)塊轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的影像壓縮編碼（區(qū)塊離散余弦轉(zhuǎn)換）已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到如MPEG、VC1、H.264等諸多主流影像編碼技術(shù)中，這些也都是數(shù)位視頻的主流編碼技術(shù)。雖然這些編碼標(biāo)準(zhǔn)幾乎都有加入去除區(qū)塊效應(yīng)的演算法，然而在實(shí)際進(jìn)行影像解碼的同時，往往都還是避免不了區(qū)塊效應(yīng)的產(chǎn)生，而當(dāng)壓縮比越高，區(qū)塊效應(yīng)也會越明顯。
去除區(qū)塊效應(yīng)的方法可歸納為兩大類，第一類是從編碼架構(gòu)著手，如利用重疊轉(zhuǎn)換法，將原始的影像切割為少許重疊的區(qū)塊，當(dāng)解碼重建影像時，相鄰區(qū)塊的重疊區(qū)域影像則是以平均取樣的方式來降低區(qū)塊與區(qū)塊之間的不連續(xù)性。或是使用結(jié)合轉(zhuǎn)換法，將原始影像區(qū)分為高相關(guān)性與低相關(guān)性2種集合，在高相關(guān)性集合部分使用無損耗編碼，低相關(guān)性部分則是使用原有的區(qū)塊離散余弦轉(zhuǎn)換編碼，但是在編碼階段處理所需考慮的后續(xù)影響較大，技術(shù)難度也更高。而第二類處理方式，則是利用后處理（Post-Processing）技術(shù)，比如說濾波法就是后處理技術(shù)的1種，一般來說，由于有著不會改變原有編碼的架構(gòu)，以及不需要紀(jì)錄額外資訊的優(yōu)點(diǎn)，利用后處理的方式來進(jìn)行區(qū)塊效應(yīng)的消除，是比較常用且有效的方式之一。
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利用濾波技術(shù)來去除區(qū)塊效應(yīng)，在實(shí)做上，則是將區(qū)塊效應(yīng)的不連續(xù)性視為錯誤的高頻噪音，并利用一般的低通濾波器來濾除這些被視為錯誤的高頻部分，進(jìn)而將呈現(xiàn)區(qū)塊效果的的部分平滑化。這種低通濾波器基本上就是屬于線性內(nèi)差法，當(dāng)在解碼影像內(nèi)偵測到有區(qū)塊效應(yīng)的相鄰區(qū)塊，在捨去相鄰邊界的影像資料后，再根據(jù)未捨去的資料以線性內(nèi)差法預(yù)估并補(bǔ)回空缺位置下的影像資料，藉以平滑化其影像資料的不連續(xù)性，達(dá)到減輕區(qū)塊效應(yīng)的效果，在此可以選用單線性內(nèi)差或者是雙線性內(nèi)差，演算法同樣都非常簡單，對系統(tǒng)的負(fù)載非常輕微。
圖說：屬于線性濾波的低通濾波器的運(yùn)作概念示意圖。
由于低通濾波器一般是屬于線性處理，在去除區(qū)塊的同時，也有可能會將原有非區(qū)塊效應(yīng)部分的高頻資訊一起濾除，因而造成影像的模煳現(xiàn)象。因此在濾波方式上，也有利用非線性的技術(shù)來處理。在非線性濾波技術(shù)方面，中值濾波器是較常見的1種。中值濾波器會把所讀取的資料取中間值來取代掉原有的資料，透過這樣的方式，在影像細(xì)節(jié)的保存方面要優(yōu)于一般線性濾波技術(shù)（如雙線性內(nèi)差濾波）。
但是一般中值濾波器在處理過程中，會永久性的破壞畫面中所包含的的原始像素資訊，造成最終的輸出結(jié)果與原本未壓縮的影像資訊產(chǎn)生落差，因此后來也發(fā)展出使用切換的方式，先行偵測輸入影像噪音程度，如果偵測到的噪音直超過容忍值，則會使用濾波輸出，若信號品質(zhì)良好，則維持原信號輸出，避免破壞原始信號。常見的中值濾波器有以下幾類：
圖說：中值濾波器的運(yùn)作概念示意圖。
■標(biāo)準(zhǔn)中值濾波器(StandardMedianFilter,SMFilter)
最原始的標(biāo)準(zhǔn)中值濾波器是由J.W.Jukey在1971年所提出，其目的主要是用來處理非線性信號，此技術(shù)可以克服線性濾波所引起的細(xì)節(jié)模煳，中值濾波的處理方式是取一個長寬皆為特定大小的視窗，對視窗中資料大小做排序，然后取中間值做為濾波后結(jié)果。
■中央加權(quán)中值濾波器(Center-WeightedMedianFilter,CWMFilter)
中央加權(quán)中值濾波器是在1991年提出，此濾波器是由中值濾波器改良而來，不但可以去除噪音，還可以保留較好的影像細(xì)節(jié)，不過在噪音比過高的情況下，濾波效能會大幅降低。中央加權(quán)中值濾波器的處理步驟跟中值濾波器很相似，同樣先設(shè)定長寬一致的視窗，對視窗內(nèi)中央點(diǎn)復(fù)制w次，然后排序輸出中間值，取w等于1時，中央加權(quán)中值濾波器就會進(jìn)行濾波處理，w大于7時，就不對影像進(jìn)行濾波處理。
■三態(tài)式中值濾波器(Tri-StateMedianFilter,TSMFilter)
上述以中值為主的濾波方式皆對脈沖噪音有良好的濾波效果，但都是無條件對所有輸入樣本進(jìn)行濾波處理。對一幅受污染的影像而言，可能只有部分像素是受到噪音干擾，其余像素仍然保留原值，無條件對每個像素進(jìn)行濾波處理會更動到一些不受污染的像素，進(jìn)而損失影像部分細(xì)節(jié)。三態(tài)式中值濾波器則是結(jié)合了傳統(tǒng)中值濾波器和中央加權(quán)中值濾波器，把這2個濾波結(jié)果與原值差異當(dāng)作噪音偵測的參考。如此可以盡可能保留原有的細(xì)節(jié)，并最大化濾波的效果。
中值濾波器除了以上幾種以外，還有許多由該技術(shù)延伸出來的類似濾波架構(gòu)，基本上都各有其不同的特性及限制。
區(qū)塊效應(yīng)也可以透過加大流量的方式來獲得解決，但是加大流量也代表的頻寬成本的支出將會更為龐大，以資訊產(chǎn)業(yè)的趨勢而言，晶片效能的成長幅度要遠(yuǎn)超過頻寬成本比的提高，因此藉由系統(tǒng)以合理的濾波演算法及系統(tǒng)消耗來達(dá)到頻寬需求與畫質(zhì)均衡的目的，就成了現(xiàn)在主流的影像編解碼及傳輸方式。
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針對模擬信號的梳狀濾波技術(shù)
圖說：梳狀濾波的種類示意圖。
梳狀濾波器對于模擬信號而言，是個非常重要且具有絕佳效果的影像加強(qiáng)設(shè)計，要瞭解梳狀濾波器，主要從信號源開始說起，一開始接收視頻的影像端子通常為Composite端子（如RF射頻端子與AV端子），這類端子所能接收的信號為復(fù)合信號端子（CompositeVideoSignal），為何稱為復(fù)合端子？因?yàn)樵谛盘栔谢旌狭肆炼龋↙uminace,以Y表示）與色度／彩度（Chrominace,以C表示）雙方面的信號，一般視頻電路的工作就是將這種信號進(jìn)行Y/C分離處理，梳狀濾波器的工作就是在保證信號細(xì)節(jié)的情況之下，避免影像信號的亮度與色彩互相滲透污染。其作法就是在內(nèi)部按一定的頻率間格排列信號以及其本身的延時信號，并兩兩進(jìn)行疊家，從而產(chǎn)生相位相消的的效果。因?yàn)槠湫盘柷€就像梳子一般，因此被稱為梳狀濾波器（CombFiltering）。
梳狀濾波器一般由延時器、加法器、減法器、帶通濾波器所組成，應(yīng)用在連續(xù)的畫面之間的靜止圖像，就稱為3D梳狀濾波，而針對活動的影像，并在單一畫格內(nèi)進(jìn)行梳狀濾波工作，則是稱為3D梳狀濾波。在數(shù)字電視里，為了確保梳狀濾波器可以正常動作，必須設(shè)計足夠的存儲器，藉以取得足夠的延遲時間以及信號頻寬，相關(guān)電路也可以藉由SoC的方式整合并進(jìn)行設(shè)計的簡化。梳狀濾波器可分為以下幾種類型：
■2D梳狀濾波器
這種架構(gòu)的梳狀濾波容易在色彩交界處出現(xiàn)彩色雜點(diǎn)，讓畫面看起來雜訊比較大些，不過因保證了亮度通道的頻率回應(yīng)，因此清晰度方面不會有太大沒有問題，主要對NTSC格式的信號起作用。
■3D數(shù)字梳狀濾波器
3D數(shù)字梳狀濾波器能夠從空間（2D）、時間（第三維方向）將每組畫面的亮度及色度信號精確地分離，進(jìn)而有效消除影響信號中的雜波、斑點(diǎn)、色彩重疊現(xiàn)象，使畫面更加清晰。
■4H數(shù)字梳狀濾波器
4H（3D數(shù)字梳狀濾波器+1H高解析數(shù)字梳狀濾波器），即在對普通模擬信號進(jìn)行3D的亮色分離處理的同時，還增加了特別針對高解析信號顯示時進(jìn)行亮色分離處理的數(shù)字梳狀濾波器，如此可以更加徹底地消除亮色串?dāng)_現(xiàn)象。
■5H梳狀濾波器
用作Y/C分離和色度解碼，比ITT及Genesis的產(chǎn)品要高(4H)。這樣可將視覺位置扭曲現(xiàn)象及顏色噪音減至最低，極大地消除串色干擾及色彩滲透，令影像色彩更清晰明亮。
