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近年來高解析度視訊大行其道，從DVD開始，到目前的HD DVD以及BD，在搭配適當的影像編碼以及加大串流流量以后，肉眼可見雜訊或方塊現象已經微乎其微，過去在傳統電視大行其道的視訊濾波處理似乎已經失去了舞臺？ 電視的訊號處理流程與相關元件 一般來說，影像訊號皆是動態呈現的，依照不同地區的規范，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），大量類比影像訊號轉成數位訊號在頻寬耗用上非常龐大，為了節省頻寬，進而加快訊號處理速度，影像在進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。在一般通用設計上，影像輸出IC控制板（Controller Board）的核心元件包括：視訊解碼器（Video Decoder）、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，電視訊號的處理還包含了類比與數位轉換元件（Analog Digital Converter,ADC）、相鎖回路（Phase Lock Loop,PLL）、數位視訊介面（digital Video Interface,DVI）以及低電壓差動訊號處理介面（LVDS）等分離元件，其中ADC與Video Decoder則是因為同時包含了類比與數位訊號的混合設計晶片技術，在電路結構方面相對復雜，因此多以獨立形式存在，難以與其他元件整合。在此歸納出下列幾點： 1.前端訊號的接收和轉換 ■ADC：將類比RGB訊號轉換成數位訊號。 ■PLL：在類比／數位轉換過程中負責訊號采樣，多數已嵌入ADC元件中。 ■DVI Rx：接收以數位編碼格式所輸入的影音訊號，如來自PC-DVI介面或其它數位影音裝置的訊號等；若嵌入HDCP晶片，則可以執行來自DTV加密／付費視訊的解密。 ■Video Decoder：傳統NTSC/PAL/SECAM等TV訊號采取復合波形輸入，Video Decoder內含梳形濾波器（Comb filter）功能，可以將復合端子（Composite、CVBS）、S端子或色差端子（YpbPr/YUV）所輸入的類比訊號分離，內含多組ADC將它轉換為數位訊號。 2.中介訊號處理與增益 ■De-Interlacer：主要將電視訊號所用的交錯式掃瞄（interlaced）轉換為目前各種新型顯示裝置如LCD TV、PDP TV、rear-projection TV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，廠商設計時多視系統需求，嵌入增益軟體以提供畫質調整及改善，例如：亮度、對比、色調調整、雜訊消除、黑階延伸（black-level Extension）、銳利度調整（peaking/sharpness）及Gamma修正等。 3.后端－訊號調整與輸出 ■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行調整，重新填寫成DTV的原始像素矩陣（Native Resolution）。 ■OSD：負責調整螢幕顯示亮度、對比、垂直與水平位置，通常視系統支援的語言及字型多寡而決定以內嵌或外加方式配置。 ■LVDS：傳輸已處理好的影像訊號至DVT面板模組。 數位電視訊號依然需要后處理 在數位電視接收端，數位訊號藉由天線、調諧器（tuner）、數位解調器（digital demodulator）轉變成數位資訊。由于在傳輸過程中，訊號難免會受到各種不同類型之干擾，因而導致接收到的資料會有錯誤之發生。為了能降低錯誤發生的機率，故資料在調變之前，會經過通道編碼（channel coding）處理。而在資料被接收及解調之后，再經由對應之通道解碼（channel decoding）來處理。通道解碼器可偵測錯誤之發生及糾正所發生之錯誤（當然要在所選用通道編碼方式的糾正能力范圍之內）。資料經過通道解碼之后，解多工器（de-multiplexer）將抽取其中使用者所選定節目之視訊流和音訊流，并分別送到視訊解碼器和音訊解碼器進行處理。視訊經過解碼后，還要進行數位至類比訊號轉換，最后才會將訊號送到面板進行顯示動作。 由上述可知，數位電視的純數位訊號并不是直接通達螢幕，相反的，中間仍需要經過幾道解編碼以及數位與類比轉換的程序，而數位視訊的原生解析度可能無法完全匹配LCD TV的面板真實解析度，舉例來說：臺灣的數位電視內容僅為DVD畫質的480i解析度，目前主流LCD TV真實解析度都在720P以上，更高規格的1080P HD面板LCD TV也逐漸普及當中，在這些高解析度LCD TV中觀賞數位電視節目，如果沒有進行相關的后處理（比如說透過Scaler將來調整原有視訊內容的大小），那么在電視上就只能看到點對點的小小畫面。Scaler的畫面大小調整并不是單純只有改變解析度而已，針對畫面擴大之后所會產生的畫面瑕疵問題，都必需要透過各種演算法來加以補充。 將視訊壓縮比過高會讓畫面產生區塊雜訊或馬賽克效應。視訊經過預處理／后處理后，編碼器壓縮起來會更輕松，并且進一步提高影像品質，連帶降低發送頻寬要求。該功能對有線、衛星、電信和IPTV廣播商業模式非常重要，因為滿足高品質要求必須在很窄的頻寬條件下實現。預處理可能包括在視訊進入編碼器之前使用2D濾波技術濾除特定高頻訊號，以有效減少區塊效應。某些公司編碼產品的視訊與影像處理套件中就包括了2D的有限脈沖響應（FIR）和中值濾波器功能，可利用3×3、5×5或 7×7恒定系數矩陣執行2D FIR濾波作業。因此，為了在頻寬受限環境中獲得最佳性能，預先處理對任何的視訊壓縮方法來說相當關鍵。而電視影像解碼器在針對諸如H.264、MPEG-2等影像編碼進行解碼動作時，也都需要進行如去方塊（De-Block）反交錯掃瞄（De-Interlace）等處理，為了呈現出完美的畫面，數位電視訊號對濾波技術的需求并不比傳統類比電視訊號少。 數位化的電視時代類比應用仍占大宗 雖然電視都已經數位化，但是一般觀眾收看最多的，依然是類比電視節目，以臺灣的狀況來說，數位電視的發展重點在于高速接收的行動應用，而非真正的高畫質數位訊號，數位電視本身畫質表現并不特別突出，加上缺乏具備足夠吸引力的節目內容，大多數消費者仍選擇頻道與節目相對精彩的有線電視。有線電視采用的是標準的類比訊號，透過同軸電纜傳輸節目內容，訊號本身的好壞影響節目畫面品質甚大。不僅在臺灣，世界各國也多以類比電視為播放主流，為了達到良好的畫面品質，除了力求訊號的品質以外，電視本身的濾波能力更占了最大比例的重要性。 針對影像編碼的消除區塊效應濾波器技術 以區塊轉換為基礎的影像壓縮編碼（區塊離散余弦轉換）已經被廣泛應用到如MPEG、VC1、H.264等諸多主流影像編碼技術中，這些也都是數位視訊的主流編碼技術。雖然這些編碼標準幾乎都有加入去除區塊效應的演算法，然而在實際進行影像解碼的同時，往往都還是避免不了區塊效應的產生，而當壓縮比越高，區塊效應也會越明顯。 去除區塊效應的方法可歸納為兩大類，第一類是從編碼架構著手，如利用重疊轉換法，將原始的影像切割為少許重疊的區塊，當解碼重建影像時，相鄰區塊的重疊區域影像則是以平均取樣的方式來降低區塊與區塊之間的不連續性�；蚴鞘褂媒Y合轉換法，將原始影像區分為高相關性與低相關性2種集合，在高相關性集合部分使用無損耗編碼，低相關性部分則是使用原有的區塊離散余弦轉換編碼，但是在編碼階段處理所需考慮的后續影響較大，技術難度也更高。而第二類處理方式，則是利用后處理（Post-Processing）技術，比如說濾波法就是后處理技術的1種，一般來說，由于有著不會改變原有編碼的架構，以及不需要紀錄額外資訊的優點，利用后處理的方式來進行區塊效應的消除，是比較常用且有效的方式之一。 利用濾波技術來去除區塊效應，在實做上，則是將區塊效應的不連續性視為錯誤的高頻雜訊，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，進而將呈現區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差法，當在解碼影像內偵測到有區塊效應的相鄰區塊，在舍去相鄰邊界的影像資料后，再根據未舍去的資料以線性內差法預估并補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性，達到減輕區塊效應的效果，在此可以選用單線性內差或者是雙線性內差，演算法同樣都非常簡單，對系統的負載非常輕微。 圖說：屬于線性濾波的低通濾波器的運作概念示意圖。 由于低通濾波器一般是屬于線性處理，在去除區塊的同時，也有可能會將原有非區塊效應部分的高頻資訊一起濾除，因而造成影像的模糊現象。因此在濾波方式上，也有利用非線性的技術來處理。在非線性濾波技術方面，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，在影像細節的保存方面要優于一般線性濾波技術（如雙線性內差濾波）。 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，造成最終的輸出結果與原本未壓縮的影像資訊產生落差，因此后來也發展出使用切換的方式，先行偵測輸入影像雜訊程度，如果偵測到的雜訊直超過容忍值，則會使用濾波輸出，若訊號品質良好，則維持原訊號輸出，避免破壞原始訊號。常見的中值濾波器有以下幾類： 圖說：中值濾波器的運作概念示意圖。 ■標準中值濾波器(Standard Median Filter, SM Filter) 最原始的標準中值濾波器是由J.W. Jukey在 1971年所提出，其目的主要是用來處理非線性訊號，此技術可以克服線性濾波所引起的細節模糊，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果。 ■中央加權中值濾波器(Center-Weighted Median Filter, CWM Filter) 中央加權中值濾波器是在1991年提出，此濾波器是由中值濾波器改良而來，不但可以去除雜訊，還可以保留較好的影像細節，不過在雜訊比過高的情況下，濾波效能會大幅降低。中央加權中值濾波器的處理步驟跟中值濾波器很相似，同樣先設定長寬一致的視窗，對視窗內中央點復制 w次，然后排序輸出中間值，取w等于1時，中央加權中值濾波器就會進行濾波處理，w大于 7時，就不對影像進行濾波處理。 ■三態式中值濾波器(Tri-State Median Filter, TSM Filter) 上述以中值為主的濾波方式皆對脈沖雜訊有良好的濾波效果，但都是無條件對所有輸入樣本進行濾波處理。對一幅受污染的影像而言，可能只有部分像素是受到雜訊干擾，其余像素仍然保留原值，無條件對每個像素進行濾波處理會更動到一些不受污染的像素，進而損失影像部分細節。三態式中值濾波器則是結合了傳統中值濾波器和中央加權中值濾波器，把這2個濾波結果與原值差異當作雜訊偵測的參考。如此可以盡可能保留原有的細節，并最大化濾波的效果。 中值濾波器除了以上幾種以外，還有許多由該技術延伸出來的類似濾波架構，基本上都各有其不同的特性及限制。 區塊效應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，以資訊產業的趨勢而言，晶片效能的成長幅度要遠超過頻寬成本比的提高，因此藉由系統以合理的濾波演算法及系統消耗來達到頻寬需求與畫質均衡的目的，就成了現在主流的影像編解碼及傳輸方式。 針對類比訊號的梳狀濾波技術 圖說：梳狀濾波的種類示意圖。 梳狀濾波器對于類比訊號而言，是個非常重要且具有絕佳效果的影像加強設計，要了解梳狀濾波器，主要從訊號源開始說起，一開始接收視訊的影像端子通常為Composite端子（如RF射頻端子與AV端子），這類端子所能接收的訊號為復合訊號端子（Composite Video Signal），為何稱為復合端子？因為在訊號中混合了亮度（Luminace,以Y表示）與色度／彩度（Chrominace,以C表示）雙方面的訊號，一般視訊電路的工作就是將這種訊號進行Y/C分離處理，梳狀濾波器的工作就是在保證訊號細節的情況之下，避免影像訊號的亮度與色彩互相滲透污染。其作法就是在內部按一定的頻率間格排列訊號以及其本身的延時訊號，并兩兩進行疊家，從而產生相位相消的的效果。因為其訊號曲線就像梳子一般，因此被稱為梳狀濾波器（Comb Filtering）。 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，應用在連續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，并在單一畫格內進行梳狀濾波工作，則是稱為3D梳狀濾波。在數位電視里，為了確保梳狀濾波器可以正常動作，必須設計足夠的記憶體，藉以取得足夠的延遲時間以及訊號頻寬，相關電路也可以藉由SoC的方式整合并進行設計的簡化。梳狀濾波器可分為以下幾種類型： 這種架構的梳狀濾波容易在色彩交界處出現彩色雜點，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，因此清晰度方面不會有太大沒有問題，主要對NTSC格式的訊號起作用。 3D數位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訊號精確地分離，進而有效消除影響訊號中的雜波、斑點、色彩重疊現象，使畫面更加清晰。 4H（3D數位梳狀濾波器+1H高解析數位梳狀濾波器），即在對普通類比訊號進行3D的亮色分離處理的同時，還增加了特別針對高解析訊號顯示時進行亮色分離處理的數位梳狀濾波器，如此可以更加徹底地消除亮色串擾現象。 用作Y/C分離和色度解碼，比ITT及Genesis的產品要高(4H)。這樣可將視覺位置扭曲現象及顏色雜訊減至最低，極大地消除串色干擾及色彩滲透，令影像色彩更清晰明亮。 |
