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近年來(lái)高解析度視訊大行其道，從DVD開(kāi)始，到目前的HD DVD以及BD，在搭配適當(dāng)?shù)挠跋窬幋a以及加大串流流量以后，肉眼可見(jiàn)雜訊或方塊現(xiàn)象已經(jīng)微乎其微，過(guò)去在傳統(tǒng)電視大行其道的視訊濾波處理似乎已經(jīng)失去了舞臺(tái)？ 電視的訊號(hào)處理流程與相關(guān)元件 一般來(lái)說(shuō)，影像訊號(hào)皆是動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)的，依照不同地區(qū)的規(guī)范，可分為每秒30個(gè)畫面（NTSC交錯(cuò)式掃瞄），或是每秒25個(gè)畫面（PAL交錯(cuò)式掃瞄），大量類比影像訊號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號(hào)在頻寬耗用上非常龐大，為了節(jié)省頻寬，進(jìn)而加快訊號(hào)處理速度，影像在進(jìn)行解析后會(huì)將色彩以壓縮方式來(lái)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(jì)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(cuò)式掃瞄器（De-Interlacer），及縮放控制器（Scaler）等。 圖說(shuō)：HDTV的元件配置方塊圖。 除此之外，電視訊號(hào)的處理還包含了類比與數(shù)位轉(zhuǎn)換元件（Analog Digital Converter,ADC）、相鎖回路（Phase Lock Loop,PLL）、數(shù)位視訊介面（digital Video Interface,DVI）以及低電壓差動(dòng)訊號(hào)處理介面（LVDS）等分離元件，其中ADC與Video Decoder則是因?yàn)橥瑫r(shí)包含了類比與數(shù)位訊號(hào)的混合設(shè)計(jì)晶片技術(shù)，在電路結(jié)構(gòu)方面相對(duì)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.前端訊號(hào)的接收和轉(zhuǎn)換 ■ADC：將類比RGB訊號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)位訊號(hào)。 ■PLL：在類比／數(shù)位轉(zhuǎn)換過(guò)程中負(fù)責(zé)訊號(hào)采樣，多數(shù)已嵌入ADC元件中。 ■DVI Rx：接收以數(shù)位編碼格式所輸入的影音訊號(hào)，如來(lái)自PC-DVI介面或其它數(shù)位影音裝置的訊號(hào)等；若嵌入HDCP晶片，則可以執(zhí)行來(lái)自DTV加密／付費(fèi)視訊的解密。 ■Video Decoder：傳統(tǒng)NTSC/PAL/SECAM等TV訊號(hào)采取復(fù)合波形輸入，Video Decoder內(nèi)含梳形濾波器（Comb filter）功能，可以將復(fù)合端子（Composite、CVBS）、S端子或色差端子（YpbPr/YUV）所輸入的類比訊號(hào)分離，內(nèi)含多組ADC將它轉(zhuǎn)換為數(shù)位訊號(hào)。 2.中介訊號(hào)處理與增益 ■De-Interlacer：主要將電視訊號(hào)所用的交錯(cuò)式掃瞄（interlaced）轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)時(shí)多視系統(tǒng)需求，嵌入增益軟體以提供畫質(zhì)調(diào)整及改善，例如：亮度、對(duì)比、色調(diào)調(diào)整、雜訊消除、黑階延伸（black-level Extension）、銳利度調(diào)整（peaking/sharpness）及Gamma修正等。 3.后端－訊號(hào)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（Native Resolution）。 ■OSD：負(fù)責(zé)調(diào)整螢?zāi)伙@示亮度、對(duì)比、垂直與水平位置，通常視系統(tǒng)支援的語(yǔ)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訊號(hào)至DVT面板模組。 數(shù)位電視訊號(hào)依然需要后處理 在數(shù)位電視接收端，數(shù)位訊號(hào)藉由天線、調(diào)諧器（tuner）、數(shù)位解調(diào)器（digital demodulator）轉(zhuǎn)變成數(shù)位資訊。由于在傳輸過(guò)程中，訊號(hào)難免會(huì)受到各種不同類型之干擾，因而導(dǎo)致接收到的資料會(huì)有錯(cuò)誤之發(fā)生。為了能降低錯(cuò)誤發(fā)生的機(jī)率，故資料在調(diào)變之前，會(huì)經(jīng)過(guò)通道編碼（channel coding）處理。而在資料被接收及解調(diào)之后，再經(jīng)由對(duì)應(yīng)之通道解碼（channel decoding）來(lái)處理。通道解碼器可偵測(cè)錯(cuò)誤之發(fā)生及糾正所發(fā)生之錯(cuò)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(guò)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)目之視訊流和音訊流，并分別送到視訊解碼器和音訊解碼器進(jìn)行處理。視訊經(jīng)過(guò)解碼后，還要進(jìn)行數(shù)位至類比訊號(hào)轉(zhuǎn)換，最后才會(huì)將訊號(hào)送到面板進(jìn)行顯示動(dòng)作。 由上述可知，數(shù)位電視的純數(shù)位訊號(hào)并不是直接通達(dá)螢?zāi)唬喾吹模虚g仍需要經(jīng)過(guò)幾道解編碼以及數(shù)位與類比轉(zhuǎn)換的程序，而數(shù)位視訊的原生解析度可能無(wú)法完全匹配LCD TV的面板真實(shí)解析度，舉例來(lái)說(shuō)：臺(tái)灣的數(shù)位電視內(nèi)容僅為DVD畫質(zhì)的480i解析度，目前主流LCD TV真實(shí)解析度都在720P以上，更高規(guī)格的1080P HD面板LCD TV也逐漸普及當(dāng)中，在這些高解析度LCD TV中觀賞數(shù)位電視節(jié)目，如果沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)的后處理（比如說(shuō)透過(guò)Scaler將來(lái)調(diào)整原有視訊內(nèi)容的大小），那么在電視上就只能看到點(diǎn)對(duì)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(duì)畫面擴(kuò)大之后所會(huì)產(chǎn)生的畫面瑕疵問(wèn)題，都必需要透過(guò)各種演算法來(lái)加以補(bǔ)充。 將視訊壓縮比過(guò)高會(huì)讓畫面產(chǎn)生區(qū)塊雜訊或馬賽克效應(yīng)。視訊經(jīng)過(guò)預(yù)處理／后處理后，編碼器壓縮起來(lái)會(huì)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(duì)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)處理可能包括在視訊進(jìn)入編碼器之前使用2D濾波技術(shù)濾除特定高頻訊號(hào)，以有效減少區(qū)塊效應(yīng)。某些公司編碼產(chǎn)品的視訊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2D FIR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(duì)任何的視訊壓縮方法來(lái)說(shuō)相當(dāng)關(guān)鍵。而電視影像解碼器在針對(duì)諸如H.264、MPEG-2等影像編碼進(jìn)行解碼動(dòng)作時(shí)，也都需要進(jìn)行如去方塊（De-Block）反交錯(cuò)掃瞄（De-Interlace）等處理，為了呈現(xiàn)出完美的畫面，數(shù)位電視訊號(hào)對(duì)濾波技術(shù)的需求并不比傳統(tǒng)類比電視訊號(hào)少。 數(shù)位化的電視時(shí)代類比應(yīng)用仍占大宗 雖然電視都已經(jīng)數(shù)位化，但是一般觀眾收看最多的，依然是類比電視節(jié)目，以臺(tái)灣的狀況來(lái)說(shuō)，數(shù)位電視的發(fā)展重點(diǎn)在于高速接收的行動(dòng)應(yīng)用，而非真正的高畫質(zhì)數(shù)位訊號(hào)，數(shù)位電視本身畫質(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?jī)?nèi)容，大多數(shù)消費(fèi)者仍選擇頻道與節(jié)目相對(duì)精彩的有線電視。有線電視采用的是標(biāo)準(zhǔn)的類比訊號(hào)，透過(guò)同軸電纜傳輸節(jié)目?jī)?nèi)容，訊號(hào)本身的好壞影響節(jié)目畫面品質(zhì)甚大。不僅在臺(tái)灣，世界各國(guó)也多以類比電視為播放主流，為了達(dá)到良好的畫面品質(zhì)，除了力求訊號(hào)的品質(zhì)以外，電視本身的濾波能力更占了最大比例的重要性。 針對(duì)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)位視訊的主流編碼技術(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(shí)，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(huì)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(shí)，相鄰區(qū)塊的重疊區(qū)域影像則是以平均取樣的方式來(lái)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(wú)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(shuō)濾波法就是后處理技術(shù)的1種，一般來(lái)說(shuō)，由于有著不會(huì)改變?cè)芯幋a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(lái)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。 利用濾波技術(shù)來(lái)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(cuò)誤的高頻雜訊，并利用一般的低通濾波器來(lái)濾除這些被視為錯(cuò)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(cè)到有區(qū)塊效應(yīng)的相鄰區(qū)塊，在舍去相鄰邊界的影像資料后，再根據(jù)未舍去的資料以線性內(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(jiǎn)單，對(duì)系統(tǒng)的負(fù)載非常輕微。 圖說(shuō)：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(shí)，也有可能會(huì)將原有非區(qū)塊效應(yīng)部分的高頻資訊一起濾除，因而造成影像的模糊現(xiàn)象。因此在濾波方式上，也有利用非線性的技術(shù)來(lái)處理。在非線性濾波技術(shù)方面，中值濾波器是較常見(jiàn)的1種。中值濾波器會(huì)把所讀取的資料取中間值來(lái)取代掉原有的資料，透過(guò)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(guò)程中，會(huì)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(lái)也發(fā)展出使用切換的方式，先行偵測(cè)輸入影像雜訊程度，如果偵測(cè)到的雜訊直超過(guò)容忍值，則會(huì)使用濾波輸出，若訊號(hào)品質(zhì)良好，則維持原訊號(hào)輸出，避免破壞原始訊號(hào)。常見(jiàn)的中值濾波器有以下幾類： 圖說(shuō)：中值濾波器的運(yùn)作概念示意圖。 ■標(biāo)準(zhǔn)中值濾波器(Standard Median Filter, SM Filter) 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(lái)處理非線性訊號(hào)，此技術(shù)可以克服線性濾波所引起的細(xì)節(jié)模糊，中值濾波的處理方式是取一個(gè)長(zhǎng)寬皆為特定大小的視窗，對(duì)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-Weighted Median Filter, CWM Filter) 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(lái)，不但可以去除雜訊，還可以保留較好的影像細(xì)節(jié)，不過(guò)在雜訊比過(guò)高的情況下，濾波效能會(huì)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(zhǎng)寬一致的視窗，對(duì)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(shí)，中央加權(quán)中值濾波器就會(huì)進(jìn)行濾波處理，w大于 7時(shí)，就不對(duì)影像進(jìn)行濾波處理。 ■三態(tài)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(duì)脈沖雜訊有良好的濾波效果，但都是無(wú)條件對(duì)所有輸入樣本進(jìn)行濾波處理。對(duì)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(wú)條件對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行濾波處理會(huì)更動(dòng)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(gè)濾波結(jié)果與原值差異當(dāng)作雜訊偵測(cè)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(lái)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(guò)加大流量的方式來(lái)獲得解決，但是加大流量也代表的頻寬成本的支出將會(huì)更為龐大，以資訊產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)而言，晶片效能的成長(zhǎng)幅度要遠(yuǎn)超過(guò)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(lái)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。 針對(duì)類比訊號(hào)的梳狀濾波技術(shù) 圖說(shuō)：梳狀濾波的種類示意圖。 梳狀濾波器對(duì)于類比訊號(hào)而言，是個(gè)非常重要且具有絕佳效果的影像加強(qiáng)設(shè)計(jì)，要了解梳狀濾波器，主要從訊號(hào)源開(kāi)始說(shuō)起，一開(kāi)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(hào)為復(fù)合訊號(hào)端子（Composite Video Signal），為何稱為復(fù)合端子？因?yàn)樵谟嵦?hào)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(hào)，一般視訊電路的工作就是將這種訊號(hào)進(jìn)行Y/C分離處理，梳狀濾波器的工作就是在保證訊號(hào)細(xì)節(jié)的情況之下，避免影像訊號(hào)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訊號(hào)以及其本身的延時(shí)訊號(hào)，并兩兩進(jìn)行疊家，從而產(chǎn)生相位相消的的效果。因?yàn)槠溆嵦?hào)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(shí)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(duì)活動(dòng)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)位電視里，為了確保梳狀濾波器可以正常動(dòng)作，必須設(shè)計(jì)足夠的記憶體，藉以取得足夠的延遲時(shí)間以及訊號(hào)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(jì)的簡(jiǎn)化。梳狀濾波器可分為以下幾種類型： 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(lái)雜訊比較大些，不過(guò)因保證了亮度通道的頻率回應(yīng)，因此清晰度方面不會(huì)有太大沒(méi)有問(wèn)題，主要對(duì)NTSC格式的訊號(hào)起作用。 3D數(shù)位梳狀濾波器能夠從空間（2D）、時(shí)間（第三維方向）將每組畫面的亮度及色度訊號(hào)精確地分離，進(jìn)而有效消除影響訊號(hào)中的雜波、斑點(diǎn)、色彩重疊現(xiàn)象，使畫面更加清晰。 4H（3D數(shù)位梳狀濾波器+1H高解析數(shù)位梳狀濾波器），即在對(duì)普通類比訊號(hào)進(jìn)行3D的亮色分離處理的同時(shí)，還增加了特別針對(duì)高解析訊號(hào)顯示時(shí)進(jìn)行亮色分離處理的數(shù)位梳狀濾波器，如此可以更加徹底地消除亮色串?dāng)_現(xiàn)象。 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(jué)位置扭曲現(xiàn)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。 |
