- 電視的訊號處理流程與相關(guān)元件
- 數字電視信號依然需要后處理
- 針對影像編碼的消除區塊效應濾波器技術(shù)
- 標準中值濾波器
- 中央加權中值濾波器
- 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(lái)說(shuō)，影像信號皆是動(dòng)態(tài)呈現的，依照不同地區的規范，可分為每秒30個(gè)畫(huà)面（NTSC交錯式掃瞄），或是每秒25個(gè)畫(huà)面（PAL交錯式掃瞄），大量模擬影像信號轉成數字信號在頻寬耗用上非常龐大，為了節省頻寬，進(jìn)而加快信號處理速度，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(shuō)：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(lèi)比與數位轉換元件（AnalogDigitalConverter,ADC）、相鎖迴路（PhaseLockLoop,PLL）、數字視頻介面（DigitalVideoInterface,DVI）以及低電壓差動(dòng)信號處理介面（LVDS）等分離元件，其中ADC與VideoDecoder則是因為同時(shí)包含了模擬與數字信號的混合設計晶片技術(shù)，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(diǎn)：
1.前端信號的接收和轉換
■ADC：將模擬RGB信號轉換成數字信號。
■PLL：在模擬／數字轉換過(guò)程中負責信號採樣，多數已嵌入ADC元件中。
■DVIRx：接收以數字編碼格式所輸入的影音信號，如來(lái)自PC-DVI介面或其它數字影音裝置的信號等；若嵌入HDCP晶片，則可以執行來(lái)自DTV加密／付費視頻的解密。
■VideoDecoder：傳統NTSC/PAL/SECAM等TV信號采取復合波形輸入，VideoDecoder內含梳形濾波器（Combfilter）功能，可以將復合端子（Composite、CVBS）、S端子或色差端子（YpbPr/YUV）所輸入的模擬信號分離，內含多組ADC將它轉換為數字信號。
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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(chēng)為DTV控制IC的首要核心，廠(chǎng)商設計時(shí)多視系統需求，嵌入增益軟件以提供畫(huà)質(zhì)調整及改善，例如：亮度、對比、色調調整、噪音消除、黑階延伸（black-levelExtension）、銳利度調整（peaking/sharpness）及Gamma修正等。
3.后端－信號調整與輸出
■Scaler：目的在將不同影音裝置所輸入的畫(huà)面解析度或形狀大小進(jìn)行調整，重新填寫(xiě)成DTV的原始像素矩陣（NativeResolution）。
■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(yǔ)言及字型多寡而決定以?xún)惹痘蛲饧臃绞脚渲谩?br /> ■LVDS：傳輸已處理好的影像信號至DVT面板模組。
數字電視信號依然需要后處理
在數字電視接收端，數字信號藉由天線(xiàn)、調諧器（tuner）、數字解調器（digitaldemodulator）轉變成數字資訊。由于在傳輸過(guò)程中，信號難免會(huì )受到各種不同類(lèi)型之干擾，因而導致接收到的資料會(huì )有錯誤之發(fā)生。為了能降低錯誤發(fā)生的機率，故資料在調變之前，會(huì )經(jīng)過(guò)通道編碼（channelcoding）處理。而在資料被接收及解調之后，再經(jīng)由對應之通道解碼（channeldecoding）來(lái)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（當然要在所選用通道編碼方式的糾正能力范圍之內）。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(guò)解碼后，還要進(jìn)行數字至模擬信號轉換，最后才會(huì )將信號送到面板進(jìn)行顯示動(dòng)作。
由上述可知，數字電視的純數字信號并不是直接通達螢幕，相反的，中間仍需要經(jīng)過(guò)幾道解編碼以及數字與模擬轉換的程序，而數字視頻的原生解析度可能無(wú)法完全匹配LCDTV的面板真實(shí)解析度，舉例來(lái)說(shuō)：臺灣的數字電視內容僅為DVD畫(huà)質(zhì)的480i解析度，目前主流LCDTV真實(shí)解析度都在720P以上，更高規格的1080PHD面板LCDTV也逐漸普及當中，在這些高解析度LCDTV中觀(guān)賞數字電視節目，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)調整原有視頻內容的大?。?，那么在電視上就只能看到點(diǎn)對點(diǎn)的小小畫(huà)面。Scaler的畫(huà)面大小調整并不是單純只有改變解析度而已，針對畫(huà)面擴大之后所會(huì )產(chǎn)生的畫(huà)面瑕疵問(wèn)題，都必需要透過(guò)各種演算法來(lái)加以補充。
將視頻壓縮比過(guò)高會(huì )讓畫(huà)面產(chǎn)生區塊噪音或馬賽克效應。視頻經(jīng)過(guò)預處理／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。該功能對有線(xiàn)、衛星、電信和IPTV廣播商業(yè)模式非常重要，因為滿(mǎn)足高品質(zhì)要求必須在很窄的頻寬條件下實(shí)現。預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，以有效減少區塊效應。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（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，預先處理對任何的視頻壓縮方法來(lái)說(shuō)相當關(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(dòng)作時(shí)，也都需要進(jìn)行如去方塊（De-Block）反交錯掃瞄（De-Interlace）等處理，為了呈現出完美的畫(huà)面，數字電視信號對濾波技術(shù)的需求并不比傳統模擬電視信號少。
數字化的電視時(shí)代，模擬應用仍佔大宗
雖然電視都已經(jīng)數字化，但是一般觀(guān)眾收看最多的，依然是模擬電視節目，以臺灣的狀況來(lái)說(shuō)，數字電視的發(fā)展重點(diǎn)在于高速接收的行動(dòng)應用，而非真正的高畫(huà)質(zhì)數字信號，數字電視本身畫(huà)質(zhì)表現并不特別突出，加上缺乏具備足夠吸引力的節目?jì)热?，大多數消費者仍選擇頻道與節目相對精彩的有線(xiàn)電視。有線(xiàn)電視采用的是標準的類(lèi)比訊號，透過(guò)同軸電纜傳輸節目?jì)热?，信號本身的好壞影響節目?huà)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，為了達到良好的畫(huà)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(shù)
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(jīng)被廣泛應用到如MPEG、VC1、H.264等諸多主流影像編碼技術(shù)中，這些也都是數位視頻的主流編碼技術(shù)。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(shí)際進(jìn)行影像解碼的同時(shí)，往往都還是避免不了區塊效應的產(chǎn)生，而當壓縮比越高，區塊效應也會(huì )越明顯。
去除區塊效應的方法可歸納為兩大類(lèi)，第一類(lèi)是從編碼架構著(zhù)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(shí)，相鄰區塊的重疊區域影像則是以平均取樣的方式來(lái)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(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(shù)難度也更高。而第二類(lèi)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(zhù)不會(huì )改變原有編碼的架構，以及不需要紀錄額外資訊的優(yōu)點(diǎn)，利用后處理的方式來(lái)進(jìn)行區塊效應的消除，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(lái)去除區塊效應，在實(shí)做上，則是將區塊效應的不連續性視為錯誤的高頻噪音，并利用一般的低通濾波器來(lái)濾除這些被視為錯誤的高頻部分，進(jìn)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(xiàn)性?xún)炔罘?，當在解碼影像內偵測到有區塊效應的相鄰區塊，在捨去相鄰邊界的影像資料后，再根據未捨去的資料以線(xiàn)性?xún)炔罘A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(xiàn)性?xún)炔罨蛘呤请p線(xiàn)性?xún)炔?，演算法同樣都非常?jiǎn)單，對系統的負載非常輕微。
圖說(shuō)：屬于線(xiàn)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(xiàn)性處理，在去除區塊的同時(shí)，也有可能會(huì )將原有非區塊效應部分的高頻資訊一起濾除，因而造成影像的模煳現象。因此在濾波方式上，也有利用非線(xiàn)性的技術(shù)來(lái)處理。在非線(xiàn)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，在影像細節的保存方面要優(yōu)于一般線(xiàn)性濾波技術(shù)（如雙線(xiàn)性?xún)炔顬V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(huà)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(chǎn)生落差，因此后來(lái)也發(fā)展出使用切換的方式，先行偵測輸入影像噪音程度，如果偵測到的噪音直超過(guò)容忍值，則會(huì )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(jiàn)的中值濾波器有以下幾類(lèi)：
圖說(shuō)：中值濾波器的運作概念示意圖。
■標準中值濾波器(StandardMedianFilter,SMFilter)
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(lái)處理非線(xiàn)性信號，此技術(shù)可以克服線(xiàn)性濾波所引起的細節模煳，中值濾波的處理方式是取一個(gè)長(cháng)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-WeightedMedianFilter,CWMFilter)
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(lái)，不但可以去除噪音，還可以保留較好的影像細節，不過(guò)在噪音比過(guò)高的情況下，濾波效能會(huì )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(cháng)寬一致的視窗，對視窗內中央點(diǎn)復制w次，然后排序輸出中間值，取w等于1時(shí)，中央加權中值濾波器就會(huì )進(jìn)行濾波處理，w大于7時(shí)，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(wú)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(wú)條件對每個(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)而損失影像部分細節。三態(tài)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(gè)濾波結果與原值差異當作噪音偵測的參考。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(shù)延伸出來(lái)的類(lèi)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(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)的趨勢而言，晶片效能的成長(cháng)幅度要遠超過(guò)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(lái)達到頻寬需求與畫(huà)質(zhì)均衡的目的，就成了現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(shuō)：梳狀濾波的種類(lèi)示意圖。
梳狀濾波器對于模擬信號而言，是個(gè)非常重要且具有絕佳效果的影像加強設計，要瞭解梳狀濾波器，主要從信號源開(kāi)始說(shuō)起，一開(kāi)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(lèi)端子所能接收的信號為復合信號端子（CompositeVideoSignal），為何稱(chēng)為復合端子？因為在信號中混合了亮度（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節的情況之下，避免影像信號的亮度與色彩互相滲透污染。其作法就是在內部按一定的頻率間格排列信號以及其本身的延時(shí)信號，并兩兩進(jìn)行疊家，從而產(chǎn)生相位相消的的效果。因為其信號曲線(xiàn)就像梳子一般，因此被稱(chēng)為梳狀濾波器（CombFiltering）。
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，應用在連續的畫(huà)面之間的靜止圖像，就稱(chēng)為3D梳狀濾波，而針對活動(dòng)的影像，并在單一畫(huà)格內進(jìn)行梳狀濾波工作，則是稱(chēng)為3D梳狀濾波。在數字電視里，為了確保梳狀濾波器可以正常動(dòng)作，必須設計足夠的存儲器，藉以取得足夠的延遲時(shí)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)行設計的簡(jiǎn)化。梳狀濾波器可分為以下幾種類(lèi)型：
■2D梳狀濾波器
這種架構的梳狀濾波容易在色彩交界處出現彩色雜點(diǎn)，讓畫(huà)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，因此清晰度方面不會(huì )有太大沒(méi)有問(wèn)題，主要對NTSC格式的信號起作用。
■3D數字梳狀濾波器
3D數字梳狀濾波器能夠從空間（2D）、時(shí)間（第三維方向）將每組畫(huà)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)、色彩重疊現象，使畫(huà)面更加清晰。
■4H數字梳狀濾波器
4H（3D數字梳狀濾波器+1H高解析數字梳狀濾波器），即在對普通模擬信號進(jìn)行3D的亮色分離處理的同時(shí)，還增加了特別針對高解析信號顯示時(shí)進(jìn)行亮色分離處理的數字梳狀濾波器，如此可以更加徹底地消除亮色串擾現象。
■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(jué)位置扭曲現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。
