電視訊號濾波處理與濾波技術(shù)的研究分析

近年來高分辨率視訊大行其道，從DVD開始，到目前的HD DVD以及BD，在搭配適當?shù)挠跋窬幋a以及加大串流流量以后，肉眼可見雜訊或方塊現(xiàn)象已經(jīng)微乎其微，過去在傳統(tǒng)電視大行其道的視訊濾波處理似乎已經(jīng)失去了舞臺？

電視的訊號處理流程與相關(guān)元件

一般來說，影像訊號皆是動態(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），大量類比影像訊號轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號在頻寬耗用上非常龐大，為了節(jié)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，因此影像壓縮芯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（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(shù)位轉(zhuǎn)換元件（Analog Digital Converter，ADC）、相鎖回路（Phase Lock Loop，PLL）、數(shù)位視訊接口（digital Video Interface，DVI）以及低電壓差動訊號處理接口（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(shù)位訊號的混合設(shè)計芯片技術(shù)，在電路結(jié)構(gòu)方面相對復(fù)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(zhuǎn)換

■ADC：將類比RGB訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)位訊號。

■PLL：在類比／數(shù)位轉(zhuǎn)換過程中負責訊號采樣，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，如來自PC-DVI接口或其它數(shù)位影音裝置的訊號等；若嵌入HDCP芯片，則可以執(zhí)行來自DTV加密／付費視訊的解密。

■Video Decoder：傳統(tǒng)NTSC/PAL/SECAM等TV訊號采取復(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）所輸入的類比訊號分離，內(nèi)含多組ADC將它轉(zhuǎn)換為數(shù)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(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)計時多視系統(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－訊號調(diào)整與輸出

■Scaler：目的在將不同影音裝置所輸入的畫面分辨率或形狀大小進行調(diào)整，重新填寫成DTV的原始像素矩陣（Native Resolution）。

■OSD：負責調(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訊號至DVT面板模組。

數(shù)位電視訊號依然需要后處理

在數(shù)位電視接收端，數(shù)位訊號借由天線、調(diào)諧器（tuner）、數(shù)位解調(diào)器（digital demodulator）轉(zhuǎn)變成數(shù)位資訊。由于在傳輸過程中，訊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)生的機率，故資料在調(diào)變之前，會經(jīng)過通道編碼（channel coding）處理。而在資料被接收及解調(diào)之后，再經(jīng)由對應(yīng)之通道解碼（channel decoding）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(jīng)過解碼后，還要進行數(shù)位至類比訊號轉(zhuǎn)換，最后才會將訊號送到面板進行顯示動作。

由上述可知，數(shù)位電視的純數(shù)位訊號并不是直接通達螢?zāi)?，相反的，中間仍需要經(jīng)過幾道解編碼以及數(shù)位與類比轉(zhuǎn)換的程序，而數(shù)位視訊的原生分辨率可能無法完全匹配LCD TV的面板真實分辨率，舉例來說：***的數(shù)位電視內(nèi)容僅為DVD畫質(zhì)的480i分辨率，目前主流LCD TV真實分辨率都在720P以上，更高規(guī)格的1080P HD面板LCD TV也逐漸普及當中，在這些高分辨率LCD TV中觀賞數(shù)位電視節(jié)目，如果沒有進行相關(guān)的后處理（比如說透過Scaler將來調(diào)整原有視訊內(nèi)容的大?。?，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(diào)整并不是單純只有改變分辨率而已，針對畫面擴大之后所會產(chǎn)生的畫面瑕疵問題，都必需要透過各種算法來加以補充。

將視訊壓縮比過高會讓畫面產(chǎn)生區(qū)塊雜訊或馬賽克效應(yīng)。視訊經(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，因為滿足高品質(zhì)要求必須在很窄的頻寬條件下實現(xiàn)。預(yù)處理可能包括在視訊進入編碼器之前使用2D濾波技術(shù)濾除特定高頻訊號，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)先處理對任何的視訊壓縮方法來說相當關(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(xiàn)出完美的畫面，數(shù)位電視訊號對濾波技術(shù)的需求并不比傳統(tǒng)類比電視訊號少。

數(shù)位化的電視時代類比應(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***的狀況來說，數(shù)位電視的發(fā)展重點在于高速接收的行動應(yīng)用，而非真正的高畫質(zhì)數(shù)位訊號，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)目內(nèi)容，大多數(shù)消費者仍選擇頻道與節(jié)目相對精彩的有線電視。有線電視采用的是標準的類比訊號，透過同軸電纜傳輸節(jié)目內(nèi)容，訊號本身的好壞影響節(jié)目畫面品質(zhì)甚大。不僅在***，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(zhì)，除了力求訊號的品質(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)。雖然這些編碼標準幾乎都有加入去除區(qū)塊效應(yīng)的算法，然而在實際進行影像解碼的同時，往往都還是避免不了區(qū)塊效應(yīng)的產(chǎn)生，而當壓縮比越高，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?；蚴鞘褂媒Y(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)，以及不需要紀錄額外資訊的優(yōu)點，利用后處理的方式來進行區(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)來去除區(qū)塊效應(yīng)，在實做上，則是將區(qū)塊效應(yīng)的不連續(xù)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(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，當在解碼影像內(nèi)偵測到有區(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，算法同樣都非常簡單，對系統(tǒng)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(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，因而造成影像的模糊現(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(zhì)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(shù)可以克服線性濾波所引起的細節(jié)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(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，不但可以去除雜訊，還可以保留較好的影像細節(jié)，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(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)中值濾波器就會進行濾波處理，w大于 7時，就不對影像進行濾波處理。

■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(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)果與原值差異當作雜訊偵測的參考。如此可以盡可能保留原有的細節(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，芯片效能的成長幅度要遠超過頻寬成本比的提高，因此借由系統(tǒng)以合理的濾波算法及系統(tǒng)消耗來達到頻寬需求與畫質(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。

針對類比訊號的梳狀濾波技術(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(shè)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(fù)合訊號端子（Composite Video Signal），為何稱為復(fù)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(jié)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(nèi)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(chǎn)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(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作，必須設(shè)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(guān)電路也可以借由SoC的方式整合并進行設(shè)計的簡化。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，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格式的訊號起作用。

3D數(shù)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(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(shù)位梳狀濾波器，如此可以更加徹底地消除亮色串擾現(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。