什么是視頻處理器，它為什么重要 - 全文

關(guān)鍵詞： 處理器 , 視頻

作者：IDT公司 Derry Murphy 　日期：2009-10

高清視頻是一件非常美妙的事情。誰不喜歡漂亮的圖像和數(shù)字環(huán)繞聲呢？誰不愿意換掉 27或32英寸的CRT顯示器以追求新型高清電視呢？現(xiàn)在是和低分辨率和因低質(zhì)量標(biāo)清信號而導(dǎo)致圖像散斑的電視機(jī)說拜拜的時(shí)候了。能夠擁有高清圖像和生活將是非常美妙的，不是嗎？

當(dāng)然，你現(xiàn)在也可以觀看高清信號，但感覺如何呢？圖像中所有的噪聲和無用信息都沒消失，相反比之前更加嚴(yán)重。許多人發(fā)現(xiàn)在新高清電視上看到的節(jié)目圖像比在舊電視機(jī)上的還糟糕，這讓他們感到十分驚訝。

不幸的是，很少有人知道今天的大部分電視節(jié)目還是標(biāo)清隔行掃描視頻。標(biāo)清圖像必須放大才能夠在新的高清電視的大屏幕上顯示，所有缺陷都被放大了。

與傳統(tǒng)的CRT電視不同，固定像素顯示器主宰著今天的家庭影院市場，從單芯片和三面板前投影到大型、平板直視顯示器。在這些競爭產(chǎn)品背后，有許多區(qū)分技術(shù)的縮略語，包括 LCD、DLP、LCoS（liquid crystal on silicon，硅基液晶）和PDP（plasma display panel，等離子顯示面板）。所有這些技術(shù)都以不同方式創(chuàng)建電子圖像，但是它們卻有同一個(gè)特點(diǎn)：固定矩陣的成像像素。這個(gè)固定像素結(jié)構(gòu)決定了顯示器的物理分辨率。

為了將所有輸入的視頻信號轉(zhuǎn)換成具有固定像素顯示器的物理分辨率，制造商必須在顯示器中集成一個(gè)視頻處理芯片。除了將圖像縮放以適應(yīng)物理分辨率外，這個(gè)視頻處理器更主要的作用是增強(qiáng)圖像和消除視頻傳輸引起的偽影。

去隔行

大多數(shù)視頻源，包括DVD、標(biāo)清電視和1080i高清電視，都是隔行傳輸圖像，即在任意給定時(shí)間內(nèi)每幀只傳輸一半圖像。

現(xiàn)在，高清視頻顯示器采用了數(shù)字技術(shù)。這些技術(shù)不是在屏幕上畫出圖像信息的行，而是用一個(gè)像素陣列形成圖像，每幀一次全部顯示。換句話說，所有像素同時(shí)激活，以形成完整的圖像，而不是像CRT掃描那樣形成一行行的圖像。

即便如此，視頻信號決定這些設(shè)備將顯示的是隔行或逐行，也就是說，來自源的信息可一次半幀或一次整幀。事實(shí)上，數(shù)字顯示器最終要求逐行信號以正常運(yùn)行，如果接收到的是隔行信號，在顯示之前必須轉(zhuǎn)換成逐行信號。因此，所有數(shù)字顯示器都要將來自DVD和1080i源的隔行視頻信號轉(zhuǎn)換成逐行格式。這是視頻處理器的工作，其過程叫做去隔行。所有的數(shù)字顯示器、許多DVD 播放機(jī)及其他源設(shè)備都采用了視頻處理器。

如果視頻圖像中的物體不動(dòng)，就非常容易進(jìn)行去隔行，兩個(gè)場可以交織在一起，并合并形成一個(gè)整幀。但記錄是以隔行方式進(jìn)行的，構(gòu)成整幀的兩個(gè)源場不是同時(shí)記錄的。每幀都可作為一個(gè)來自一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的奇數(shù)場記錄，然后在1s的1/50或1/60后作為偶數(shù)場記錄。

因此，如果視頻中的物體在幾分之一秒鐘內(nèi)移動(dòng)了，只要合并導(dǎo)致圖像錯(cuò)誤的場，即所謂“梳理”或“羽化”就可以了。

2009-10-29 12:09:32 上傳

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圖1  羽化或梳理

最簡單的方法（非運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)）

避免這些偽像的最簡單方法是忽略那些偶數(shù)場。這叫做“非運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)方法”。采用該方法，當(dāng)兩個(gè)場達(dá)到處理器時(shí)，來自偶數(shù)場的數(shù)據(jù)可以完全忽略。視頻處理電路通過再現(xiàn)或自上而下地平均因像素“插入”而丟失的行來還原圖像。如果沒有梳理偽像，圖像質(zhì)量就會(huì)受到損害，因?yàn)檫@些細(xì)節(jié)和分辨率的半數(shù)都被舍棄了。我們看時(shí)下的視頻處理器，僅用來自1080i源的540行用來創(chuàng)建屏幕圖像。
　
先進(jìn)的方法（基于幀的運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)）

更先進(jìn)的去隔行技術(shù)包括基于幀的、運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)算法。利用簡單的運(yùn)動(dòng)計(jì)算，視頻處理器可確定何時(shí)整個(gè)圖像沒有運(yùn)動(dòng)。

如果圖像中任何地方?jīng)]有動(dòng)，處理器就會(huì)直接合并兩個(gè)場。利用這種方法，靜態(tài)圖像可擁有全1080行的垂直分辨率，但是只要有任何運(yùn)動(dòng)，半數(shù)的數(shù)據(jù)就會(huì)被舍棄，分辨率就會(huì)降低到540行。因此，雖然整個(gè)靜態(tài)測試模式看起來很銳利，但視頻不是。

基于幀的運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)技術(shù)現(xiàn)在標(biāo)清處理器上非常普遍。但是，由于偶數(shù)幀級的高清運(yùn)動(dòng)檢測計(jì)算的復(fù)雜性，它在高清視頻處理器中還非常少。

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圖2 非運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)方法

HQV方法（基于像素的運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)）

HQV處理代表了目前最先進(jìn)的逐行掃描技術(shù)：真正的基于像素的運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)方法。利用 HQV處理技術(shù)，運(yùn)動(dòng)可在像素級而不是在幀級進(jìn)行識(shí)別。雖然理論上無法避免去隔行過程中舍棄的運(yùn)動(dòng)像素，但HQV 處理技術(shù)非常小心地只舍棄了會(huì)導(dǎo)致偽像的像素。

基于像素的運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行避免了移動(dòng)物體的偽像，保存了屏幕上非移動(dòng)部分的全分辨率，即使相鄰的像素處于運(yùn)動(dòng)之中。

為了恢復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中場丟失的細(xì)節(jié)，HQV處理采用了一個(gè)多向角過濾器，在移動(dòng)物體的邊緣重建一些丟失的數(shù)據(jù)，可過濾掉所有鋸齒。這項(xiàng)操作叫做“二級”角插值，因?yàn)樗窃谌ジ粜幸院筮M(jìn)行的，是處理的第一個(gè)階段。

HQV不是實(shí)現(xiàn)基于像素的運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行的唯一處理器，重要的是要認(rèn)識(shí)到所有的去隔行技術(shù)都不相同。為了真正實(shí)現(xiàn)每個(gè)像素的運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行，視頻處理器必須執(zhí)行一個(gè)四場分析。除了在當(dāng)前幀中進(jìn)行兩場分析外，也需要確定兩個(gè)之前的場中哪些像素在移動(dòng)。HQV處理采用四場分析，對每個(gè)像素級不斷地分析，即使是高清。

場格式轉(zhuǎn)換和視頻/幀檢測

電影每秒記錄24幀。當(dāng)電影在家中的DVD或電視上播放時(shí)，這24幀一定要轉(zhuǎn)換成60個(gè)隔行掃描場?？紤]一下電影的4幀：A、B、C和D。

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圖3 基于幀的運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)方法

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圖4 角插值


第一步是將這4幀轉(zhuǎn)換成8個(gè)場。這可將24f/s轉(zhuǎn)換成48隔行掃描場/s。然后，考慮到NTSC標(biāo)準(zhǔn)的速率（大概是30f/s或60隔行掃描場/s），有必要重復(fù)某些場，可以通過每隔一幀增加一個(gè)額外的場來實(shí)現(xiàn)。也就是說，A幀的兩個(gè)場都進(jìn)行記錄（A奇數(shù)，A偶數(shù)），而B幀的3個(gè)三場進(jìn)行記錄（B奇數(shù)、B偶數(shù)、B奇數(shù)）。該周期和C幀、D幀一起重復(fù)。這叫做2:3格式轉(zhuǎn)換，因?yàn)橐粋€(gè)幀的兩個(gè)場都跟隨下一幀的三個(gè)場顯示。

當(dāng)該順序在逐行掃描顯示器上回放時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)之前提到的去隔行技術(shù)（非運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)與運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)等）。盡管如此，有可能在不丟失任何數(shù)據(jù)的情況下完美地重建原始幀。與隔行掃描視頻兩個(gè)場在幾分之一秒進(jìn)行記錄不同，這些場在同一時(shí)間和同一電影幀上記錄，然后再分成場。

因此，為了顯示最初為24f/s電影的視頻信號，所有視頻處理器都需要分析場，并確定三個(gè)場跟隨的兩個(gè)場有一個(gè)定期交替模式。這個(gè)認(rèn)識(shí)和重建叫做3:2下拉，它只存在于最糟糕的去隔行器中。

混合視頻和電影

有時(shí)，電影經(jīng)過進(jìn)一步的編輯和后處理可轉(zhuǎn)換成視頻，包括標(biāo)題、轉(zhuǎn)場和其他效果。因此，只需重建梳理偽像導(dǎo)致的全幀，因?yàn)閳D像部分最好采用標(biāo)準(zhǔn)的去隔行方法處理，而其他部分通過格式轉(zhuǎn)換和重建原始幀看起來效果更佳。

像之前各種標(biāo)準(zhǔn)去隔行方法一樣，有許多方法可以應(yīng)付混合視頻和電影。一些處理器可根據(jù)電影或視頻內(nèi)容來選擇有最好效益的方法。其他處理器的設(shè)計(jì)理念是讓這些偽像不被看見，并采用視頻去隔行技術(shù)，代價(jià)只是視頻分辨率的一半。

從另一個(gè)角度來講，HQV的所有處理采用的是每像素計(jì)算。這意味著可能用HQV處理器執(zhí)行對代表電影內(nèi)容的像素的格式轉(zhuǎn)換檢測策略，同時(shí)對已疊加的視頻內(nèi)容執(zhí)行基于像素的運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行。

降噪

隨機(jī)噪聲是所有記錄影像固有的問題，其結(jié)果往往是產(chǎn)生所謂的圖像顆粒。不僅在后制作編輯或最后階段的視頻壓縮會(huì)產(chǎn)生噪聲，而且它還以膠片顆粒或成像傳感器噪聲源的形式出現(xiàn)。

降噪最簡單的方法是采用空間濾波器，過濾掉高頻數(shù)據(jù)。采用這個(gè)方法，給定時(shí)間內(nèi)只評估一個(gè)幀。這確實(shí)消除了噪聲，但是卻降低了圖像質(zhì)量，因?yàn)闆]有辦法區(qū)分噪聲和細(xì)節(jié)。這個(gè)方法還導(dǎo)致了偽像的產(chǎn)生，導(dǎo)致圖像上的人皮膚好像是塑料制成的。

時(shí)間濾波器則利用了噪聲是隨時(shí)間變化的圖像隨機(jī)因素的事實(shí)。其不是簡單地評估個(gè)別幀，而是一次評估幾幀。通過識(shí)別兩幀之間的區(qū)別，從最終的影像中消除數(shù)據(jù)，可將噪聲有效減少。如果沒有物體運(yùn)動(dòng)，這幾乎是完美的降噪技術(shù)，能盡可能多地保存細(xì)節(jié)。這個(gè)方法已經(jīng)為很多高端產(chǎn)品所使用。

盡管如此，如果圖片中有移動(dòng)物體，就會(huì)導(dǎo)致從兩幀的不同，如果移動(dòng)的物體沒有從噪聲中分離出來，將會(huì)出現(xiàn)重像和拖尾效應(yīng)。

HQV處理采用每個(gè)像素運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)和噪聲自適應(yīng)時(shí)間濾波器來避免偽像和與傳統(tǒng)的噪聲濾波器相關(guān)的偽像。為了保存最多的細(xì)節(jié)，移動(dòng)像素不需要經(jīng)歷不必要的噪聲處理。在靜態(tài)區(qū)，降噪的強(qiáng)度由每個(gè)像素來決定，取決于周圍像素的噪聲水平以及之前的幀，有助于濾波器在任意給定時(shí)間內(nèi)調(diào)整圖像中的噪聲數(shù)量。最后會(huì)產(chǎn)生最小的噪聲和非常自然、保存精美細(xì)節(jié)的最大畫面。

編解碼器降噪

數(shù)字有線、衛(wèi)星或因特網(wǎng)視頻會(huì)產(chǎn)生第二類噪聲，如 You-Tube 和其他流媒體內(nèi)容，我們稱之為蚊式噪聲。普通的噪聲是隨機(jī)的，而蚊式噪聲有特定的模式。它是物體邊緣出現(xiàn)白色模糊的斑點(diǎn)失真?！皦K噪聲”是第三種類型的失真，其中的偽像水平或垂直行產(chǎn)生了塊狀邊緣的外觀。這兩種類型的噪聲是由高水平的視頻壓縮造成的，因?yàn)閺V播公司要在特定帶寬內(nèi)放進(jìn)更多電視頻道，或者通過個(gè)人錄像機(jī)增加最大錄像能力，或者通過因特網(wǎng)內(nèi)容供應(yīng)商加快下載時(shí)間或?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)流。在增加更多的數(shù)字通道后，這將成為一個(gè)較大的問題。

HQV視頻處理器能夠獨(dú)立確定這三種類型的失真，并將視頻中的細(xì)節(jié)分離出來。

細(xì)節(jié)增強(qiáng)

細(xì)節(jié)增強(qiáng)，也叫銳化，對于所有數(shù)字圖像，無論是高清和標(biāo)清都是非常必要的組成部分。不幸的是，由于銳化算法一直以來被認(rèn)為是糟糕的方案，該過程被認(rèn)為有些聲名狼藉，是需要避免的。

由于人類的視覺系統(tǒng)是通過明顯對比來感知銳度，夸大明暗之間的差異能產(chǎn)生似乎更清晰的圖像。不幸的是，由于過去簡陋的銳化方案，該過程一直伴隨著所謂“振鈴”或“光暈”的偽像，其中的物體被白色邊緣環(huán)繞，產(chǎn)生的圖像非常粗糙，不能反映原來要捕捉的東西。光暈有時(shí)比那些未修改的圖像柔化效果更分散。出于這個(gè)原因，我們經(jīng)常建議用戶降低視頻設(shè)備的銳化功能。

HQV細(xì)節(jié)增強(qiáng)技術(shù)非常不同。利用較保守的算法并在處理之前選擇性地確定模糊區(qū)域，HQV細(xì)節(jié)增強(qiáng)甚至可以在最高設(shè)置下避免光暈或振鈴偽像。當(dāng)然，如果源已經(jīng)進(jìn)行了銳化，也可以禁用 HQV 細(xì)節(jié)增強(qiáng)。HQV細(xì)節(jié)增強(qiáng)的關(guān)鍵優(yōu)勢是，當(dāng)與高性能定標(biāo)器一起使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)接近高清質(zhì)量的標(biāo)清電視圖像。