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影像處理元件與濾波技術(shù)探究

發(fā)布時(shí)間:2010-01-12 來(lái)源:52RD

中心議題:
  • 電視的訊號(hào)處理流程與相關(guān)元件
  • 數(shù)字電視信號(hào)依然需要后處理
  • 針對(duì)影像編碼的消除區(qū)塊效應(yīng)濾波器技術(shù)
解決方案:
  • 標(biāo)準(zhǔn)中值濾波器
  • 中央加權(quán)中值濾波器
  • 三態(tài)式中值濾波器

電視的訊號(hào)處理流程與相關(guān)元件


一般來(lái)說(shuō),影像信號(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),大量模擬影像信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)在頻寬耗用上非常龐大,為了節(jié)省頻寬,進(jìn)而加快信號(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(ControllerBoard)的核心元件包括:視頻解碼器(VideoDecoder)、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,電視信號(hào)的處理還包含了類比與數(shù)位轉(zhuǎn)換元件(AnalogDigitalConverter,ADC)、相鎖迴路(PhaseLockLoop,PLL)、數(shù)字視頻介面(DigitalVideoInterface,DVI)以及低電壓差動(dòng)信號(hào)處理介面(LVDS)等分離元件,其中ADC與VideoDecoder則是因?yàn)橥瑫r(shí)包含了模擬與數(shù)字信號(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.前端信號(hào)的接收和轉(zhuǎn)換
■ADC:將模擬RGB信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
■PLL:在模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換過(guò)程中負(fù)責(zé)信號(hào)採(cǎi)樣,多數(shù)已嵌入ADC元件中。
■DVIRx:接收以數(shù)字編碼格式所輸入的影音信號(hào),如來(lái)自PC-DVI介面或其它數(shù)字影音裝置的信號(hào)等;若嵌入HDCP晶片,則可以執(zhí)行來(lái)自DTV加密/付費(fèi)視頻的解密。
■VideoDecoder:傳統(tǒng)NTSC/PAL/SECAM等TV信號(hào)采取復(fù)合波形輸入,VideoDecoder內(nèi)含梳形濾波器(Combfilter)功能,可以將復(fù)合端子(Composite、CVBS)、S端子或色差端子(YpbPr/YUV)所輸入的模擬信號(hào)分離,內(nèi)含多組ADC將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
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2.中介信號(hào)處理與增益

■De-Interlacer:主要將電視信號(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LCDTV、PDPTV、rear-projectionTV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,嵌入增益軟件以提供畫質(zhì)調(diào)整及改善,例如:亮度、對(duì)比、色調(diào)調(diào)整、噪音消除、黑階延伸(black-levelExtension)、銳利度調(diào)整(peaking/sharpness)及Gamma修正等。

3.后端-信號(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(NativeResolution)。
■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信號(hào)至DVT面板模組。

數(shù)字電視信號(hào)依然需要后處理

在數(shù)字電視接收端,數(shù)字信號(hào)藉由天線、調(diào)諧器(tuner)、數(shù)字解調(diào)器(digitaldemodulator)轉(zhuǎn)變成數(shù)字資訊。由于在傳輸過(guò)程中,信號(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(channelcoding)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(channeldecoding)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(shù)字至模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換,最后才會(huì)將信號(hào)送到面板進(jìn)行顯示動(dòng)作。

由上述可知,數(shù)字電視的純數(shù)字信號(hào)并不是直接通達(dá)螢?zāi)?,相反的,中間仍需要經(jīng)過(guò)幾道解編碼以及數(shù)字與模擬轉(zhuǎn)換的程序,而數(shù)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(tái)灣的數(shù)字電視內(nèi)容僅為DVD畫質(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(guī)格的1080PHD面板LCDTV也逐漸普及當(dāng)中,在這些高解析度LCDTV中觀賞數(shù)字電視節(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)整原有視頻內(nèi)容的大?。敲丛陔娨暽暇椭荒芸吹近c(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。

將視頻壓縮比過(guò)高會(huì)讓畫面產(chǎn)生區(qū)塊噪音或馬賽克效應(yīng)。視頻經(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(hào),以有效減少區(qū)塊效應(yīng)。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(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(yù)先處理對(duì)任何的視頻壓縮方法來(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)字電視信號(hào)對(duì)濾波技術(shù)的需求并不比傳統(tǒng)模擬電視信號(hào)少。

數(shù)字化的電視時(shí)代,模擬應(yīng)用仍佔(zhàn)大宗

雖然電視都已經(jīng)數(shù)字化,但是一般觀眾收看最多的,依然是模擬電視節(jié)目,以臺(tái)灣的狀況來(lái)說(shuō),數(shù)字電視的發(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)字信號(hào),數(shù)字電視本身畫質(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,信號(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)也多以模擬電視為播放主流,為了達(dá)到良好的畫面品質(zhì),除了力求信號(hào)的品質(zhì)以外,電視本身的濾波能力更佔(zhàn)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)位視頻的主流編碼技術(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?;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(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。
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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)誤的高頻噪音,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,在捨去相鄰邊界的影像資料后,再根據(jù)未捨去的資料以線性內(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,因而造成影像的模煳現(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)輸入影像噪音程度,如果偵測(cè)到的噪音直超過(guò)容忍值,則會(huì)使用濾波輸出,若信號(hào)品質(zhì)良好,則維持原信號(hào)輸出,避免破壞原始信號(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(StandardMedianFilter,SMFilter)

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)處理非線性信號(hào),此技術(shù)可以克服線性濾波所引起的細(xì)節(jié)模煳,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-WeightedMedianFilter,CWMFilter)

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),不但可以去除噪音,還可以保留較好的影像細(xì)節(jié),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(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-StateMedianFilter,TSMFilter)

上述以中值為主的濾波方式皆對(duì)脈沖噪音有良好的濾波效果,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噪音干擾,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)作噪音偵測(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。
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針對(duì)模擬信號(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)于模擬信號(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),要瞭解梳狀濾波器,主要從信號(hào)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),這類端子所能接收的信號(hào)為復(fù)合信號(hào)端子(CompositeVideoSignal),為何稱為復(fù)合端子?因?yàn)樵谛盘?hào)中混合了亮度(Luminace,以Y表示)與色度/彩度(Chrominace,以C表示)雙方面的信號(hào),一般視頻電路的工作就是將這種信號(hào)進(jìn)行Y/C分離處理,梳狀濾波器的工作就是在保證信號(hào)細(xì)節(jié)的情況之下,避免影像信號(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信號(hào)以及其本身的延時(shí)信號(hào),并兩兩進(jìn)行疊家,從而產(chǎn)生相位相消的的效果。因?yàn)槠湫盘?hào)曲線就像梳子一般,因此被稱為梳狀濾波器(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(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)字電視里,為了確保梳狀濾波器可以正常動(dòng)作,必須設(shè)計(jì)足夠的存儲(chǔ)器,藉以取得足夠的延遲時(shí)間以及信號(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:

■2D梳狀濾波器

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格式的信號(hào)起作用。

■3D數(shù)字梳狀濾波器

3D數(shù)字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信號(hào)精確地分離,進(jìn)而有效消除影響信號(hào)中的雜波、斑點(diǎn)、色彩重疊現(xiàn)象,使畫面更加清晰。

■4H數(shù)字梳狀濾波器

4H(3D數(shù)字梳狀濾波器+1H高解析數(shù)字梳狀濾波器),即在對(duì)普通模擬信號(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)高解析信號(hào)顯示時(shí)進(jìn)行亮色分離處理的數(shù)字梳狀濾波器,如此可以更加徹底地消除亮色串?dāng)_現(xiàn)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(xiàn)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。
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