數(shù)字電視信號(hào) - 影像處理元件與濾波技術(shù)探究

　　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法完全匹配LCDTV的面板真實(shí)解析度，舉例來說：***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，如果沒有進(jìn)行相關(guān)的后處理(比如說透過Scaler將來調(diào)整原有視頻內(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)生的畫面瑕疵問題，都必需要透過各種演算法來加以補(bǔ)充。

　　將視頻壓縮比過高會(huì)讓畫面產(chǎn)生區(qū)塊噪音或馬賽克效應(yīng)。視頻經(jīng)過預(yù)處理/后處理后，編碼器壓縮起來會(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說相當(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***的狀況來說，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***，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(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。

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　　圖說：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(huì)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(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)。常見的中值濾波器有以下幾類：

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