電視訊號濾波處理與濾波技術的研究分析

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)位訊號的混合設計芯片技術，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：

1.前端訊號的接收和轉換

■ADC：將類比RGB訊號轉換成數(shù)位訊號。

■PLL：在類比／數(shù)位轉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訊號采取復合波形輸入，Video Decoder內含梳形濾波器（Comb filter）功能，可以將復合端子（Composite、CVBS）、S端子或色差端子（YpbPr/YUV）所輸入的類比訊號分離，內含多組ADC將它轉換為數(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，廠商設計時多視系統(tǒng)需求，嵌入增益軟體以提供畫質調整及改善，例如：亮度、對比、色調調整、雜訊消除、黑階延伸（black-level Extension）、銳利度調整（peaking/sharpness）及Gamma修正等。

3.后端－訊號調整與輸出

■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整，重新填寫成DTV的原始像素矩陣（Native Resolution）。

■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(tǒng)支援的語言及字型多寡而決定以內嵌或外加方式配置。

■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、調諧器（tuner）、數(shù)位解調器（digital demodulator）轉變成數(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之后，再經(jīng)由對應之通道解碼（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）。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幕，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)位電視內容僅為DVD畫質的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，如果沒有進行相關的后處理（比如說透過Scaler將來調整原有視訊內容的大?。?，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。視訊經(jīng)過預處理／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，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，因為滿足高品質要求必須在很窄的頻寬條件下實現(xiàn)。預處理可能包括在視訊進入編碼器之前使用2D濾波技術濾除特定高頻訊號，以有效減少區(qū)塊效應。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（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，預先處理對任何的視訊壓縮方法來說相當關鍵。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用，而非真正的高畫質數(shù)位訊號，數(shù)位電視本身畫質表現(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)目內容，訊號本身的好壞影響節(jié)目畫面品質甚大。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，除了力求訊號的品質以外，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)塊效應濾波器技術

以區(qū)塊轉換為基礎的影像壓縮編碼（區(qū)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中，這些也都是數(shù)位視訊的主流編碼技術。雖然這些編碼標準幾乎都有加入去除區(qū)塊效應的算法，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)塊效應的產(chǎn)生，而當壓縮比越高，區(qū)塊效應也會越明顯。

去除區(qū)塊效應的方法可歸納為兩大類，第一類是從編碼架構著手，如利用重疊轉換法，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合轉換法，將原始影像區(qū)分為高相關性與低相關性2種集合，在高相關性集合部分使用無損耗編碼，低相關性部分則是使用原有的區(qū)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(xù)影響較大，技術難度也更高。而第二類處理方式，則是利用后處理（Post-Processing）技術，比如說濾波法就是后處理技術的1種，一般來說，由于有著不會改變原有編碼的架構，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)塊效應的消除，是比較常用且有效的方式之一。

利用濾波技術來去除區(qū)塊效應，在實做上，則是將區(qū)塊效應的不連續(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差法，當在解碼影像內偵測到有區(qū)塊效應的相鄰區(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差法預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)塊效應的效果，在此可以選用單線性內差或者是雙線性內差，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來處理。在非線性濾波技術方面，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（如雙線性內差濾波）。

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果。

■中央加權中值濾波器（Center-Weighted Median Filter， CWM Filter）

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，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，同樣先設定長寬一致的視窗，對視窗內中央點復制 w次，然后排序輸出中間值，取w等于1時，中央加權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合了傳統(tǒng)中值濾波器和中央加權中值濾波器，把這2個濾波結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，還有許多由該技術延伸出來的類似濾波架構，基本上都各有其不同的特性及限制。

區(qū)塊效應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

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合訊號端子（Composite Video Signal），為何稱為復合端子？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，相關電路也可以借由SoC的方式整合并進行設計的簡化。梳狀濾波器可分為以下幾種類型：

這種架構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，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。