影像處理元件與濾波技術(shù)探究

電視的訊號處理流程與相關(guān)元件

一般來(lái)說(shuō)，影像信號皆是動(dòng)態(tài)呈現的，依照不同地區的規范，可分為每秒30個(gè)畫(huà)面(NTSC交錯式掃瞄)，或是每秒25個(gè)畫(huà)面(PAL交錯式掃瞄)，大量模擬影像信號轉成數字信號在頻寬耗用上非常龐大，為了節省頻寬，進(jìn)而加快信號處理速度，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。在一般通用設計上，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，電視信號的處理還包含了類(lèi)比與數位轉換元件(AnalogDigitalConverter,ADC)、相鎖路(PhaseLockLoop,PLL)、數字視頻介面(DigitalVideoInterface,DVI)以及低電壓差動(dòng)信號處理介面(LVDS)等分離元件，其中ADC與VideoDecoder則是因為同時(shí)包含了模擬與數字信號的混合設計晶片技術(shù)，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(diǎn)：

1.前端信號的接收和轉換

■ADC：將模擬RGB信號轉換成數字信號。

■PLL：在模擬/數字轉換過(guò)程中負責信號裱，多數已嵌入ADC元件中。

■DVIRx：接收以數字編碼格式所輸入的影音信號，如來(lái)自PC-DVI介面或其它數字影音裝置的信號等;若嵌入HDCP晶片，則可以執行來(lái)自DTV加密/付費視頻的解密。

■VideoDecoder：傳統NTSC/PAL/SECAM等TV信號采取復合波形輸入，VideoDecoder內含梳形濾波器(Combfilter)功能，可以將復合端子(Composite、CVBS)、S端子或色差端子(YpbPr/YUV)所輸入的模擬信號分離，內含多組ADC將它轉換為數字信號。

2.中介信號處理與增益

■De-Interlacer：主要將電視信號所用的交錯式掃瞄(interlaced)轉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(chēng)為DTV控制IC的首要核心，廠(chǎng)商設計時(shí)多視系統需求，嵌入增益軟件以提供畫(huà)質(zhì)調整及改善，例如：亮度、對比、色調調整、噪音消除、黑階延伸(black-levelExtension)、銳利度調整(peaking/sharpness)及Gamma修正等。

3.后端-信號調整與輸出

■Scaler：目的在將不同影音裝置所輸入的畫(huà)面解析度或形狀大小進(jìn)行調整，重新填寫(xiě)成DTV的原始像素矩陣(NativeResolution)。

■OSD：負責調整螢幕顯示亮度、對比、垂直與水平位置，通常視系統支援的語(yǔ)言及字型多寡而決定以?xún)惹痘蛲饧臃绞脚渲谩?/p>

■LVDS：傳輸已處理好的影像信號至DVT面板模組。

數字電視信號依然需要后處理

在數字電視接收端，數字信號藉由天線(xiàn)、調諧器(tuner)、數字解調器(digitaldemodulator)轉變成數字資訊。由于在傳輸過(guò)程中，信號難免會(huì )受到各種不同類(lèi)型之干擾，因而導致接收到的資料會(huì )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(huì )經(jīng)過(guò)通道編碼(channelcoding)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(channeldecoding)來(lái)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(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)行數字至模擬信號轉換，最后才會(huì )將信號送到面板進(jìn)行顯示動(dòng)作。

由上述可知，數字電視的純數字信號并不是直接通達螢幕，相反的，中間仍需要經(jīng)過(guò)幾道解編碼以及數字與模擬轉換的程序，而數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)：臺灣的數字電視內容僅為DVD畫(huà)質(zhì)的480i解析度，目前主流LCDTV真實(shí)解析度都在720P以上，更高規格的1080PHD面板LCDTV也逐漸普及當中，在這些高解析度LCDTV中觀(guān)賞數字電視節目，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)調整原有視頻內容的大小)，那么在電視上就只能看到點(diǎn)對點(diǎn)的小小畫(huà)面。Scaler的畫(huà)面大小調整并不是單純只有改變解析度而已，針對畫(huà)面擴大之后所會(huì )產(chǎn)生的畫(huà)面瑕疵問(wèn)題，都必需要透過(guò)各種演算法來(lái)加以補充。

將視頻壓縮比過(guò)高會(huì )讓畫(huà)面產(chǎn)生區塊噪音或馬賽克效應。視頻經(jīng)過(guò)預處理/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。該功能對有線(xiàn)、衛星、電信和IPTV廣播商業(yè)模式非常重要，因為滿(mǎn)足高品質(zhì)要求必須在很窄的頻寬條件下實(shí)現。預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，以有效減少區塊效應。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(FIR)和中值濾波器功能，可利用3×3、5×5或7×7恒定系數矩陣執行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，預先處理對任何的視頻壓縮方法來(lái)說(shuō)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(jìn)行解碼動(dòng)作時(shí)，也都需要進(jìn)行如去方塊(De-Block)反交錯掃瞄(De-Interlace)等處理，為了呈現出完美的畫(huà)面，數字電視信號對濾波技術(shù)的需求并不比傳統模擬電視信號少。

數字化的電視時(shí)代，模擬應用仍狀笞

雖然電視都已經(jīng)數字化，但是一般觀(guān)眾收看最多的，依然是模擬電視節目，以臺灣的狀況來(lái)說(shuō)，數字電視的發(fā)展重點(diǎn)在于高速接收的行動(dòng)應用，而非真正的高畫(huà)質(zhì)數字信號，數字電視本身畫(huà)質(zhì)表現并不特別突出，加上缺乏具備足夠吸引力的節目?jì)热?，大多數消費者仍選擇頻道與節目相對精彩的有線(xiàn)電視。有線(xiàn)電視采用的是標準的類(lèi)比訊號，透過(guò)同軸電纜傳輸節目?jì)热?，信號本身的好壞影響節目?huà)面品質(zhì)甚大。不僅在臺灣，世界各國也多以模擬電視為播放主流，為了達到良好的畫(huà)面品質(zhì)，除了力求信號的品質(zhì)以外，電視本身的濾波能力更琢俗畬蟊壤的重要性。

針對影像編碼的消除區塊效應濾波器技術(shù)