影像處理元件與濾波技術(shù)探究

以區塊轉換為基礎的影像壓縮編碼(區塊離散余弦轉換)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(shù)中，這些也都是數位視頻的主流編碼技術(shù)。雖然這些編碼標準幾乎都有加入去除區塊效應的演算法，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塊效應的產(chǎn)生，而當壓縮比越高，區塊效應也會(huì )越明顯。

去除區塊效應的方法可歸納為兩大類(lèi)，第一類(lèi)是從編碼架構著(zhù)手，如利用重疊轉換法，將原始的影像切割為少許重疊的區塊，當解碼重建影像時(shí)，相鄰區塊的重疊區域影像則是以平均取樣的方式來(lái)降低區塊與區塊之間的不連續性?；蚴鞘褂媒Y合轉換法，將原始影像區分為高相關(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影響較大，技術(shù)難度也更高。而第二類(lèi)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(zhù)不會(huì )改變原有編碼的架構，以及不需要紀錄額外資訊的優(yōu)點(diǎn)，利用后處理的方式來(lái)進(jìn)行區塊效應的消除，是比較常用且有效的方式之一。

利用濾波技術(shù)來(lái)去除區塊效應，在實(shí)做上，則是將區塊效應的不連續性視為錯誤的高頻噪音，并利用一般的低通濾波器來(lái)濾除這些被視為錯誤的高頻部分，進(jìn)而將呈現區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(xiàn)性?xún)炔罘?，當在解碼影像內偵測到有區塊效應的相鄰區塊，在穩ハ嗔詒囈緄撓跋褡柿蝦螅再根據未穩サ淖柿弦韻咝閱誆罘ㄔす啦⒉夠乜杖蔽恢孟碌撓跋褡柿希藉以平滑化其影像資料的不連續性，達到減輕區塊效應的效果，在此可以選用單線(xiàn)性?xún)炔罨蛘呤请p線(xiàn)性?xún)炔?，演算法同樣都非常?jiǎn)單，對系統的負載非常輕微。

圖說(shuō)：屬于線(xiàn)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(xiàn)性處理，在去除區塊的同時(shí)，也有可能會(huì )將原有非區塊效應部分的高頻資訊一起濾除，因而造成影像的模煳現象。因此在濾波方式上，也有利用非線(xiàn)性的技術(shù)來(lái)處理。在非線(xiàn)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，在影像細節的保存方面要優(yōu)于一般線(xiàn)性濾波技術(shù)(如雙線(xiàn)性?xún)炔顬V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(huà)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(lái)也發(fā)展出使用切換的方式，先行偵測輸入影像噪音程度，如果偵測到的噪音直超過(guò)容忍值，則會(huì )使用濾波輸出，若信號品質(zhì)良好，則維持原信號輸出，避免破壞原始信號。常見(jiàn)的中值濾波器有以下幾類(lèi)：

圖說(shuō)：中值濾波器的運作概念示意圖。

■標準中值濾波器(StandardMedianFilter,SMFilter)

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(lái)處理非線(xiàn)性信號，此技術(shù)可以克服線(xiàn)性濾波所引起的細節模煳，中值濾波的處理方式是取一個(gè)長(cháng)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-WeightedMedianFilter,CWMFilter)

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(lái)，不但可以去除噪音，還可以保留較好的影像細節，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(cháng)寬一致的視窗，對視窗內中央點(diǎn)復制w次，然后排序輸出中間值，取w等于1時(shí)，中央加權中值濾波器就會(huì )進(jìn)行濾波處理，w大于7時(shí)，就不對影像進(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脈沖噪音有良好的濾波效果，但都是無(wú)條件對所有輸入樣本進(jìn)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噪音干擾，其余像素仍然保留原值，無(wú)條件對每個(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)而損失影像部分細節。三態(tài)式中值濾波器則是結合了傳統中值濾波器和中央加權中值濾波器，把這2個(gè)濾波結果與原值差異當作噪音偵測的參考。如此可以盡可能保留原有的細節，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(lèi)似濾波架構，基本上都各有其不同的特性及限制。

區塊效應也可以透過(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)的趨勢而言，晶片效能的成長(cháng)幅度要遠超過(guò)頻寬成本比的提高，因此藉由系統以合理的濾波演算法及系統消耗來(lái)達到頻寬需求與畫(huà)質(zhì)均衡的目的，就成了現在主流的影像編解碼及傳輸方式。

針對模擬信號的梳狀濾波技術(shù)

圖說(shuō)：梳狀濾波的種類(lèi)示意圖。

梳狀濾波器對于模擬信號而言，是個(gè)非常重要且具有絕佳效果的影像加強設計，要t解梳狀濾波器，主要從信號源開(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(lèi)端子所能接收的信號為復合信號端子(CompositeVideoSignal)，為何稱(chēng)為復合端子?因為在信號中混合了亮度(Luminace,以Y表示)與色度/彩度(Chrominace,以C表示)雙方面的信號，一般視頻電路的工作就是將這種信號進(jìn)行Y/C分離處理，梳狀濾波器的工作就是在保證信號細節的情況之下，避免影像信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信號以及其本身的延時(shí)信號，并兩兩進(jìn)行疊家，從而產(chǎn)生相位相消的的效果。因為其信號曲線(xiàn)就像梳子一般，因此被稱(chēng)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，應用在連續的畫(huà)面之間的靜止圖像，就稱(chēng)為3D梳狀濾波，而針對活動(dòng)的影像，并在單一畫(huà)格內進(jìn)行梳狀濾波工作，則是稱(chēng)為3D梳狀濾波。在數字電視里，為了確保梳狀濾波器可以正常動(dòng)作，必須設計足夠的存儲器，藉以取得足夠的延遲時(shí)間以及信號頻寬，相關(guān)電路也可以藉由SoC的方式整合并進(jìn)行設計的簡(jiǎn)化。梳狀濾波器可分為以下幾種類(lèi)型：