影像處理元件與濾波技術探究

電視的訊號處理流程與相關元件

一般來說，影像信號皆是動態呈現的，依照不同地區的規范，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，進而加快信號處理速度，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：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)以及低電壓差動信號處理介面(LVDS)等分離元件，其中ADC與VideoDecoder則是因為同時包含了模擬與數字信號的混合設計晶片技術，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可稱為DTV控制IC的首要核心，廠商設計時多視系統需求，嵌入增益軟件以提供畫質調整及改善，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面解析度或形狀大小進行調整，重新填寫成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、調諧器(tuner)、數字解調器(digitaldemodulator)轉變成數字資訊。由于在傳輸過程中，信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生。為了能降低錯誤發生的機率，故資料在調變之前，會經過通道編碼(channelcoding)處理。而在資料被接收及解調之后，再經由對應之通道解碼(channeldecoding)來處理。通道解碼器可偵測錯誤之發生及糾正所發生之錯誤(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行處理。視頻經過解碼后，還要進行數字至模擬信號轉換，最后才會將信號送到面板進行顯示動作。

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，中間仍需要經過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法完全匹配LCDTV的面板真實解析度，舉例來說：臺灣的數字電視內容僅為DVD畫質的480i解析度，目前主流LCDTV真實解析度都在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中觀賞數字電視節目，如果沒有進行相關的后處理(比如說透過Scaler將來調整原有視頻內容的大小)，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解析度而已，針對畫面擴大之后所會產生的畫面瑕疵問題，都必需要透過各種演算法來加以補充。

將視頻壓縮比過高會讓畫面產生區塊噪音或馬賽克效應。視頻經過預處理/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，連帶降低發送頻寬要求。該功能對有線、衛星、電信和IPTV廣播商業模式非常重要，因為滿足高品質要求必須在很窄的頻寬條件下實現。預處理可能包括在視頻進入編碼器之前使用2D濾波技術濾除特定高頻信號，以有效減少區塊效應。某些公司編碼產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。因此，為了在頻寬受限環境中獲得最佳性能，預先處理對任何的視頻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，為了呈現出完美的畫面，數字電視信號對濾波技術的需求并不比傳統模擬電視信號少。

數字化的電視時代，模擬應用仍狀笞

雖然電視都已經數字化，但是一般觀眾收看最多的，依然是模擬電視節目，以臺灣的狀況來說，數字電視的發展重點在于高速接收的行動應用，而非真正的高畫質數字信號，數字電視本身畫質表現并不特別突出，加上缺乏具備足夠吸引力的節目內容，大多數消費者仍選擇頻道與節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目內容，信號本身的好壞影響節目畫面品質甚大。不僅在臺灣，世界各國也多以模擬電視為播放主流，為了達到良好的畫面品質，除了力求信號的品質以外，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