影像處理元件與濾波技術探究

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，這些也都是數位視頻的主流編碼技術。雖然這些編碼標準幾乎都有加入去除區塊效應的演算法，然而在實際進行影像解碼的同時，往往都還是避免不了區塊效應的產生，而當壓縮比越高，區塊效應也會越明顯。

去除區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塊，當解碼重建影像時，相鄰區塊的重疊區域影像則是以平均取樣的方式來降低區塊與區塊之間的不連續性。或是使用結合轉換法，將原始影像區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點，利用后處理的方式來進行區塊效應的消除，是比較常用且有效的方式之一。

利用濾波技術來去除區塊效應，在實做上，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濾除這些被視為錯誤的高頻部分，進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性內差法，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，在此可以選用單線性內差或者是雙線性內差，演算法同樣都非常簡單，對系統的負載非常輕微。

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，在去除區塊的同時，也有可能會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，在影像細節的保存方面要優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生落差，因此后來也發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容忍值，則會使用濾波輸出，若信號品質良好，則維持原信號輸出，避免破壞原始信號。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(StandardMedianFilter,SMFilter)

最原始的標準中值濾波器是由J.W.Jukey在1971年所提出，其目的主要是用來處理非線性信號，此技術可以克服線性濾波所引起的細節模煳，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-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，不但可以去除噪音，還可以保留較好的影像細節，不過在噪音比過高的情況下，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噪音干擾，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。三態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，以資訊產業的趨勢而言，晶片效能的成長幅度要遠超過頻寬成本比的提高，因此藉由系統以合理的濾波演算法及系統消耗來達到頻寬需求與畫質均衡的目的，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

圖說：梳狀濾波的種類示意圖。

梳狀濾波器對于模擬信號而言，是個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，主要從信號源開始說起，一開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)，這類端子所能接收的信號為復合信號端子(CompositeVideoSignal)，為何稱為復合端子?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信號，并兩兩進行疊家，從而產生相位相消的的效果。因為其信號曲線就像梳子一般，因此被稱為梳狀濾波器(CombFiltering)。

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。在數字電視里，為了確保梳狀濾波器可以正常動作，必須設計足夠的存儲器，藉以取得足夠的延遲時間以及信號頻寬，相關電路也可以藉由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：