影像处理元件与滤波技术探究

电视的讯号处理流程与相关元件

一般来说，影像信号皆是动态呈现的，依照不同地区的规范，可分为每秒30个画面(NTSC交错式扫瞄)，或是每秒25个画面(PAL交错式扫瞄)，大量模拟影像信号转成数字信号在频宽耗用上非常庞大，为了节省频宽，进而加快信号处理速度，影像在进行解析后会将色彩以压缩方式来传递，因此影像压缩晶片是非常重要的核心元件。在一般通用设计上，影像输出IC控制板(ControllerBoard)的核心元件包括：视频解码器(VideoDecoder)、解交错式扫瞄器(De-Interlacer)，及缩放控制器(Scaler)等。

图说：HDTV的元件配置方块图。

除此之外，电视信号的处理还包含了类比与数位转换元件(AnalogDigitalConverter,ADC)、相锁路(PhaseLockLoop,PLL)、数字视频介面(DigitalVideoInterface,DVI)以及低电压差动信号处理介面(LVDS)等分离元件，其中ADC与VideoDecoder则是因为同时包含了模拟与数字信号的混合设计晶片技术，在电路结构方面相对复杂，因此多以独立形式存在，难以与其他元件整合。在此归纳出下列几点：

1.前端信号的接收和转换

■ADC：将模拟RGB信号转换成数字信号。

■PLL：在模拟/数字转换过程中负责信号裱，多数已嵌入ADC元件中。

■DVIRx：接收以数字编码格式所输入的影音信号，如来自PC-DVI介面或其它数字影音装置的信号等;若嵌入HDCP晶片，则可以执行来自DTV加密/付费视频的解密。

■VideoDecoder：传统NTSC/PAL/SECAM等TV信号采取复合波形输入，VideoDecoder内含梳形滤波器(Combfilter)功能，可以将复合端子(Composite、CVBS)、S端子或色差端子(YpbPr/YUV)所输入的模拟信号分离，内含多组ADC将它转换为数字信号。

2.中介信号处理与增益

■De-Interlacer：主要将电视信号所用的交错式扫瞄(interlaced)转换为目前各种新型显示装置如LCDTV、PDPTV、rear-projectionTV等所用的逐行循序扫瞄(progressive)。

■De-Interlacer可称为DTV控制IC的首要核心，厂商设计时多视系统需求，嵌入增益软件以提供画质调整及改善，例如：亮度、对比、色调调整、噪音消除、黑阶延伸(black-levelExtension)、锐利度调整(peaking/sharpness)及Gamma修正等。

3.后端-信号调整与输出

■Scaler：目的在将不同影音装置所输入的画面解析度或形状大小进行调整，重新填写成DTV的原始像素矩阵(NativeResolution)。

■OSD：负责调整萤幕显示亮度、对比、垂直与水平位置，通常视系统支援的语言及字型多寡而决定以内嵌或外加方式配置。

■LVDS：传输已处理好的影像信号至DVT面板模组。

数字电视信号依然需要后处理

在数字电视接收端，数字信号藉由天线、调谐器(tuner)、数字解调器(digitaldemodulator)转变成数字资讯。由于在传输过程中，信号难免会受到各种不同类型之干扰，因而导致接收到的资料会有错误之发生。为了能降低错误发生的机率，故资料在调变之前，会经过通道编码(channelcoding)处理。而在资料被接收及解调之后，再经由对应之通道解码(channeldecoding)来处理。通道解码器可侦测错误之发生及纠正所发生之错误(当然要在所选用通道编码方式的纠正能力范围之内)。资料经过通道解码之后，解多工器(de-multiplexer)将抽取其中使用者所选定节目之视频流和音频流，并分别送到视频解码器和音频解码器进行处理。视频经过解码后，还要进行数字至模拟信号转换，最后才会将信号送到面板进行显示动作。

由上述可知，数字电视的纯数字信号并不是直接通达萤幕，相反的，中间仍需要经过几道解编码以及数字与模拟转换的程序，而数字视频的原生解析度可能无法完全匹配LCDTV的面板真实解析度，举例来说：台湾的数字电视内容仅为DVD画质的480i解析度，目前主流LCDTV真实解析度都在720P以上，更高规格的1080PHD面板LCDTV也逐渐普及当中，在这些高解析度LCDTV中观赏数字电视节目，如果没有进行相关的后处理(比如说透过Scaler将来调整原有视频内容的大小)，那么在电视上就只能看到点对点的小小画面。Scaler的画面大小调整并不是单纯只有改变解析度而已，针对画面扩大之后所会产生的画面瑕疵问题，都必需要透过各种演算法来加以补充。

将视频压缩比过高会让画面产生区块噪音或马赛克效应。视频经过预处理/后处理后，编码器压缩起来会更轻松，并且进一步提高影像品质，连带降低发送频宽要求。该功能对有线、卫星、电信和IPTV广播商业模式非常重要，因为满足高品质要求必须在很窄的频宽条件下实现。预处理可能包括在视频进入编码器之前使用2D滤波技术滤除特定高频信号，以有效减少区块效应。某些公司编码产品的视频与影像处理套件中就包括了2D的有限脉冲响应(FIR)和中值滤波器功能，可利用3×3、5×5或7×7恒定系数矩阵执行2DFIR滤波作业。因此，为了在频宽受限环境中获得最佳性能，预先处理对任何的视频压缩方法来说相当关键。而电视影像解码器在针对诸如H.264、MPEG-2等影像编码进行解码动作时，也都需要进行如去方块(De-Block)反交错扫瞄(De-Interlace)等处理，为了呈现出完美的画面，数字电视信号对滤波技术的需求并不比传统模拟电视信号少。

数字化的电视时代，模拟应用仍状笞

虽然电视都已经数字化，但是一般观众收看最多的，依然是模拟电视节目，以台湾的状况来说，数字电视的发展重点在于高速接收的行动应用，而非真正的高画质数字信号，数字电视本身画质表现并不特别突出，加上缺乏具备足够吸引力的节目内容，大多数消费者仍选择频道与节目相对精彩的有线电视。有线电视采用的是标准的类比讯号，透过同轴电缆传输节目内容，信号本身的好坏影响节目画面品质甚大。不仅在台湾，世界各国也多以模拟电视为播放主流，为了达到良好的画面品质，除了力求信号的品质以外，电视本身的滤波能力更琢俗畲蟊壤的重要性。

针对影像编码的消除区块效应滤波器技术