影像處理元件與濾波技術(shù)探究

以區(qū)塊轉(zhuǎn)換為基礎的影像壓縮編碼(區(qū)塊離散余弦轉(zhuǎn)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(shù)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(qū)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(qū)塊效應的產(chǎn)生，而當壓縮比越高，區(qū)塊效應也會越明顯。

去除區(qū)塊效應的方法可歸納為兩大類，第一類是從編碼架構(gòu)著手，如利用重疊轉(zhuǎn)換法，將原始的影像切割為少許重疊的區(qū)塊，當解碼重建影像時，相鄰區(qū)塊的重疊區(qū)域影像則是以平均取樣的方式來降低區(qū)塊與區(qū)塊之間的不連續(xù)性。或是使用結(jié)合轉(zhuǎn)換法，將原始影像區(qū)分為高相關(guān)性與低相關(guān)性2種集合，在高相關(guān)性集合部分使用無損耗編碼，低相關(guān)性部分則是使用原有的區(qū)塊離散余弦轉(zhuǎn)換編碼，但是在編碼階段處理所需考慮的后續(xù)影響較大，技術(shù)難度也更高。而第二類處理方式，則是利用后處理(Post-Processing)技術(shù)，比如說濾波法就是后處理技術(shù)的1種，一般來說，由于有著不會改變原有編碼的架構(gòu)，以及不需要紀錄額外資訊的優(yōu)點，利用后處理的方式來進行區(qū)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)來去除區(qū)塊效應，在實做上，則是將區(qū)塊效應的不連續(xù)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(xiàn)區(qū)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(nèi)差法，當在解碼影像內(nèi)偵測到有區(qū)塊效應的相鄰區(qū)塊，在穩(wěn)ハ嗔詒囈緄撓跋褡柿蝦螅再根據(jù)未穩(wěn)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(xù)性，達到減輕區(qū)塊效應的效果，在此可以選用單線性內(nèi)差或者是雙線性內(nèi)差，演算法同樣都非常簡單，對系統(tǒng)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(qū)塊的同時，也有可能會將原有非區(qū)塊效應部分的高頻資訊一起濾除，因而造成影像的模煳現(xiàn)象。因此在濾波方式上，也有利用非線性的技術(shù)來處理。在非線性濾波技術(shù)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(jié)的保存方面要優(yōu)于一般線性濾波技術(shù)(如雙線性內(nèi)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(jié)果與原本未壓縮的影像資訊產(chǎn)生落差，因此后來也發(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容忍值，則會使用濾波輸出，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(shù)可以克服線性濾波所引起的細節(jié)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(jié)果。

■中央加權(quán)中值濾波器(Center-WeightedMedianFilter,CWMFilter)

中央加權(quán)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(jié)，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(quán)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(nèi)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(quán)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(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(jié)。三態(tài)式中值濾波器則是結(jié)合了傳統(tǒng)中值濾波器和中央加權(quán)中值濾波器，把這2個濾波結(jié)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(jié)，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)延伸出來的類似濾波架構(gòu)，基本上都各有其不同的特性及限制。

區(qū)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(chǎn)業(yè)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(tǒng)以合理的濾波演算法及系統(tǒng)消耗來達到頻寬需求與畫質(zhì)均衡的目的，就成了現(xiàn)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：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(jié)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(nèi)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(chǎn)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(xù)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(nèi)進行梳狀濾波工作，則是稱為3D梳狀濾波。在數(shù)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(guān)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：