一種利用FFT自適應閾值處理失真雜散信號的方法

摘要：在圖像信號傳輸過程中，由于傳輸網(wǎng)絡以及各種數(shù)模轉(zhuǎn)換設備和數(shù)字處理設備的影響，可能會造成失真雜散信號的產(chǎn)生，其隨機不確定性將導致某些專業(yè)圖像檢測處理設備工作的異常。文中首先分析了圖像失真雜散信號產(chǎn)生的原因及其特征，然后針對此特征提出了一種FFT自適應閩值屏蔽算法，最后利用MATLAB仿真驗證了此算法且進行了實際的FPGA實驗。
關(guān)鍵詞：圖像失真；失真雜散信號；FFT；自適應閾值；隨機性

0 引言
圖像信號是個很廣泛的概念，本文以最典型和最常見的圖像信號——電視視頻信號——為例來進行探討。電視信號的發(fā)送和接收過程要經(jīng)歷多次轉(zhuǎn)換來滿足傳輸?shù)母鱾€環(huán)節(jié)。為了滿足衛(wèi)星傳輸、電纜傳輸、同時傳送多套節(jié)目等需求，電視信號在傳輸過程中，要經(jīng)過若干A／ D、D／A、調(diào)制解調(diào)和數(shù)據(jù)格式變換。另外，電視信號在信道傳播過程中，會受到信道中各種噪聲的影響，從而使得有用信號受到干擾，嚴重時可能完全丟失。傳輸網(wǎng)絡以及各種數(shù)模轉(zhuǎn)換設備和數(shù)字處理設備的影響還可能導致信號的失真，失真后的信號偏離原信號的部分稱為失真雜散信號，某些資料稱其為失真產(chǎn)物或雜散產(chǎn)物。
失真分為線性失真和非線性失真，其各自產(chǎn)生原因有所不同。
線性失真一般由兩方面因素造成：一是網(wǎng)絡對輸入信號中各頻率成分的傳遞函數(shù)不一致(放大或衰減即增益不等)，致使各頻率分量相對幅度產(chǎn)生變化，造成選擇性幅度失真；另一個因素是網(wǎng)絡對輸入信號的各頻率成分產(chǎn)生的相移不與頻率成正比，致使各頻率分量相對相位發(fā)生變化，造成相位失真。這就是網(wǎng)絡的幅頻特性和相頻特性引起的相位變化和幅度變化的失真產(chǎn)物。
非線性失真的主要因素：一是網(wǎng)絡傳遞函數(shù)的非線性特性，諸如放大器的非線性、ADC／DAC的非線性、光或電發(fā)射機的非線性，致使輸出信號的頻率成分與輸入信號不相同，從而增加了新的頻率成分；二是前端設備對信號進行大量的變換和處理后，雖然是有目的地利用電路的非線性特性對信號進行調(diào)制、混頻、變頻，取其中需要的頻率而去掉那些不需要的頻率成分，但做得不徹底、不完善而產(chǎn)生少量不需要的新頻率成分的非線性交調(diào)產(chǎn)物；三是信號因素，例如輸入信號的電平過高產(chǎn)生的限幅削波、有線電視鄰頻干擾、本征頻率不純(相位噪聲)、有諧波在非線性狀態(tài)下產(chǎn)生差拍、疊加等寄生震蕩輸出，使信號頻率成分發(fā)生變化，致使產(chǎn)生失真產(chǎn)物。
正常情況下，圖像的失真表現(xiàn)為圖像拉絲、波浪型紋波、馬賽克等現(xiàn)象，嚴重時會出現(xiàn)圖像噪點、圖像停滯、圖像消失。雖然大部分情況下失真雜散信號并不造成人視覺上的差異，但是，對于某些圖像檢測處理設備，隨機的失真雜散信號將導致設備工作異常，使得這些設備發(fā)出錯誤報告，從而處理出錯誤結(jié)果。

1 圖像的YCBCR空間與RGB空間的互相轉(zhuǎn)變
目前，主流的數(shù)字電視視頻信號格式是656格式(對應于YCBCR空間)，它與通常表示圖像的RGB方式(對應于RGB空間)不同。由于本文屏蔽算法基于656格式，所以，這里首先簡單介紹—下兩種空間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。
RGB方式利用3個向量R，G，B來表示一幅圖像，紅色、綠色和藍色是數(shù)字圖像的三原色。656格式則用另外3個向量Y，CB，CR來表示一幅圖像。其中，Y表示圖像紋理特征，稱為灰度值；CB和CR則表示色差分量。其轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
Y=0．299R+0．587G+0．114B
CB=0．564(B-Y)
CR=0．713(R-Y)
紋理特征包含了圖像的最主要信息，本文屏蔽算法主要針對灰度Y值來進行處理。

2 失真雜散信號的特征分析
為了反應真實的視頻信號失真情況，本文采用了Chipscope工具軟件。該工具軟件是Xilinx公司用于分析其FPGA內(nèi)部信號的一個窗口，以便于FPGA開發(fā)者能對其開發(fā)項目進行調(diào)試。Chipscope所反應的信號完全是客觀真實的信號，能發(fā)現(xiàn)很多僅憑肉眼無法發(fā)現(xiàn)的信號失真，圖1所示是紅場信號的實際Y值。

理論上，紅場的Y值應為70，并且作為一個平場信號，其Y值應一直維持70且不會改變，但實際的紅場Y值不僅等于70的點極少，而且很難找到大范圍Y值相同的區(qū)域，Y值在70附近波動幅度較大，且具有極大的隨機性。由于人眼分辨的顏色數(shù)量有限，Y值在細微情況下的波動是無法識別的，我們看到的依然是一片紅色，然而，此時對于視頻幀靜止檢測設備和視頻內(nèi)容檢測比對設備來說，可能就會使其產(chǎn)生錯誤的判斷結(jié)果。