利用整合濾波器實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量模擬視訊重建

為了便于傳輸，由相機(jī)擷取的模擬視訊訊號(hào)通常會(huì)將視訊訊號(hào)數(shù)字化(圖1)。數(shù)字視訊擁有很多優(yōu)勢(shì)，它能夠根據(jù)對(duì)影像質(zhì)量的要求進(jìn)行壓縮，量化后的視訊訊號(hào)不會(huì)因?yàn)閮?chǔ)存和傳輸而降低質(zhì)量。但為了便于人眼觀看，它還必須恢復(fù)成模擬視訊訊號(hào)或模擬光影訊號(hào)。把數(shù)字視訊轉(zhuǎn)變成模擬視訊的過(guò)程叫做重建。然而，由于從數(shù)字域到模擬域轉(zhuǎn)換時(shí)的量化及其它問(wèn)題，必須透過(guò)各種濾波技術(shù)消除摩爾效應(yīng)和影像失真，因而得到高質(zhì)量視訊。

圖1. 電視訊號(hào)從模擬訊號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字訊號(hào)，最后又恢復(fù)為模擬訊號(hào)。

考慮一個(gè)由混亂無(wú)序模塊組成的七巧板，這些模塊奇形怪狀，看起來(lái)毫無(wú)規(guī)則，但在形狀上有一定的關(guān)聯(lián)。如果我們像兒童一樣去了解一些基本原則，對(duì)截角、邊緣進(jìn)行篩選，即可重構(gòu)一幅影像。類似地，數(shù)字視訊可能由無(wú)序傳輸?shù)膱D片組成，這些圖片包含了失真訊號(hào)?？梢园凑找欢ǖ囊?guī)則重新整合圖片，使影像質(zhì)量與原始的模擬輸入訊號(hào)保持一致。

數(shù)字重建過(guò)程的最后，需要對(duì)視訊訊號(hào)進(jìn)行‘模擬濾波’。七巧板中是透過(guò)人眼的視覺(jué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)‘濾波’的，對(duì)于視訊影像則需透過(guò)模擬低通濾波器實(shí)現(xiàn)。

采樣噪聲和鏡像衰減

由相機(jī)或其它設(shè)備擷取的模擬視訊訊號(hào)透過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行數(shù)字化處理，它在每個(gè)頻率邊沿實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)(圖2)。模擬訊號(hào)連續(xù)變化，而轉(zhuǎn)換成數(shù)字訊號(hào)時(shí)則是定時(shí)采樣。經(jīng)過(guò)數(shù)字處理和傳輸后，數(shù)字訊號(hào)透過(guò)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)變成模擬訊號(hào)。DAC的輸出如圖2的右上角所示，箭頭代表頻率訊號(hào)。

圖2. 模擬訊號(hào)和數(shù)字訊號(hào)之間的轉(zhuǎn)換波形。

在每個(gè)頻率瞬間，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓，模擬訊號(hào)將保持到下一個(gè)頻率沿。輸出是一系列階梯，而原始模擬訊號(hào)卻是平滑曲線。這稱為‘采樣保持’或‘矩形波’重建。需要模擬低通濾波器進(jìn)行平滑處理，以接近原始的模擬視訊訊號(hào)。

從圖2所示時(shí)域圖可以看出，小的臺(tái)階會(huì)產(chǎn)生高頻干擾，但這種高頻干擾并不明顯。圖3提供了訊號(hào)量化后的頻域效果，標(biāo)準(zhǔn)分辨率(SD)、PAL(歐洲)和NTSC(北美)視訊的頻寬大概是5MHz，高解析(HD) ATSC 720p和1080i(美國(guó))視訊的頻寬是30MHz。標(biāo)準(zhǔn)分辨率訊號(hào)的典型頻率頻率是27MHz，高解析訊號(hào)頻率頻率可以高達(dá)74.25MHz以上。

奈奎斯特頻率為頻率頻率的一半，這是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)樵趯?duì)原始模擬訊號(hào)量化之前，必須把高于奈奎斯特頻率的視訊和噪聲禁止掉。如果存在高于奈奎斯特頻率的信息，它將混入低頻訊號(hào)，產(chǎn)生混迭失真，因而破壞視訊訊號(hào)。產(chǎn)生混迭后將無(wú)法消除，我們?cè)诤罄m(xù)內(nèi)容中將解釋這一點(diǎn)對(duì)家庭視訊系統(tǒng)的重要性。