数位电视影像处理元件与滤波技术探究

前言：近年来高解析度视讯大行其道，从DVD开始，到目前的HD DVD以及BD，在搭配适当的影像编码以及加大串流流量以后，肉眼可见杂讯或方块现象已经微乎其微，过去在传统电视大行其道的视讯滤波处理似乎已经失去了舞台？

电视的讯号处理流程与相关元件

一般来说，影像讯号皆是动态呈现的，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），大量类比影像讯号转成数位讯号在频宽耗用上非常庞大，为了节省频宽，进而加快讯号处理速度，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（Controller Board）的核心元件包括：视讯解码器（Video Decoder）、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。（www.TI.com）

除此之外，电视讯号的处理还包含了类比与数位转换元件（Analog Digital Converter,ADC）、相锁回路（Phase Lock Loop,PLL）、数位视讯介面（Digital Video Interface,DVI）以及低电压差动讯号处理介面（LVDS）等分离元件，其中ADC与Video Decoder则是因为同时包含了类比与数位讯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.前端讯号的接收和转换

■ADC：将类比RGB讯号转换成数位讯号。
■PLL：在类比／数位转换过程中负责讯号采样，多数已嵌入ADC元件中。
■DVI Rx：接收以数位编码格式所输入的影音讯号，如来自PC-DVI介面或其它数位影音装置的讯号等；若嵌入HDCP晶片，则可以执行来自DTV加密／付费视讯的解密。
■Video Decoder：传统NTSC/PAL/SECAM等TV讯号采取复合波形输入，Video Decoder内含梳形滤波器（Comb filter）功能，可以将复合端子（Composite、CVBS）、S端子或色差端子（YpbPr/YUV）所输入的类比讯号分离，内含多组ADC将它转换为数位讯号。

2.中介讯号处理与增益

■De-Interlacer：主要将电视讯号所用的交错式扫瞄（interlaced）转换为目前各种新型显示装置如LCD TV、PDP TV、rear-projection TV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，嵌入增益软体以提供画质调整及改善，例如：亮度、对比、色调调整、杂讯消除、黑阶延伸（black-level Extension）、锐利度调整（peaking/sharpness）及Gamma修正等。

3.后端－讯号调整与输出

■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（Native Resolution）。
■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讯号至DVT面板模组。

数位电视讯号依然需要后处理

在数位电视接收端，数位讯号藉由天线、调谐器（tuner）、数位解调器（digital demodulator）转变成数位资讯。由于在传输过程中，讯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（channel coding）处理。而在资料被接收及解调之后，再经由对应之通道解码（channel decoding）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讯流和音讯流，并分别送到视讯解码器和音讯解码器进行处理。视讯经过解码后，还要进行数位至类比讯号转换，最后才会将讯号送到面板进行显示动作。

由上述可知，数位电视的纯数位讯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位与类比转换的程序，而数位视讯的原生解析度可能无法完全匹配LCD TV的面板真实解析度，举例来说：台湾的数位电视内容仅为DVD画质的480i解析度，目前主流LCD TV真实解析度都在720P以上，更高规格的1080P HD面板LCD TV也逐渐普及当中，在这些高解析度LCD TV中观赏数位电视节目，如果没有进行相关的后处理（比如说透过Scaler将来调整原有视讯内容的大小），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。

将视讯压缩比过高会让画面产生区块杂讯或马赛克效应。视讯经过预处理／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讯进入编码器之前使用2D滤波技术滤除特定高频讯号，以有效减少区块效应。某些公司编码产品的视讯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2D FIR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讯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，数位电视讯号对滤波技术的需求并不比传统类比电视讯号少。

数位化的电视时代　类比应用仍占大宗

虽然电视都已经数位化，但是一般观众收看最多的，依然是类比电视节目，以台湾的状况来说，数位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位讯号，数位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，讯号本身的好坏影响节目画面品质甚大。不仅在台湾，世界各国也多以类比电视为播放主流，为了达到良好的画面品质，除了力求讯号的品质以外，电视本身的滤波能力更占了最大比例的重要性。