数位电视影像处理元件与滤波技术探究

针对影像编码的消除区块效应滤波器技术

以区块转换为基础的影像压缩编码（区块离散余弦转换）已经被广泛应用到如MPEG、VC1、H.264等诸多主流影像编码技术中，这些也都是数位视讯的主流编码技术。虽然这些编码标准几乎都有加入去除区块效应的演算法，然而在实际进行影像解码的同时，往往都还是避免不了区块效应的产生，而当压缩比越高，区块效应也会越明显。

去除区块效应的方法可归纳为两大类，第一类是从编码架构着手，如利用重叠转换法，将原始的影像切割为少许重叠的区块，当解码重建影像时，相邻区块的重叠区域影像则是以平均取样的方式来降低区块与区块之间的不连续性。或是使用结合转换法，将原始影像区分为高相关性与低相关性2种集合，在高相关性集合部分使用无损耗编码，低相关性部分则是使用原有的区块离散余弦转换编码，但是在编码阶段处理所需考虑的后续影响较大，技术难度也更高。而第二类处理方式，则是利用后处理（Post-Processing）技术，比如说滤波法就是后处理技术的1种，一般来说，由于有着不会改变原有编码的架构，以及不需要纪录额外资讯的优点，利用后处理的方式来进行区块效应的消除，是比较常用且有效的方式之一。

利用滤波技术来去除区块效应，在实做上，则是将区块效应的不连续性视为错误的高频杂讯，并利用一般的低通滤波器来滤除这些被视为错误的高频部分，进而将呈现区块效果的的部分平滑化。这种低通滤波器基本上就是属于线性内差法，当在解码影像内侦测到有区块效应的相邻区块，在舍去相邻边界的影像资料后，再根据未舍去的资料以线性内差法预估并补回空缺位置下的影像资料，藉以平滑化其影像资料的不连续性，达到减轻区块效应的效果，在此可以选用单线性内差或者是双线性内差，演算法同样都非常简单，对系统的负载非常轻微。

图说：属于线性滤波的低通滤波器的运作概念示意图。（www.NTU.com）

由于低通滤波器一般是属于线性处理，在去除区块的同时，也有可能会将原有非区块效应部分的高频资讯一起滤除，因而造成影像的模糊现象。因此在滤波方式上，也有利用非线性的技术来处理。在非线性滤波技术方面，中值滤波器是较常见的1种。中值滤波器会把所读取的资料取中间值来取代掉原有的资料，透过这样的方式，在影像细节的保存方面要优于一般线性滤波技术（如双线性内差滤波）。

但是一般中值滤波器在处理过程中，会永久性的破坏画面中所包含的的原始像素资讯，造成最终的输出结果与原本未压缩的影像资讯产生落差，因此后来也发展出使用切换的方式，先行侦测输入影像杂讯程度，如果侦测到的杂讯直超过容忍值，则会使用滤波输出，若讯号品质良好，则维持原讯号输出，避免破坏原始讯号。常见的中值滤波器有以下几类：

图说：中值滤波器的运作概念示意图。（www.NTU.com）

■标准中值滤波器(Standard Median Filter, SM Filter)

最原始的标准中值滤波器是由J.W. Jukey在 1971年所提出，其目的主要是用来处理非线性讯号，此技术可以克服线性滤波所引起的细节模糊，中值滤波的处理方式是取一个长宽皆为特定大小的视窗，对视窗中资料大小做排序，然后取中间值做为滤波后结果。

■中央加权中值滤波器(Center-Weighted Median Filter, CWM Filter)

中央加权中值滤波器是在1991年提出，此滤波器是由中值滤波器改良而来，不但可以去除杂讯，还可以保留较好的影像细节，不过在杂讯比过高的情况下，滤波效能会大幅降低。中央加权中值滤波器的处理步骤跟中值滤波器很相似，同样先设定长宽一致的视窗，对视窗内中央点复制 w次，然后排序输出中间值，取w等于1时，中央加权中值滤波器就会进行滤波处理，w大于 7时，就不对影像进行滤波处理。

■三态式中值滤波器(Tri-State Median Filter, TSM Filter)

上述以中值为主的滤波方式皆对脉冲杂讯有良好的滤波效果，但都是无条件对所有输入样本进行滤波处理。对一幅受污染的影像而言，可能只有部分像素是受到杂讯干扰，其余像素仍然保留原值，无条件对每个像素进行滤波处理会更动到一些不受污染的像素，进而损失影像部分细节。三态式中值滤波器则是结合了传统中值滤波器和中央加权中值滤波器，把这2个滤波结果与原值差异当作杂讯侦测的参考。如此可以尽可能保留原有的细节，并最大化滤波的效果。

中值滤波器除了以上几种以外，还有许多由该技术延伸出来的类似滤波架构，基本上都各有其不同的特性及限制。

区块效应也可以透过加大流量的方式来获得解决，但是加大流量也代表的频宽成本的支出将会更为庞大，以资讯产业的趋势而言，晶片效能的成长幅度要远超过频宽成本比的提高，因此藉由系统以合理的滤波演算法及系统消耗来达到频宽需求与画质均衡的目的，就成了现在主流的影像编解码及传输方式。