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作者：IDT公司 Derry Murphy 日期：2009-10 高清視頻是一件非常美妙的事情。誰(shuí)不喜歡漂亮的圖像和數字環(huán)繞聲呢？誰(shuí)不愿意換掉 27或32英寸的CRT顯示器以追求新型高清電視呢？現在是和低分辨率和因低質(zhì)量標清信號而導致圖像散斑的電視機說(shuō)拜拜的時(shí)候了。能夠擁有高清圖像和生活將是非常美妙的，不是嗎？ 當然，你現在也可以觀(guān)看高清信號，但感覺(jué)如何呢？圖像中所有的噪聲和無(wú)用信息都沒(méi)消失，相反比之前更加嚴重。許多人發(fā)現在新高清電視上看到的節目圖像比在舊電視機上的還糟糕，這讓他們感到十分驚訝。 不幸的是，很少有人知道今天的大部分電視節目還是標清隔行掃描視頻。標清圖像必須放大才能夠在新的高清電視的大屏幕上顯示，所有缺陷都被放大了。 與傳統的CRT電視不同，固定像素顯示器主宰著(zhù)今天的家庭影院市場(chǎng)，從單芯片和三面板前投影到大型、平板直視顯示器。在這些競爭產(chǎn)品背后，有許多區分技術(shù)的縮略語(yǔ)，包括 LCD、DLP、LCoS（liquid crystal on silicon，硅基液晶）和PDP（plasma display panel，等離子顯示面板）。所有這些技術(shù)都以不同方式創(chuàng )建電子圖像，但是它們卻有同一個(gè)特點(diǎn)：固定矩陣的成像像素。這個(gè)固定像素結構決定了顯示器的物理分辨率。 為了將所有輸入的視頻信號轉換成具有固定像素顯示器的物理分辨率，制造商必須在顯示器中集成一個(gè)視頻處理芯片。除了將圖像縮放以適應物理分辨率外，這個(gè)視頻處理器更主要的作用是增強圖像和消除視頻傳輸引起的偽影。 去隔行 大多數視頻源，包括DVD、標清電視和1080i高清電視，都是隔行傳輸圖像，即在任意給定時(shí)間內每幀只傳輸一半圖像。 現在，高清視頻顯示器采用了數字技術(shù)。這些技術(shù)不是在屏幕上畫(huà)出圖像信息的行，而是用一個(gè)像素陣列形成圖像，每幀一次全部顯示。換句話(huà)說(shuō)，所有像素同時(shí)激活，以形成完整的圖像，而不是像CRT掃描那樣形成一行行的圖像。 即便如此，視頻信號決定這些設備將顯示的是隔行或逐行，也就是說(shuō)，來(lái)自源的信息可一次半幀或一次整幀。事實(shí)上，數字顯示器最終要求逐行信號以正常運行，如果接收到的是隔行信號，在顯示之前必須轉換成逐行信號。因此，所有數字顯示器都要將來(lái)自DVD和1080i源的隔行視頻信號轉換成逐行格式。這是視頻處理器的工作，其過(guò)程叫做去隔行。所有的數字顯示器、許多DVD 播放機及其他源設備都采用了視頻處理器。 如果視頻圖像中的物體不動(dòng)，就非常容易進(jìn)行去隔行，兩個(gè)場(chǎng)可以交織在一起，并合并形成一個(gè)整幀。但記錄是以隔行方式進(jìn)行的，構成整幀的兩個(gè)源場(chǎng)不是同時(shí)記錄的。每幀都可作為一個(gè)來(lái)自一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的奇數場(chǎng)記錄，然后在1s的1/50或1/60后作為偶數場(chǎng)記錄。 因此，如果視頻中的物體在幾分之一秒鐘內移動(dòng)了，只要合并導致圖像錯誤的場(chǎng)，即所謂“梳理”或“羽化”就可以了。 
圖1 羽化或梳理 最簡(jiǎn)單的方法（非運動(dòng)自適應） 避免這些偽像的最簡(jiǎn)單方法是忽略那些偶數場(chǎng)。這叫做“非運動(dòng)自適應方法”。采用該方法，當兩個(gè)場(chǎng)達到處理器時(shí)，來(lái)自偶數場(chǎng)的數據可以完全忽略。視頻處理電路通過(guò)再現或自上而下地平均因像素“插入”而丟失的行來(lái)還原圖像。如果沒(méi)有梳理偽像，圖像質(zhì)量就會(huì )受到損害，因為這些細節和分辨率的半數都被舍棄了。我們看時(shí)下的視頻處理器，僅用來(lái)自1080i源的540行用來(lái)創(chuàng )建屏幕圖像。 先進(jìn)的方法（基于幀的運動(dòng)自適應） 更先進(jìn)的去隔行技術(shù)包括基于幀的、運動(dòng)自適應算法。利用簡(jiǎn)單的運動(dòng)計算，視頻處理器可確定何時(shí)整個(gè)圖像沒(méi)有運動(dòng)。 如果圖像中任何地方?jīng)]有動(dòng)，處理器就會(huì )直接合并兩個(gè)場(chǎng)。利用這種方法，靜態(tài)圖像可擁有全1080行的垂直分辨率，但是只要有任何運動(dòng)，半數的數據就會(huì )被舍棄，分辨率就會(huì )降低到540行。因此，雖然整個(gè)靜態(tài)測試模式看起來(lái)很銳利，但視頻不是。 基于幀的運動(dòng)自適應技術(shù)現在標清處理器上非常普遍。但是，由于偶數幀級的高清運動(dòng)檢測計算的復雜性，它在高清視頻處理器中還非常少。
圖2 非運動(dòng)自適應方法 HQV方法（基于像素的運動(dòng)自適應） HQV處理代表了目前最先進(jìn)的逐行掃描技術(shù)：真正的基于像素的運動(dòng)自適應方法。利用 HQV處理技術(shù)，運動(dòng)可在像素級而不是在幀級進(jìn)行識別。雖然理論上無(wú)法避免去隔行過(guò)程中舍棄的運動(dòng)像素，但HQV 處理技術(shù)非常小心地只舍棄了會(huì )導致偽像的像素。 基于像素的運動(dòng)自適應去隔行避免了移動(dòng)物體的偽像，保存了屏幕上非移動(dòng)部分的全分辨率，即使相鄰的像素處于運動(dòng)之中。 為了恢復運動(dòng)過(guò)程中場(chǎng)丟失的細節，HQV處理采用了一個(gè)多向角過(guò)濾器，在移動(dòng)物體的邊緣重建一些丟失的數據，可過(guò)濾掉所有鋸齒。這項操作叫做“二級”角插值，因為它是在去隔行以后進(jìn)行的，是處理的第一個(gè)階段。 HQV不是實(shí)現基于像素的運動(dòng)自適應去隔行的唯一處理器，重要的是要認識到所有的去隔行技術(shù)都不相同。為了真正實(shí)現每個(gè)像素的運動(dòng)自適應去隔行，視頻處理器必須執行一個(gè)四場(chǎng)分析。除了在當前幀中進(jìn)行兩場(chǎng)分析外，也需要確定兩個(gè)之前的場(chǎng)中哪些像素在移動(dòng)。HQV處理采用四場(chǎng)分析，對每個(gè)像素級不斷地分析，即使是高清。 場(chǎng)格式轉換和視頻/幀檢測 電影每秒記錄24幀。當電影在家中的DVD或電視上播放時(shí)，這24幀一定要轉換成60個(gè)隔行掃描場(chǎng)�？紤]一下電影的4幀：A、B、C和D。
圖3 基于幀的運動(dòng)自適應方法
圖4 角插值 第一步是將這4幀轉換成8個(gè)場(chǎng)。這可將24f/s轉換成48隔行掃描場(chǎng)/s。然后，考慮到NTSC標準的速率（大概是30f/s或60隔行掃描場(chǎng)/s），有必要重復某些場(chǎng)，可以通過(guò)每隔一幀增加一個(gè)額外的場(chǎng)來(lái)實(shí)現。也就是說(shuō)，A幀的兩個(gè)場(chǎng)都進(jìn)行記錄（A奇數，A偶數），而B(niǎo)幀的3個(gè)三場(chǎng)進(jìn)行記錄（B奇數、B偶數、B奇數）。該周期和C幀、D幀一起重復。這叫做2:3格式轉換，因為一個(gè)幀的兩個(gè)場(chǎng)都跟隨下一幀的三個(gè)場(chǎng)顯示。 當該順序在逐行掃描顯示器上回放時(shí)，就可以實(shí)現之前提到的去隔行技術(shù)（非運動(dòng)自適應與運動(dòng)自適應等）。盡管如此，有可能在不丟失任何數據的情況下完美地重建原始幀。與隔行掃描視頻兩個(gè)場(chǎng)在幾分之一秒進(jìn)行記錄不同，這些場(chǎng)在同一時(shí)間和同一電影幀上記錄，然后再分成場(chǎng)。 因此，為了顯示最初為24f/s電影的視頻信號，所有視頻處理器都需要分析場(chǎng)，并確定三個(gè)場(chǎng)跟隨的兩個(gè)場(chǎng)有一個(gè)定期交替模式。這個(gè)認識和重建叫做3:2下拉，它只存在于最糟糕的去隔行器中。 混合視頻和電影 有時(shí)，電影經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的編輯和后處理可轉換成視頻，包括標題、轉場(chǎng)和其他效果。因此，只需重建梳理偽像導致的全幀，因為圖像部分最好采用標準的去隔行方法處理，而其他部分通過(guò)格式轉換和重建原始幀看起來(lái)效果更佳。 像之前各種標準去隔行方法一樣，有許多方法可以應付混合視頻和電影。一些處理器可根據電影或視頻內容來(lái)選擇有最好效益的方法。其他處理器的設計理念是讓這些偽像不被看見(jiàn)，并采用視頻去隔行技術(shù)，代價(jià)只是視頻分辨率的一半。 從另一個(gè)角度來(lái)講，HQV的所有處理采用的是每像素計算。這意味著(zhù)可能用HQV處理器執行對代表電影內容的像素的格式轉換檢測策略，同時(shí)對已疊加的視頻內容執行基于像素的運動(dòng)自適應去隔行。 降噪 隨機噪聲是所有記錄影像固有的問(wèn)題，其結果往往是產(chǎn)生所謂的圖像顆粒。不僅在后制作編輯或最后階段的視頻壓縮會(huì )產(chǎn)生噪聲，而且它還以膠片顆�；虺上�傳感器噪聲源的形式出現。 降噪最簡(jiǎn)單的方法是采用空間濾波器，過(guò)濾掉高頻數據。采用這個(gè)方法，給定時(shí)間內只評估一個(gè)幀。這確實(shí)消除了噪聲，但是卻降低了圖像質(zhì)量，因為沒(méi)有辦法區分噪聲和細節。這個(gè)方法還導致了偽像的產(chǎn)生，導致圖像上的人皮膚好像是塑料制成的。 時(shí)間濾波器則利用了噪聲是隨時(shí)間變化的圖像隨機因素的事實(shí)。其不是簡(jiǎn)單地評估個(gè)別幀，而是一次評估幾幀。通過(guò)識別兩幀之間的區別，從最終的影像中消除數據，可將噪聲有效減少。如果沒(méi)有物體運動(dòng)，這幾乎是完美的降噪技術(shù)，能盡可能多地保存細節。這個(gè)方法已經(jīng)為很多高端產(chǎn)品所使用。 盡管如此，如果圖片中有移動(dòng)物體，就會(huì )導致從兩幀的不同，如果移動(dòng)的物體沒(méi)有從噪聲中分離出來(lái)，將會(huì )出現重像和拖尾效應。 HQV處理采用每個(gè)像素運動(dòng)自適應和噪聲自適應時(shí)間濾波器來(lái)避免偽像和與傳統的噪聲濾波器相關(guān)的偽像。為了保存最多的細節，移動(dòng)像素不需要經(jīng)歷不必要的噪聲處理。在靜態(tài)區，降噪的強度由每個(gè)像素來(lái)決定，取決于周?chē)袼氐脑肼曀揭约爸暗膸�，有助于濾波器在任意給定時(shí)間內調整圖像中的噪聲數量。最后會(huì )產(chǎn)生最小的噪聲和非常自然、保存精美細節的最大畫(huà)面。 編解碼器降噪 數字有線(xiàn)、衛星或因特網(wǎng)視頻會(huì )產(chǎn)生第二類(lèi)噪聲，如 You-Tube 和其他流媒體內容，我們稱(chēng)之為蚊式噪聲。普通的噪聲是隨機的，而蚊式噪聲有特定的模式。它是物體邊緣出現白色模糊的斑點(diǎn)失真�！皦K噪聲”是第三種類(lèi)型的失真，其中的偽像水平或垂直行產(chǎn)生了塊狀邊緣的外觀(guān)。這兩種類(lèi)型的噪聲是由高水平的視頻壓縮造成的，因為廣播公司要在特定帶寬內放進(jìn)更多電視頻道，或者通過(guò)個(gè)人錄像機增加最大錄像能力，或者通過(guò)因特網(wǎng)內容供應商加快下載時(shí)間或實(shí)現實(shí)時(shí)流。在增加更多的數字通道后，這將成為一個(gè)較大的問(wèn)題。 HQV視頻處理器能夠獨立確定這三種類(lèi)型的失真，并將視頻中的細節分離出來(lái)。 細節增強 細節增強，也叫銳化，對于所有數字圖像，無(wú)論是高清和標清都是非常必要的組成部分。不幸的是，由于銳化算法一直以來(lái)被認為是糟糕的方案，該過(guò)程被認為有些聲名狼藉，是需要避免的。 由于人類(lèi)的視覺(jué)系統是通過(guò)明顯對比來(lái)感知銳度，夸大明暗之間的差異能產(chǎn)生似乎更清晰的圖像。不幸的是，由于過(guò)去簡(jiǎn)陋的銳化方案，該過(guò)程一直伴隨著(zhù)所謂“振鈴”或“光暈”的偽像，其中的物體被白色邊緣環(huán)繞，產(chǎn)生的圖像非常粗糙，不能反映原來(lái)要捕捉的東西。光暈有時(shí)比那些未修改的圖像柔化效果更分散。出于這個(gè)原因，我們經(jīng)常建議用戶(hù)降低視頻設備的銳化功能。 HQV細節增強技術(shù)非常不同。利用較保守的算法并在處理之前選擇性地確定模糊區域，HQV細節增強甚至可以在最高設置下避免光暈或振鈴偽像。當然，如果源已經(jīng)進(jìn)行了銳化，也可以禁用 HQV 細節增強。HQV細節增強的關(guān)鍵優(yōu)勢是，當與高性能定標器一起使用時(shí)，可以實(shí)現接近高清質(zhì)量的標清電視圖像。 |
