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，由于傳輸網絡以及各種數模轉換設備和數字處理設備的影響，可能會造成失真雜散信號的產生，其隨機不確定性將導致某些專業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。電視信號的發送和接收過程要經歷多次轉換來滿足傳輸的各個環節。為了滿足衛星傳輸、電纜傳輸、同時傳送多套節目等需求，電視信號在傳輸過程中，要經過若干A／ D、D／A、調制解調和數據格式變換。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。傳輸網絡以及各種數模轉換設備和數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物或雜散產物。
失真分為線性失真和非線性失真，其各自產生原因有所不同。
線性失真一般由兩方面因素造成：一是網絡對輸入信號中各頻率成分的傳遞函數不一致(放大或衰減即增益不等)，致使各頻率分量相對幅度產生變化，造成選擇性幅度失真；另一個因素是網絡對輸入信號的各頻率成分產生的相移不與頻率成正比，致使各頻率分量相對相位發生變化，造成相位失真。這就是網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物。
非線性失真的主要因素：一是網絡傳遞函數的非線性特性，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、不完善而產生少量不需要的新頻率成分的非線性交調產物；三是信號因素，例如輸入信號的電平過高產生的限幅削波、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下產生差拍、疊加等寄生震蕩輸出，使信號頻率成分發生變化，致使產生失真產物。
正常情況下，圖像的失真表現為圖像拉絲、波浪型紋波、馬賽克等現象，嚴重時會出現圖像噪點、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，使得這些設備發出錯誤報告，從而處理出錯誤結果。

1 圖像的YCBCR空間與RGB空間的互相轉變
目前，主流的數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換關系。
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。其轉換關系為：
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內部信號的一個窗口，以便于FPGA開發者能對其開發項目進行調試。Chipscope所反應的信號完全是客觀真實的信號，能發現很多僅憑肉眼無法發現的信號失真，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容檢測比對設備來說，可能就會使其產生錯誤的判斷結果。