如今，人们观看视频的模式正在改变，更多内容在互联网上都可以看到，因此观众需要随时随地收看他们想看的内容。但是受网络数据带宽限制，大多数流媒体内容是被高压缩过的，当在目前流行的超高清大屏幕电视机上观看时，失真图像随处可见。从2012年年底兴起，2014年开始普及超高清电视机以来，索尼(SONY)、松下(Panasonic)、东芝(TOSHIBA)、夏普(SHARP)、三星(SAMSUNG)、乐金(LG)等国内外彩电厂商先后发布了自有品牌的4K(3840×2160)分辨率显像电视机（简称4K电视机）产品，4K电视机慢慢的流行起来。图像特点在大屏幕上被展露无遗，那么这到底是视觉盛宴还是视觉污染呢？
东芝4K电视机
在追求更清晰更高分辨率的道路上，4K电视的出现将电视机的显示分辨率由1080P提高到了2160P，长宽比为16:9的显示屏幕，横纵分辨率像素从1920×1080提高到3840×2160，清晰度也由全高清升级到超高清。4K这种横向分辨率大约为4000像素(3840像素)的显示技术，一经出现便势不可挡地推动电视机市场向着更高分辨率的方向迈进。如果在看过4K蓝光光碟后，你就再也无法忍受高清画质，那么，4K显示一定会让你爱不释手。
倍线技术原理
但是，在高清流行的今天，超高清电视机的名声似乎并没有想象中的那么好，许多超高清电视机的用户反应并没有享受到真正的超高清图像。事实上，在一般意义上来说，超高清电视机播放的是否是超高清图像取决于片源的质量，如果片源像素和电视机显示像素不匹配，图像的质量就会被大打折扣。于是，播放在超高清电视机中的普通片源，反而不如在高清电视机上播放得清晰。那么，在目前4K信号片源还远远没有普及的现状下，是否4K电视机也只能成为超高清显示的噱头呢？4K显示技术的引领者们显然不会甘于现状。
东芝电视机电路板
让各大4K电视厂商们引以为豪的不仅仅是产品的超高分辨率，增加的像素密度并不是超高清视频的唯一保证。要想得到低分辨率片源下的超高清图像，对图像的处理就显得尤为重要。在由普通片源到高清片源的转换中，倍线技术是不得不提的一项图像处理技术。那么什么是倍线呢？在中国，普通电视节目使用的是50Hz、625线、PAL制式的片源信号，也就是说在产生一幅电视画面的过程中，成像系统要分两次在屏幕上画出总计625条线(不考虑两场回扫过程中所占用的线数，通常为50条)，而生成图像的时间间隔是0.02秒。如果你有一把能够快速变换颜色的水枪，当你用相同的方式向一面墙上喷墨时，每过0.02秒你就可以得到一幅色彩丰富的图片。
东芝电视机图像处理电路
但实际上，因为最初的阴极射线管(CRT)电视机是通过用电子枪在涂有荧光粉的荧光屏上打出像素点来获得图像的，这种扫描受到电子束控制的限制，要分为奇偶行来进行，也就是说，每次扫描实际上只扫了312.5根线。于是，生成图像的质量就会有所下降，画面的连续性也受到了影响。如果将每次扫描的线数加倍，由原来的312.5线重新变成625线，所得到的图像质量自然会大大提高。实际上，这种技术在高清电视机普及以后曾经拯救了当时生死存亡中的DVD机产业，流行一时的逐行扫描DVD就是这种技术的产物。通过将每次扫描的线数加倍，原本720×480分辨率的图像质量得到了一定的提高，于是DVD机不再远远落后于高清电视，也可以进行高品质视频的播放。而此时发展起来的平板显示器由于不受电子枪扫描的限制，天生就可以倍线图像，于是，倍线技术成了提高图像质量的有效手段。随着电脑中央处理器以及图像处理芯片性能的不断提升，现在通过CyberLink PowerDVD等软件，在家用电脑上也可以使用倍线的功能。
东芝电视机图像处理芯片
根据倍线技术要求，图片要在原始分辨率的基础上增加成倍增长的像素点，那么，这些像素点从哪来呢？如果你玩过数码照相机，那么一定知道数码相机中的光学变焦和数码变焦。通过把照片中每个像素点拉大，而不是使用光学成像的方法，数码相机可以得到更广的变焦范围。众所周知，使用三原色的原理可以得到不同的颜色，而显示器中使用的红绿蓝三原色就是所谓的RGB彩色。将红绿蓝三色亮度分为0~255共256个级别，不同的级别为不同的色阶，在使用软件对图像信息进行处理的过程中，通常是分别将RGB彩色中每个像素点的色阶值存入处理软件中，于是颜色就变成了可以进行数值计算的数字。数码相机中的数码变焦就是在放大图像的同时将原来两个像素点的色阶值通过取平均值的方法放入新增加的像素中，这种方法我们叫做插值。不过在实际的处理过程中，各像素点的RGB分布并不是简单的顺序排列，而是由RGB的方格单元组成。取平均的过程并不是我们想象中的简单加减法，其中还可能包含各种函数的运算，比如最近邻法和双线性插值法等。不过，简单的理解还是符合我们的常识的，在黑色与白色之间使用灰色过渡才不会让图片看起来特别突兀。
当然，超解像技术中的像素变换和数码相机的数码变焦相比还要复杂一些。更高的分辨率也就要求更加复杂的算法。无论是超解像技术还是数码变焦技术，首先要面对的就是图像质量的问题。在对图像进行优化的同时，增加或不降低图像的质量无疑是提高分辨率过程中的重点。如果在观看的图片中存在影响观看的杂乱色彩，即便是高清晰度的图片也不能给人带来愉悦的视觉享受。不过，凭借图像处理器可以对传入电视机内部的视频信号进行智能分析，例如通过主动调节图像的透视、光照以及纹理效果，消除边缘锯齿，来让画面中的物体影像变得更加生动且不冲突；通过图像识别，对各种场景特征进行分析，再现理想的动态对比度，对每个像素的亮度进行频率测定，加强图像信号中有效亮度部分，弥补画面拍摄中的亮度损失，使画面层次表现更丰富，表现出皮肤的真实质感，令视觉体验更加舒适。
对于数字图像来说，除了图像本身的缺陷外，图像质量的下降主要产生于在图像压缩过程中，压缩算法对图像信息的损失上。上面一幅图是在对普通片源进行压缩和转换过程中常常出现的现象。在常用的视频压缩算法MPEG-2对数字信号进行压缩的过程中，整个视频图像将会被分为一系列8×8的小块，通过使用离散余弦变换算法，以及对信号的重新编码，大大减少了视频信号传输的信息量。但是，这种算法为了减少信号传输过程中所占用的带宽，在对视频进行压缩的过程中会损失一部分视频信息。所以在投影机和电视机等终端对图像进行重现的过程中，就可以预见图像质量的下降。而在这些低品质图像中的噪点通常为数字图像中所特有的蚊式噪点和块噪点。如果数字图片中存在蚊式噪点，那么在运动图像的边缘通常会有模糊边界，就像蚊子一样在围绕着它们飞舞；如果存在块噪点，那么一张完整的图片就可能会像被打了马赛克一样让人生厌，这种噪点在快速运动的物体上尤为明显。
降噪技术原理
为了解决随机噪点、蚊式噪点和块噪点，一些电视台在把视频信号送入信道传输过程中，对图像使用了预平滑处理。也就是在把信号送入信道前对它进行滤波，去掉了代表细节的高频部分。这样，随机噪点、蚊式噪点和块噪点都能得到很好的解决，但是，作为代价，图像的细微变化也就消失了。尽管观众能看到的仍是高清视频，但这种高清视频却是被“平滑化”了的。Algolith公司在MNR(MPEG消噪)技术中引入了独特的技术，比如：像素实时回归降噪、分组降噪、缩小变换点阵及非线性实时滤波等算法，这些技术有效的使随机噪点、蚊式噪点和块噪点在视频中得到了抑制。
IDT HQV Vida图像处理过程
IDT VHD1900可以自动增强传入的图像，并清理源视频，让画面尽可能清晰和干净。
而除了由于压缩过程中引入的噪点外，信号在系统中传输的过程中也会引入噪点，降低图像的质量。这些噪点信号通常叠加在原始信号中形成杂波，优化视频的过程也就是去除这些杂波的过程。常用的滤波方式有中值滤波和矢量滤波等，中值滤波与数码变焦有些相似，不同的是，数码变焦是将生成的新灰度值加入相邻的灰度值之间，而中值滤波则是通过对某一小区域的灰度值进行扫描、排序进而去除平均值以上或以下的灰度值。在完整的图像中，中值滤波通常分别对红、绿、蓝这三种颜色滤波后重新组合处理，它对点状和线状的噪点有较好的处理效果。因为分开处理红、绿、蓝这三种颜色后组合，在降噪的过程中很容易引入新的颜色，反而会使图像质量更差，矢量滤波把红、绿、蓝这三种颜色的灰度值作为一个矢量来处理，解决了这种问题。所以在彩色显示技术中通常使用矢量滤波。
左：拓朗（ALTERA） Cyclone IV，右：矽映（Silicon Image） SiI9616
通过这两种“4K分辨率画质处理”芯片，用户可以对图像的亮度、对比度、饱和度、色调、锐利度、降噪、色彩扩展、对比度扩展这些参数进行微调。
松下电视机超解像功能选取界面
ALTERA Cyclone IV图像增强处理器的视频处理技术源自传统照相制版中的虚光蒙版锐化技术，能够加强图像主体轮廓区域的光暗对比，令图像看起来更锐利，细节更清晰。芯片的核心架构包括由四输入查找表(LUTs)构成的LE，存储器模块以及乘法器，内置高分辨率、游戏、全开这三种影像处理模式，而“处理效果强度”更可由0%到120%之间自由设定。
“高分辨率”模式适用于高分辨率的视频源(720p、1080i或1080p)，它在保留视频原始面貌的同时，提升画面的净度与深度。
图像增强处理后（左）与图像增强处理前（右）
“游戏”模式适用于电脑为电子游戏生成的图像(CGI)，增加图像的景深与立体感。
图像增强处理后（左）与图像增强处理前（右）
“全开”模式适用于低分辨率的视频源，增加图像的景深和立体感，但可能会导致图像有阴影框，使图像失真。
Silicon Image SiI9616视频处理器集成HDMI 2.0接口及家庭影院、移动终端的高清影音标准接口，集成了4K上转换、边缘平滑化、细节增强和边缘增强等功能，通过增强高压缩视频源的分辨率和去除视频噪点来改善图像质量，并且其自适应扩展可以自动优化互联网视频和高清视频。
“4K上转换”功能可以将任意视频源上转换为4K分辨率输出。
“边缘平滑化”功能可以去除图像边缘粗糙的锯齿。数字压缩、人工缩放、低质量去隔行扫描、图像的数字采样分辨率限制都会导致阶梯效应。平滑技术可以创建一个高分辨率图像效果，但不会软化整个图像边缘。芯片提供两种平滑模块——标准边缘平滑模块：在图像缩放之前处理，可以在原始图像上删除所有毛边；高清边缘平滑块：在图像缩放之后处理，可以减少图像放大造成的毛边。
普通细节增强效果(左)与经SiI9616处理后的细节增强效果(右)
“细节增强”功能可以用来对过度增强的图像增加细节或减少噪点，它由一个8位有符号寄存器控制。以正数控制，从1~16来增加图像锐化；以负数控制从-1~-16来减少图像过度锐化。这意味着如果控制数字是负的，则图像是低通过滤。控制寄存器的默认值为0，即不应用任何图像锐化。
“边缘增强”功能可以用于锐化边缘或减少过度增强的边缘。它仍然由一个8位有符号寄存器控制，就像普通锐化效果，如果控制数字是正数，则物体的边缘会被增强；如果控制数字是负数，那么物体的边缘会被减少锐化度。
普通边缘增强效果(左)与经SiI9616处理后的边缘增强效果(右)
前面提到的提高分辨率和消除噪点的方法中使用的插值算法，其实也有它的副作用。既然增加的点是相邻点的均值，那么尽管在颜色相近的部分，新的图像和原图像的差别不会太大，但是在颜色突变的分界线，由于引入了新的颜色，边界就会变的模糊。所以，确定图像的边界，将图片分割处理，然后组合是很好的优化方式。但是，怎样确定图像的边界呢？
30秒内找出其中的8
网上曾经流行过一个很有意思的游戏，在上面这张图片中怎样在最短的时间内找到数字8？聪明的你是不是已经找到了这个调皮的数字呢？其实，滑动鼠标的滚轮，让图片不断地上下移动，你很快就会发现这个异类。纵向的动态对比正是使用这样的原理来确定图像的边界的。为了使图像的质量更加出类拔萃，细节更加清晰，在图像处理技术中，不但采用了单一图像的分割-优化-拼合处理，还在时间纵向上将顺序播放的几张图片进行对比，这样，更容易在动态过程中优化预处理图像的细节，也就是所谓的空时三维滤波算法。具体来说，就是将相邻的一幅或几幅图片进行差分，对原始图片和差分图片进行对比、分割、转换和滤波。
东芝电视机超解像技术原理
另一种图像处理技术是时域滤波算法，采用动态识别矢量的方法，首先判断两帧画面中相应图像点所在位置，然后把图像点位置变动方向纳入到图像变换计算中，通过矢量计算增补相应的图像点，从而在放大画面的同时提高原图像的分辨率。而每次换算，处理系统都要扫描和确认两次采样点，这需要硬件支持高速大量的数据运算，而得到的图像接近被压缩前的质量。经过了以上的各种处理，理论上就可以得到一幅清晰度高，完整性好的高清图片了。数码相机的超解像照相能做到这种地步已经算成功了。但是，对于4K电视来说，要显示实时运动的高清晰图像，还需要进一步的处理。
利用简单的运动计算，图像处理器可确定何时整个图像没有运动。比如HQV算法(Hollywood Quality Viedo)基于像素的运动自适应计算，运用这种算法，运动图像可在像素级而不是在帧级进行识别。虽然理论上无法避免倍线过程中舍弃的运动像素，但HQV算法非常小心地只舍弃了会导致伪像的像素。基于像素的运动自适应倍线避免了移动物体的伪像，保存了屏幕上非移动部分的全分辨率，即使相邻的像素处于运动之中。为了恢复运动过程中场丢失的细节，HQV算法采用了一个多向角过滤器，在移动物体的边缘重建一些丢失的数据，可过滤掉所有锯齿。这项操作叫做“二级”角插值，因为它是在倍线以后进行的，是处理的第一个阶段。
倍线图像前
HQV不是实现基于像素的运动自适应的唯一算法，所有的倍线技术都不相同。为了真正实现每个像素的运动自适应倍线，图像处理器必须执行一个四场分析。除了在当前帧中进行两场分析外，也需要确定两个之前的场中哪些像素在移动。HQV算法采用四场分析，对每个像素级不断地分析，即使是高清。HQV算法的所有处理采用的是每像素计算，这意味着可能用HQV算法执行对代表电影内容的像素的格式转换检测策略，同时对已叠加的视频内容执行基于像素的运动自适应倍线。
倍线图像后
时间滤波器则利用了噪点是随时间变化的图像随机因素的事实。其不是简单地评估个别帧，而是一次评估几帧。通过识别两帧之间的区别，从最终的影像中消除数据，可将噪点有效减少。如果图像中有移动物体，就会导致从两帧的不同，如果移动的物体没有从噪点中分离出来，将会出现重像和拖尾效应。HQV算法采用每个像素运动自适应和噪点自适应时间滤波器来避免伪像和与传统的噪点滤波器相关的伪像。为了保存最多的细节，移动像素不需要经历不必要的噪点处理。在静态区，降噪的强度由每个像素来决定，取决于周围像素的噪点水平以及之前的帧，有助于滤波器在任意给定时间内调整图像中的噪点数量。最后会产生最小的噪点和非常自然、保存精美细节的最大画面。HQV算法能够独立确定随机噪点、蚊式噪点和块噪点这三种图像失真，并将视频中的细节分离出来，利用较保守的算法并在处理之前选择性地确定模糊区域。这种算法甚至可以在最高程度设置下避免光晕或振铃伪像。
左：随机噪点，中：块噪点，右：蚊式噪点
液晶电视的成像过程由电路驱动液晶分子转动控制背板光通量来完成的。但液晶分子在驱动电场下的转动具有一定的响应时间，这就造成了液晶显示中常见的拖尾效应。为了解决这种效应，在液晶电视中使用了倍频技术。在原有两幅图像之间，通过对比计算得到一幅或几幅新的过渡图像帧插入本来的图像之间，这样，便提高了电场频率，使图像的变化与原来相比每次的变化减小但更加频繁，这样便可以使快速运动的图像更加流畅。运动估计/运动补偿(ME/MC)技术是倍频的基础，通过对两帧中像素相对位置的判断，通过计算得到插入帧中该像素的运动矢量，产生新的一帧或几帧图像插入到原来的两帧图像之间，这种倍频技术是为了提高电视图像的动态分辨率。
倍频技术原理
即使是使用了倍频技术的电视，其倍频原理也有所不同。比如在现有的电影图像处理方法中，采用3:2 Pulldown模式来处理电影每秒24帧与信号扫描频率为60Hz之间的影像时间差冲突，但该处理模式有可能会使相同的画面重复出现2或3次，造成动作失真。有的倍频技术则是在3:2 Pulldown模式下首先通过计算原来的每秒24帧图像信号中相邻两帧画面间的图像矢量，再确定原两帧画面间的增补信号，从而减少画面的停滞时间，降低动作的失真。而有的家用影院投影机会在倍频的过程中加入一帧纯黑的图像，用来制造略微的闪烁，这样可以得到类似电影院的电影胶片感，再通过调整Gamma值曲线可以将所插入的图像亮化或暗化，从而达到更好适应人眼的视觉效应的效果。这样完成了对图像拖尾等问题的处理，高清流畅的画面就可以映入眼帘了。
索尼电视机图像处理芯片
既然高清片源由压缩到放映的转换过程如此复杂，那么，毫无疑问，高清电视播放的每一秒都与大量的数据处理息息相关。对于高清视频应用来说，一块性能优越的芯片必不可少。市面上层出不穷的各种视频处理芯片让人眼花缭乱，从最初作为高清解码霸主的西格玛设计(SIGMA DESIGNS)芯片，到具有高性能3D影音解码技术的迈威(MARVELL)芯片，再到功能全面的瑞昱(REALTEK)芯片，占据着高清机顶盒的市场的它们个个都表现出了优异的性能。而被内置于4K电视中的芯片更是在追求高画质方面精益求精，比如松下Hexa Processing Engine是双核芯图像处理器，索尼4K X-Reality PRO图像处理芯片系统内置共计三核芯处理器，东芝REGZA ENGINE CEVO 4K图像处理芯片系统内置共计六核芯处理器，它们不但具有优秀的图像处理能力，还在芯片中存储了多年积累的视频数据供芯片进行参照和对比，从而使电视机的画质高清而美丽。
左上：索尼(SONY) X-Reality PRO，中上：松下(Panasonic) Hexa Processing Engine，右上：夏普(SHARP) ICC(Integrated Cognitive Creation)，左下：西格玛设计(SIGMA DESIGNS) SMP8654，中下：迈威(MARVELL) 88DE3100，右下：瑞昱(REALTEK) RTD1055
经过这些芯片的处理，图像画面基本上已经达到了超高清晰度的显示要求，当然，与普通的视频信号处理一样，4K电视也要进行对图像的降噪、锐化和增加对比度等工作，经过对图像的这些处理，即使分辨率不能达到4K分辨率的片源，也可以在4K电视机中以4K分辨率播放了。好了，如果你有足够的资金，就赶快行动，去体验更清晰流畅的超高清画质吧！
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