采用5階流水線的去塊效應(yīng)濾波器設(shè)計

引 言

圖像的編解碼技術(shù)是多媒體技術(shù)的關(guān)鍵，H．264／AVC是國際上最先進(jìn)的視頻壓縮技術(shù)，其主要特點是采用小尺寸整數(shù)余弦變換、1／4像素的運動估計精度、多參考幀預(yù)測，基于上下文可變長度編碼和環(huán)路內(nèi)去塊效應(yīng)濾波器等技術(shù)。由于去塊效應(yīng)濾波器大約占整個解碼器1／3的運算量，因此該部分的設(shè)計成為整個解碼器設(shè)計的瓶頸，在此研究了一種新穎的環(huán)路內(nèi)去塊效應(yīng)濾波器設(shè)計。設(shè)計中采用5階流水線的去塊效應(yīng)模塊，利用混合濾波順序與打亂的存儲更新機(jī)制的方法提高了流水線暢順性，濾波一個16×16大小的宏塊僅需要198個時鐘周期。

1 H．264／AVC的去塊效應(yīng)

在基于塊的視頻編碼方法中，各個塊的編解碼是互相獨立的，由于預(yù)測、補(bǔ)償、變化、量化等引起塊與塊之間的邊界處會產(chǎn)生不連續(xù)，因此新版H．264／AVC標(biāo)準(zhǔn)采用了環(huán)路內(nèi)去塊濾波器來解決每個16×16宏塊重建后的邊界扭曲問題。去塊效應(yīng)濾波有兩種方法：后處理去塊效應(yīng)濾波；環(huán)路內(nèi)去塊效應(yīng)濾波。H．264／AVC采用環(huán)路內(nèi)去塊效應(yīng)濾波(見圖1)，即濾波后的幀作為后面預(yù)測的參考幀。與之前的H．263或MPEG的濾波器相比較，新版H．264標(biāo)準(zhǔn)采用的濾波器基于更小的4×4的基本宏塊，基本宏塊的邊界根據(jù)片級／宏塊級的特性與根據(jù)像素穿過濾波邊界的漸變度，對需要濾波的宏塊邊界進(jìn)行有條件的濾波。重建幀的每個像素都需要從外部存儲器中重調(diào)出來以進(jìn)行濾波處理或作為相鄰像素來判斷當(dāng)前像素是否需要進(jìn)行濾波。顯然，這些操作需要消耗巨大的存儲器帶寬，對像素值進(jìn)行修改。

本文設(shè)計的去塊效應(yīng)濾波模塊采用流水線技術(shù)來提高系統(tǒng)吞吐量。理想流水線的高效率實現(xiàn)基于相鄰的濾波操作沒有數(shù)據(jù)性。文獻(xiàn)[3，4]采用了非流水線的架構(gòu)，因此無法提高系統(tǒng)的吞吐量。而對于流水線架構(gòu)，如若不優(yōu)化濾波順序與存儲器訪問次序，則所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)冒險也將大大降低流水線的效率。有人使用雙端口的片上SRAM來減少片外存儲器的帶寬，增加了系統(tǒng)的吞吐量，但是雙端口存儲器面積較大且增加功耗。與流水線的濾波器相比，非流水線濾波器的操作(包括條件判斷、查表、像素計算等)是順序化的，即每個時鐘僅處理一個操作類型，因此它所能達(dá)到的最大系統(tǒng)頻率要低很多。

采用不同的邊界濾波順序，會大大的影響去塊效應(yīng)濾波器的性能。在H．264／AVC標(biāo)準(zhǔn)中，每個宏塊的濾波順序得到了描述，只要保持濾波數(shù)據(jù)依賴性，H．264／AVC標(biāo)準(zhǔn)所描述的濾波順序可以被改進(jìn)。其濾波順序包括兩類：順序濾波和混合濾波。但是其濾波順序以及相應(yīng)的存儲更新機(jī)制都是針對非流水線結(jié)構(gòu)的，因此如果直接將之應(yīng)用于本文的流水線設(shè)計，就有可能引發(fā)嚴(yán)重的競爭與冒險從而降低流水線的性能。

2 去塊效應(yīng)濾波器的存儲管理與濾波算法

H．264／AvC標(biāo)準(zhǔn)基于4×4宏塊作為濾波的基本宏塊，它有5種濾波強(qiáng)度，分別是Bs=0，1，2，3，4。濾波方式分為強(qiáng)濾波、標(biāo)準(zhǔn)濾波和直通3種方式，其中強(qiáng)濾波影響邊界兩邊的共6個像素，標(biāo)準(zhǔn)濾波影響邊界兩邊的共4個像素，直通方式不修改邊界兩側(cè)的像素。H．264／AVC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定先對垂直邊界進(jìn)行濾波，然后再對水平邊界進(jìn)行濾波，只有對垂直與水平邊界全部濾波完成后，才可以對下一個宏塊進(jìn)行濾波。同一個宏塊中，先對亮度部分進(jìn)行濾波，再對色度部分進(jìn)行濾波；色度部分濾波時，先對C6部分進(jìn)行濾波，再對Cr部分進(jìn)行濾波，對整個16×16宏塊的濾波順序如圖2所示。

(1)邊界濾波強(qiáng)度與像素濾波的存儲器

按照H．264／AVC的標(biāo)準(zhǔn)，需要對被濾波的邊界兩側(cè)的像素進(jìn)行有條件的濾波。該條件決定于邊界強(qiáng)度BS與像素穿越邊界的傾斜度。邊界強(qiáng)度BS：0，1，2，3或4，在進(jìn)行濾波之前被賦給相應(yīng)的邊界。BS=4表示強(qiáng)濾波，BS=0表示不需要進(jìn)行濾波，即直通方式；否則，BS=1，2，3表示中等強(qiáng)度的濾波，色度部分邊界的濾波強(qiáng)度與對應(yīng)亮度部分是相同的。濾波每條水平或垂直邊界需要被提供邊界兩邊的8個像素，p0～p3&q0～q3；需要更新的像素共6個或4個：p0～p2&q0～q2或聲p0，p1&q0，q1。

對一個16×16宏塊進(jìn)行濾波需要提供左邊相鄰像素、右邊相鄰像素和本宏塊的像素。對于宏塊邊界，比如最左邊界與最右邊界而言，p0～p3與q0～q3來自不同的模塊(即分別來自相鄰宏塊的像素與本宏塊的像素)；對于非16×16宏塊的邊界濾波，像素p0～p3與q0～q3均來自16×16宏塊本身，因此至少需要4個存儲單元：左相鄰像素存儲單元、上相鄰像素存儲單元、本身模塊的像素存儲單元和轉(zhuǎn)換緩沖單元，每個存儲單元的帶寬是32位。

當(dāng)濾波從垂直邊界向水平邊界變換時，為了方便濾波過程中的存儲器訪問，這里利用額外的轉(zhuǎn)換緩沖器BUF0～BUF3來緩存中間濾波數(shù)據(jù)，采用轉(zhuǎn)換緩沖器后獲取一行或一列像素的值(即p0～p3&q0～q3)只需要1個時鐘周期，否則需要4個時鐘周期。

(2)濾波算法

環(huán)路濾波的基本思想是：判斷該邊界是圖像的真實邊界還是編碼所形成的塊效應(yīng)邊界；對真實邊界不濾波，對偽邊界根據(jù)像素穿越邊界的漸變度和編碼方式進(jìn)行濾波；根據(jù)濾波強(qiáng)度，選擇不同的濾波系數(shù)對邊界兩側(cè)像素進(jìn)行濾波操作。濾波強(qiáng)度Bs=0的邊界將不會進(jìn)行濾波，而濾波強(qiáng)度Bs不為0的邊界，依賴于獲取的量化參數(shù)α與β，進(jìn)行閾值判斷，對鄰近的像素進(jìn)行有條件的濾波。當(dāng)濾波強(qiáng)度Bs不是0，并且下面3個條件成立時，才對鄰近像素進(jìn)行濾波。

直接計算α，β是非常困難，而且消耗了很多硬件資源，因此通過查找表(LUT)獲取α，β的操作。像素的計算可以被分成下述兩種類型：

(1)Bs=4

如果以下的兩個條件成立，一個非常強(qiáng)的4抽頭或5抽頭濾波器將被用來對鄰近像素進(jìn)行濾波，修改像素p0，p1，p2。

否則，若式(2)中有一個不成立，將不會對p1與p2進(jìn)行濾波，只會對p0進(jìn)行弱強(qiáng)度的濾波。對于色度部分邊界的濾波，如果式(2)成立，只會對p0與q0進(jìn)行濾波。

(2)Bs=1～3

亮度像素p0與q0的計算如下：

而d_0是在裁減操作中被定義的：

式中：c0來自于c1，而c1是通過查找兩維的LUT表獲取的。

像素p1僅在式(3)成立的時候進(jìn)行修改，同p0與q0修改的方式相同；而像素p2與q2對于濾波強(qiáng)度Bs不為4的情況下，不進(jìn)行濾波。在色度分量進(jìn)行濾波時，只有對p0與q0進(jìn)行濾波，濾波的方式與亮度濾波的方式相同。

3 流水線濾波架構(gòu)

3．1 流水線分析

流水線技術(shù)適合于連續(xù)的批處理任務(wù)，當(dāng)一個N階流水線被灌滿以后，系統(tǒng)在一個周期內(nèi)可以并行處理N個任務(wù)，由此提高了整組任務(wù)的處理速度并增大了系統(tǒng)吞吐能力。如果相鄰的濾波操作沒有數(shù)據(jù)競爭，并且所有的階段都被很好地進(jìn)行了平衡，則濾波過程能夠被進(jìn)行流水線操作化并可將速度提高N倍數(shù)。然而，如若存在競爭與冒險問題，則無法實現(xiàn)。此時的主要任務(wù)是如何均衡流水線的各個階段，如何把總的操作盡可能平均的分配給不同的流水線階段，如何避免或消除競爭與冒險，以便獲得一個比較平衡暢順的流水線架構(gòu)。按照去塊效應(yīng)濾波器模塊的實現(xiàn)算法，大多數(shù)的關(guān)鍵路徑位于以下操作中。

(1)查找表操作：取得α，β，c1參數(shù)。α，β參數(shù)均需在查找表操作之前進(jìn)行基于量化參數(shù)與片級偏移參數(shù)的計算中使用。當(dāng)Bs=1，2，3時，為獲取c1進(jìn)行LUT操作，該操作比獲取α，β的LUT操作大3倍。

(2)當(dāng)Bs=4時，需用4或5抽頭的濾波器進(jìn)行濾波，原來的p，q像素值需要進(jìn)行移位、相加等操作，以得到最后的結(jié)果。

3．2 流水線架構(gòu)

基于上述分析，這里提出了5階流水線以提高吞吐量，見圖3。由于整個任務(wù)被分配到不同的階段實現(xiàn)，降低濾波的平均時間。

4 階流水線每個階段的任務(wù)

階流水線每個階段的任務(wù)為：獲取像素與濾波強(qiáng)度；閾值判斷；預(yù)濾波；二次濾波；回寫。操作類型轉(zhuǎn)換與可重新配置路徑設(shè)計：首先進(jìn)行操作類型的變換，使用加法與移位操作硬件替換了原來所有的乘法與除法硬件。當(dāng)Bs=4時，濾波被3，4，5抽頭的濾波器執(zhí)行，盡管應(yīng)用不同抽頭數(shù)目的濾波器，仍考慮硬件復(fù)用以及輸入數(shù)據(jù)路徑重新配置。由于設(shè)計中的表達(dá)式采用兩輸入加法，因而可以公用加法的中間結(jié)果。此外，通過重新配置在不同濾波抽頭系數(shù)時的加法器的輸入，達(dá)到共享資源的目的。同理，當(dāng)Bs=1，2，3時，通過輸入路徑的重新配置，同樣達(dá)到共享加法與減法器，達(dá)到共享資源的目的，資源使用前后對比見表1。

5 流水線競爭與混合濾波順序

5．1 流水線競爭的原因

(1)數(shù)據(jù)競爭：當(dāng)目的結(jié)果需要用作源操作數(shù)時；

(2)結(jié)構(gòu)競爭：由于有限的存儲器帶寬，大量而頻繁的像素訪問需要以及存儲器的低效率管理而引起；

(3)控制競爭：相鄰邊界的濾波是相對獨立的，當(dāng)一條邊界進(jìn)入它的流水線階段時，它不能夠停止，直到它的第5階段新像素值回寫存儲器操作結(jié)束?？刂聘偁?，由于分支語句或延遲等待引起的。

5．2 一種新穎的混合濾波順序

傳統(tǒng)的設(shè)計按照H．264／AVC標(biāo)準(zhǔn)使用了基本的順序濾波，沒有考慮到相鄰濾波邊界的數(shù)據(jù)重用與數(shù)據(jù)相互依賴性以及存儲器的讀與寫訪問延時，因此這里提出了新穎的濾波方法。新穎的濾波順序仍然遵守先左后右，先上后下的原則，但是考慮了相鄰邊界的數(shù)據(jù)依賴性與重用性，解決了數(shù)據(jù)冒險與結(jié)構(gòu)冒險問題，避免了流水線的延遲。濾波包括亮度部分與色度部分，共48條邊界，濾波順序按照如圖4所示的從小到大的數(shù)字進(jìn)行。

5．3 新穎的存儲更新策略

考慮到外部存儲器的帶寬是32位的，為了配合這里提出的邊界濾波順序，避免由于存儲器的帶寬限制而引起的結(jié)構(gòu)競爭從而導(dǎo)致流水線出現(xiàn)延遲，這里提出了新穎的存儲器更新機(jī)制，即給不同的4×4宏塊分配不同的時隙進(jìn)行像素回寫。

去塊效應(yīng)模塊被分配在整個解碼模塊的最后一步實現(xiàn)，而其它的重建步驟、像幀內(nèi)濾波模塊、幀間濾波模塊均以4×4宏塊為基本單位來進(jìn)行流水線處理，但是由于去塊效應(yīng)濾波模塊中不同邊界之間的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，因而它是以整個16×16宏塊為基本單位進(jìn)行濾波的。此外，只有整個16×16宏塊的像素重建完畢之后．才可以進(jìn)行該宏塊的濾波，因而使用了2個SRAM，一個為像素重建提供像素；另一個為像素濾波提供像素，當(dāng)一個宏塊被處理完畢，兩個SRAM交換角色，這樣避免在兩個SRAM之間傳遞數(shù)據(jù)導(dǎo)致的時間與功耗開銷。使用仿真工具對整個去塊效應(yīng)頂層模塊DF_top進(jìn)行了仿真，仿真部分結(jié)果如圖5所示。

6 結(jié) 語

使用硬件描述語言完成了設(shè)計，并在FPGA平臺上得到驗證。設(shè)計采用流水線技術(shù)，混合濾波方法，配合新穎的存儲器更新機(jī)制等方案，實時濾波頻率上限約為200 MHz，吞吐量為濾波每個16×16宏塊需要198個時鐘周期。使用HJTC，CMOS工藝，使用Syn-opsys Co．的DC工具進(jìn)行綜合，時序分析以及功耗分析，結(jié)論是時序滿足收斂要求，并且完成單個宏塊的濾波消耗的能量大約為2μW，功耗得到了很大的降低。