H．264解碼器中一種新穎的去塊效應濾波器設計

1 H．264／AVC的去塊效應
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，由于預測、補償、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標準采用了環(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。去塊效應濾波有兩種方法：后處理去塊效應濾波；環(huán)路內(nèi)去塊效應濾波。H．264／AVC采用環(huán)路內(nèi)去塊效應濾波(見圖1)，即濾波后的幀作為后面預測的參考幀。與之前的H．263或MPEG的濾波器相比較，新版H．264標準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)出來以進行濾波處理或作為相鄰像素來判斷當前像素是否需要進行濾波。顯然，這些操作需要消耗巨大的存儲器帶寬，對像素值進行修改。

本文設計的去塊效應濾波模塊采用流水線技術來提高系統(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[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濾波器的性能。在H．264／AVC標準中，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標準所描述的濾波順序可以被改進。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的存儲更新機制都是針對非流水線結(jié)構(gòu)的，因此如果直接將之應用于本文的流水線設計，就有可能引發(fā)嚴重的競爭與冒險從而降低流水線的性能。

2 去塊效應濾波器的存儲管理與濾波算法
H．264／AvC標準基于4×4宏塊作為濾波的基本宏塊，它有5種濾波強度，分別是Bs=0，1，2，3，4。濾波方式分為強濾波、標準濾波和直通3種方式，其中強濾波影響邊界兩邊的共6個像素，標準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標準規(guī)定先對垂直邊界進行濾波，然后再對水平邊界進行濾波，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行濾波。同一個宏塊中，先對亮度部分進行濾波，再對色度部分進行濾波；色度部分濾波時，先對C6部分進行濾波，再對Cr部分進行濾波，對整個16×16宏塊的濾波順序如圖2所示。

(1)邊界濾波強度與像素濾波的存儲器
按照H．264／AVC的標準，需要對被濾波的邊界兩側(cè)的像素進行有條件的濾波。該條件決定于邊界強度BS與像素穿越邊界的傾斜度。邊界強度BS：0，1，2，3或4，在進行濾波之前被賦給相應的邊界。BS=4表示強濾波，BS=0表示不需要進行濾波，即直通方式；否則，BS=1，2，3表示中等強度的濾波，色度部分邊界的濾波強度與對應亮度部分是相同的。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～p3q0～q3；需要更新的像素共6個或4個：p0～p2q0～q2或聲p0，p1q0，q1。
對一個16×16宏塊進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～p3q0～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行濾波；根據(jù)濾波強度，選擇不同的濾波系數(shù)對邊界兩側(cè)像素進行濾波操作。濾波強度Bs=0的邊界將不會進行濾波，而濾波強度Bs不為0的邊界，依賴于獲取的量化參數(shù)α與β，進行閾值判斷，對鄰近的像素進行有條件的濾波。當濾波強度Bs不是0，并且下面3個條件成立時，才對鄰近像素進行濾波。

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，一個非常強的4抽頭或5抽頭濾波器將被用來對鄰近像素進行濾波，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進行濾波，只會對p0進行弱強度的濾波。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對于濾波強度Bs不為4的情況下，不進行濾波。在色度分量進行濾波時，只有對p0與q0進行濾波，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
流水線技術適合于連續(xù)的批處理任務，當一個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，由此提高了整組任務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行了平衡，則濾波過程能夠被進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)。按照去塊效應濾波器模塊的實現(xiàn)算法，大多數(shù)的關鍵路徑位于以下操作中。