H．264解碼器中一種新穎的去塊效應(yīng)濾波器設(shè)計

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(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(dāng)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(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[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(yīng)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(yīng)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(yīng)用于本文的流水線設(shè)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(yīng)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(yīng)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(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～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(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～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(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(dāng)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(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(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。