基于流水線(xiàn)及混合濾波技術(shù)的H．264去塊效應模塊設

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(diǎn)是采用小尺寸整數余弦變換、1／4像素的運動(dòng)估計精度、多參考幀預測，基于上下文可變長(cháng)度編碼和環(huán)路內去塊效應濾波器等技術(shù)。由于去塊效應濾波器大約占整個(gè)解碼器1／3的運算量，因此該部分的設計成為整個(gè)解碼器設計的瓶頸，在此研究了一種新穎的環(huán)路內去塊效應濾波器設計。設計中采用5階流水線(xiàn)的去塊效應模塊，利用混合濾波順序與打亂的存儲更新機制的方法提高了流水線(xiàn)暢順性，濾波一個(gè)16×16大小的宏塊僅需要198個(gè)時(shí)鐘周期。

1 H．264／AVC的去塊效應

在基于塊的視頻編碼方法中，各個(gè)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(huì )產(chǎn)生不連續，因此新版H．264／AVC標準采用了環(huán)路內去塊濾波器來(lái)解決每個(gè)16×16宏塊重建后的邊界扭曲問(wèn)題。去塊效應濾波有兩種方法：后處理去塊效應濾波；環(huán)路內去塊效應濾波。H．264／AVC采用環(huán)路內去塊效應濾波（見(jiàn)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片級／宏塊級的特性與根據像素穿過(guò)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(gè)像素都需要從外部存儲器中重調出來(lái)以進(jìn)行濾波處理或作為相鄰像素來(lái)判斷當前像素是否需要進(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。

本文設計的去塊效應濾波模塊采用流水線(xiàn)技術(shù)來(lái)提高系統吞吐量。理想流水線(xiàn)的高效率實(shí)現基于相鄰的濾波操作沒(méi)有數據性。文獻［3，4］采用了非流水線(xiàn)的架構，因此無(wú)法提高系統的吞吐量。而對于流水線(xiàn)架構，如若不優(yōu)化濾波順序與存儲器訪(fǎng)問(wèn)次序，則所產(chǎn)生的數據與結構冒險也將大大降低流水線(xiàn)的效率。有人使用雙端口的片上SRAM來(lái)減少片外存儲器的帶寬，增加了系統的吞吐量，但是雙端口存儲器面積較大且增加功耗。與流水線(xiàn)的濾波器相比，非流水線(xiàn)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(gè)時(shí)鐘僅處理一個(gè)操作類(lèi)型，因此它所能達到的最大系統頻率要低很多。

采用不同的邊界濾波順序，會(huì )大大的影響去塊效應濾波器的性能。在H．264／AVC標準中，每個(gè)宏塊的濾波順序得到了描述，只要保持濾波數據依賴(lài)性，H．264／AVC標準所描述的濾波順序可以被改進(jìn)。其濾波順序包括兩類(lèi)：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(xiàn)結構的，因此如果直接將之應用于本文的流水線(xiàn)設計，就有可能引發(fā)嚴重的競爭與冒險從而降低流水線(xiàn)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(gè)像素，標準濾波影響邊界兩邊的共4個(gè)像素，直通方式不修改邊界兩側的像素。H．264／AVC標準規定先對垂直邊界進(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(gè)宏塊進(jìn)行濾波。同一個(gè)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(shí)，先對C6部分進(jìn)行濾波，再對Cr部分進(jìn)行濾波，對整個(gè)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的像素進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(gè)像素，p0～p3q0～q3；需要更新的像素共6個(gè)或4個(gè)：p0～p2q0～q2或聲p0，p1q0，q1。

對一個(gè)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(lái)自不同的模塊（即分別來(lái)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(lái)自16×16宏塊本身，因此至少需要4個(gè)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換緩沖單元，每個(gè)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(shí)，為了方便濾波過(guò)程中的存儲器訪(fǎng)問(wèn)，這里利用額外的轉換緩沖器BUF0～BUF3來(lái)緩存中間濾波數據，采用轉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(gè)時(shí)鐘周期，否則需要4個(gè)時(shí)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(shí)邊界還是編碼所形成的塊效應邊界；對真實(shí)邊界不濾波，對偽邊界根據像素穿越邊界的漸變度和編碼方式進(jìn)行濾波；根據濾波強度，選擇不同的濾波系數對邊界兩側像素進(jìn)行濾波操作。濾波強度Bs=0的邊界將不會(huì )進(jìn)行濾波，而濾波強度Bs不為0的邊界，依賴(lài)于獲取的量化參數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。當濾波強度Bs不是0，并且下面3個(gè)條件成立時(shí)，才對鄰近像素進(jìn)行濾波。