基于A(yíng)DSP-BF533處理器的去方塊濾波器的實(shí)現及優(yōu)化

　　引言

　　在已有的基于塊的視頻編解碼系統中，當碼率較低時(shí)都存在方塊效應，新的視頻編碼標準H.264中亦是如此。產(chǎn)生這種方塊效應的主要原因有兩個(gè)：一是由于對變換后的殘差系數進(jìn)行的基于塊的整數變換后，以大的量化步長(cháng)對變換系數進(jìn)行量化會(huì )使得解碼后的重建圖像的方塊邊緣出現不連續；二是在運動(dòng)補償中插值運算引起的誤差使得編解碼器反變換后的重建圖像會(huì )出現方塊效應。如果不進(jìn)行處理，方塊效應還會(huì )隨著(zhù)重構幀積累下去，從而嚴重地影響圖像的質(zhì)量和壓縮效率。為了解決這一問(wèn)題，H.264中的去方塊濾波技術(shù)采用較為復雜的自適應濾波器來(lái)有效地去除這種方塊效應。因此，如何在實(shí)時(shí)視頻解碼中優(yōu)化去方塊濾波算法，降低計算復雜度，提高重建圖像質(zhì)量，就成了H.264解碼的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

　　1 H.264的去方塊濾波

　　1.1 濾波原理

　　大的量化步長(cháng)會(huì )造成相對較大的量化誤差，這就可能將原來(lái)相鄰塊“接壤”處像素間灰度的連續化變成了“臺階”變化，主觀(guān)上就有”偽邊緣”的方塊效應。去方塊效應的方法就是在保持圖像總能量不變的條件下，把這些臺階狀的階躍灰度變化重新復原成臺階很小或者近似連續的灰度變化，同時(shí)還必須盡量減少對真實(shí)圖像邊緣的損傷。

　　1.2 自適應濾波過(guò)程

　　在H.264中，去方塊濾波器是按照16×16像素的宏塊為單位順序進(jìn)行的，在宏塊中按照每個(gè)4×4子塊之間的邊緣以先垂直后水平的順序進(jìn)行，從而對整個(gè)重建圖像中的所有邊緣(圖像邊緣除外)進(jìn)行濾波。具體的邊緣示意圖如圖1所示。對于16×16像素的亮度宏塊，共有4條垂直邊緣，4條水平邊緣，每條邊緣又分為16條像素邊緣。而對應8×8像素的色度宏塊有垂直邊緣和水平邊緣各2條，每條邊緣分為8條像素邊緣。像素邊緣是進(jìn)行濾波的基本單元。

　　1.2.1 濾波器在兩個(gè)層次上的自適應性

　　H.264中的去方塊濾波所以有較好的濾波效果，是由于它在以下兩個(gè)層次上的自適應性。

　　1) 濾波器在4×4子塊級別的自適應性

　　濾波是基于各個(gè)子塊中的像素邊緣進(jìn)行的，通過(guò)對每一條像素邊緣定義一個(gè)參數BS(邊緣強度)來(lái)自適應地調節濾波的強弱和涉及的像素點(diǎn)。色度塊的像素邊緣強度與相應的亮度像素邊緣強度相同。假設P和Q為兩個(gè)相鄰的4×4子塊，其中的像素邊緣強度通過(guò)圖2的步驟獲得。BS的值越大，則對相應的邊緣兩側進(jìn)行的濾波越強，這是根據產(chǎn)生方塊效應的原因來(lái)設定的，如采用幀內預測模式的子塊的方塊現象較明顯，則對該子塊中的對應邊緣設定較大的像素邊緣強度值來(lái)進(jìn)行強濾波。

　　2) 濾波器在像素點(diǎn)級別上的白適應性

　　正確區分由于量化誤差、運動(dòng)補償產(chǎn)生的虛假邊緣和圖像中的真實(shí)邊界才能得到好的濾波效果。通常，真實(shí)邊界兩側的像素梯度差值要比虛假邊界兩側的像素梯度差值大，因此，濾波器通過(guò)對邊緣兩側像素點(diǎn)的灰度值的梯度差值設定門(mén)限α、對同一側的相鄰像素點(diǎn)的灰度值的梯度差值設定門(mén)限β來(lái)進(jìn)行真偽邊界的判定。α和β的值主要與量化步長(cháng)有關(guān)，當量化步長(cháng)大時(shí)，量化誤差也大，方塊效應就明顯，易產(chǎn)生虛假邊界，因此門(mén)限值隨之變大，放寬濾波條件。反之，量化步長(cháng)小時(shí)門(mén)限值也變小，體現了自適應性。采樣點(diǎn)的設置見(jiàn)圖3。若條件都滿(mǎn)足，則進(jìn)開(kāi)始濾波。

　　除了這兩種自適應性，還可以通過(guò)設置位于片級的系數LoopFilterAlphaC0Offset、LoopFilterBetaOffset來(lái)調整濾波

　　的強度。例如當傳輸碼率較低時(shí)，方塊效應較明顯，接收端想要主觀(guān)質(zhì)量相對較好的圖像，則編碼端可通過(guò)設置位于片頭信息中的濾波偏移量LoopFil-terAlphaC0Offset，LoopFilterBetaOffset為正值，以此增大α和β來(lái)加強濾波，通過(guò)去除方塊效應來(lái)提高圖像主觀(guān)質(zhì)量?；蛘邔τ诟叻直媛实膱D像，可以通過(guò)傳送負值偏移來(lái)減弱濾波，盡量保持圖像的細節。

　　1.2.2 依據各像素邊緣BS值對相鄰的像素濾波

　　若當前像素邊緣符合濾波條件，則根據其相應的BS值選取對應的濾波器進(jìn)行濾波并且進(jìn)行適當的剪切操作，以防止圖像的模糊。

　　當BS值是1，2，3時(shí)，采用一個(gè)4抽頭的線(xiàn)性濾波器，對輸入的P1、P0、Q0、Q1進(jìn)行濾波調整得到新的Q0、P0，如果內部有虛假邊界，則進(jìn)一步調整Q1、P1的值。

　　當BS值是4時(shí)，則對應的是采用幀內編碼模式的宏塊邊緣，應采用較強的濾波以達到增強圖像質(zhì)量的目的。對于亮度分量，若條件(| P0～Q0 | ((α》2)+2))abs(P2-P0)成立，則選擇5拙頭濾波器對P0、P2進(jìn)行濾波，使用較強的4抽頭濾波器對P1進(jìn)行濾波；若條件不成立，則只使用較弱的3抽頭濾波器對P0進(jìn)行濾波，而P1、P2的值保持不變。對于色度分量，若上述條件滿(mǎn)足，則對P0進(jìn)行3抽頭濾波，若條件不滿(mǎn)足，則所有的像素值都不修改。對Q0、Q1、Q2的濾波操作與P0、P1、P2的濾波操作相同。

　　2 BF533的特點(diǎn)和結構

　　我們的H.264去方塊濾波是在A(yíng)DI公司的Blackfin ADSP-BF533處理器上實(shí)現的。Blackfin系列DSP主要具有以下特點(diǎn)：

　　a) 高度并行的計算單元。Blackfin系列DSP體系架構的核心是DAU(數據算術(shù)單元)，包括2個(gè)16位的MAC(乘法累加器)、2個(gè)40位的ALU(算術(shù)邏輯單元)，1個(gè)40位單桶形的移位器，4個(gè)8位視頻ALU。每個(gè)MAC能在單一時(shí)鐘周期內對4個(gè)獨立的數據操作數執行16位乘16位的乘法運算。40位的ALU可累加2個(gè)40位的數字或者4個(gè)16位的數字。這種體系架構可靈活地進(jìn)行8值、16位、32位的數據運算。

　　b) 動(dòng)態(tài)電源管理。處理器可以通過(guò)改變電壓和工作頻率，消耗比其他DSP更少的功耗。Blackfin系列DSP體系架構的允許電壓和頻率獨立調整，使得每一項任務(wù)的消耗能量最小，在性能和功耗間有較好的平衡，適合實(shí)時(shí)視頻編／解碼器的開(kāi)發(fā)，特別是對功耗有嚴格要求的實(shí)時(shí)運動(dòng)視頻處理。

　　c) 高性能的地址產(chǎn)生器。具有2個(gè)DAG(數據地址產(chǎn)生器

　　)，用于產(chǎn)生支持高級DSP濾波運算的地址的復合裝入或存儲單元。支持位倒序尋址和循環(huán)緩沖以及其他多種尋址方式，提高了編程的靈活性。

　　d) 分層結構的內存。分層結構的內存縮短了內核對內存的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間，以獲得最大的數據吞吐量、較少的延遲和縮短的處理空載時(shí)間。

　　e) 特有的視頻操作指令。提供適合DCT(離散余弦變換)、霍夫曼編碼等視頻壓縮標準中常用的操作指令，這些視頻指令還消除了主處理器與一個(gè)獨立的視頻編解碼器之間的復雜和易混和通信問(wèn)題。這些特點(diǎn)有助于為終端應用縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)降低了系統的總體成本。

　　我們使用的ADSP-BF533可以實(shí)現600 MHz的持續工作，具有：4 GB的統一尋址空間；80 kB SRAM的L1指令指令存儲器，其中16 kB可配置成4路的聯(lián)合Cache；2個(gè)32 kB SRAM的L1數據存儲器，其中一半可配置為Cache；集成豐富的外圍設備和接口。

　　3 基于BF533的H.264去方塊濾波優(yōu)化實(shí)現

　　去方塊濾波器在Blackfin BF533優(yōu)化實(shí)現主要分為系統級別的優(yōu)化、算法級別的優(yōu)化、匯編級別的優(yōu)化3個(gè)級別。

　　3.1 系統級別的優(yōu)化

　　打開(kāi)DSP平臺中編譯器的優(yōu)化選項并將優(yōu)化速度設置為最快，打開(kāi)Automatic Inlining開(kāi)關(guān)(自動(dòng)內聯(lián)開(kāi)關(guān))以及Interprocedural optimization開(kāi)關(guān)(優(yōu)化過(guò)程開(kāi)關(guān))，通過(guò)以上的一些設置充分發(fā)揮Blackfin BF533的硬件性能。

　　3.2 算法級別的優(yōu)化

　　將JM8.6參考模型中的去方塊濾波部分進(jìn)行適當的系統修改，移植到原有的基于Blackfin BF533的H.264基本擋次的解碼器中，并通過(guò)圖像序列對其進(jìn)行耗時(shí)分析。選用碼率為400 kbit／s左右的Paris.cif、Mobile.cif、Foreman.cif、Claire.cif序列，去方塊濾波所耗費的時(shí)鐘周期約為1 600 MHz～1 800 MHz，即使在經(jīng)過(guò)系統優(yōu)化后，計算復雜度仍然相當大，效率很低，對于Blackfin BF533處理器600 MHz的持續工作頻率是相當大的負擔。

　　通過(guò)分析JM8.6中去方塊濾波程序，其效率低下的主要原因是：