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          基于流水線及混合濾波技術(shù)的H.264去塊效應(yīng)模塊設(shè)計

          作者: 時間:2016-10-29 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          引 言

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201610/308615.htm

          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(shù)余弦變換、1/4像素的運(yùn)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)去塊濾波器等技術(shù)。由于去塊濾波器大約占整個解碼器1/3的運(yùn)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)去塊濾波器設(shè)計。設(shè)計中采用5階的去塊效應(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(dú)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。

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          本文設(shè)計的去塊效應(yīng)濾波模塊采用技術(shù)來提高系統(tǒng)吞吐量。理想流水線的高效率實(shí)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?yàn)V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。

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          (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~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(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~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(shí)邊界還是編碼所形成的塊效應(yīng)邊界;對真實(shí)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。

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          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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn),降低濾波的平均時間。

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          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。

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          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(dú)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?yàn)V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。

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          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(shí)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。

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          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(yàn)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(shí)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。



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