基于ADSP-BF533處理器的去方塊濾波器的實現(xiàn)及優(yōu)化

　　引言

　　在已有的基于塊的視頻編解碼系統(tǒng)中，當(dāng)碼率較低時都存在方塊效應(yīng)，新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264中亦是如此。產(chǎn)生這種方塊效應(yīng)的主要原因有兩個：一是由于對變換后的殘差系數(shù)進(jìn)行的基于塊的整數(shù)變換后，以大的量化步長對變換系數(shù)進(jìn)行量化會使得解碼后的重建圖像的方塊邊緣出現(xiàn)不連續(xù)；二是在運動補(bǔ)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出現(xiàn)方塊效應(yīng)。如果不進(jìn)行處理，方塊效應(yīng)還會隨著重構(gòu)幀積累下去，從而嚴(yán)重地影響圖像的質(zhì)量和壓縮效率。為了解決這一問題，H.264中的去方塊濾波技術(shù)采用較為復(fù)雜的自適應(yīng)濾波器來有效地去除這種方塊效應(yīng)。因此，如何在實時視頻解碼中優(yōu)化去方塊濾波算法，降低計算復(fù)雜度，提高重建圖像質(zhì)量，就成了H.264解碼的一個關(guān)鍵問題。

　　1 H.264的去方塊濾波

　　1.1 濾波原理

　　大的量化步長會造成相對較大的量化誤差，這就可能將原來相鄰塊“接壤”處像素間灰度的連續(xù)化變成了“臺階”變化，主觀上就有”偽邊緣”的方塊效應(yīng)。去方塊效應(yīng)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(fù)原成臺階很小或者近似連續(xù)的灰度變化，同時還必須盡量減少對真實圖像邊緣的損傷。

　　1.2 自適應(yīng)濾波過程

　　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(yīng)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 濾波器在兩個層次上的自適應(yīng)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層次上的自適應(yīng)性。

　　1) 濾波器在4×4子塊級別的自適應(yīng)性

　　濾波是基于各個子塊中的像素邊緣進(jìn)行的，通過對每一條像素邊緣定義一個參數(shù)BS(邊緣強(qiáng)度)來自適應(yīng)地調(diào)節(jié)濾波的強(qiáng)弱和涉及的像素點。色度塊的像素邊緣強(qiáng)度與相應(yīng)的亮度像素邊緣強(qiáng)度相同。假設(shè)P和Q為兩個相鄰的4×4子塊，其中的像素邊緣強(qiáng)度通過圖2的步驟獲得。BS的值越大，則對相應(yīng)的邊緣兩側(cè)進(jìn)行的濾波越強(qiáng)，這是根據(jù)產(chǎn)生方塊效應(yīng)的原因來設(shè)定的，如采用幀內(nèi)預(yù)測模式的子塊的方塊現(xiàn)象較明顯，則對該子塊中的對應(yīng)邊緣設(shè)定較大的像素邊緣強(qiáng)度值來進(jìn)行強(qiáng)濾波。

　　2) 濾波器在像素點級別上的白適應(yīng)性

　　正確區(qū)分由于量化誤差、運動補(bǔ)償產(chǎn)生的虛假邊緣和圖像中的真實邊界才能得到好的濾波效果。通常，真實邊界兩側(cè)的像素梯度差值要比虛假邊界兩側(cè)的像素梯度差值大，因此，濾波器通過對邊緣兩側(cè)像素點的灰度值的梯度差值設(shè)定門限α、對同一側(cè)的相鄰像素點的灰度值的梯度差值設(shè)定門限β來進(jìn)行真?zhèn)芜吔绲呐卸ā＆梁挺碌闹抵饕c量化步長有關(guān)，當(dāng)量化步長大時，量化誤差也大，方塊效應(yīng)就明顯，易產(chǎn)生虛假邊界，因此門限值隨之變大，放寬濾波條件。反之，量化步長小時門限值也變小，體現(xiàn)了自適應(yīng)性。采樣點的設(shè)置見圖3。若條件都滿足，則進(jìn)開始濾波。

　　除了這兩種自適應(yīng)性，還可以通過設(shè)置位于片級的系數(shù)LoopFilterAlphaC0Offset、LoopFilterBetaOffset來調(diào)整濾波

　　的強(qiáng)度。例如當(dāng)傳輸碼率較低時，方塊效應(yīng)較明顯，接收端想要主觀質(zhì)量相對較好的圖像，則編碼端可通過設(shè)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來加強(qiáng)濾波，通過去除方塊效應(yīng)來提高圖像主觀質(zhì)量。或者對于高分辨率的圖像，可以通過傳送負(fù)值偏移來減弱濾波，盡量保持圖像的細(xì)節(jié)。

　　1.2.2 依據(jù)各像素邊緣BS值對相鄰的像素濾波

　　若當(dāng)前像素邊緣符合濾波條件，則根據(jù)其相應(yīng)的BS值選取對應(yīng)的濾波器進(jìn)行濾波并且進(jìn)行適當(dāng)?shù)募羟胁僮?，以防止圖像的模糊。

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

　　當(dāng)BS值是4時，則對應(yīng)的是采用幀內(nèi)編碼模式的宏塊邊緣，應(yīng)采用較強(qiáng)的濾波以達(dá)到增強(qiáng)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(qiáng)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，若上述條件滿足，則對P0進(jìn)行3抽頭濾波，若條件不滿足，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的特點和結(jié)構(gòu)

　　我們的H.264去方塊濾波是在ADI公司的Blackfin ADSP-BF533處理器上實現(xiàn)的。Blackfin系列DSP主要具有以下特點：

　　a) 高度并行的計算單元。Blackfin系列DSP體系架構(gòu)的核心是DAU(數(shù)據(jù)算術(shù)單元)，包括2個16位的MAC(乘法累加器)、2個40位的ALU(算術(shù)邏輯單元)，1個40位單桶形的移位器，4個8位視頻ALU。每個MAC能在單一時鐘周期內(nèi)對4個獨立的數(shù)據(jù)操作數(shù)執(zhí)行16位乘16位的乘法運算。40位的ALU可累加2個40位的數(shù)字或者4個16位的數(shù)字。這種體系架構(gòu)可靈活地進(jìn)行8值、16位、32位的數(shù)據(jù)運算。

　　b) 動態(tài)電源管理。處理器可以通過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(gòu)的允許電壓和頻率獨立調(diào)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，適合實時視頻編／解碼器的開發(fā)，特別是對功耗有嚴(yán)格要求的實時運動視頻處理。

　　c) 高性能的地址產(chǎn)生器。具有2個DAG(數(shù)據(jù)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(fù)合裝入或存儲單元。支持位倒序?qū)ぶ泛脱h(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(jié)構(gòu)的內(nèi)存。分層結(jié)構(gòu)的內(nèi)存縮短了內(nèi)核對內(nèi)存的訪問時間，以獲得最大的數(shù)據(jù)吞吐量、較少的延遲和縮短的處理空載時間。

　　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(biāo)準(zhǔn)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獨立的視頻編解碼器之間的復(fù)雜和易混和通信問題。這些特點有助于為終端應(yīng)用縮短產(chǎn)品上市時間，同時降低了系統(tǒng)的總體成本。

　　我們使用的ADSP-BF533可以實現(xiàn)600 MHz的持續(xù)工作，具有：4 GB的統(tǒng)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32 kB SRAM的L1數(shù)據(jù)存儲器，其中一半可配置為Cache；集成豐富的外圍設(shè)備和接口。

　　3 基于BF533的H.264去方塊濾波優(yōu)化實現(xiàn)

　　去方塊濾波器在Blackfin BF533優(yōu)化實現(xiàn)主要分為系統(tǒng)級別的優(yōu)化、算法級別的優(yōu)化、匯編級別的優(yōu)化3個級別。

　　3.1 系統(tǒng)級別的優(yōu)化

　　打開DSP平臺中編譯器的優(yōu)化選項并將優(yōu)化速度設(shè)置為最快，打開Automatic Inlining開關(guān)(自動內(nèi)聯(lián)開關(guān))以及Interprocedural optimization開關(guān)(優(yōu)化過程開關(guān))，通過以上的一些設(shè)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(dāng)?shù)南到y(tǒng)修改，移植到原有的基于Blackfin BF533的H.264基本擋次的解碼器中，并通過圖像序列對其進(jìn)行耗時分析。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鐘周期約為1 600 MHz～1 800 MHz，即使在經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化后，計算復(fù)雜度仍然相當(dāng)大，效率很低，對于Blackfin BF533處理器600 MHz的持續(xù)工作頻率是相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)。

　　通過分析JM8.6中去方塊濾波程序，其效率低下的主要原因是：