AVS解碼器環(huán)路濾波的優(yōu)化及實(shí)現(xiàn)

魏曉君，張 剛

(太原理工大學(xué)通信與嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

AVS是我國(guó)第一個(gè)自主音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，與該領(lǐng)域其他國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)如MPEG-4、H.264相比，AVS解決了專利問(wèn)題，其編碼效率與H.264相當(dāng)，且本身具有高效率低復(fù)雜度等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得AVS具有廣闊的應(yīng)用前景。

基于DSP平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的視頻編解碼器開(kāi)發(fā)周期比較短，同時(shí)具有很大的靈活性，能很好地滿足目前市場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用和具體特性需求。TMS320DM6446是TI公司專門(mén)為多媒體領(lǐng)域應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的高性能定點(diǎn)DSP［1］，其內(nèi)核具有2個(gè)數(shù)據(jù)通道、8個(gè)獨(dú)立的功能單元，采用超長(zhǎng)指令集結(jié)構(gòu)(VLIW)，每個(gè)時(shí)鐘周期最高可并行處理8條32位指令。本文通過(guò)分析AVS環(huán)路濾波算法的特點(diǎn)，首先對(duì)算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，又對(duì)其部分代碼采用手工匯編進(jìn)行優(yōu)化，在保證解碼質(zhì)量的前提下，顯著地提高了解碼速度。

1 AVS解碼器介紹

AVS與H.264/AVC等其他國(guó)際主流壓縮視頻標(biāo)準(zhǔn)類似，采用基于塊的混合編碼框架，解碼器主要包括解析和解碼兩部分，其中解析部分包括熵解碼、整數(shù)反DCT變換等模塊，解碼部分主要包括幀間預(yù)測(cè)、幀內(nèi)預(yù)測(cè)和環(huán)路濾波模塊，如圖1所示。

圖1 AVS解碼器模塊框圖

編解碼器反變換量化后圖像會(huì)出現(xiàn)方塊效應(yīng)［2］，且塊效應(yīng)可能會(huì)出現(xiàn)在每個(gè)宏塊的邊界上，為了有效去除這些方塊效應(yīng)，達(dá)到較高質(zhì)量的圖像效果，要在重建幀之前，對(duì)碼流采用自適應(yīng)環(huán)路濾波，控制解碼誤差的累加和擴(kuò)散，因此處理好環(huán)路濾波對(duì)AVS解碼器的性能至關(guān)重要［3］。

2 環(huán)路濾波原理

AVS解碼器中的環(huán)路濾波以88宏塊為單位進(jìn)行［4］，除圖像邊界和條帶邊界不需要濾波，所有宏塊都應(yīng)以8×8宏塊為單位按照光柵掃描順序依次處理，先從左到右對(duì)垂直邊界濾波，再?gòu)纳系较聦?duì)水平邊界濾波的順序?qū)吔缱霏h(huán)路濾波。每個(gè)宏塊對(duì)亮度和色度分別進(jìn)行環(huán)路濾波［5］，如圖2 所示(4∶2∶0 格式)。每個(gè)8 ×8亮度塊之間都存在一個(gè)邊界強(qiáng)度，用Bs表示，對(duì)應(yīng)位置塊的亮度邊界強(qiáng)度Bs和色度塊的邊界強(qiáng)度Bs相同，如圖2所示(4∶2∶0格式)。且邊界濾波分為垂直和水平邊界的亮度和色度濾波，由Bs值決定邊界濾波的強(qiáng)度，Bs可取值0，1，2，根據(jù)局部樣本值的特性，對(duì)應(yīng)的邊界濾波情況分別為不濾波、標(biāo)準(zhǔn)濾波、強(qiáng)濾波。

圖2 宏塊中需要濾波的邊界示意圖(4∶2∶0格式)①

AVS環(huán)路濾波以8×8塊為單位進(jìn)行，圖3表示邊界兩側(cè)的p塊和q塊在水平或垂直方向的6個(gè)樣本點(diǎn)。利用邊界附近的6個(gè)像素點(diǎn)對(duì)邊界進(jìn)行修正，亮度最多需要修正4個(gè)樣本值，即p0，p1，q0，q1。色度最多需要修正2個(gè)樣本值，即 p0，q0。

圖3 8×8塊水平或垂直邊界樣本①

在對(duì)邊界塊進(jìn)行濾波處理時(shí)，如果在DCT邊界上，正好是圖像的邊界，若不加以判斷，就會(huì)誤認(rèn)為是方塊效應(yīng)，這樣一來(lái)會(huì)產(chǎn)生新的誤差，導(dǎo)致圖像的質(zhì)量下降，所以要先對(duì)邊界判斷。若是真實(shí)邊界，則不進(jìn)行濾波處理;若是偽邊界，根據(jù)濾波強(qiáng)度來(lái)選擇不同的濾波方式和濾波系數(shù)進(jìn)行濾波處理。因此環(huán)路濾波主要分為三部分:邊界閾值推導(dǎo)過(guò)程、邊界濾波強(qiáng)度推導(dǎo)過(guò)程、邊界濾波過(guò)程。

3 在DSP上的優(yōu)化分析及實(shí)現(xiàn)

由AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)可知，在整個(gè)自適應(yīng)環(huán)路濾波過(guò)程中，需要在每個(gè)像素濾波前進(jìn)行是否濾波判斷，還要以大量條件判斷來(lái)選擇像素點(diǎn)的具體濾波過(guò)程，所以算法復(fù)雜度高，運(yùn)算量很大，且濾波過(guò)程中，其對(duì)于數(shù)據(jù)的訪問(wèn)也比較繁瑣，嚴(yán)重影響了代碼的執(zhí)行效率。本文就是在C代碼優(yōu)化的基礎(chǔ)上，在不影響圖像質(zhì)量的情況下，對(duì)濾波過(guò)程在這部分代碼用手工匯編實(shí)現(xiàn)，提高濾波速率，達(dá)到實(shí)時(shí)解碼的要求。

考慮到邊界濾波是對(duì)亮度和色度分別作環(huán)路濾波，濾波順序?yàn)橄却怪焙笏剑以贒SP上進(jìn)行垂直濾波和水平濾波時(shí)，對(duì)邊界樣本值的讀取和經(jīng)過(guò)濾波修正后的樣本值的存儲(chǔ)方式差別較大，為了減少數(shù)據(jù)訪問(wèn)，本文先對(duì)當(dāng)前宏塊進(jìn)行垂直邊界濾波，再進(jìn)行下一宏塊的解碼，在下一宏塊的垂直邊界濾波之前進(jìn)行當(dāng)前宏塊水平邊界濾波，即采取垂直邊界和水平邊界的濾波分開(kāi)進(jìn)行的方式。整個(gè)宏塊在濾波完畢后再將宏塊樣本值輸出到片外存儲(chǔ)器，這樣就節(jié)省了一次對(duì)片外整幀數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，大大節(jié)省了環(huán)路濾波所需的時(shí)間。利用這種思想本文將DSP上的環(huán)路濾波過(guò)程分為4種模式分別進(jìn)行環(huán)路濾波，即亮度垂直模式、色度垂直模式、亮度水平模式和色度水平模式。濾波流程為:先確定8×8宏塊邊界的Bs值，再判斷是亮度還是色度，最后根據(jù)這些信息選擇具體的濾波模式。寫(xiě)匯編時(shí)，要考慮DSP自身的特點(diǎn)，使其硬件資源得到最大限度的利用，且使代碼的運(yùn)行速度和尺寸處于最佳折中點(diǎn)。采用并行執(zhí)行的方法來(lái)減少循環(huán)內(nèi)的執(zhí)行周期數(shù)，充分利用2個(gè)數(shù)據(jù)通道，2個(gè)數(shù)據(jù)交叉通路，8個(gè)獨(dú)立的功能單元，通過(guò)調(diào)整指令順序填充NOP延遲間隙，提高代碼性能。

本文實(shí)現(xiàn)了I幀濾波的匯編優(yōu)化，I幀(Bs=2)濾波流程如圖 4 所示，其中 P0，P1，Q0，Q1分別為樣本值 p0，p1，q0，q1修改后的值，色度不需要對(duì)p1，q1進(jìn)行修改。

圖4 I幀濾波流程圖

這里以I幀色度濾波為例，具體說(shuō)明手工匯編優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

I幀色度水平濾波模式的具體實(shí)現(xiàn)如下:

1)讀取數(shù)據(jù)，因?yàn)榇秊V波的像素值是8位的重構(gòu)數(shù)據(jù)，采用C64X+特有的雙字指令LDNDW完成參考樣本的讀取，完成以上16個(gè)字節(jié)的讀取，即1次完成8個(gè)像素點(diǎn)的取值，只需6次便可讀取濾波一次所需要的全部像素點(diǎn)，充分利用A，B兩個(gè)數(shù)據(jù)通道和并行執(zhí)行的特點(diǎn)，同時(shí)處理8個(gè)像素點(diǎn)，0～3像素點(diǎn)主要A通道來(lái)完成，4～7像素點(diǎn)主要由B通道來(lái)完成。

2)濾波邊界判斷，為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)一行8個(gè)像素點(diǎn)的濾波，達(dá)到像素級(jí)修正的同時(shí)，充分體現(xiàn)DSP的并行處理能力，需要對(duì)α和β進(jìn)行打包處理，利于并行處理和軟件流水的實(shí)現(xiàn)，便于在嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。用SUBABS4，CMPLTU4指令實(shí)現(xiàn)樣本邊界濾波判斷，且對(duì)其值用XPND4指令進(jìn)行位擴(kuò)展。

3)濾波具體過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，先實(shí)現(xiàn)α＞＞2，再對(duì)其進(jìn)行打包處理，最后用ADD4，SUBABS4，CMPLTU4等指令來(lái)實(shí)現(xiàn)4個(gè)像素點(diǎn)的濾波過(guò)程判斷，且對(duì)其值進(jìn)行位擴(kuò)展，不同條件下得到的P0和Q0的值主要由雙操作指令A(yù)DD4和AVGU4實(shí)現(xiàn)。

4)利用步驟2)和步驟3)過(guò)程中所得的判斷值和AND，NOT，ADD4等指令實(shí)現(xiàn)具體像素點(diǎn)的P0和Q0值的修正，0～3像素點(diǎn)P0的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖5所示，最后用STDW指令將修正后的像素值存入寄存器中即可。

圖5 0～3像素點(diǎn)P0實(shí)現(xiàn)過(guò)程的匯編優(yōu)化圖

I幀色度垂直濾波模式，在對(duì)數(shù)據(jù)讀取和存儲(chǔ)上與色度水平濾波模式是不同的，且讀出數(shù)據(jù)后，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)置，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程與色度水平濾波模式類似，這里不再詳述。

4 優(yōu)化結(jié)果及分析

使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS3.3對(duì)所寫(xiě)代碼進(jìn)行驗(yàn)證，且用其提供的剖析工具profile性能分析工具來(lái)估計(jì)函數(shù)的性能。圖6顯示了在相同的輸入數(shù)據(jù)和相同的硬件資源配置下，C代碼和手工匯編實(shí)現(xiàn)的I幀耗時(shí)分析圖。圖中AVS_deblockuvih.asm，AVS_deblockuviv.asm，AVS_deblockyih.asm，AVS_deblockyiv.asm分別為I幀濾波的色度水平模式、色度垂直模式、亮度水平模式和亮度垂直模式的匯編程序，EdgeLoop_I_uv，EdgeLoop_I_y分別為I幀濾波色度、亮度的C程序。

圖6 I幀濾波耗時(shí)分析圖(截圖)

觀察圖6可知，在4∶2∶0模式下，用C實(shí)現(xiàn)的I幀環(huán)路濾波過(guò)程十分耗時(shí)，而通過(guò)編譯器優(yōu)化和匯編優(yōu)化后的，I幀亮度(16×16塊即4個(gè)8×8塊)和色度(8×8塊)濾波周期都明顯大幅度減少，極大地提高了運(yùn)算速度，縮短了代碼執(zhí)行時(shí)間。

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析AVS環(huán)路濾波算法，對(duì)算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，又對(duì)I幀環(huán)路濾波采用手工匯編，實(shí)現(xiàn)了像素級(jí)的優(yōu)化，在保證解碼質(zhì)量的前提下，顯著提高了解碼速度，達(dá)到AVS解碼器在TMS320DM6446上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)解碼的要求。

［1］李方慧，王飛，何佩琨.TMS320C6000系列DSPs原理與應(yīng)用［M］.2版.北京:電子工業(yè)出版，2003.

［2］畢厚杰.視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)——H.264/AVC［M］.北京:人民郵電出版社，2005.

［3］楊懷省.基于DSP平臺(tái)的AVS自適應(yīng)環(huán)路濾波的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電子器件，2008，22(3):41-44.

［4］AVS工作組.GB/T20090.2—2006，信息技術(shù)先進(jìn)音視頻編碼第二部分:視頻［S］.2006.

［5］楊少博，李鳳亭.AVS自適應(yīng)環(huán)路濾波器硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，2008，32(6):21-24.