基于處理器的去方塊濾波器的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化

基于處理器的去方塊濾波器的實(shí)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(shí)都存在方塊效應(yīng)，新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn) 陰亦是如此。產(chǎn)生這種方塊效應(yīng)的主要原因有兩個(gè)：一是由于對(duì)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(zhǎng)對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行量化會(huì)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)償中插值運(yùn)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(xiàn)方塊效應(yīng)。如果不進(jìn)行處理，方塊效應(yīng)還會(huì)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， 財(cái)?shù)娜シ綁K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(shí)時(shí)視頻解碼中優(yōu)化去方塊濾波算法，降低計(jì)算復(fù)雜度，提高重建圖像質(zhì)量，就成了 解碼的一個(gè)關(guān)鍵問題。22去方塊濾波濾波原理大的量化步長(zhǎng)會(huì)造成相對(duì)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(tái)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(tái)階狀的階躍灰度變化重新復(fù)原成臺(tái)階很小或者近似連續(xù)的灰度變化，同時(shí)還必須盡量減少對(duì)真實(shí)圖像邊緣的損傷。自適應(yīng)濾波過程在中4去方塊濾波器是按照16X16像素的宏塊為單位順序進(jìn)行的，在宏塊中按照每個(gè)4X4子塊之間的邊緣以先垂直后水平的順序進(jìn)行，從而對(duì)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(duì)于16X16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(duì)應(yīng)8X8像素的色度宏塊有垂直邊緣和水平邊緣各條，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。圖】16x16像素宏塊內(nèi)圖像邊繚1.2.濾1波器在兩個(gè)層次上的自適應(yīng)性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(yīng)性。1濾波器在4X4子塊級(jí)別的自適應(yīng)性濾波是基于各個(gè)子塊中的像素邊緣進(jìn)行的，通過對(duì)每一條像素邊緣定義一個(gè)參數(shù)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(diǎn)。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)和為兩個(gè)相鄰的4X4子塊，其中的像素邊緣強(qiáng)度通過圖的步驟獲得。的值越大，則對(duì)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(cè)模式的子塊的方塊現(xiàn)象較明顯，則對(duì)該子塊中的對(duì)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。濾波器在像素點(diǎn)級(jí)別上的白適應(yīng)性正確區(qū)分由于量化誤差、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)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(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(duì)邊緣兩側(cè)像素點(diǎn)的灰度值的梯度差值設(shè)定門限a、對(duì)同一側(cè)的相鄰像素點(diǎn)的灰度值的梯度差值設(shè)定門限P來進(jìn)行真?zhèn)芜吔绲呐卸?。a和B的值主要與量化步長(zhǎng)有關(guān)，當(dāng)量化步長(zhǎng)大時(shí)，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(zhǎng)小時(shí)門限值也變小，體現(xiàn)了自適應(yīng)性。采樣點(diǎn)的設(shè)置見圖3。若條件都滿足，則進(jìn)開始濾波。!pi；苗由『叫曲QIj加i也

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圖3得誄灌像素示意圖除了這兩種自適應(yīng)性，還可以通過設(shè)置位于片級(jí)的系數(shù) 、 來調(diào)整濾波的強(qiáng)度。例如當(dāng)傳輸碼率較低時(shí)，方塊效應(yīng)較明顯，接收端想要主觀質(zhì)量相對(duì)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 、為正值，以此增大a和p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?；蛘邔?duì)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)。依據(jù)各像素邊緣值對(duì)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)的值選取對(duì)應(yīng)的濾波器進(jìn)行濾波并且進(jìn)行適當(dāng)?shù)募羟胁僮鳎苑乐箞D像的模糊當(dāng)值是，，時(shí)，采用一個(gè)抽頭的線性濾波器，對(duì)輸入的、、、進(jìn)行濾波調(diào)整得到新的、，如果內(nèi)部有虛假邊界，則進(jìn)一步調(diào)整、的值。當(dāng)值是時(shí)，則對(duì)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(duì)于亮度分量，若條件 ?a》 成立，則選擇拙頭濾波器對(duì)、進(jìn)行濾波，使用較強(qiáng)的抽頭濾波器對(duì)進(jìn)行濾波；若條件不成立，則只使用較弱的抽頭濾波器對(duì)進(jìn)行濾波，而、 的值保持不變。對(duì)于色度分量，若上述條件滿足，則對(duì)進(jìn)行抽頭濾波，若條件不滿足，則所有的像素值都不修改。對(duì)、、的濾波操作與、、的濾波操作相同。的5特3點(diǎn)3和結(jié)構(gòu)我們的 去方塊濾波是在 公司的 處理器上實(shí)現(xiàn)的。 系列 主要具有以下特點(diǎn)：高度并行的計(jì)算單元。 系列 體系架構(gòu)的核心是數(shù)據(jù)算術(shù)單元）包括個(gè)位的乘法累加器）個(gè)位的算術(shù)邏輯單元）個(gè)位單桶形的移位器，個(gè)位視頻。每個(gè) 能在單一時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)操作數(shù)執(zhí)行位乘位的乘法運(yùn)算。位的可累加個(gè)位的數(shù)字或者個(gè)位的數(shù)字。這種體系架構(gòu)可靈活地進(jìn)行值、位、位的數(shù)據(jù)運(yùn)算。動(dòng)態(tài)電源管理。處理器可以通過改變電壓和工作頻率，消耗比其他更少的功耗。 系列體系架構(gòu)的允許電壓和頻率獨(dú)立調(diào)整，使得每一項(xiàng)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／解碼器的開發(fā)，特別是對(duì)功耗有嚴(yán)格要求的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)視頻處理。高性能的地址產(chǎn)生器。具有個(gè) 數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器）用于產(chǎn)生支持高級(jí) 濾波運(yùn)算的地址的復(fù)合裝入或存儲(chǔ)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。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(duì)內(nèi)存的訪問時(shí)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(shí)間。特有的視頻操作指令。提供適合 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(gè)獨(dú)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(diǎn)有助于為終端應(yīng)用縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)降低了系統(tǒng)的總體成本。我們使用的 可以實(shí)現(xiàn) 的持續(xù)工作，具有： 的統(tǒng)一尋址空間； 的指令指令存儲(chǔ)器，其中 可配置成路的聯(lián)合 c個(gè) 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其中一半可配置為 c集成豐富的外圍設(shè)備和接口?；诘?去方塊濾波優(yōu)化實(shí)現(xiàn)去方塊濾波器在 優(yōu)化實(shí)現(xiàn)主要分為系統(tǒng)級(jí)別的優(yōu)化、算法級(jí)別的優(yōu)化、匯編級(jí)別的優(yōu)化個(gè)級(jí)別。系統(tǒng)級(jí)別的優(yōu)化打開 平臺(tái)中編譯器的優(yōu)化選項(xiàng)并將優(yōu)化速度設(shè)置為最快，打開 開關(guān)自動(dòng)內(nèi)聯(lián)開關(guān)以及開關(guān)優(yōu)化過程開關(guān)）通過以上的一些設(shè)置充分發(fā)揮 的硬件性能。算法級(jí)別的優(yōu)化將 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 的 基本擋次的解碼器中，并通過圖像序列對(duì)其進(jìn)行耗時(shí)分析。選用碼率為 /左右的 、 、 、 序列，去方塊濾波所耗費(fèi)的時(shí)鐘周期約為 ? 0即使在經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化后，計(jì)算復(fù)雜度仍然相當(dāng)大，效率很低，對(duì)于 處理器 的持續(xù)工作頻率是相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)。通過分析 中去方塊濾波程序，其效率低下的主要原因是：、）算法中的函數(shù)邏輯關(guān)系復(fù)雜，判斷、跳轉(zhuǎn)、函數(shù)調(diào)用等情況特別多；最耗時(shí)的部分，即函數(shù)循環(huán)的內(nèi)部存在大量的重復(fù)計(jì)算，造成計(jì)算復(fù)雜度劇增；算法中用到的不少數(shù)據(jù)，例如運(yùn)動(dòng)矢量、圖像的亮度和色度數(shù)據(jù)等存放在速度較慢的片外 中，但在濾波過程中的頻繁調(diào)用，使數(shù)據(jù)搬運(yùn)時(shí)間劇增。針對(duì)耗時(shí)的原因，對(duì)算法進(jìn)行了以下改進(jìn)：.將1原程序中復(fù)雜的函數(shù)及循環(huán)簡(jiǎn)單化指令長(zhǎng)度和運(yùn)算速度是相互制約的，往往將代碼通過條件判斷可以進(jìn)行高度精簡(jiǎn)，但由于增加了機(jī)器的判斷工作量而使得速度變慢；反之，將代碼中的判斷去除，程序進(jìn)行展開，往往可以減少耗費(fèi)的指令周期，但代碼長(zhǎng)度會(huì)增加。 中的去方塊濾波代碼較短，將其中的函數(shù)間關(guān)系簡(jiǎn)單化，以代碼長(zhǎng)度增加換取執(zhí)行速度的增加。對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行最耗時(shí)的循環(huán)體，采取適當(dāng)改寫循環(huán)形式、多重循環(huán)體展開等方法有效地減少運(yùn)算的復(fù)雜度。此外，減少調(diào)用函數(shù)次數(shù)，改寫語句也是有效的優(yōu)化手段。去2除參考代碼中的大量冗余代碼和重復(fù)計(jì)算因?yàn)槭褂玫膮⒖即a是 中的去方塊濾波模塊，該模塊可以對(duì) 的各種擋次和級(jí)別的碼流進(jìn)行濾波，而解碼器是基于基本擋次的，僅僅涉及到幀、幀的濾波操作，因此可以將參考代碼中的關(guān)于幀、/幀、場(chǎng)模式和幀場(chǎng)自適應(yīng)模式的相關(guān)濾波部分去除。繁調(diào)用片外數(shù)據(jù)的時(shí)間，提高了運(yùn)行速度；另一方面通過對(duì)待濾波宏塊的細(xì)分，減少了參考代碼中的判斷引起的流水線中斷，也在一定程度上提升了程序速度。匯編級(jí)別的優(yōu)化處理器的內(nèi)核支持或語言，但由系統(tǒng)自動(dòng)將程序翻譯成匯編語言效率比較低下，因此對(duì)一些系統(tǒng)調(diào)用比較頻繁、耗時(shí)較多的模塊，可以用人工將其轉(zhuǎn)化成高效率的匯編語言來提高運(yùn)行速度。主要通過以下幾個(gè)方面來提高程序的速度：以寄存器變量代替局部變量。在語言中，子程序和函數(shù)中往往使用局部變量來暫時(shí)存放數(shù)據(jù)。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，編譯器為聲明的所有局部變量開辟臨時(shí)內(nèi)存空間，對(duì)于局部變量的存取操作都涉及到內(nèi)存的存取，而內(nèi)存訪問的速度相對(duì)于寄存器訪問是很慢的。因此，可以利用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)寄存器、指針寄存器來替代僅僅起暫存作用的局部變量，從而大大節(jié)省系統(tǒng)訪問內(nèi)存帶來的時(shí)間延遲。但由于系統(tǒng)中的寄存器數(shù)量對(duì)于局部變量來說相當(dāng)有限，因此必須合理高效地使用寄存器。以硬件循環(huán)代替軟件循環(huán)。軟件循環(huán)是指在或 等循環(huán)的開始或結(jié)尾處設(shè)置判斷條件來控制循環(huán)的開始、繼續(xù)、結(jié)束。軟件循環(huán)的條件判斷指令會(huì)動(dòng)態(tài)地選擇分支，一旦發(fā)生跳轉(zhuǎn)，會(huì)阻塞流水線，而保持流水線的暢通是保持高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素。 處理器有專用的硬件支持兩級(jí)嵌套的零開銷硬件循環(huán)，這種方式不需要判斷條件轉(zhuǎn)移，硬件根據(jù)預(yù)定的循環(huán)次數(shù)自動(dòng)執(zhí)行循環(huán)并結(jié)束循環(huán)，從而保證了流水線的暢通，提高速度。充分利用數(shù)據(jù)總線寬度。 外部數(shù)據(jù)總線寬度位，一次可存取字節(jié)。因此，充分利用數(shù)據(jù)總訪問寬度，特別在操作大量數(shù)據(jù)時(shí)，保持一次存取4字節(jié)，可減少指令周期數(shù)，從而提高執(zhí)行速度。高效使用并行指令和向量指令。并行指令和向量指令是 系列 的一大特點(diǎn)。通過對(duì)并行指令的使用，可以充分發(fā)揮處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)及硬件資源的并行處理能力，減少指令數(shù)，從而提高程序執(zhí)行效率。往往通過對(duì)程序的合理安排可以做到使用條并行指令來替代2條或3條非并行指令。向量指令則充分利用指令寬度，同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行相同操作，如要進(jìn)行2個(gè)16位的算術(shù)或移位操作，完全可以通過個(gè)位的向量指令來實(shí)現(xiàn)，從而以個(gè)時(shí)鐘周期來實(shí)現(xiàn)原來個(gè)周期的工作。例如 就用個(gè)指令周期同時(shí)實(shí)現(xiàn)個(gè)16位數(shù)據(jù)的求絕對(duì)值操作。合理配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。限于片內(nèi)和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的訪問速度和容量特點(diǎn)，片內(nèi)空間存取速度快但容量很小，而片外空間較大但訪問速度慢，因此，合理地分配數(shù)據(jù)存放位置對(duì)于提高程序的運(yùn)行速度是十分關(guān)鍵的。對(duì)于使用頻率高的數(shù)據(jù)盡量放在片內(nèi)空間中，而不常用的數(shù)據(jù)放在片外空間中。若要存取位于片外的數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)將待存取的數(shù)據(jù)盡量安排成連續(xù)分布，一次將大塊的片外數(shù)據(jù)讀進(jìn)片內(nèi)緩存，避免頻繁讀取片外數(shù)據(jù)帶來的時(shí)間浪費(fèi)。

優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的結(jié)果測(cè)試優(yōu)化效果的方法是將參考代碼 中的去方塊濾波程序模塊加到原有的解碼器中進(jìn)行測(cè)試，并與經(jīng)過系統(tǒng)、算法、匯編個(gè)級(jí)別優(yōu)化e測(cè)試數(shù)據(jù)見表e測(cè)試數(shù)據(jù)見表兼I在方塊逮該枳塊優(yōu)就商后的冏期比較閏到苫林口㈤禧下二^逋二,優(yōu)正一

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