基于FPGA的AVS的環(huán)路濾波器的實現(xiàn)-設計應用

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摘要：AVS視頻標準中，自適應環(huán)路器在實現(xiàn)時存在許多條件運算（如濾波強度的計算、邊界閾值和跳轉(zhuǎn)等的計算）及其對于數(shù)據(jù)的訪問比較繁瑣，使得濾波器的算法復雜度很高。并且塊效應可能會出現(xiàn)在每個8x8塊的邊界上。而該濾波器以8x8塊為單位進行濾波，減少對存儲器的訪問，加快了處理速度，大大節(jié)省了算法的硬件實現(xiàn)面積。并且適當增加片上存儲空間來緩解外存的壓力來提高濾波模塊的效率，采用VHDL語言進行設計、仿真，通過FPGA驗證。綜合仿真結(jié)果表明，該設計占用資源較少。頻率可達170MHz，可實時解碼D1分辨率序列的AVS碼流。

0引言

我國數(shù)字音頻編解碼技術(shù)標準AVS第二部分主要是針對高清晰度數(shù)字電視廣播和高密度存儲媒體應用，采用了與H.264類似的技術(shù)框架，包括變換、量化、熵編碼、幀內(nèi)預測、幀間預測、環(huán)路濾波等技術(shù)模塊，與H.264性能相同，當技術(shù)簡潔，實現(xiàn)復雜度低。但在低碼率的情況下，由于不同圖像塊做了不同的量化處理，有時是量化步長不同，有時是舍入的高頻分量不一樣，這樣就造成圖像塊之間的相關(guān)性被破壞，在塊的邊界處就出現(xiàn)不連續(xù)或整塊的塊斑現(xiàn)象，稱為塊效應。

為了減小塊效應，AVS引入了環(huán)路濾波器。根據(jù)AVS視頻標準可知，環(huán)路濾波的復雜度很高，包含了很多的條件跳轉(zhuǎn)運算和數(shù)學運算，對存儲數(shù)據(jù)有大量且頻繁的讀寫操作，完成一個16×16的宏塊濾波，對同一個子塊需要讀寫四次。并且運動補償、幀間插值等運算已經(jīng)占用很大部分的帶寬資源。對整個系統(tǒng)而言，由于總線本身的利用效率的因素，在一定的時鐘頻率下，系統(tǒng)實際可用的帶寬是很有限的。

本文正是基于降低環(huán)路濾波的計算復雜度，減少與片外存儲器的數(shù)據(jù)交換，提高濾波速率，實現(xiàn)實時解碼的應用需求，對AVS解碼標準進行了研究。依據(jù)AVS環(huán)路濾波算法的特點提出以8x8塊為單位進行濾波，適當增加片上存儲空間的方式來提高濾波模塊的效率，以實現(xiàn)實時解碼。

1環(huán)路濾波算法

AVS環(huán)路濾波器放在幀間預測和運動補償之前，用濾波后的幀做后續(xù)幀的參考幀。參考幀性能的提高能提高預測效果，從而提高編碼效率。環(huán)路濾波去除了虛假的塊邊界，使得重構(gòu)圖像的主觀質(zhì)量有了明顯地提高。

AVS視頻標準中，變換采用了8×8的整數(shù)DCT變換，運動估計的塊尺寸也是8×8,因此塊效應可能會出現(xiàn)在每個8×8塊的邊界上。標準中規(guī)定，除圖像邊界及條帶的邊界之外宏塊的所有邊界都應進行濾波。這里的宏塊邊界定義為宏塊內(nèi)部各個8×8塊的邊界以及當前宏塊與與相鄰宏塊的上邊界和左邊界。

環(huán)路濾波以宏塊為單位，按照光柵掃描順序依次處理。每個宏塊對亮度和色度分別進行環(huán)路濾波，首先從左到右對垂直邊界濾波，然后從上到下對水平邊界濾波。當前宏塊的上邊或者左邊像素值可能在以前的環(huán)路濾波過程中被修改，當前宏塊的濾波處理的輸入為這些可能被修改的像素值，并且當前宏塊的環(huán)路濾波還可能進一步修改這些像素值。

1.1濾波算法流程

AVS標準的去塊濾波操作大致可以分為兩個步驟：首先，進行邊界濾波強度（Bs）的判別；然后根據(jù)不同的Bs取值來進行相應的強濾波（StrongFilter）、標準濾波（NormalFilter）或者不濾波（Skip）的操作。濾波算法流程如圖1所示。

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