帶有環(huán)路濾波的HEVC視頻解碼器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用實(shí)例分析

1.0引言
高效視頻編碼（HEVC）是H.264/MPEG-4AVC（高級(jí)視頻編碼）的一種升級(jí)版視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)（即ISO/IEC23008-2MPEG-H第2部分和ITU-TH.265）是由ISO/IEC動(dòng)態(tài)圖像專家組（MPEG）和ITU-T視頻編碼專家組（VCEG）共同編寫(xiě)的。與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)H.264相比，HEVC能夠以幾乎同樣的視頻質(zhì)量實(shí)現(xiàn)半比特速率，并且有望在視頻應(yīng)用中得到廣泛運(yùn)用，其中包括：手機(jī)、廣播、機(jī)頂盒、視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控、車(chē)載等。
下圖顯示了帶有環(huán)路濾波的HEVC視頻解碼器結(jié)構(gòu)圖，突出顯示的即為環(huán)路濾波。如圖所示，它是一個(gè)可去除視頻編碼過(guò)程中塊效應(yīng)的兩個(gè)級(jí)組成的級(jí)聯(lián)，即去塊效應(yīng)濾波（DBLK）和采樣自適應(yīng)偏移（SAO）濾波。接下來(lái)的兩部分內(nèi)容將詳細(xì)描述這個(gè)級(jí)。
帶有環(huán)路濾波的HEVC視頻解碼器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用實(shí)例分析
帶有環(huán)路濾波的HEVC視頻解碼器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用實(shí)例分析
圖1HEVC視頻解碼器結(jié)構(gòu)圖
2.0去塊效應(yīng)濾波（DBLK）
本部分將闡述去塊效應(yīng)濾波，如HEVC視頻標(biāo)準(zhǔn)［1］所述。去塊效應(yīng)濾濾器運(yùn)行可大體可分為兩部分：
1.濾波器邊緣上的邊界濾波強(qiáng)度（akaBS）計(jì)算
2.濾波器的實(shí)際運(yùn)行
縱觀整個(gè)去塊效應(yīng)濾波器運(yùn)行，本文獻(xiàn)采用了以下慣例：Q像素位于“縱向”濾波器的右側(cè)，P像素位于“縱向”濾波器左側(cè)。同樣，Q屬于“橫向”濾波器邊緣下方的像素，P屬于“橫向”濾波器邊緣上方的像素。

圖2環(huán)內(nèi)去塊效應(yīng)濾波中稱為慣例的相鄰像素
2.1濾波器邊緣強(qiáng)度（akaBS）
邊界濾波強(qiáng)度［hor/ver］［xpos］［ypos］計(jì)算是在一個(gè)8x8網(wǎng)格上完成的，取值0、1、2，如下圖所示：
雖然在8x8網(wǎng)格的每個(gè)像素邊緣上都有濾波器（8x8結(jié)構(gòu)包括4像素邊緣），但就一個(gè)4像素段的所有像素而言，邊界濾波強(qiáng)度計(jì)算的屬性可以被組合。就強(qiáng)度計(jì)算而言，我們假設(shè)每個(gè)4像素段作為一個(gè)級(jí)。請(qǐng)注意，邊界濾波強(qiáng)度計(jì)算取決于當(dāng)前、左側(cè)和頂部LCULCUinfo。

圖3邊界濾波強(qiáng)度（BS）結(jié)構(gòu)圖，在8x8網(wǎng)格中顯示了邊緣及其編號(hào)
2.1.1邊界濾波強(qiáng)度功能概述
邊界濾波強(qiáng)度計(jì)算是在一個(gè)8x8網(wǎng)格上完成的，設(shè)置圖片為0，且分片邊界（sliceboundarie）（ifloop_filter_across_slice_enabled_flag=0），Tile邊界（loop_filter_across_tile_enabled_flag=0）。
只有8x8像素邊界經(jīng)過(guò)濾波，即預(yù)測(cè)單元（PU）和/或轉(zhuǎn)換單元（TU）邊界，濾波過(guò)程如下。

圖4PU和TU部分的邊界濾波強(qiáng)度（BS）與邊緣調(diào)諧
邊界濾波強(qiáng)度推導(dǎo)規(guī)則：

感興趣的讀者可參見(jiàn)HEVC規(guī)范，了解以下內(nèi)容：
1.邊界濾波強(qiáng)度的TU邊界濾波強(qiáng)度推導(dǎo)：8.7.2.1章節(jié)
2.邊界濾波強(qiáng)度的PU邊界濾波強(qiáng)度推導(dǎo)：8.7.2.2章節(jié)
3.邊界濾波強(qiáng)度推導(dǎo)：8.7.2.3章節(jié)
2.1.2色度邊界濾波強(qiáng)度推導(dǎo)
只有8x8色度像素網(wǎng)格上的PU和/或TU邊界得到濾波。色度邊界濾波強(qiáng)度值源自亮度邊界濾波強(qiáng)度值。就色度濾波器4:2：0（q0，p0）采樣而言，從相應(yīng)的（2q0，2p0）亮度采樣（即BS{Hor/ver}［xpos/2］［ypos/2］圖中的2因素下行采樣）獲取邊界濾波強(qiáng)度。

圖5色度邊界濾波強(qiáng)度映射：匹配到8x8網(wǎng)格然后除以2
2.2濾波器運(yùn)行
該部分將闡述去除HEVC視頻標(biāo)準(zhǔn)中特定塊效應(yīng)的實(shí)際濾波。
2.2.1濾波器的階數(shù)
就HEVC而言，規(guī)定的濾波器階數(shù)為幀級(jí)（不是LCU級(jí)），如下所示：
1.在整個(gè)幀處理過(guò)程中，對(duì)所有塊的豎向邊緣都進(jìn)行了H濾波。
2.在整個(gè)幀處理過(guò)程中，對(duì)所有塊的橫向邊緣都進(jìn)行了V濾波。
濾波是完全獨(dú)立的8x8濾波段，如圖6所示：

圖68x8塊級(jí)獨(dú)立濾波
是否需要亮度/色度（開(kāi)啟/關(guān)閉判定）濾波、濾波級(jí)別（弱濾波/強(qiáng)濾波）以及最終的實(shí)際濾波運(yùn)行將在下面章節(jié)闡述。
2.2.2亮度濾波器開(kāi)啟/關(guān)閉以及弱/強(qiáng)濾波的判定
濾波器開(kāi)/關(guān)判定和亮度強(qiáng)/弱判定是根據(jù)上圖所示的四個(gè)行列段進(jìn)行的。
如果邊界濾波強(qiáng)度等于0，則按順序進(jìn)行以下步驟：
qPL=（（QPP+QPQ+1）》》1），QPP和QPQ為亮度QPs
β=BETA_TABLE［Clip3（0，51，qPL+（beta_offset_div2》2））&&（|p3，0-p0，0|+|q3，0-q0，0|》3））&&（|p0，0-q0，0|》1）））dSam0=1
If（（2*dpq3》2））&&（|p3，3-p0，3|+|q3，3-q0，3|》3））&&（|p0，3-q0，3|》1）））dSam3=1
如果（dSam0==1&&dSam3==1）dE=2（strongfilter）;其他dE=1（弱濾波）;
如果（dp》1））》》3））dEp=1//對(duì)濾波采樣的數(shù)量進(jìn)行弱濾波
If（dq》1））》》3））dEq=1//對(duì)濾波采樣的數(shù)量進(jìn)行弱濾波

圖7去塊效應(yīng)濾波中濾波開(kāi)/關(guān)以及濾波強(qiáng)度判定中的像素使用

表1qp、tc和β（BETA_TABLE和TC_TABLE）之間的關(guān)系
2.2.3亮度強(qiáng)濾波以及弱濾波
2.2.3.1亮度強(qiáng)濾波機(jī)制
4像素部分共享同一個(gè)判定（dE，dEp，dEq）
如果（dE==2），則進(jìn)行強(qiáng)濾波以修改每端的三個(gè)像素
p0‘=Clip3（p0？2*tc，p0+2*tc，（p2+2*p1+2*p0+2*q0+q1+4）》》3）
p1’=Clip3（p1？2*tc，p1+2*tc，（p2+p1+p0+q0+2）》》2）
p2‘=Clip3（p2？2*tc，p2+2*tc，（2*p3+3*p2+p1+p0+q0+4）》》3）
q0’=Clip3（q0？2*tc，q0+2*tc，（p1+2*p0+2*q0+2*q1+q2+4）》》3）
q1‘=Clip3（q1？2*tc，q1+2*tc，（p0+q0+q1+q2+2）》》2）
q2’=Clip3（q2？2*tc，q2+2*tc，（p0+q0+q1+3*q2+2*q3+4）》》3）

圖8亮度DBLK濾波和邊緣周?chē)袼攸c(diǎn)的使用
2.2.3.2亮度弱濾波機(jī)制
4像素部分共享同一個(gè)判定（dE，dEp，dEq）
如果（dE==1），則進(jìn)行弱濾波以修改每端的一個(gè)或二個(gè)像素
D=（9*（q0–p0）-3*（q1–p1）+8）》》4
如果（aBS（Δ）》1），tc》》1，（（（p2+p0+1）》》1）–p1+Δ）》》1）
p1’=Clip1Y（p1+Δp）
ifdEq等于1，則濾波采樣值q1’規(guī)定如下：
Δq=Clip3（-（tc》》1），tc》》1，（（（q2+q0+1）》》1）–q1–Δ）》》1）
q1’=Clip1Y（q1+Δq））
2.2.4色度濾波
只有8x8色度像素網(wǎng)格上的PU和/或TU邊界得到濾波
邊界濾波強(qiáng)度源自亮度（對(duì)每個(gè)方向進(jìn)行２因素下行采樣）（請(qǐng)參見(jiàn)色度邊界濾波強(qiáng)度推導(dǎo)小節(jié)）
qPI=（（（QPQ+QPP+1）》》1）+cqp_offset），其中此處的cqp_offset分別代表組件Cb/U和Cr/V的pic_cb_qp_offset和pic_cr_qp_offset。
下表的qPI包括了qPC

圖9色度DBLK濾波和邊緣周?chē)袼攸c(diǎn)的使用

表2QPc向qPi轉(zhuǎn)換
tc=TC_TABLE［Clip3（0，53，qPC+2*（BS-1）+（tc_offset_div21時(shí)，則Chroma濾波器將被開(kāi)啟
Δ=Clip3（-tC，tC，（（（（q0–p0）》3））
p0’=Clip1C（p0+Δ）
q0’=Clip1C（q0-Δ）
3.1.3邊界條件處理
需要條件處理的有三種條件：
1.圖像邊界（上、下、左、右）
2.分片邊界以及slice_loop_filter_across_slices_enabled_flag=0。跨躍分片濾波適用于給定分片邊界的左側(cè)和上側(cè)邊緣（并非所有方向）
3.瓦片邊界和loop_filter_across_tiles_enabled_flag=0
在上述情況中，分片邊界沿線的像素未被處理，具體取決于SAO類型。
就BO而言，所有像素都將被處理。
就EO而言，像素有效性將根據(jù)SAO類型進(jìn)行，如果在邊界條件下像素?zé)o效，其將跳過(guò)進(jìn)行處理（即0漂移）。
下圖對(duì)邊界條件處理進(jìn)行了描述。

圖14SAO解碼器的邊界處理實(shí)例
3.1.4條件處理
在下列條件時(shí)，SAO濾波將關(guān)閉。
SAO類型idx=OFF
CU類型=PCM且環(huán)路濾波器被描述為PCM類型
CU類型=TQBypss（無(wú)損耗）
限幅電平SAO=OFF