带有环路滤波的HEVC视频解码器的结构和应用实例分析

1.0引言
高效视频编码（HEVC）是H.264/MPEG-4AVC（高级视频编码）的一种升级版视频压缩标准（即ISO/IEC23008-2MPEG-H第2部分和ITU-TH.265）是由ISO/IEC动态图像专家组（MPEG）和ITU-T视频编码专家组（VCEG）共同编写的。与业界标准H.264相比，HEVC能够以几乎同样的视频质量实现半比特速率，并且有望在视频应用中得到广泛运用，其中包括：手机、广播、机顶盒、视频会议、视频监控、车载等。
下图显示了带有环路滤波的HEVC视频解码器结构图，突出显示的即为环路滤波。如图所示，它是一个可去除视频编码过程中块效应的两个级组成的级联，即去块效应滤波（DBLK）和采样自适应偏移（SAO）滤波。接下来的两部分内容将详细描述这个级。
带有环路滤波的HEVC视频解码器的结构和应用实例分析
带有环路滤波的HEVC视频解码器的结构和应用实例分析
图1HEVC视频解码器结构图
2.0去块效应滤波（DBLK）
本部分将阐述去块效应滤波，如HEVC视频标准［1］所述。去块效应滤滤器运行可大体可分为两部分：
1.滤波器边缘上的边界滤波强度（akaBS）计算
2.滤波器的实际运行
纵观整个去块效应滤波器运行，本文献采用了以下惯例：Q像素位于“纵向”滤波器的右侧，P像素位于“纵向”滤波器左侧。同样，Q属于“横向”滤波器边缘下方的像素，P属于“横向”滤波器边缘上方的像素。

图2环内去块效应滤波中称为惯例的相邻像素
2.1滤波器边缘强度（akaBS）
边界滤波强度［hor/ver］［xpos］［ypos］计算是在一个8x8网格上完成的，取值0、1、2，如下图所示：
虽然在8x8网格的每个像素边缘上都有滤波器（8x8结构包括4像素边缘），但就一个4像素段的所有像素而言，边界滤波强度计算的属性可以被组合。就强度计算而言，我们假设每个4像素段作为一个级。请注意，边界滤波强度计算取决于当前、左侧和顶部LCULCUinfo。

图3边界滤波强度（BS）结构图，在8x8网格中显示了边缘及其编号
2.1.1边界滤波强度功能概述
边界滤波强度计算是在一个8x8网格上完成的，设置图片为0，且分片边界（sliceboundarie）（ifloop_filter_across_slice_enabled_flag=0），Tile边界（loop_filter_across_tile_enabled_flag=0）。
只有8x8像素边界经过滤波，即预测单元（PU）和/或转换单元（TU）边界，滤波过程如下。

图4PU和TU部分的边界滤波强度（BS）与边缘调谐
边界滤波强度推导规则：

感兴趣的读者可参见HEVC规范，了解以下内容：
1.边界滤波强度的TU边界滤波强度推导：8.7.2.1章节
2.边界滤波强度的PU边界滤波强度推导：8.7.2.2章节
3.边界滤波强度推导：8.7.2.3章节
2.1.2色度边界滤波强度推导
只有8x8色度像素网格上的PU和/或TU边界得到滤波。色度边界滤波强度值源自亮度边界滤波强度值。就色度滤波器4:2：0（q0，p0）采样而言，从相应的（2q0，2p0）亮度采样（即BS{Hor/ver}［xpos/2］［ypos/2］图中的2因素下行采样）获取边界滤波强度。

图5色度边界滤波强度映射：匹配到8x8网格然后除以2
2.2滤波器运行
该部分将阐述去除HEVC视频标准中特定块效应的实际滤波。
2.2.1滤波器的阶数
就HEVC而言，规定的滤波器阶数为帧级（不是LCU级），如下所示：
1.在整个帧处理过程中，对所有块的竖向边缘都进行了H滤波。
2.在整个帧处理过程中，对所有块的横向边缘都进行了V滤波。
滤波是完全独立的8x8滤波段，如图6所示：

图68x8块级独立滤波
是否需要亮度/色度（开启/关闭判定）滤波、滤波级别（弱滤波/强滤波）以及最终的实际滤波运行将在下面章节阐述。
2.2.2亮度滤波器开启/关闭以及弱/强滤波的判定
滤波器开/关判定和亮度强/弱判定是根据上图所示的四个行列段进行的。
如果边界滤波强度等于0，则按顺序进行以下步骤：
qPL=（（QPP+QPQ+1）》》1），QPP和QPQ为亮度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（弱滤波）;
如果（dp》1））》》3））dEp=1//对滤波采样的数量进行弱滤波
If（dq》1））》》3））dEq=1//对滤波采样的数量进行弱滤波

图7去块效应滤波中滤波开/关以及滤波强度判定中的像素使用

表1qp、tc和β（BETA_TABLE和TC_TABLE）之间的关系
2.2.3亮度强滤波以及弱滤波
2.2.3.1亮度强滤波机制
4像素部分共享同一个判定（dE，dEp，dEq）
如果（dE==2），则进行强滤波以修改每端的三个像素
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）

图8亮度DBLK滤波和边缘周围像素点的使用
2.2.3.2亮度弱滤波机制
4像素部分共享同一个判定（dE，dEp，dEq）
如果（dE==1），则进行弱滤波以修改每端的一个或二个像素
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，则滤波采样值q1’规定如下：
Δq=Clip3（-（tc》》1），tc》》1，（（（q2+q0+1）》》1）–q1–Δ）》》1）
q1’=Clip1Y（q1+Δq））
2.2.4色度滤波
只有8x8色度像素网格上的PU和/或TU边界得到滤波
边界滤波强度源自亮度（对每个方向进行２因素下行采样）（请参见色度边界滤波强度推导小节）
qPI=（（（QPQ+QPP+1）》》1）+cqp_offset），其中此处的cqp_offset分别代表组件Cb/U和Cr/V的pic_cb_qp_offset和pic_cr_qp_offset。
下表的qPI包括了qPC

图9色度DBLK滤波和边缘周围像素点的使用

表2QPc向qPi转换
tc=TC_TABLE［Clip3（0，53，qPC+2*（BS-1）+（tc_offset_div21时，则Chroma滤波器将被开启
Δ=Clip3（-tC，tC，（（（（q0–p0）》3））
p0’=Clip1C（p0+Δ）
q0’=Clip1C（q0-Δ）
3.1.3边界条件处理
需要条件处理的有三种条件：
1.图像边界（上、下、左、右）
2.分片边界以及slice_loop_filter_across_slices_enabled_flag=0。跨跃分片滤波适用于给定分片边界的左侧和上侧边缘（并非所有方向）
3.瓦片边界和loop_filter_across_tiles_enabled_flag=0
在上述情况中，分片边界沿线的像素未被处理，具体取决于SAO类型。
就BO而言，所有像素都将被处理。
就EO而言，像素有效性将根据SAO类型进行，如果在边界条件下像素无效，其将跳过进行处理（即0漂移）。
下图对边界条件处理进行了描述。

图14SAO解码器的边界处理实例
3.1.4条件处理
在下列条件时，SAO滤波将关闭。
SAO类型idx=OFF
CU类型=PCM且环路滤波器被描述为PCM类型
CU类型=TQBypss（无损耗）
限幅电平SAO=OFF