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-4 AVC（高级视频编码）的一种升级版视频压缩标准（即ISO/IEC 23008-2 MPEG-H第2部分和ITU-T H.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。

图1 HEVC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（aka BS）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（aka BS）

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LCU LCUinfo。

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（slice boundarie） （if loop_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4 PU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6 8x8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 （strong filter）; 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1 qp、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）

if dEq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2 QPc向qPi转换

tc = TC_TABLE［Clip3（0，53，qPC+2*（BS-1）+（tc_offset_div2 1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14 SAO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

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