解讀HEVC視頻標準的環內濾波

2020-12-06 電子產品世界

1.0 引言

高效視頻編碼(HEVC)是H.264/MPEG-4 AVC(高級視頻編碼)的一種升級版視頻壓縮標準(即ISO/IEC 23008-2 MPEG-H第2部分和ITU-T H.265)是由ISO/IEC動態圖像專家組(MPEG)和ITU-T視頻編碼專家組(VCEG)共同編寫的。與業界標準H.264相比，HEVC能夠以幾乎同樣的視頻質量實現半比特速率，並且有望在視頻應用中得到廣泛運用，其中包括：手機、廣播、機頂盒、視頻會議、視頻監控、車載等。


下圖顯示了帶有環路濾波的HEVC視頻解碼器結構圖，突出顯示的即為環路濾波。如圖所示，它是一個可去除視頻編碼過程中塊效應的兩個級組成的級聯，即去塊效應濾波(DBLK)和採樣自適應偏移(SAO)濾波。接下來的兩部分內容將詳細描述這個級。


圖1 HEVC視頻解碼器結構圖

2.0 去塊效應濾波(DBLK)


本部分將闡述去塊效應濾波，如HEVC視頻標準[1]所述。去塊效應濾濾器運行可大體可分為兩部分：


1. 濾波器邊緣上的邊界濾波強度(aka BS)計算

2. 濾波器的實際運行


縱觀整個去塊效應濾波器運行，本文獻採用了以下慣例：Q像素位於「縱向」濾波器的右側，P像素位於「縱向」濾波器左側。同樣，Q屬於「橫向」濾波器邊緣下方的像素，P屬於「橫向」濾波器邊緣上方的像素。


圖2 環內去塊效應濾波中稱為慣例的相鄰像素


2.1 濾波器邊緣強度(aka BS)


邊界濾波強度[hor/ver][xpos][ypos]計算是在一個8x8網格上完成的，取值0、1、2，如下圖所示：


雖然在8x8網格的每個像素邊緣上都有濾波器(8x8結構包括4像素邊緣),但就一個4像素段的所有像素而言，邊界濾波強度計算的屬性可以被組合。就強度計算而言，我們假設每個4像素段作為一個級。請注意，邊界濾波強度計算取決於當前、左側和頂部LCU LCUinfo。


圖3 邊界濾波強度(BS)結構圖，在8x8網格中顯示了邊緣及其編號

2.1.1 邊界濾波強度功能概述


邊界濾波強度計算是在一個8x8網格上完成的，設置圖片為0，且分片邊界(slice boundarie) (if loop_filter_across_slice_enabled_flag = 0)，Tile邊界(loop_filter_across_tile_enabled_flag = 0).


只有8x8像素邊界經過濾波，即預測單元(PU)和/或轉換單元(TU)邊界,濾波過程如下。


圖4 PU和TU部分的邊界濾波強度(BS)與邊緣調諧

邊界濾波強度推導規則：


感興趣的讀者可參見HEVC規範，了解以下內容：


1. 邊界濾波強度的TU邊界濾波強度推導：8.7.2.1章節

2. 邊界濾波強度的PU邊界濾波強度推導：8.7.2.2章節

3. 邊界濾波強度推導：8.7.2.3章節

2.1.2 色度邊界濾波強度推導


只有8x8色度像素網格上的PU和/或TU邊界得到濾波。色度邊界濾波強度值源自亮度邊界濾波強度值。就色度濾波器4:2:0 (q0, p0)採樣而言，從相應的(2q0, 2p0)亮度採樣(即BS{Hor/ver}[xpos/2][ypos/2]圖中的2因素下行採樣)獲取邊界濾波強度。


圖5 色度邊界濾波強度映射：匹配到8x8網格然後除以2

2.2 濾波器運行


該部分將闡述去除HEVC視頻標準中特定塊效應的實際濾波。


2.2.1 濾波器的階數


就HEVC而言，規定的濾波器階數為幀級(不是LCU級)，如下所示：


1. 在整個幀處理過程中，對所有塊的豎向邊緣都進行了H濾波。

2. 在整個幀處理過程中，對所有塊的橫向邊緣都進行了V濾波。


濾波是完全獨立的8x8濾波段，如圖6所示：


圖6 8x8塊級獨立濾波

是否需要亮度/色度(開啟/關閉判定)濾波、濾波級別(弱濾波/強濾波)以及最終的實際濾波運行將在下面章節闡述。

2.2.2 亮度濾波器開啟/關閉以及弱/強濾波的判定


濾波器開/關判定和亮度強/弱判定是根據上圖所示的四個行列段進行的。

如果邊界濾波強度等於0，則按順序進行以下步驟：


qPL= ((QPP+QPQ+1)>>1), QPP 和 QPQ 為亮度 QPs

β = BETA_TABLE[Clip3(0,51,qPL+(beta_offset_div2<<1)) ]

tc = TC_TABLE[Clip3(0,53,qPL+2*(BS-1)+(tc_offset_div2<<1)) ]

dp0 = |p2,0-2*p1,0+p0,0| ; dp3 =|p2,3-2*p1,3+p0,3|

dq0 = |q2,0-2*q1,0+q0,0| ; dq3 = |q2,3-2*q1,3+q0,3|

dpq0 = dp0+dq0 ; dpq3 = dp3+dq3

dp = dp0+dp3 ; dq = dq0+dq3

dE = dEp = dEq = 0

如果 (dpq0 + dpq3 < β) //濾波器開/關判定

If ( (2*dpq0 >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 (弱濾波);

如果 (dp < ((β+(β>>1))>>3) ) dEp = 1 //對濾波採樣的數量進行弱濾波

If (dq < ((β+(β>>1))>>3) ) dEq = 1 //對濾波採樣的數量進行弱濾波


圖7 去塊效應濾波中濾波開/關以及濾波強度判定中的像素使用

表1 qp、tc和β(BETA_TABLE和TC_TABLE)之間的關係

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