Hardware Design of High Performance In-loop Filter in HEVC Encoder for Ultra HD Video Processing in Real Time

UHD 영상의 실시간 처리를 위한 고성능 HEVC In-loop Filter 부호화기 하드웨어 설계

This paper proposes a high-performance in-loop filter in HEVC(High Efficiency Video Coding) encoder for Ultra HD video processing in real time. HEVC uses in-loop filter consisting of deblocking filter and SAO(Sample Adaptive Offset) to solve the problems of quantization error which causes image degradation. In the proposed in-loop filter encoder hardware architecture, the deblocking filter and SAO has a 2-level hybrid pipeline structure based on the $32{\times}32CTU$ to reduce the execution time. The deblocking filter is performed by 6-stage pipeline structure, and it supports minimization of memory access and simplification of reference memory structure using proposed efficient filtering order. Also The SAO is implemented by 2-statge pipeline for pixel classification and applying SAO parameters and it uses two three-layered parallel buffers to simplify pixel processing and reduce operation cycle. The proposed in-loop filter encoder architecture is designed by Verilog HDL, and implemented by 205K logic gates in TSMC 0.13um process. At 110MHz, the proposed in-loop filter encoder can support 4K Ultra HD video encoding at 30fps in realtime.

본 논문에서는 UHD급 영상의 실시간 처리를 위한 고성능 HEVC(High Efficiency Video Coding) In-loop Filter 부호화기의 효율적인 하드웨어 구조를 제안한다. HEVC는 양자화 에러로 발생하는 화질 열화 문제를 해결하기 위해 Deblocking Filter와 SAO(Sample Adaptive Offset)로 구성된 In-loop Filter를 사용한다. 본 논문에서 제안하는 In-loop Filter 부호화기 하드웨어 구조에서 Deblocking Filter와 SAO는 수행시간 단축을 위해 $32{\times}32CTU$를 기준으로 2단 하이브리드 파이브라인 구조를 갖는다. Deblocking Filter는 10단계 파이프라인 구조로 수행되며, 메모리 접근 최소화 및 참조 메모리 구조의 단순화를 위해 효율적인 필터링 순서를 제안한다. 또한 SAO는 화소들의 분류와 SAO 파라미터 적용을 2단계 파이프라인 구조로 구현하고, 화소들의 처리를 간소화 및 수행 사이클 감소를 위해 두 개의 병렬 Three-layered Buffer를 사용한다. 본 논문에서 제안하는 In-loop Filter 부호화기 하드웨어 구조는 Verilog HDL로 설계하였으며, TSMC 0.13um CMOS 표준 셀 라이브러리를 사용하여 합성한 결과 약 205K개의 게이트로 구현되었다. 또한 110MHz의 동작주파수에서 4K UHD급 해상도인 $3840{\times}2160@30fps$의 실시간 처리가 가능하다.