Low Area Hardware Design of Efficient SAO for HEVC Encoder

This paper proposes a hardware architecture for an efficient SAO(Sample Adaptive Offset) with low area for HEVC(High Efficiency Video Coding) encoder. SAO is a newly adopted technique in HEVC as part of the in-loop filter. SAO reduces mean sample distortion by adding offsets to reconstructed samples. The existing SAO requires a great deal of computational and processing time for UHD(Ultra High Definition) video due to sample by sample processing. To reduce SAO processing time, the proposed SAO hardware architecture processes four samples simultaneously, and is implemented with a 2-step pipelined architecture. In addition, to reduce hardware area, it has a single architecture for both luma and chroma components and also uses optimized and common operators. The proposed SAO hardware architecture is designed using Verilog HDL(Hardware Description Language), and has a total of 190k gates in TSMC $0.13{\mu}m$ CMOS standard cell library. At 200MHz, it can support 4K UHD video encoding at 60fps in real time, but operates at a maximum of 250MHz.

HEVC 부호기를 위한 효율적인 SAO의 저면적 하드웨어 설계

본 논문에서는 HEVC(High Efficiency Video Coding) 부호기를 위한 효율적인 SAO(Sample Adaptive Offset)의 저면적 하드웨어 구조를 제안한다. SAO는 HEVC 영상 압축 표준에서 채택된 새로운 루프 내 필터 기술로서 최적의 오프셋 값들을 화소 단위로 적용하여 영역 내 평균 화소 왜곡을 감소시킨다. 하지만 표준 SAO는 화소 단위 연산을 수행하기 때문에 초고해상도 영상을 처리하기 위해서 많은 연산시간과 연산량을 요구한다. 제안하는 SAO 하드웨어 구조는 SAO의 연산시간을 감소시키기 위해서 한번에 4개의 입력 화소들을 병렬적으로 처리하며, 2단계 파이프라인 구조를 갖는다. 또한 하드웨어 면적을 최소화하기 위해서 휘도 성분과 색차 성분에 대해 단일 구조를 가지며, 하드웨어에 적합한 연산기 및 공통 연산기를 사용한다. 제안하는 SAO 하드웨어 구조는 Verilog HDL로 설계하였으며, TSMC $0.13{\mu}m$ CMOS 표준 셀 라이브러리로 합성한 결과 약 190k개의 게이트로 구현되었다. 제안하는 SAO 하드웨어 구조는 200MHz의 동작주파수에서 4K UHD@60fps 영상의 실시간 처리가 가능하며, 최대 250MHz까지 동작 가능하다.