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

UHD 영상의 실시간 처리를 위한 고성능 HEVC SAO 부호화기 하드웨어 설계

This paper proposes high-performance SAO(Sample Adaptive Offset) in HEVC(High Efficiency Video Coding) encoder for Ultra HD video processing in real time. SAO is a newly adopted technique belonging to the in-loop filter in HEVC. The proposed SAO encoder hardware architecture uses three-layered buffers to minimize memory access time and to simplify pixel processing and also uses only adder, subtractor, shift register and feed-back comparator to reduce area. Furthermore, the proposed architecture consists of pipelined pixel classification and applying SAO parameters, and also classifies four consecutive pixels into EO and BO concurrently. These result in the reduction of processing time and computation. The proposed SAO encoder architecture is designed by Verilog HDL, and implemented by 180k logic gates in TSMC $0.18{\mu}m$ process. At 110MHz, the proposed SAO encoder can support 4K Ultra HD video encoding at 30fps in real time.

본 논문에서는 UHD급 영상의 실시간 처리를 위한 고성능 HEVC(High Efficiency Video Coding) SAO(Sample Adaptive Offset) 부호화기의 효율적인 하드웨어 구조를 제안한다. SAO는 HEVC에서 새롭게 채택된 루프 내 필터 기술 중 하나이다. 본 논문에서 제안하는 SAO 부호화기 하드웨어 구조는 메모리 접근 최소화 및 화소들의 처리를 간소화하기 위해 three-layered buffer를 사용한다. 또한 연산시간 및 연산량을 줄이기 위해서 4개의 화소들을 병렬적으로 에지 오프셋과 밴드 오프셋으로 분류하며, 화소들의 분류와 SAO 파라메터 적용을 2단계 파이프라인 구조로 구현하고, 하드웨어 면적을 줄이기 위해서 덧셈과 뺄셈, 쉬프트 연산, 그리고 재귀 비교기만을 사용한다. 본 논문에서 제안하는 SAO 부호화기 하드웨어 구조는 Verilog HDL로 설계하였으며, TSMC $0.18{\mu}m$ CMOS 표준 셀 라이브러리를 사용하여 합성한 결과 약 180k개의 게이트로 구현되었다. 또한, 110MHz의 동작주파수에서 4K UHD급 해상도인 $4096{\times}2160@30fps$의 실시간 처리가 가능하다.