Hardware Design of High Performance ALF in HEVC Encoder for Efficient Filter Coefficient Estimation

본 논문에서는 필터 계수를 효율적으로 추출하기 위한 고성능 ALF(Adaptive Loop Filter)의 하드웨어 구조를 제안한다. HEVC의 ALF 기술은 고해상도 및 고화질의 영상을 높은 효율로 압축하고 주관적 화질을 향상시키기 위해 영상의 통계적인 특성을 이용한 필터 계수를 추출하여 필터링을 수행한다. 제안하는 ALF 하드웨어 구조는 필터 계수를 추출하기 위한 촐레스키 분해의 연산 관계를 분석하여 2단 파이프 구조로 설계함으로써 수행 사이클을 감소시켰다. 또한, 촐레스키 분해의 연산 과정에서 필요한 루트 연산은 멀티플렉서와 뺄셈기, 비교기 등을 이용하여 설계함으로써 적은 면적과 연산량, 복잡도를 갖는 하드웨어 구조로 설계하였다. 제안한 하드웨어는 Xilinx ISE 14.3 Vertex-7 XC7VCX485T FPGA 디바이스를 사용하여 합성한 결과 4K(3840x2160)@40fps의 영상을 실시간 처리할 수 있고, 최대 동작주파수는 186MHz이다. This paper proposes the hardware architecture of high performance ALF(Adaptive Loop Filter) for efficient filter coefficient estimation. In order to make the original image which has high resolution and high quality into highly compressed image effectively and also, subjective image quality into improved image, the ALF technique of HEVC performs a filtering by estimating filter coefficients using statistical characteristics of image. The proposed ALF hardware architecture is designed with a 2-step pipelined architecture for a reduction in performance cycle by analysing an operation relationship of Cholesky decomposition for the filter coefficient estimation. Also, in the operation process of the Cholesky decomposition, a square root operation is designed to reduce logic area, computation time and computation complexity by using the multiplexer, subtracter and comparator. The proposed hardware architecture is designed using Xilinx ISE 14.3 Vertex-7 XC7VCX485T FPGA device and can support 4K UHD@40fps in real time at a maximum operation frequency of 186MHz.