AV1的CDEF过程介绍

    CDEF即Constrained Directional Enhanced Filter（约束方向增强滤波器），是非线性空间滤波器，该滤波器以8x8 为基本单位，通过沿着物体的方向进行滤波。CDEF目的是为了消除变换、量化带来的振铃效应，同时还能保留物体边缘的清晰度，提升重建图像的质量。

1 CDEF在编解码器中的位置

    CDEF位于Loop Filter（去块滤波）之后，Up Scaler（超分辨率重建）/Loop Restoration（环路恢复滤波器）之前。

2 CDEF的滤波过程

    滤波过程分为三步：CDEF DIRECTION SEARCH、CDEF BLOCK 和CDEF FILTER 。

2.1 CDEF DIRECTION SEARCH-寻找最佳方向

    CDEF Direction是以8x8为基本单位，在8个方向上进行比较和寻找（方向如下图所示），找到物体边缘的最优方向。到底何为最优方向？就是沿着物体边缘某个方向上的pixel值，非常的相似。如果某个方向是物体的边缘，那么该方向pixel的SSD一定比其他方向计算出来的SSD小，因为该方向的像素值更接近，通过寻找最小SSD，我们就能找到物体边缘的形状。

    Direction 处理过程主要分为4 个步骤:
        1. 计算每个方向上所有像素与平均像素的差值partial[yDir][i]；
        2. 计算每个yDir方向分支的平方和，然后进行加权求和,得到cost[yDir]；
        3. 对8 个方向对应的cost［yDir］进行比较，取值最大者即为最优方向best_yDir；
        4. 计算directional_contrast value，用于CDEF Block中的luma strength Sp计算。

2.1.1 计算每个方向上所有像素与平均像素的差值

    计算公式为：

    式中yDir表示方向，取值范围[0,7],i表示在该方向存在多个分支，n表示在方向分支i上存在多少个pixel，pixeln表示分支i上的第n个pixel的值。特别的，在AV1协议中，若pixel的位宽大于8bits，则需要先把pixel缩放到8bits，且像素值要减去128，这么做的目的是为了使计算的整数只需要采用一个32位的有符号整数就可以了（原因请参考文献：THE AV1 CONSTRAINED DIRECTIONAL ENHANCEMENT FILTER (CDEF)）。下图是方向分支的示意图，以yDir=0为例，i取值范围为[0,14],表示在该方向存在15个分支。

2.1.2 计算每个yDir方向分支的平方和，然后进行加权求和；

    计算公式为：
    公式权重的存在是因为在每个yDir的i分支上，i的大小是不同的，pixel的数量是不同的，有的i有1个pixel，有的i有2个，最多的i有8个pixel。CDEF将分数weight放大840倍，把除法计算变成了乘法计算，840的来源是求1,2,3,4,5,6,7,8的最小公倍数。

2.1.3 判断最佳方向best_direction

    8个cost中最大的cost即为最优方向best_direction。为什么cost最大就是最优方向？我们明明需要找到SSD最小的yDir。这是SSD公式用方差-均值公式化简得到的，把求SSD最小转化成求cost最大，减少了计算量。(具体计算过程参见《THE AV1 CONSTRAINED DIRECTIONAL ENHANCEMENT FILTER (CDEF)》)

2.1.4 计算directional_contrast value

    计算公式为：

2.2 CDEF BLOCK-计算滤波器所需系数

     CDEF的二维滤波器公式如下：

    式中，y(i,j)是cdef后的值；x（i,j）是待滤波的值；x(m,n)-x(i,j)为临近采样pixel值-正在滤波pixel值（d，也称pixel difference）；Sp（primary strength,priStr）和Ss（secondary strength,secStr）为滤波强度，控制滤波结果的大小；D(damping)控制滤波范围，同样的pixel difference，使用不同的D，有的可以滤波，有的则无需滤波。
    基于上述CDEF的滤波公式，在得到best_direction和directional_contrast前提下，CDEF BLOCK过程主要计算三个参数：Sp，Ss和D，另外我们还需要确定两个权重系数Wp和Ws。

    滤波器f(d,S,D)的结果受上式控制。关于S和D对滤波器的影响参考下面的函数图，即S控制滤波强度，D控制滤波范围。

2.2.1 权重系数Wp和Ws的确定

    Wp和Ws仅由最佳的方向best_direction决定，具体系数见下图。

2.2.2 Sp、Ss和D

    对于encoder来说，确定Sp和Ss需要进行RDO，过程繁琐，下面仅就取值范围做一些说明。
    8bit depth：Sp取值范围为[0-15],Ss为[0,1,2,4]，D_luma为[3-6],D_chroma为[2-5]。
    12bit depth：Sp为[0-240],Ss为[0,16,32,64]，D_luma为[7-10],D_chroma为[6-9]。
    Sp、Ss跟bit depth是scaled关系，D跟bit depth是offset关系。
    对于Sp需要经过下式进行调整，式中的v即是directional_contrast。

    另外，CDEF要求D和S满足下式：

2.3 CDEF FILTER

    对每一个样点进行滤波，需要4个采用Sp的主direction样点，及8个采用Ss的样点，共计12个，代入上边提及的公式计算即可。
    为了防止滤波后的结果过大或过小，CDEF对y(i,j)还有如下限制：

    上式将y(i,j)限制在了抽头的12个pixel值的范围内。
    此外还有些filter语法元素相关的概念及一些边角位置的pixel处理，请参考下边我提及的参考文献。算法公式原理请详细阅读参考文献1.

3 CDEF Parameter汇总

4 参考文献

1. THE AV1 CONSTRAINED DIRECTIONAL ENHANCEMENT FILTER (CDEF)
2. AV1视频标准中的CDEF滤波器研究-罗瑜
3. An Overview of Core Coding Tools in the AV1 Video Codec - Yue Chen
4. A Technical Overview of AV1 - Jingning Han
5. https://github.com/AOMediaCodec/SVT-AV1/blob/master/Docs/Appendix-CDEF.md

标签：CDEF,Sp,滤波,AV1,介绍,方向,pixel
来源： https://blog.csdn.net/weixin_44696799/article/details/109284068