RTL implementation of the adaptive loop filter for VVC encoder

This thesis explores the design and RTL implementation of the Adaptive Loop Filter (ALF) within the Versatile Video Coding (VVC) standard, developed by the Joint Video Experts Team and Fraunhofer HHI. The ALF is crucial for reducing visual artifacts in VVC-encoded video streams. The research was conducted during an internship at Allegro DVT in Grenoble, France. The State of the Art section offers a comprehensive analysis of the ALF’s technical specifications as outlined in the VVC standard. The filter employs a diamond-shaped pattern applied to 7x7 pixel blocks for luminance. It computes new pixel values based on neighboring pixel luminance, using coefficients influenced by parameters such as class index, filter set, and transposition index. This filtering process is optimized through gradient-based calculations on 4x4 pixel blocks, enabling the encoder to select the most suitable filter for each block to minimize distortion while balancing computational demands. The thesis details the translation from the ALF specification and the software encoder into RTL implementation, including technical optimization choices. It covers fundamental RTL design concepts such as flip-flop processes, combinatorial logic, registers, pipelining, valid/ready interfaces, FIFO, FSM, and RAM, which are crucial for developing a thorough understanding of the mechanisms involved. The implementation section describes the ALF's decomposition and block-by-block realization of its functions, emphasizing technical decisions and optimizations to meet design requirements and reduce synthesis area. A validation and testing method is also outlined. In conclusion, the thesis confirms the successful RTL design of the ALF, highlights the personal and professional benefits gained from the internship, and reflects on the subject and context of the project.

Questa tesi esplora la progettazione e l'implementazione RTL del Adaptive Loop Filter (ALF) all'interno dello standard Versatile Video Coding (VVC), sviluppato dal Joint Video Experts Team e dal Fraunhofer HHI. L'ALF è cruciale per ridurre gli artefatti visivi nei flussi video codificati in VVC. La ricerca è stata condotta durante uno stage presso Allegro DVT a Grenoble, in Francia. La sezione sullo Stato dell'Arte offre un'analisi approfondita delle specifiche tecniche dell'ALF come descritto nello standard VVC. Il filtro utilizza un modello a forma di diamante applicato a blocchi di 7x7 pixel per la luminanza. Calcola nuovi valori di pixel in base alla luminanza dei pixel vicini, utilizzando coefficienti influenzati da parametri come l'indice di classe, il set di filtri e l'indice di trasposizione. Questo processo di filtraggio è ottimizzato tramite calcoli basati su gradienti su blocchi di 4x4 pixel, consentendo all'encoder di selezionare il filtro più adatto per ciascun blocco al fine di ridurre al minimo la distorsione, bilanciando al contempo le richieste computazionali. La tesi descrive la traduzione dalla specifica dell'ALF e dell'encoder software all'implementazione RTL, comprese le scelte tecniche di ottimizzazione. Vengono trattati i concetti fondamentali della progettazione RTL come i processi flip-flop, la logica combinatoria, i registri, il pipelining, le interfacce valid/ready, FIFO, FSM e RAM, che sono cruciali per sviluppare una comprensione approfondita dei meccanismi coinvolti. La sezione sull'implementazione descrive la decomposizione dell'ALF e la realizzazione blocco per blocco delle sue funzioni, sottolineando le decisioni tecniche e le ottimizzazioni per soddisfare i requisiti di progettazione e ridurre l'area di sintesi. Viene inoltre delineato un metodo di validazione e test. In conclusione, la tesi conferma il successo della progettazione RTL dell'ALF, evidenzia i benefici personali e professionali acquisiti durante lo stage e riflette sul soggetto e il contesto del progetto.