AV1技术学习之Chroma from Luma（CfL）

一、Chroma from Luma原理

Chroma from Luma（CfL）是一种色度帧内预测技术，是通过建立重建亮度像素和色度像素的线性模型来预测色度像素的：

其中表示亮度重建像素，线性模型参数α和β可以通过线性二乘法来确定：

其中M、N表示当前色度块的宽度和高度，表示位于(i,j)的真实色度像素值。

通过线性二乘法的计算，可以直接在编解码端通过计算获得α和β参数，而不需要将α和β写入码流中，但是最小二乘法的计算复杂度太高，并且在解码端无法得到真实的色度像素值，为了解决上述问题，提出了一种编码α计算β来获得线性参数的方法，如下图所示：

通过对亮度重建像素去均值获得亮度像素的“AC” Contribution，可以降低α和β的计算复杂度，如下所示：

为了降低计算复杂度，AV1中α共有16个候选值，范围是0-2，步长为1/8，在编码端，通过率失真优化准则选出的伸缩因子α，如下公式所示；之后再将选出的α写入码流传给解码端，解码端通过在码流中解码可以获得α值

同时，由于在解码端无法获得真实的色度像素值，所以AV1使用当前块的DC预测值（即左边和上边相邻像素块的均值）来近似代替，得到其最终线性模型如下所示：

其中，是去平均后的重建亮度像素（对于4:2:2和4:2:0格式的YUV需要对其重建亮度块进行下采样）；DC指的是当前色度块的DC模式的预测值（即相邻参考像素的均值）。

二、AV1中CfL技术实现 

在AV1中，伸缩因子α共有16个值，范围是0-2，步长为1/8，每个α都有三个符号，即positive、negative和zero，为了减少复杂度，AV1分别将U和V分量的α的值和符号进行了联合编码。

  /*! brief Chroma from Luma: Joint sign of alpha Cb and alpha Cr */
  int8_t cfl_alpha_signs;
  /*! brief Chroma from Luma: Index of the alpha Cb and alpha Cr combination */
  uint8_t cfl_alpha_idx;

U和V分量alpha的符号如下表所示：

AV1中使用cfl_alpha_signs语法元素对U/V分量的符号进行联合编码，cfl_alpha_signs的值如下表所示：

在代码中的实现（js表示JointSign，即UV分量的联合符号）：

// CFL_SIGN_U is equivalent to (js + 1) / 3 for js in 0 to 8
#define CFL_SIGN_U(js) (((js + 1) * 11) >> 5)
// CFL_SIGN_V is equivalent to (js + 1) % 3 for js in 0 to 8
#define CFL_SIGN_V(js) ((js + 1) - CFL_SIGNS * CFL_SIGN_U(js))

AOM中与CFL相关的函数实现：

• cfl_rd_pick_alpha 选出U/V分量各自的最佳alpha值并返回相应alpha的码率 Part 1：分别计算U/V分量对应alpha符号为零情况下的RD Cost Part 2：分别计算U/V分量符号不为零情况下的RD Cost，并记录最佳的jointSign和alpha值
• cfl_store 对恢复出的亮度重建像素进行下采样并保存
• cfl_subsampling_hbd或者cfl_subsampling_lbd 在YUV4:2:2或者YUV4:2:0格式下对亮度像素进行下采样
• cfl_store_dc_pred 保存DC预测值，将DC值按行保存
• cfl_load_dc_pred 加载DC预测值，将DC值加载到整个色度块中
• cfl_predict_block 进行CFL预测
• cfl_compute_parameters 计算AC Contribute 下采样的重建亮度像素-平均后的下采样的重建亮度像素(平均和减法操作)
• cfl_get_predict_lbd_fn或者cfl_get_predict_hbd_fn 计算 C = alpha * AC + DC
• write_cfl_alphas 将jointSign和U/V分量的alpha的绝对值写入码流中

最后

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