Implementação física de arquiteturas de hardware para a decodificação de vídeo digital segundo o padrão H.264/AVC

Abstract

Recentemente, o Brasil adotou o padrão SBTVD (Sistema Brasileiro de TV Digital) para transmissão de TV digital. Este utiliza o CODEC (codificador e decodificador) de vídeo H.264/AVC, que é considerado o estado-da-arte no contexto de compressão de vídeo digital. Esta transição para o SBTVD requer o desenvolvimento de tecnologia para transmissão, recepção e decodificação de sinais, assim, o projeto Rede H.264 SBTVD foi iniciado e tem como um dos objetivos a produção de componentes de hardware para construção de um set-top box SoC (System on Chip) compatível com o SBTVD. No sentido de produzir IPs (Intellectual Property) para codificação e decodificação de vídeo digital segundo o padrão H.264/AVC, várias arquiteturas de hardware vêm sendo desenvolvidas no âmbito do projeto. Assim, o objetivo deste trabalho consiste na realização da implementação física em ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) de algumas destas arquiteturas de hardware para decodificação de vídeo H.264/AVC, entre elas as arquiteturas parser e decodificação de entropia, predição intra-quadro e, por fim, quantização e transformadas inversas, que juntas formam uma versão funcional de um decodificador de vídeo H.264 chamado de decodificador intra-only. Além destas, também foi fisicamente implementada uma arquitetura para o módulo filtro redutor de efeito de bloco e arquiteturas para os perfis Main e High de um compensador de movimentos. Nesta dissertação de mestrado, é apresentada a metodologia de implementação standard-cells (ASIC) utilizada, assim como uma descrição detalhada de cada passo executado para se chegar ao leiaute de cada uma das arquiteturas. Também são apresentados os resultados das implementações e realizadas algumas comparações com outras implementações de arquiteturas descritas na literatura. A implementação do filtro possui 43,9K portas lógicas (equivalent-gates), 42mW de potência e possui a menor quantidade de memória interna, 12,375KB SRAM, quando comparada com outras implementações para a mesma resolução de vídeo, 1920x1080@30fps. As implementações para os perfis Main e High do compensador de movimento apresentam a melhor relação entre a quantidade de ciclos de relógio necessária para interpolar um macrobloco (MB), 304 ciclos/MB, e a quantidade de equivalent-gates de cada implementação, 98K e 102K, respectivamente. Já a implementação do decodificador H.264 intra-only possui 5KB SRAM, 11,4mW de potência e apresenta a menor quantidade de equivalent-gates, 150K, comparado com outras implementações de decodificadores H.264 com características similares.

Recently Brazil has adopted the SBTVD (Brazilian Digital Television System) for digital TV transmission. It uses the H.264/AVC video CODEC (coder and decoder), which is considered the state of the art in the context of digital video compression. This transition to the SBTVD standard requires the development of technology for transmitting, receiving and decoding signals, so a project called Rede H.264 was initiated with the objective of producing cutting edge hardware components to build a set-top box SoC (System on Chip) compatible with the SBTVD. In order to produce IPs (Intellectual Property) for encoding and decoding digital video according to the H.264/AVC standard, many hardware architectures have been developed under the project. Therefore, the objective of this work is to carry out the physical implementation flow for ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) in some of these hardware architectures for H.264/AVC video decoding, including the architectures parser and entropy decoding, intra-prediction and inverse quantization and transforms, which together compound a working version of an H.264 video decoder called intra-only. Besides these architectures, it is also physically implemented an architecture for a deblocking filter module and architectures for motion compensation according the Main and High profiles. This master thesis presents the standard-cells (ASIC) implementation as well as a detailed description of each step necessary to outcome the layouts of each of the architecture. It also presents the results of the implementations and comparisons with other works in the literature. The implementation of the filter has 43.9K gates (equivalent-gates), 42mW of power consumption and it demands the least amount of internal memory, 12.375KB SRAM, when compared with other implementations for the same video resolution, 1920x1080@30fps. The implementations for the Main and High profiles of the motion compensator have the best relationship between the amount of required clock cycles to interpolate a macroblock (MB), 304 cycles/MB, and the equivalent-gate count of each implementation, 98K and 102K, respectively. Also, the implementation of the H.264 intra-only decoder has 5KB SRAM, 11.4 mW of power consumption and it has the least equivalent-gate count, 150K, compared with other implementations of H.264 decoders which have similar features.