Modelagem de hardware para codificação de vídeo e arquitetura de compensação de movimento segundo o padrão H.264/AVC

Abstract

Esta dissertação é composta de duas partes principais em que apresenta, em sua primeira parte, o desenvolvimento de uma arquitetura de hardware para compensação de movimento para decodificadores de vídeo segundo o padrão H.264/AVC. A segunda parte apresenta a modelagem de uma arquitetura de hardware para codificação de vídeo segundo o mesmo padrão. Também são apresentados os conceitos básicos da codificação e decodificação de vídeo digital segundo o padrão H.264/AVC. A arquitetura desenvolvida para compensação de movimento, denominada HP422- MoCHA (High Profile 4:2:2 Motion Compensation Hardware Architecture) (ZATT, 2008), baseada na arquitetura MoCHA (Motion Compensator Hardware Architecture) (AZEVEDO, 2007), suporta o conjunto de ferramentas da compensação de movimento para o perfil High 4:2:2 do H.264/AVC. Esta arquitetura está particionada em três blocos principais: Preditor de Vetores de Movimento, Acesso à Memória e Processador de Amostras. Esses blocos funcionam na forma de um pipeline, existindo buffers entre os mesmos para armazenar os resultados intermediários. A descrição foi desenvolvida com a linguagem VHDL e alcança desempenho para decodificar, em tempo real, vídeos HDTV 1920x1080 a 30 quadros por segundo. Na literatura atual não foi encontrada nenhuma solução detalhada para a compensação de movimento no perfil High 4:2:2 do padrão H.264/AVC. Uma nova estrutura para interpolação de amostra na compensação de movimento foi proposta, sendo que sua versão para o Perfil Main se mostra 17% mais compacta, em termos de gates, que a solução mais compacta encontrada na literatura, sem degradação de performance. A segunda parte do texto detalha a modelagem de uma arquitetura de codificação de vídeo segundo o H.264/AVC. A descrição utiliza a linguagem SystemC e consumiu aproximadamente 15.000 linhas de código. Seu projeto foi desenvolvido com o objetivo de codificar vídeo H.264/AVC segundo o perfil Main do padrão com desempenho para codificar vídeos 1920x1080 em tempo real, a 30 quadros por segundo. A modelagem alcançou o objetivo principal de chegar a uma implementação funcional de um codificador, embora assumindo diversas restrições de codificação, permitindo a caracterização temporal e de comunicação do codificador. Dessa forma, o modelo se mostra uma poderosa ferramenta para o desenvolvimento do sistema de codificação em HW, desde a etapa de projeto até a verificação final. Não foi encontrado na literatura, até o presente momento, nenhum trabalho que descreva uma modelagem em alto nível de um hardware para o codificador, ou mesmo para o decodificador, de vídeo H.264/AVC.

This thesis is comprised by two main parts that present, in the first part, the development of a motion compensation hardware architecture for video decoders in compliance with the H.264/AVC standard. The second part presents a hardware architecture modeling for a video encoder compliant to the same video standard. The digital video coding basics in the H.264/AVC standard are also reviewed. The developed motion compensation hardware architecture, named HP422-MoCHA (High Profile 4:2:2 Motion Compensation Hardware Architecture) (ZATT, 2008), is based on the MoCHA (Motion Compensator Hardware Architecture) (AZEVEDO, 2007) architecture. It supports the motion compensation toolset for the H.264/AVC High 4:2:2 profile. This architecture is divided in three main modules: Motion Vector Predictor, Memory Access and Sample Processor. These modules work in a pipeline and are interfaced by buffers to store the intermediate data. The architecture was described in the VHDL language and reaches the required throughput for real time decoding of HDTV 1920x1080 video sequences at 30 frames per second. In the current literature another detailed motion compensation solution for the H.264/AVC High 4:2:2 could not be found. A new filtering organization for the motion compensation sample interpolator was proposed and its Main profile version reduces 17% the gate count in comparison to the smallest solution found in the literature, without any performance degradation. The second part of the thesis details the modeling of a hardware architecture for a video encoder for the H.264/AVC standard. The model was described in SystemC language and used 15,000 source code lines. The project was designed for real time encoding of Main profile H.264/AVC for 1920x1080 video sequences at 30 frames per second. The model supported the main objective which was to obtain a functional encoder implementation, despite of the several encoding restrictions, permitting the temporal and communications characterization of the encoder. The model is presented as a powerful tool for the hardware video encoder development, as it is useful from the initial design to the final verification. No other hardware encoder or decoder modeling description was found in the current literature for the H.264/AVC video coding standard.