Algoritmos e desenvolvimento de arquitetura para codificação binária adaptativa ao contexto para o decodificador H.264/AVC

Abstract

As inovações tecnológicas têm propiciado transformações nas formas de interação e, principalmente, na comunicação entre as pessoas. Os avanços nas áreas de tecnologia da informação e comunicações abriram novos horizontes para a criação de demandas até então não existentes. Nesse contexto, a utilização de vídeo digital de alta definição para aplicações de tempo real ganha ênfase. Entretanto, os desafios envolvidos na manipulação da quantidade de informações necessárias à sua representação, fomentam pesquisas na indústria e na academia para minimizar os impactos sobre a largura de banda necessária para transmissão e/ou no espaço para o seu armazenamento. Para enfrentar esses problemas diversos padrões de compressão de vídeo têm sido desenvolvidos sendo que, nesse aspecto, o padrão H.264/AVC é considerado o estado da arte. O padrão H.264/AVC introduz ganhos significativos na taxa de compressão, em relação a seus antecessores, porém esses ganhos vêem acompanhados pelo aumento na complexidade computacional das ferramentas aplicadas como, por exemplo, a Codificação Aritmética Binária Adaptativa ao Contexto (CABAC). A complexidade computacional relacionado ao padrão H.264/AVC é tal que torna impraticável sua execução em software (para operar em um processador de propósito geral, ao menos para nos disponíveis atuais) com a finalidade de realizar a codificação ou decodificação em tempo real para sequências de vídeo de alta definição. Esta dissertação apresenta uma arquitetura de hardware para o processo de decodificação do CABAC, conforme especificação do padrão H.264/AVC. Tendo o objetivo de contribuir para a resolução de alguns dos problemas relacionados à tarefa de decodificação de vídeo de alta definição em tempo real. Para isso, apresenta-se uma introdução sobre conceitos fundamentais da compressão de dados e vídeo digital, além da discussão sobre as principais características do padrão H.264/AVC. O conjunto de algoritmos presentes no CABAC e o fluxo de decodificação do CABAC são descritos em detalhes. Para fundamentar as decisões de projeto um vasto conjunto de experimentos foi realizado para analisar o comportamento do bitstream durante o processo de decodificação do CABAC. A arquitetura de hardware proposta e desenvolvida é apresentada em detalhes, tendo seu desempenho comparado com outras propostas encontradas na literatura. Os resultados obtidos mostram que a arquitetura desenvolvida é eficaz em seu objetivo, pois atinge a capacidade de processamento de vídeos em alta definição (HD1080p) em tempo real. Além disso, os experimentos realizados deram origem a observações inovadoras, que permitiram determinar os pontos chave para minimizar os gargalos inerentes ao conjunto de algoritmos que compõe o CABAC.

The technological innovations of recent decades have brought changes in the forms of human interaction especially in communication area. Advances in the areas of information technology and communications opened new horizons for creating demands non-existent so far. In this scenario the high-definition digital video for real-time applications has gained emphasis for this context. However, the challenges involved in handling the amount of information necessary for its representation, promoting research in industry and academia to minimize the impact on the bandwidth needed for transmission and / or the space for the storage. To address those problems several video compression standards have been developed and the H.264/AVC standard is the state-of-the-art. The H.264/AVC standard introduces significant gains in compression rate, compared to its predecessors. These gains are obtained by an increase in computational complexity of the techniques used, such as the CABAC. The computational requirements of H.264/AVC standard is so strong that make its implementation impractical in software (to operate on a general purpose processor) for the purpose of performing encoding or decoding in real time for high-definition video sequences. This dissertation presents a new CABAD architecture with the implementation in hardware intended to solve the problems related to the task of decoding high-definition video in real time. An introduction to fundamental concepts of data compression and digital video is presented, in addition to discussing the main features of the H.264/AVC standard. The set of algorithms the CABAC and of the CABAD decode flow are described in detail. A wide number of experiments were conducted to identify the static and dynamic behavior of the bitstream to support the design decisions. At the end the developed architecture is examined and compared with other proposals found in literature. The results show that the architecture developed is effective in its purpose to handle high-definition video (HD1080p) in real time. Furthermore, the experiments have led to innovative observations to determine the key points to minimize the bottlenecks inherent in the set of algorithms that make the CABAD.