Algorithm and hardware based architectural design targeting the intra-frame prediction of the HEVC video coding standard

Abstract

Este trabalho apresenta uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro do padrão emergente HEVC de codificação de vídeo. O padrão HEVC está sendo desenvolvido tendo como principal objetivo o aumento em 50% na eficiência de compressão, quando comparado com o padrão H.264/AVC, atual padrão estado da arte na codificação de vídeos. Para atingir este objetivo, várias novas ferramentas de codificação foram desenvolvidas para serem introduzidas no novo padrão HEVC. Embora essas novas ferramentas tenham obtido êxito em aumentar a eficiência de compressão do novo padrão HEVC, elas também colaboraram para o aumento da complexidade computacional no processo de codificação. Analisando somente os avanços na predição intra-quadro, em comparação com o padrão H.264/AVC, é possível perceber que vários novos modos direcionais de codificação foram inseridos no processo de predição. Além disso, existem mais tamanhos de blocos que podem ser considerados pela predição intra-quadro. Nesse contexto, este trabalho propõe o uso de duas abordagens para melhorar o desempenho da predição intra-quadro em codificadores HEVC. Primeiramente, foram desenvolvidos algoritmos rápidos de decisão de modo, baseados em heurísticas, para a predição intra-quadro. Os resultados mostraram que é possível reduzir a complexidade computacional do processo de predição intra-quadro com pequenas perdas na eficiência de compressão (taxa de bits e qualidade visual). No pior caso, a perda foi de 6.9% na taxa de bits e de 0.12dB na qualidade, para uma redução de 35% no tempo de processamento. Em seguida, utilizando um dos algoritmos desenvolvidos, uma arquitetura de hardware para a predição intra-quadro foi desenvolvida. Além da redução de complexidade proporcionada pelo uso do algoritmo desenvolvido, técnicas de desenvolvido de hardware, tais como aumento no nível de paralelismo e uso de pipeline, também foram utilizadas para melhorar o desempenho da arquitetura desenvolvida. Os resultados de síntese da arquitetura para a tecnologia IBM 0,65um mostram que ela é capaz de operar a 500MHz, atingindo uma taxa de processamento suficiente para realizar a predição intra-quadro de mais de 30 quadros por segundo para resoluções como Full HD (1920x1080pixels).

This work presents an intra-frame prediction hardware architecture targeting the emerging HEVC video coding standard. The HEVC standard is being developed with the main goal of increase the compression efficiency in 50% when compared to the latest H.264/AVC video coding standard. To achieve such a goal, several new video coding strategies were developed to be used in the HEVC. Although these strategies have increased the compression efficiency of the emerging HEVC standard, it also increased the computational complexity of the encoding process. Looking only to the intra prediction process, several new directional modes are used to perform the prediction. Besides, there are more block sizes that can be supported by the intra prediction process. This work proposes to use two different approaches to improve the HEVC intra prediction performance. First we developed fast intra mode decision algorithms, showing that it is possible to decrease the intra prediction computational complexity with negligible loss in the compression performance (bit-rate and video quality). In the worst case, the bit-rate loss was 6.99% and the PSNR loss was 0.12dB in average allowing reducing the encoding time up to 35%. Then, using the developed fast algorithms as base, this work proposes an intra prediction hardware architecture. The designed architecture was specifically based on one of the developed fast intra mode decision algorithms. Besides, hardware techniques such as increase the parallelism level and pipeline were also used to improve the intra prediction performance. The synthesis results for the IBM 0.65nm have shown that the architecture is able to achieve 500MHz as maximum operation frequency. This way, the architecture throughput is enough to perform the intra prediction process for more than 30 frames per second considering high resolution digital videos, such as Full HD (1920x1080).