Dedicated and reconfigurable hardware accelerators for high efficiency video coding standard

• Ano de defesa: 2015
• Autor(a) principal: Diniz, Claudio Machado
• Orientador(a): Bampi, Sergio
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Palavras-chave em Português: Microeletrônica; Vídeo digital
• Palavras-chave em Inglês: HEVC; Hardware accelerator; Video coding architecture; Reconfigurable architectures
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/118394

A demanda por vídeos de resolução ultra-alta (além de 1920x1080 pontos) levou à necessidade de desenvolvimento de padrões de codificação de vídeo novos e mais eficientes para prover alta eficiência de compressão. O novo padrão High Efficiency Video Coding (HEVC), publicado em 2013, atinge o dobro da eficiência de compressão (ou 50% de redução no tamanho do vídeo codificado) comparado com o padrão mais eficiente até então, e mais utilizado no mercado, o padrão H.264/AVC (Advanced Video Coding). O HEVC atinge este resultado ao custo de uma elevação da complexidade computacional das ferramentas inseridas no codificador e decodificador. O aumento do esforço computacional do padrão HEVC e as limitações de potência das tecnologias de fabricação em silício atuais tornam essencial o desenvolvimento de aceleradores de hardware para partes importantes da aplicação do HEVC. Aceleradores de hardware fornecem maior desempenho e eficiência energética para aplicações específicas que os processadores de propósito geral. Uma análise da aplicação do HEVC realizada neste trabalho identificou as partes mais importantes do HEVC do ponto de vista do esforço computacional, a saber, o Filtro de Interpolação de Ponto Fracionário, o Filtro de Deblocagem e o cálculo da Soma das Diferenças Absolutas. Uma análise de tempo de execução do Filtro de Interpolação indica um grande potencial de economia de potência/energia pela adaptação do acelerador de hardware à carga de trabalho variável. Esta tese introduz novas contribuições no tema de aceleradores dedicados e reconfiguráveis para o padrão HEVC. Aceleradores de hardware dedicados para o Filtro de Interpolação de Pixel Fracionário, para o Filtro de Deblocagem, e para o cálculo da Soma das Diferenças Absolutas, são propostos, projetados e avaliados nesta tese. A arquitetura de hardware proposta para o filtro de interpolação atinge taxa de processamento similar ao estado da arte, enquanto reduz a área do hardware para este bloco em 50%. A arquitetura de hardware proposta para o filtro de deblocagem também atinge taxa de processamento similar ao estado da arte com uma redução de 5X a 6X na contagem de gates e uma redução de 3X na dissipação de potência. A nova análise comparativa proposta para os elementos de processamento do cálculo da Soma das Diferenças Absolutas introduz diversas alternativas de projeto de arquitetura com diferentes resultados de área, desempenho e potência. A nova arquitetura reconfigurável para o filtro de interpolação do padrão HEVC fornece 57% de redução de área em tempo de projeto e adaptação da potência/energia em tempo-real a cada imagem processada, o que ainda não é suportado pelas arquiteturas do estado da arte para o filtro de interpolação. Adicionalmente, a tese propõe um novo esquema de alocação de aceleradores em tempo-real para arquiteturas reconfiguráveis baseadas em tiles de processamento e de grão-misto, o que reduz em 44% (23% em média) o “overhead” de comunicação comparado com uma estratégia first-fit com reuso de datapaths, para números diferentes de tiles e organizações internas de tile. Este esquema de alocação leva em conta a arquitetura interna para alocar aceleradores de uma maneira mais eficiente, evitando e minimizando a comunicação entre tiles. Os aceleradores e técnicas dedicadas e reconfiguráveis propostos nesta tese proporcionam implementações de codificadores de vídeo de nova geração, além do HEVC, com melhor área, desempenho e eficiência em potência.