Desenvolvimento arquitetural para estimação de movimento de blocos de tamanhos variáveis segundo padrão H.264/AVC de compressão de vídeo digital

Abstract

Apesar de as capacidades de transmissão e de armazenamento dos dispositivos continuarem crescendo, a compressão ainda é essencial em aplicações que trabalham com vídeo. Com a compressão reduz-se significativamente a quantidade de bits necessários para se representar uma seqüência de vídeo. Dentre os padrões de compressão de vídeo digital, o mais novo é o H.264/AVC. Este padrão alcança as mais elevadas taxas de compressão se comparado com os padrões anteriores mas, por outro lado, possui uma elevada complexidade computacional. A complexidade computacional elevada dificulta o desenvolvimento em software de aplicações voltadas a definições elevadas de imagem, considerando a tecnologia atual. Assim, tornam-se indispensáveis implementações em hardware. Neste escopo, este trabalho aborda o desenvolvimento de uma arquitetura para estimação de movimento de blocos de tamanhos variáveis segundo o padrão H.264/AVC de compressão de vídeo digital. Esta arquitetura utiliza o algoritmo full search e SAD como critério de similaridade. Além disso, a arquitetura é capaz de gerar os 41 diferentes vetores de movimento referentes a um macrobloco e definidos pelo padrão. A solução arquitetural proposta neste trabalho foi descrita em VHDL e mapeada para FPGAs da Xilinx. Também foi desenvolvida uma versão standard cell da arquitetura. Considerando-se as versões da arquitetura com síntese direcionada para FPGA, os resultados mostraram que a arquitetura pode ser utilizada em aplicações voltadas para alta definição como SDTV ou HDTV. Para a versão standard cells da arquitetura os resultados indicam que ela pode ser utilizada para aplicações SDTV.

The transmission and storage capabilities of the digital communications and processing continue to grow. However, compression is still necessary in video applications. With compression, the amount of bits necessary to represent a video sequence is dramatically reduced. Amongst the video compression standards, the latest one is the H.264/AVC. This standard reaches the highest compression rates when compared to the previous standards. On the other hand, it has a high computational complexity. This high computational complexity makes it difficult the development of applications targeting high definitions when a software implementation running in a current technology is considered. Thus, hardware implementations become essential. Addressing the hardware architectures, this work presents the architectural design for the variable block-size motion estimation defined in the H.264/AVC standard. This architecture is based on full search motion estimation algorithm and SAD calculation. This architecture is able to produce the 41 motion vectors within a macroblock that are specified in the standard. The architecture designed in this work was described in VHDL and it was mapped to Xilinx FPGAs. Extensive simulations of the hardware architecture and comparisons to the software implementation of the same variable-size algorithm were used to validate the architecture. It was also synthesized to standard cells. Considering the synthesis results, the architecture reaches real time for high resolution videos, as HDTV when mapped to FPGAs. The standard cells version of this architecture is able to reach real time for SDTV resolution, considering a physical synthesis to 0.18µm CMOS.