H.264 Decoder: A Case Study in Multiple Design Points

H.264, a state-of-the-art video compression standard, is used across a range of products from cell phones to HDTV. These products have vastly different performance, power and cost requirements, necessitating different hardware-software solutions for H.264 decoding. We show that a de-sign methodology and associated tools which support syn-thesis from high-level descriptions and which allow mod-ular refinement throughout the design cycle, can share the majority of design effort across multiple design points. Us-ing Bluespec SystemVerilog, we have created a variety of designs for the H.264 decoder tuned to support decod-ing at resolutions ranging from QCIF video (176 × 14

Algorithms for compression of high dynamic range images and video

The recent advances in sensor and display technologies have brought upon the High Dynamic Range (HDR) imaging capability. The modern multiple exposure HDR sensors can achieve the dynamic range of 100-120 dB and LED and OLED display devices have contrast ratios of 10^5:1 to 10^6:1. Despite the above advances in technology the image/video compression algorithms and associated hardware are yet based on Standard Dynamic Range (SDR) technology, i.e. they operate within an effective dynamic range of up to 70 dB for 8 bit gamma corrected images. Further the existing infrastructure for content distribution is also designed for SDR, which creates interoperability problems with true HDR capture and display equipment. The current solutions for the above problem include tone mapping the HDR content to fit SDR. However this approach leads to image quality associated problems, when strong dynamic range compression is applied. Even though some HDR-only solutions have been proposed in literature, they are not interoperable with current SDR infrastructure and are thus typically used in closed systems. Given the above observations a research gap was identified in the need for efficient algorithms for the compression of still images and video, which are capable of storing full dynamic range and colour gamut of HDR images and at the same time backward compatible with existing SDR infrastructure. To improve the usability of SDR content it is vital that any such algorithms should accommodate different tone mapping operators, including those that are spatially non-uniform. In the course of the research presented in this thesis a novel two layer CODEC architecture is introduced for both HDR image and video coding. Further a universal and computationally efficient approximation of the tone mapping operator is developed and presented. It is shown that the use of perceptually uniform colourspaces for internal representation of pixel data enables improved compression efficiency of the algorithms. Further proposed novel approaches to the compression of metadata for the tone mapping operator is shown to improve compression performance for low bitrate video content. Multiple compression algorithms are designed, implemented and compared and quality-complexity trade-offs are identified. Finally practical aspects of implementing the developed algorithms are explored by automating the design space exploration flow and integrating the high level systems design framework with domain specific tools for synthesis and simulation of multiprocessor systems. The directions for further work are also presented

Diastolic arrays : throughput-driven reconfigurable computing

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2008.Includes bibliographical references (leaves 67-70).In this thesis, we propose a new reconfigurable computer substrate: diastolic arrays. Diastolic arrays are arrays of processing elements that communicate exclusively through First-In First-Out (FIFO) queues, and provide hardware support to guarantee bandwidth and buffer space for all data transfers. FIFO control implies that a module idles if its input FIFOs are empty, and stalls if its output FIFOs are full. The timing of data transfers between processing elements in diastolic arrays is therefore significantly more relaxed than in systolic arrays or pipelines. All specified data transfers are statically routed, and the routing problem to maximize average throughput can be optimally or near-optimally solved in polynomial time by formulating it as a maximum concurrent multicommodity flow problem and using linear programming. We show that the architecture of diastolic arrays enables efficient synthesis from high-level specifications of communicating finite state machines, providing a high-performance, off-the-shelf computer substrate that can be easily programmed.by Myong Hyon Cho.S.M

Design and implementation of an OFDM-based communication system for the GNU Radio platform

Projecte final de carrera fet en col.laboració amb Institut für Kommunikationsnetze und Rechnersysteme. Universität StuttgartCatalà: El processament de senyal en temps real mitjançant software és un camp que s'està expandint molt gràcies a la capacitat de processament dels ordinadors actuals. L'objectiu d'aquest treball ha estat el disseny i la implementació d'una Ràdio Definida en Software (SDR) que funcioni amb tecnologia OFDM, similar a la utilitzada en les comunicacions mòvils de 4a generació, per a la plataforma GNU Radio.Castellano: El procesado de señal en tiempo real mediante software es un campo en expansión gracias a la capacidad de computación de los ordenadores actuales. El objetivo de este trabajo ha sido el diseño y la implementación de una Radio Definida en Software (SDR) que funcione con tecnología OFDM, similar a la utilizada en las comunicaciones móviles de 4ª generación, para la plataforma GNU Radio.English: Software based real time signal processing is a field in expansion thanks to the computing capacity of actual personal computers. The objective of this work is the design and the implementation of a Software Defined Radio (SDR) that uses OFDM technology, which is the one used in the 4th generation of wireless communications

Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie

Fuzzy logic-based embedded system for video de-interlacing

Video de-interlacing algorithms perform a crucial task in video processing. Despite these algorithms are developed using software implementations, their implementations in hardware are required to achieve real-time operation. This paper describes the development of an embedded system for video de-interlacing. The algorithm for video de-interlacing uses three fuzzy logic-based systems to tackle three relevant features in video sequences: motion, edges, and picture repetition. The proposed strategy implements the algorithm as a hardware IP core on a FPGA-based embedded system. The paper details the proposed architecture and the design methodology to develop it. The resulting embedded system is verified on a FPGA development board and it is able to de-interlace in real-tim

Algorithm/Architecture Co-Exploration of Visual Computing: Overview and Future Perspectives

Concurrently exploring both algorithmic and architectural optimizations is a new design paradigm. This survey paper addresses the latest research and future perspectives on the simultaneous development of video coding, processing, and computing algorithms with emerging platforms that have multiple cores and reconfigurable architecture. As the algorithms in forthcoming visual systems become increasingly complex, many applications must have different profiles with different levels of performance. Hence, with expectations that the visual experience in the future will become continuously better, it is critical that advanced platforms provide higher performance, better flexibility, and lower power consumption. To achieve these goals, algorithm and architecture co-design is significant for characterizing the algorithmic complexity used to optimize targeted architecture. This paper shows that seamless weaving of the development of previously autonomous visual computing algorithms and multicore or reconfigurable architectures will unavoidably become the leading trend in the future of video technology

P2IP: A novel low-latency Programmable Pipeline Image Processor

International audienceThis paper presents a novel systolic Coarse-Grained Reconfigurable Architecture for real-time image and video processing called P 2 IP. The P 2 IP is a scalable architecture that combines the low-latency characteristic of systolic array architectures with a runtime reconfigurable datapath. Reconfigurabil-ity of the P 2 IP enables it to perform a wide range of image pre-processing tasks directly on a pixel stream. The versatility of the P 2 IP is demonstrated through three image processing algorithms mapped onto the architecture, implemented in an FPGA-based platform. The obtained results show that the P 2 IP can achieve up to 129 fps in Full HD 1080p and 32 fps in 4K 2160p what makes it suitable for modern high-definition applications