High-Level Synthesis Based VLSI Architectures for Video Coding

High Efficiency Video Coding (HEVC) is state-of-the-art video coding standard. Emerging applications like free-viewpoint video, 360degree video, augmented reality, 3D movies etc. require standardized extensions of HEVC. The standardized extensions of HEVC include HEVC Scalable Video Coding (SHVC), HEVC Multiview Video Coding (MV-HEVC), MV-HEVC+ Depth (3D-HEVC) and HEVC Screen Content Coding. 3D-HEVC is used for applications like view synthesis generation, free-viewpoint video. Coding and transmission of depth maps in 3D-HEVC is used for the virtual view synthesis by the algorithms like Depth Image Based Rendering (DIBR). As first step, we performed the profiling of the 3D-HEVC standard. Computational intensive parts of the standard are identified for the efficient hardware implementation. One of the computational intensive part of the 3D-HEVC, HEVC and H.264/AVC is the Interpolation Filtering used for Fractional Motion Estimation (FME). The hardware implementation of the interpolation filtering is carried out using High-Level Synthesis (HLS) tools. Xilinx Vivado Design Suite is used for the HLS implementation of the interpolation filters of HEVC and H.264/AVC. The complexity of the digital systems is greatly increased. High-Level Synthesis is the methodology which offers great benefits such as late architectural or functional changes without time consuming in rewriting of RTL-code, algorithms can be tested and evaluated early in the design cycle and development of accurate models against which the final hardware can be verified

FGPA implementations of motion estimation algorithms using Vivado high level synthesis

Joint collaborative team on video coding (JCT-VC) recently developed a new international video compression standard called High Efficiency Video Coding (HEVC). HEVC has 50% better compression efficiency than previous H.264 video compression standard. HEVC achieves this video compression efficiency by significantly increasing the computational complexity. Motion estimation is the most computationally complex part of video encoders. Integer motion estimation and fractional motion estimation account for 70% of the computational complexity of an HEVC video encoder. High-level synthesis (HLS) tools are started to be successfully used for FPGA implementations of digital signal processing algorithms. They significantly decrease design and verification time. Therefore, in this thesis, we proposed the first FPGA implementation of HEVC full search motion estimation using Vivado HLS. Then, we proposed the first FPGA implementations of two fast search (diamond search and TZ search) algorithms using Vivado HLS. Finally, we proposed the first FPGA implementations of HEVC fractional interpolation and motion estimation using Vivado HLS. We used several HLS optimization directives to increase performance and decrease area of these FPGA implementations

Low energy video processing and compression hardware designs

Digital video processing and compression algorithms are used in many commercial products such as mobile devices, unmanned aerial vehicles, and autonomous cars. Increasing resolution of videos used in these commercial products increased computational complexities of digital video processing and compression algorithms. Therefore, it is necessary to reduce computational complexities of digital video processing and compression algorithms, and energy consumptions of digital video processing and compression hardware without reducing visual quality. In this thesis, we propose a novel adaptive 2D digital image processing algorithm for 2D median filter, Gaussian blur and image sharpening. We designed low energy 2D median filter, Gaussian blur and image sharpening hardware using the proposed algorithm. We propose approximate HEVC intra prediction and HEVC fractional interpolation algorithms. We designed low energy approximate HEVC intra prediction and HEVC fractional interpolation hardware. We also propose several HEVC fractional interpolation hardware architectures. We propose novel computational complexity and energy reduction techniques for HEVC DCT and inverse DCT/DST. We designed high performance and low energy hardware for HEVC DCT and inverse DCT/DST including the proposed techniques. VII We quantified computation reductions achieved and video quality loss caused by the proposed algorithms and techniques. We implemented the proposed hardware architectures in Verilog HDL. We mapped the Verilog RTL codes to Xilinx Virtex 6 and Xilinx ZYNQ FPGAs, and estimated their power consumptions using Xilinx XPower Analyzer tool. The proposed algorithms and techniques significantly reduced the power and energy consumptions of these FPGA implementations in some cases with no PSNR loss and in some cases with very small PSNR loss

A Novel Parallel Hardware Architecture for Inter Motion Estimation in HEVC

High Efficiency Video Coding (HEVC) standard, generated by ITU, can provide compression ratio twice more than current H.264/ MPEG-4. To date, only a few hardware have been implementated for Integer Motion Estimation (IME) to date. In this paper, a parallel hardware architecture for IME in HEVC encoder is proposed. This design uses Rot-WDiamond (RWD) algorithm to reduce computational load and parallelism to improve processing speed. Therefore, this design can reach 4K (4096×2160) video in real time at 60 frames per second (fps) and achieve the frequency of 125MHz

Scalability of parallel video decoding on heterogeneous manycore architectures

This paper presents an analysis of the scalability of the parallel video decoding on heterogeneous many core architectures. As benchmark, we use a highly parallel H.264/AVC video decoder that generates a large number of independent tasks. In order to translate task-level parallelism into performance gains both the video decoder and the architecture have been optimized. The video decoder was modified for exploiting coarse-grain frame-level parallelism in the entropy decoding kernel which has been considered the main bottleneck. Second, a heterogeneous combination of cores is evaluated for executing different type of tasks. Finally, an evaluation of the memory requirements of the whole system has been carried out. Experiments conducted using a trace-driven simulation methodology shows that the evaluated system exhibits a good parallel scalability up to 68 cores. At this point the parallel video decoder is able to decode more than 200 HD frames per second using simple low power processors.Postprint (published version

Algoritmo de estimação de movimento e sua arquitetura de hardware para HEVC

Doutoramento em Engenharia EletrotécnicaVideo coding has been used in applications like video surveillance, video conferencing, video streaming, video broadcasting and video storage. In a typical video coding standard, many algorithms are combined to compress a video. However, one of those algorithms, the motion estimation is the most complex task. Hence, it is necessary to implement this task in real time by using appropriate VLSI architectures. This thesis proposes a new fast motion estimation algorithm and its implementation in real time. The results show that the proposed algorithm and its motion estimation hardware architecture out performs the state of the art. The proposed architecture operates at a maximum operating frequency of 241.6 MHz and is able to process 1080p@60Hz with all possible variables block sizes specified in HEVC standard as well as with motion vector search range of up to ±64 pixels.A codificação de vídeo tem sido usada em aplicações tais como, vídeovigilância, vídeo-conferência, video streaming e armazenamento de vídeo. Numa norma de codificação de vídeo, diversos algoritmos são combinados para comprimir o vídeo. Contudo, um desses algoritmos, a estimação de movimento é a tarefa mais complexa. Por isso, é necessário implementar esta tarefa em tempo real usando arquiteturas de hardware apropriadas. Esta tese propõe um algoritmo de estimação de movimento rápido bem como a sua implementação em tempo real. Os resultados mostram que o algoritmo e a arquitetura de hardware propostos têm melhor desempenho que os existentes. A arquitetura proposta opera a uma frequência máxima de 241.6 MHz e é capaz de processar imagens de resolução 1080p@60Hz, com todos os tamanhos de blocos especificados na norma HEVC, bem como um domínio de pesquisa de vetores de movimento até ±64 pixels

HIGH-THROUGHPUT AREA-EFFICIENT INTEGER TRANSFORMS FOR VIDEO CODING

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Hardware based High Accuracy Integer Motion Estimation and Merge Mode Estimation

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 공과대학 전기·컴퓨터공학부, 2017. 8. 이혁재.HEVC는 H.264/AVC 대비 2배의 뛰어난 압축 효율을 가지지만, 많은 압축 기술이 사용됨으로써, 인코더 측의 계산 복잡도를 크게 증가시켰다. HEVC의 높은 계산 복잡도를 줄이기 위한 많은 연구들이 이루어졌지만, 대부분의 연구들은 H.264/AVC를 위한 계산 복잡도 감소 방법을 확장 적용하는 데에 그쳐, 만족스럽지 않은 계산 복잡도 감소 성능을 보이거나, 지나치게 큰 압축 효율 손실을 동반하여 HEVC의 최대 압축 성능을 끌어내지 못했다. 특히 앞서 연구된 하드웨어 기반의 인코더는 실시간 인코더의 실현이 우선되어 압축 효율의 희생이 매우 크다. 그러므로, 본 연구에서는 하드웨어 기반 Inter prediction의 고속화를 이룸과 동시에 HEVC가 가진 압축 성능의 손실을 최소화하고, 실시간 코딩이 가능한 하드웨어 구조를 제안하였다. 본 연구에서 제안한 bottom-up MV 예측 방법은 기존의 공간적, 시간적으로 인접한 PU로부터 MV를 예측하는 방법이 아닌, HEVC의 계층적으로 인접한 PU로부터 MV를 예측하는 방법을 제안하여 MV 예측의 정확도를 큰 폭으로 향상시켰다. 결과적으로 압축 효율의 변화 없이 IME의 계산 복잡도를 67% 감소시킬 수 있었다. 또한, 본 연구에서는 제안된 bottom-up IME 알고리즘을 적용하여 실시간 동작이 가능한 하드웨어 기반의 IME를 제안하였다. 기존의 하드웨어 기반 IME는 고속 IME 알고리즘이 갖는 단계별 의존성으로 인한 idle cycle의 발생과 참조 데이터 접근 문제로 인해, 고속 IME 알고리즘을 사용하지 않거나 또는 하드웨어에 맞게 고속 IME 알고리즘을 수정하였기 때문에 압축 효율의 저하가 수 퍼센트 이상으로 매우 컸다. 그러나 본 연구에서는 고속 IME 알고리즘인 TZS 알고리즘을 채택하여 TZS 알고리즘의 계산 복잡도 감소 성능을 훼손하지 않는 하드웨어 기반의 IME를 제안하였다. 고속 IME 알고리즘을 하드웨어에서 사용하기 위해서 다음 세 가지 사항을 제안하고 하드웨어에 적용하였다. 첫 째로, 고속 IME 알고리즘의 고질적 문제인 idle cycle 발생 문제를 서로 다른 참조 픽쳐와 서로 다른 depth에 대한 IME를 컨텍스트 스위칭을 통해 해결하였다. 둘 째로, 참조 데이터로의 빠르고 자유로운 접근을 위해 참조 데이터의 locality 이용한 multi bank SRAM 구조를 제안하였다. 셋 째로, 지나치게 자유로운 참조 데이터 접근이 발생시키는 대량의 스위칭 mux의 사용을 피하기 위해 탐색 중심을 기준으로 하는 제한된 자유도의 참조 데이터 접근을 제안하였다. 결과 제안된 IME 하드웨어는 HEVC의 모든 블록 크기를 지원하면서, 참조 픽처 4장를 사용하여, 4k UHD 영상을 60fps의 속도로 처리할 수 있으며 이 때 압축 효율의 손실은 0.11%로 거의 나타나지 않는다. 이 때 사용되는 하드웨어 리소스는 1.27M gates이다. HEVC에 새로이 채택된 merge mode estimation은 압축 효율 개선 효과가 뛰어난 새로운 기술이지만, 매 PU 마다 계산 복잡도의 변동 폭이 커서 하드웨어로 구현되는 경우 하드웨어 리소스의 낭비가 많다. 그러므로 본 연구에서는 효율적인 하드웨어 기반 MME 방법과 하드웨어 구조를 함께 제안하였다. 기존 MME 방식은 이웃 PU에 의해 보간 필터 적용 여부가 결정되기 때문에, 보간 필터의 사용률은 50% 이하를 나타낸다. 그럼에도 불구하고 하드웨어는 보간 필터를 사용하는 경우에 맞추어 설계되어왔기 때문에 하드웨어 리소스의 사용 효율이 낮았다. 본 연구에서는 가장 하드웨어 리소스를 많이 사용하는 세로 방향 보간 필터를 절반 크기로 줄인 두 개의 데이터 패스를 갖는 MME 하드웨어 구조를 제안하였고, 높은 하드웨어 사용률을 유지하면서 압축 효율 손실을 최소화 하는 merge 후보 할당 알고리즘을 제안하였다. 결과, 기존 하드웨어 기반 MME 보다 24% 적은 하드웨어 리소스를 사용하면서도 7.4% 더 빠른 수행 시간을 갖는 새로운 하드웨어 기반의 MME를 달성하였다. 제안된 하드웨어 기반의 MME는 460.8K gates의 하드웨어 리소스를 사용하고 4k UHD 영상을 30 fps의 속도로 처리할 수 있다.제 1 장 서 론 1 1.1 연구 배경 1 1.2 연구 내용 3 1.3 공통 실험 환경 5 1.4 논문 구성 6 제 2 장 관련 연구 7 2.1 HEVC 표준 7 2.1.1 쿼드-트리 기반의 계층적 블록 구조 7 2.1.2 HEVC 의 Inter Prediction 9 2.2 화면 간 예측의 속도 향상을 위한 이전 연구 17 2.2.1 고속 Integer Motion Estimation 알고리즘 17 2.2.2 고속 Merge Mode Estimation 알고리즘 20 2.3 화면 간 예측 하드웨어 구조에 대한 이전 연구 21 2.3.1 하드웨어 기반 Integer Motion Estimation 연구 21 2.3.2 하드웨어 기반 Merge Mode Estimation 연구 25 제 3 장 Bottom-up Integer Motion Estimation 26 3.1 서로 다른 계층 간의 Motion Vector 관계 관찰 26 3.1.1 서로 다른 계층 간의 Motion Vector 관계 분석 26 3.1.2 Top-down 및 Bottom-up 방향의 Motion Vector 관계 분석 30 3.2 Bottom-up Motion Vector Prediction 33 3.3 Bottom-up Integer Motion Estimation 37 3.3.1 Bottom-up Integer Motion Estimation - Single MVP 37 3.3.2 Bottom-up Integer Motion Estimation - Multiple MVP 38 3.4 실험 결과 40 제 4 장 하드웨어 기반 Integer Motion Estimation 46 4.1 Bottom-up Integer Motion Estimation의 하드웨어 적용 46 4.2 하드웨어를 위한 수정된 Test Zone Search 47 4.2.1 SAD-tree를 활용한 CU 내 PU의 병렬 처리 47 4.2.2 Grid 기반의 Sampled Raster Search 53 4.2.3 서로 다른 PU 간의 중복 연산 제거 55 4.3 Idle cycle이 감소된 5-stage 파이프라인 스케줄 56 4.3.1 파이프라인 스테이지 별 동작 56 4.3.2 Test Zone Search의 의존성으로 인한 Idle cycle 도입 58 4.3.3 컨텍스트 스위칭을 통한 Idle cycle 감소 60 4.4 고속 동작을 위한 참조 데이터 공급 방법 63 4.4.1 참조 데이터 접근 패턴 및 접근 지연 발생 시 문제점 63 4.4.2 Search Points의 Locality를 활용한 참조 데이터 접근 64 4.4.3 단일 cycle 참조 데이터 접근을 위한 Multi Bank 메모리 구조 66 4.4.4 참조 데이터 접근의 자유도 제어를 통한 스위칭 복잡도 저감 방법 68 4.5 하드웨어 구조 72 4.5.1 전체 하드웨어 구조 72 4.5.2 하드웨어 세부 스케줄 78 4.6 하드웨어 구현 결과 및 실험 결과 82 4.6.1 하드웨어 구현 결과 82 4.6.2 수행 시간 및 압축 효율 84 4.6.3 제안 방법 적용 단계 별 성능 변화 88 4.6.4 이전 연구와의 비교 91 제 5 장 하드웨어 기반 Merge Mode Estimation 96 5.1 기존 Merge Mode Estimation의 하드웨어 관점에서의 고찰 96 5.1.1 기존 Merge Mode Estimation 96 5.1.2 기존 Merge Mode Estimation 하드웨어 구조 및 분석 98 5.1.3 기존 Merge Mode Estimation의 하드웨어 사용률 저하 문제 100 5.2 연산량 변동폭을 감소시킨 새로운 Merge Mode Estimation 103 5.3 새로운 Merge Mode Estimation의 하드웨어 구현 106 5.3.1 후보 타입 별 독립적 path를 갖는 하드웨어 구조 106 5.3.2 하드웨어 사용률을 높이기 위한 적응적 후보 할당 방법 109 5.3.3 적응적 후보 할당 방법을 적용한 하드웨어 스케줄 111 5.4 실험 결과 및 하드웨어 구현 결과 114 5.4.1 수행 시간 및 압축 효율 변화 114 5.4.2 하드웨어 구현 결과 116 제 6 장 Overall Inter Prediction 117 6.1 CTU 단위의 3-stage 파이프라인 Inter Prediction 117 6.2 Two-way Encoding Order 119 6.2.1 Top-down 인코딩 순서와 Bottom-up 인코딩 순서 119 6.2.2 기존 고속 알고리즘과 호환되는 Two-way Encoding Order 120 6.2.3 기존 고속 알고리즘과 결합 및 비교 실험 결과 123 제 7 장 Next Generation Video Coding으로의 확장 127 7.1 Bottom-up Motion Vector Prediction의 확장 127 7.2 Bottom-up Integer Motion Estimation의 확장 130 제 8 장 결 론 132Docto