Energy efficient hardware acceleration of multimedia processing tools

The world of mobile devices is experiencing an ongoing trend of feature enhancement and generalpurpose multimedia platform convergence. This trend poses many grand challenges, the most pressing being their limited battery life as a consequence of delivering computationally demanding features. The envisaged mobile application features can be considered to be accelerated by a set of underpinning hardware blocks Based on the survey that this thesis presents on modem video compression standards and their associated enabling technologies, it is concluded that tight energy and throughput constraints can still be effectively tackled at algorithmic level in order to design re-usable optimised hardware acceleration cores. To prove these conclusions, the work m this thesis is focused on two of the basic enabling technologies that support mobile video applications, namely the Shape Adaptive Discrete Cosine Transform (SA-DCT) and its inverse, the SA-IDCT. The hardware architectures presented in this work have been designed with energy efficiency in mind. This goal is achieved by employing high level techniques such as redundant computation elimination, parallelism and low switching computation structures. Both architectures compare favourably against the relevant pnor art in the literature. The SA-DCT/IDCT technologies are instances of a more general computation - namely, both are Constant Matrix Multiplication (CMM) operations. Thus, this thesis also proposes an algorithm for the efficient hardware design of any general CMM-based enabling technology. The proposed algorithm leverages the effective solution search capability of genetic programming. A bonus feature of the proposed modelling approach is that it is further amenable to hardware acceleration. Another bonus feature is an early exit mechanism that achieves large search space reductions .Results show an improvement on state of the art algorithms with future potential for even greater savings

Efficient architectures for multidimensional discrete transforms in image and video processing applications

PhD ThesisThis thesis introduces new image compression algorithms, their related architectures and data transforms architectures. The proposed architectures consider the current hardware architectures concerns, such as power consumption, hardware usage, memory requirement, computation time and output accuracy. These concerns and problems are crucial in multidimensional image and video processing applications. This research is divided into three image and video processing related topics: low complexity non-transform-based image compression algorithms and their architectures, architectures for multidimensional Discrete Cosine Transform (DCT); and architectures for multidimensional Discrete Wavelet Transform (DWT). The proposed architectures are parameterised in terms of wordlength, pipelining and input data size. Taking such parameterisation into account, efficient non-transform based and low complexity image compression algorithms for better rate distortion performance are proposed. The proposed algorithms are based on the Adaptive Quantisation Coding (AQC) algorithm, and they achieve a controllable output bit rate and accuracy by considering the intensity variation of each image block. Their high speed, low hardware usage and low power consumption architectures are also introduced and implemented on Xilinx devices. Furthermore, efficient hardware architectures for multidimensional DCT based on the 1-D DCT Radix-2 and 3-D DCT Vector Radix (3-D DCT VR) fast algorithms have been proposed. These architectures attain fast and accurate 3-D DCT computation and provide high processing speed and power consumption reduction. In addition, this research also introduces two low hardware usage 3-D DCT VR architectures. Such architectures perform the computation of butterfly and post addition stages without using block memory for data transposition, which in turn reduces the hardware usage and improves the performance of the proposed architectures. Moreover, parallel and multiplierless lifting-based architectures for the 1-D, 2-D and 3-D Cohen-Daubechies-Feauveau 9/7 (CDF 9/7) DWT computation are also introduced. The presented architectures represent an efficient multiplierless and low memory requirement CDF 9/7 DWT computation scheme using the separable approach. Furthermore, the proposed architectures have been implemented and tested using Xilinx FPGA devices. The evaluation results have revealed that a speed of up to 315 MHz can be achieved in the proposed AQC-based architectures. Further, a speed of up to 330 MHz and low utilisation rate of 722 to 1235 can be achieved in the proposed 3-D DCT VR architectures. In addition, in the proposed 3-D DWT architecture, the computation time of 3-D DWT for data size of 144×176×8-pixel is less than 0.33 ms. Also, a power consumption of 102 mW at 50 MHz clock frequency using 256×256-pixel frame size is achieved. The accuracy tests for all architectures have revealed that a PSNR of infinite can be attained

Channelization for Multi-Standard Software-Defined Radio Base Stations

As the number of radio standards increase and spectrum resources come under more pressure, it becomes ever less efficient to reserve bands of spectrum for exclusive use by a single radio standard. Therefore, this work focuses on channelization structures compatible with spectrum sharing among multiple wireless standards and dynamic spectrum allocation in particular. A channelizer extracts independent communication channels from a wideband signal, and is one of the most computationally expensive components in a communications receiver. This work specifically focuses on non-uniform channelizers suitable for multi-standard Software-Defined Radio (SDR) base stations in general and public mobile radio base stations in particular. A comprehensive evaluation of non-uniform channelizers (existing and developed during the course of this work) shows that parallel and recombined variants of the Generalised Discrete Fourier Transform Modulated Filter Bank (GDFT-FB) represent the best trade-off between computational load and flexibility for dynamic spectrum allocation. Nevertheless, for base station applications (with many channels) very high filter orders may be required, making the channelizers difficult to physically implement. To mitigate this problem, multi-stage filtering techniques are applied to the GDFT-FB. It is shown that these multi-stage designs can significantly reduce the filter orders and number of operations required by the GDFT-FB. An alternative approach, applying frequency response masking techniques to the GDFT-FB prototype filter design, leads to even bigger reductions in the number of coefficients, but computational load is only reduced for oversampled configurations and then not as much as for the multi-stage designs. Both techniques render the implementation of GDFT-FB based non-uniform channelizers more practical. Finally, channelization solutions for some real-world spectrum sharing use cases are developed before some final physical implementation issues are considered

A Study on Efficient Designs of Approximate Arithmetic Circuits

Approximate computing is a popular field where accuracy is traded with energy. It can benefit applications such as multimedia, mobile computing and machine learning which are inherently error resilient. Error introduced in these applications to a certain degree is beyond human perception. This flexibility can be exploited to design area, delay and power efficient architectures. However, care must be taken on how approximation compromises the correctness of results. This research work aims to provide approximate hardware architectures with error metrics and design metrics analyzed and their effects in image processing applications. Firstly, we study and propose unsigned array multipliers based on probability statistics and with approximate 4-2 compressors, full adders and half adders. This work deals with a new design approach for approximation of multipliers. The partial products of the multiplier are altered to introduce varying probability terms. Logic complexity of approximation is varied for the accumulation of altered partial products based on their probability. The proposed approximation is utilized in two variants of 16-bit multipliers. Synthesis results reveal that two proposed multipliers achieve power savings of 72% and 38% respectively compared to an exact multiplier. They have better precision when compared to existing approximate multipliers. Mean relative error distance (MRED) figures are as low as 7.6% and 0.02% for the proposed approximate multipliers, which are better than the previous state-of-the-art works. Performance of the proposed multipliers is evaluated with geometric mean filtering application, where one of the proposed models achieves the highest peak signal to noise ratio (PSNR). Second, approximation is proposed for signed Booth multiplication. Approximation is introduced in partial product generation and partial product accumulation circuits. In this work, three multipliers (ABM-M1, ABM-M2, and ABM-M3) are proposed in which the modified Booth algorithm is approximated. In all three designs, approximate Booth partial product generators are designed with different variations of approximation. The approximations are performed by reducing the logic complexity of the Booth partial product generator, and the accumulation of partial products is slightly modified to improve circuit performance. Compared to the exact Booth multiplier, ABM-M1 achieves up to 15% reduction in power consumption with an MRED value of 7.9 × 10-4. ABM-M2 has power savings of up to 60% with an MRED of 1.1 × 10-1. ABM-M3 has power savings of up to 50% with an MRED of 3.4 × 10-3. Compared to existing approximate Booth multipliers, the proposed multipliers ABM-M1 and ABM-M3 achieve up to a 41% reduction in power consumption while exhibiting very similar error metrics. Image multiplication and matrix multiplication are used as case studies to illustrate the high performance of the proposed approximate multipliers. Third, distributed arithmetic based sum of products units approximation is analyzed. Sum of products units are key elements in many digital signal processing applications. Three approximate sum of products models which are based on distributed arithmetic are proposed. They are designed for different levels of accuracy. First model of approximate sum of products achieves an improvement up to 64% on area and 70% on power, when compared to conventional unit. Other two models provide an improvement of 32% and 48% on area and 54% and 58% on power, respectively, with a reduced error rate compared to the first model. Third model achieves MRED and normalized mean error distance (NMED) as low as 0.05% and 0.009%. Performance of approximate units is evaluated with a noisy image smoothing application, where the proposed models are capable of achieving higher PSNR than existing state of the art techniques. Fourth, approximation is applied in division architecture. Two approximation models are proposed for restoring divider. In the first design, approximation is performed at circuit level, where approximate divider cells are utilized in place of exact ones by simplifying the logic equations. In the second model, restoring divider is analyzed strategically and number of restoring divider cells are reduced by finding the portions of divisor and dividend with significant information. An approximation factor $p$ is used in both designs. In model 1, the design with p=8 has a 58% reduction in both area and power consumption compared to exact design, with a Q-MRED of 1.909 × 10-2 and Q-NMED of 0.449 × 10-2. The second model with an approximation factor p=4 has 54% area savings and 62% power savings compared to exact design. The proposed models are found to have better error metrics compared to existing designs, with better performance at similar error values. A change detection image processing application is used for real time assessment of proposed and existing approximate dividers and one of the models achieves a PSNR of 54.27 dB

Degradation Models and Optimizations for CMOS Circuits

Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit von CMOS-Schaltungen ist derzeit eines der größten Herausforderungen beim Chip- und Schaltungsentwurf. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung erhöht jede neue Generation der Halbleitertechnologie die elektrischen Felder innerhalb der Transistoren. Dieses stärkere elektrische Feld stimuliert die Degradationsphänomene (Alterung der Transistoren, Selbsterhitzung, Rauschen, usw.), was zu einer immer stärkeren Degradation (Verschlechterung) der Transistoren führt. Daher erleiden die Transistoren in jeder neuen Technologiegeneration immer stärkere Verschlechterungen ihrer elektrischen Parameter. Um die Funktionalität und Zuverlässigkeit der Schaltung zu wahren, wird es daher unerlässlich, die Auswirkungen der geschwächten Transistoren auf die Schaltung präzise zu bestimmen. Die beiden wichtigsten Auswirkungen der Verschlechterungen sind ein verlangsamtes Schalten, sowie eine erhöhte Leistungsaufnahme der Schaltung. Bleiben diese Auswirkungen unberücksichtigt, kann die verlangsamte Schaltgeschwindigkeit zu Timing-Verletzungen führen (d.h. die Schaltung kann die Berechnung nicht rechtzeitig vor Beginn der nächsten Operation abschließen) und die Funktionalität der Schaltung beeinträchtigen (fehlerhafte Ausgabe, verfälschte Daten, usw.). Um diesen Verschlechterungen der Transistorparameter im Laufe der Zeit Rechnung zu tragen, werden Sicherheitstoleranzen eingeführt. So wird beispielsweise die Taktperiode der Schaltung künstlich verlängert, um ein langsameres Schaltverhalten zu tolerieren und somit Fehler zu vermeiden. Dies geht jedoch auf Kosten der Performanz, da eine längere Taktperiode eine niedrigere Taktfrequenz bedeutet. Die Ermittlung der richtigen Sicherheitstoleranz ist entscheidend. Wird die Sicherheitstoleranz zu klein bestimmt, führt dies in der Schaltung zu Fehlern, eine zu große Toleranz führt zu unnötigen Performanzseinbußen. Derzeit verlässt sich die Industrie bei der Zuverlässigkeitsbestimmung auf den schlimmstmöglichen Fall (maximal gealterter Schaltkreis, maximale Betriebstemperatur bei minimaler Spannung, ungünstigste Fertigung, etc.). Diese Annahme des schlimmsten Falls garantiert, dass der Chip (oder integrierte Schaltung) unter allen auftretenden Betriebsbedingungen funktionsfähig bleibt. Darüber hinaus ermöglicht die Betrachtung des schlimmsten Falles viele Vereinfachungen. Zum Beispiel muss die eigentliche Betriebstemperatur nicht bestimmt werden, sondern es kann einfach die schlimmstmögliche (sehr hohe) Betriebstemperatur angenommen werden. Leider lässt sich diese etablierte Praxis der Berücksichtigung des schlimmsten Falls (experimentell oder simulationsbasiert) nicht mehr aufrechterhalten. Diese Berücksichtigung bedingt solch harsche Betriebsbedingungen (maximale Temperatur, etc.) und Anforderungen (z.B. 25 Jahre Betrieb), dass die Transistoren unter den immer stärkeren elektrischen Felder enorme Verschlechterungen erleiden. Denn durch die Kombination an hoher Temperatur, Spannung und den steigenden elektrischen Feldern bei jeder Generation, nehmen die Degradationphänomene stetig zu. Das bedeutet, dass die unter dem schlimmsten Fall bestimmte Sicherheitstoleranz enorm pessimistisch ist und somit deutlich zu hoch ausfällt. Dieses Maß an Pessimismus führt zu erheblichen Performanzseinbußen, die unnötig und demnach vermeidbar sind. Während beispielsweise militärische Schaltungen 25 Jahre lang unter harschen Bedingungen arbeiten müssen, wird Unterhaltungselektronik bei niedrigeren Temperaturen betrieben und muss ihre Funktionalität nur für die Dauer der zweijährigen Garantie aufrechterhalten. Für letzteres können die Sicherheitstoleranzen also deutlich kleiner ausfallen, um die Performanz deutlich zu erhöhen, die zuvor im Namen der Zuverlässigkeit aufgegeben wurde. Diese Arbeit zielt darauf ab, maßgeschneiderte Sicherheitstoleranzen für die einzelnen Anwendungsszenarien einer Schaltung bereitzustellen. Für fordernde Umgebungen wie Weltraumanwendungen (wo eine Reparatur unmöglich ist) ist weiterhin der schlimmstmögliche Fall relevant. In den meisten Anwendungen, herrschen weniger harsche Betriebssbedingungen (z.B. sorgen Kühlsysteme für niedrigere Temperaturen). Hier können Sicherheitstoleranzen maßgeschneidert und anwendungsspezifisch bestimmt werden, sodass Verschlechterungen exakt toleriert werden können und somit die Zuverlässigkeit zu minimalen Kosten (Performanz, etc.) gewahrt wird. Leider sind die derzeitigen Standardentwurfswerkzeuge für diese anwendungsspezifische Bestimmung der Sicherheitstoleranz nicht gut gerüstet. Diese Arbeit zielt darauf ab, Standardentwurfswerkzeuge in die Lage zu versetzen, diesen Bedarf an Zuverlässigkeitsbestimmungen für beliebige Schaltungen unter beliebigen Betriebsbedingungen zu erfüllen. Zu diesem Zweck stellen wir unsere Forschungsbeiträge als vier Schritte auf dem Weg zu anwendungsspezifischen Sicherheitstoleranzen vor: Schritt 1 verbessert die Modellierung der Degradationsphänomene (Transistor-Alterung, -Selbsterhitzung, -Rauschen, etc.). Das Ziel von Schritt 1 ist es, ein umfassendes, einheitliches Modell für die Degradationsphänomene zu erstellen. Durch die Verwendung von materialwissenschaftlichen Defektmodellierungen werden die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse der Degradationsphänomena modelliert, um ihre Wechselwirkungen zu berücksichtigen (z.B. Phänomen A kann Phänomen B beschleunigen) und ein einheitliches Modell für die simultane Modellierung verschiedener Phänomene zu erzeugen. Weiterhin werden die jüngst entdeckten Phänomene ebenfalls modelliert und berücksichtigt. In Summe, erlaubt dies eine genaue Degradationsmodellierung von Transistoren unter gleichzeitiger Berücksichtigung aller essenziellen Phänomene. Schritt 2 beschleunigt diese Degradationsmodelle von mehreren Minuten pro Transistor (Modelle der Physiker zielen auf Genauigkeit statt Performanz) auf wenige Millisekunden pro Transistor. Die Forschungsbeiträge dieser Dissertation beschleunigen die Modelle um ein Vielfaches, indem sie zuerst die Berechnungen so weit wie möglich vereinfachen (z.B. sind nur die Spitzenwerte der Degradation erforderlich und nicht alle Werte über einem zeitlichen Verlauf) und anschließend die Parallelität heutiger Computerhardware nutzen. Beide Ansätze erhöhen die Auswertungsgeschwindigkeit, ohne die Genauigkeit der Berechnung zu beeinflussen. In Schritt 3 werden diese beschleunigte Degradationsmodelle in die Standardwerkzeuge integriert. Die Standardwerkzeuge berücksichtigen derzeit nur die bestmöglichen, typischen und schlechtestmöglichen Standardzellen (digital) oder Transistoren (analog). Diese drei Typen von Zellen/Transistoren werden von der Foundry (Halbleiterhersteller) aufwendig experimentell bestimmt. Da nur diese drei Typen bestimmt werden, nehmen die Werkzeuge keine Zuverlässigkeitsbestimmung für eine spezifische Anwendung (Temperatur, Spannung, Aktivität) vor. Simulationen mit Degradationsmodellen ermöglichen eine Bestimmung für spezifische Anwendungen, jedoch muss diese Fähigkeit erst integriert werden. Diese Integration ist eines der Beiträge dieser Dissertation. Schritt 4 beschleunigt die Standardwerkzeuge. Digitale Schaltungsentwürfe, die nicht auf Standardzellen basieren, sowie komplexe analoge Schaltungen können derzeit nicht mit analogen Schaltungssimulatoren ausgewertet werden. Ihre Performanz reicht für solch umfangreiche Simulationen nicht aus. Diese Dissertation stellt Techniken vor, um diese Werkzeuge zu beschleunigen und somit diese umfangreichen Schaltungen simulieren zu können. Diese Forschungsbeiträge, die sich jeweils über mehrere Veröffentlichungen erstrecken, ermöglichen es Standardwerkzeugen, die Sicherheitstoleranz für kundenspezifische Anwendungsszenarien zu bestimmen. Für eine gegebene Schaltungslebensdauer, Temperatur, Spannung und Aktivität (Schaltverhalten durch Software-Applikationen) können die Auswirkungen der Transistordegradation ausgewertet werden und somit die erforderliche (weder unter- noch überschätzte) Sicherheitstoleranz bestimmt werden. Diese anwendungsspezifische Sicherheitstoleranz, garantiert die Zuverlässigkeit und Funktionalität der Schaltung für genau diese Anwendung bei minimalen Performanzeinbußen

On adaptive filter structure and performance

SIGLEAvailable from British Library Document Supply Centre- DSC:D75686/87 / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo

Combined Industry, Space and Earth Science Data Compression Workshop

The sixth annual Space and Earth Science Data Compression Workshop and the third annual Data Compression Industry Workshop were held as a single combined workshop. The workshop was held April 4, 1996 in Snowbird, Utah in conjunction with the 1996 IEEE Data Compression Conference, which was held at the same location March 31 - April 3, 1996. The Space and Earth Science Data Compression sessions seek to explore opportunities for data compression to enhance the collection, analysis, and retrieval of space and earth science data. Of particular interest is data compression research that is integrated into, or has the potential to be integrated into, a particular space or earth science data information system. Preference is given to data compression research that takes into account the scien- tist's data requirements, and the constraints imposed by the data collection, transmission, distribution and archival systems

Contribution to the construction of fingerprinting and watermarking schemes to protect mobile agents and multimedia content

The main characteristic of fingerprinting codes is the need of high error-correction capacity due to the fact that they are designed to avoid collusion attacks which will damage many symbols from the codewords. Moreover, the use of fingerprinting schemes depends on the watermarking system that is used to embed the codeword into the content and how it honors the marking assumption. In this sense, even though fingerprinting codes were mainly used to protect multimedia content, using them on software protection systems seems an option to be considered. This thesis, studies how to use codes which have iterative-decoding algorithms, mainly turbo-codes, to solve the fingerprinting problem. Initially, it studies the effectiveness of current approaches based on concatenating tradicioanal fingerprinting schemes with convolutional codes and turbo-codes. It is shown that these kind of constructions ends up generating a high number of false positives. Even though this thesis contains some proposals to improve these schemes, the direct use of turbo-codes without using any concatenation with a fingerprinting code as inner code has also been considered. It is shown that the performance of turbo-codes using the appropiate constituent codes is a valid alternative for environments with hundreds of users and 2 or 3 traitors. As constituent codes, we have chosen low-rate convolutional codes with maximum free distance. As for how to use fingerprinting codes with watermarking schemes, we have studied the option of using watermarking systems based on informed coding and informed embedding. It has been discovered that, due to different encodings available for the same symbol, its applicability to embed fingerprints is very limited. On this sense, some modifications to these systems have been proposed in order to properly adapt them to fingerprinting applications. Moreover the behavior and impact over a video produced as a collusion of 2 users by the YouTube’s s ervice has been s tudied. We have also studied the optimal parameters for viable tracking of users who have used YouTube and conspired to redistribute copies generated by a collusion attack. Finally, we have studied how to implement fingerprinting schemes and software watermarking to fix the problem of malicious hosts on mobile agents platforms. In this regard, four different alternatives have been proposed to protect the agent depending on whether you want only detect the attack or avoid it in real time. Two of these proposals are focused on the protection of intrusion detection systems based on mobile agents. Moreover, each of these solutions has several implications in terms of infrastructure and complexity.Els codis fingerprinting es caracteritzen per proveir una alta capacitat correctora ja que han de fer front a atacs de confabulació que malmetran una part important dels símbols de la paraula codi. D'atra banda, la utilització de codis de fingerprinting en entorns reals està subjecta a que l'esquema de watermarking que gestiona la incrustació sigui respectuosa amb la marking assumption. De la mateixa manera, tot i que el fingerprinting neix de la protecció de contingut multimèdia, utilitzar-lo en la protecció de software comença a ser una aplicació a avaluar. En aquesta tesi s'ha estudiat com aplicar codis amb des codificació iterativa, concretament turbo-codis, al problema del rastreig de traïdors en el context del fingerprinting digital. Inicialment s'ha qüestionat l'eficàcia dels enfocaments actuals en la utilització de codis convolucionals i turbo-codis que plantegen concatenacions amb esquemes habituals de fingerprinting. S'ha demostrat que aquest tipus de concatenacions portaven, de forma implícita, a una elevada probabilitat d'inculpar un usuari innocent. Tot i que s'han proposat algunes millores sobre aquests esquemes , finalment s'ha plantejat l'ús de turbocodis directament, evitant així la concatenació amb altres esquemes de fingerprinting. S'ha demostrat que, si s'utilitzen els codis constituents apropiats, el rendiment del turbo-descodificador és suficient per a ser una alternativa aplicable en entorns amb varis centenars d'usuaris i 2 o 3 confabuladors . Com a codis constituents s'ha optat pels codis convolucionals de baix ràtio amb distància lliure màxima. Pel que fa a com utilitzar els codis de fingerprinting amb esquemes de watermarking, s'ha estudiat l'opció d'utilitzar sistemes de watermarking basats en la codificació i la incrustació informada. S'ha comprovat que, degut a la múltiple codificació del mateix símbol, la seva aplicabilitat per incrustar fingerprints és molt limitada. En aquest sentit s'ha plantejat algunes modificacions d'aquests sistemes per tal d'adaptar-los correctament a aplicacions de fingerprinting. D'altra banda s'ha avaluat el comportament i l'impacte que el servei de YouTube produeix sobre un vídeo amb un fingerprint incrustat. A més , s'ha estudiat els paràmetres òptims per a fer viable el rastreig d'usuaris que han confabulat i han utilitzat YouTube per a redistribuir la copia fruït de la seva confabulació. Finalment, s'ha estudiat com aplicar els esquemes de fingerprinting i watermarking de software per solucionar el problema de l'amfitrió maliciós en agents mòbils . En aquest sentit s'han proposat quatre alternatives diferents per a protegir l'agent en funció de si és vol només detectar l'atac o evitar-lo en temps real. Dues d'aquestes propostes es centren en la protecció de sistemes de detecció d'intrusions basats en agents mòbils. Cadascuna de les solucions té diverses implicacions a nivell d'infrastructura i de complexitat.Postprint (published version