Πρότυπη υλοποίηση και αξιολόγηση κωδικοποίησης εικονοροών

Abstract

The object of research of thesis they are the techniques of implementation of coders according to the recommendation MPEG4 - H.264. This recommendation is called to replace the MPEG2 offering better compression and better quality. In continuously more applications it is called to be materialized, from systems television up to handle devices. Having a big breadth of applications, emerges the need for planning of implementation with different needs. Research interest has the design of H.264 building blocks aiming at as smaller, more efficient and more rapid circuits. In the first part of thesis becomes an introduction to the recommendation. Also it presents the basic terms of the operation of coding and decoding. Afterwards is described the operation of the H.264 blocks. In the second part of thesis is presented a software and hardware solution of a H.264 coder that was designed and developed. In the software were implemented the all techniques from the international bibliography as well as the proposed techniques, giving thus the possibility for direct comparison of these. Also, the hardware coder H.264 with size of 266K gates has implemented. The 45% of these gates are occupied by INTRA block. To this high percentage concerning the small compression that can we achieve using intra, led to further study of this. The analysis of operation and the techniques of implementation of INTRA block are presented afterwards. New quality metric are imported base on the table of AC transformation and with decreased number of coefficients. The implementation of quality metric showed that the big circuit of INTRA is owed in the quality metric block leading to the effort to reduce the size of these. The proposed quality metric dct-8 in 116x16 gives light better results compared with proposed from the international bibliography quality metric SATD, decreasing the size at 40%. Instead of this the proposed metrics in 14x4 does not give better results than the quality metric SATD. A new method for 14x4 was developed, in what becomes forecast of number of the bits without using quality metric. The required circuit is 15% smaller than the SATD giving same quality, without use of technical RDO that leaves margins of improvement.

Το αντικείμενο έρευνας της διατριβής είναι η πρότυπη υλοποίηση και αξιολόγηση κωδικοποίησης εικονοροών σύμφωνα με το πρότυπο MPEG4 - Η.264. Το πρότυπο αυτό καλείται να αντικαταστήσει το MPEG2 προσφέροντας καλύτερη συμπίεση και καλύτερη ποιότητα. Σε ολοένα και περισσότερες εφαρμογές καλείται να υλοποιηθεί, από συστήματα τηλεόρασης μέχρι σε συσκευές χειρός. Έχοντας ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών, ανακύπτει η ανάγκη για σχεδιασμό υλοποιήσεων με διαφορετικές ανάγκες. Ερευνητικό ενδιαφέρον παρουσιάζει η σχεδίαση των επιμέρους κυκλωμάτων έχοντας ως στόχο μικρότερα, αποδοτικότερα και ταχύτερα κυκλώματα. Στο πρώτο μέρος της διατριβής γίνεται μια εισαγωγή στο πρότυπο. Παρουσιάζονται οι βασικές έννοιες και όροι καθώς και η λειτουργία της κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης. Στη συνέχεια περιγράφεται η λειτουργία των επιμέρους τμημάτων ενός κωδικοποιητή. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής παρουσιάζεται το λογισμικό και η υλοποίηση σε υλικό του κωδικοποιητή Η.264 που σχεδιάστηκε. Στο λογισμικό ενσωματώθηκαν όλες οι τεχνικές από την διεθνή βιβλιογραφία καθώς και οι προτεινόμενες τεχνικές, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα για άμεση σύγκριση αυτών. Επίσης υλοποιήθηκε σε υλικό ένας κωδικοποιητής Η.264 με μέγεθος 266Κ πύλες, εκ των οποίων το 45% καταλαμβάνεται από το κύκλωμα INTRA. Το υψηλό αυτό ποσοστό σε σχέση με τη μικρή συμπίεση που επιτυγχάνεται με τη χρήση του, οδήγησε σε περαιτέρω μελέτη αυτού. Η ανάλυση της λειτουργίας και οι τεχνικές υλοποίησης του INTRA κυκλώματος παρουσιάζονται στη συνέχεια. Νέες μετρικές αποκλίσεις εισάγονται με βάση τον πίνακα μετασχηματισμού των AC συντελεστών και με μειωμένο αριθμό συντελεστών. Η υλοποίηση των μετρικών αποκλίσεων έδειξε ότι το μεγάλο μέγεθος του κύκλωμα του INTRA οφείλεται στις μετρικές αποκλίσεις οδηγώντας στην προσπάθεια μείωσης του μεγέθους αυτών. Η προτεινόμενη μετρική DCT-8 στο τμήμα 116x16 έδωσε ελαφρώς καλύτερα αποτελέσματα συγκρινόμενη με την προτεινόμενη από τη διεθνή βιβλιογραφία μετρική SATD, μειώνοντας το μέγεθος κατά 45%. Η εφαρμογή της προτεινόμενης μετρικής στο τμήμα 14x4 δεν έδωσε καλύτερα αποτελέσματα από τη μετρική SATD. Μια νέα μέθοδος για το τμήμα 14x4 αναπτύχθηκε, στην οποία γίνεται πρόβλεψη του αριθμού των bits χωρίς τη χρήση μετρικών αποκλίσεων. Το απαιτούμενο κύκλωμα είναι 15% μικρότερο σε σχέση με το SATD δίνοντας ίδια ποιότητα, χωρίς χρήση τεχνικής RDO, που αφήνει περιθώρια βελτίωσης.