Projeto de Hardware de Alto Desempenho para Ferramentas da Predição Inter Quadros do Codificador AV1

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Domanski, Robson André
• Orientador(a): Agostini, Luciano Volcan
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Pelotas
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Computação
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Codec AV1; Predição Inter Quadros; Projeto de hardware; AV1 Codec; Inter-Frames Prediction; Hardware design
• Área do conhecimento CNPq: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
• Link de acesso: http://guaiaca.ufpel.edu.br/xmlui/handle/prefix/10173

Atualmente os vídeos digitais estão cada vez mais presentes no mundo inteiro, sejam eles destinados ao lazer ou as atividades profissionais. Por consequência, podese observar um expressivo crescimento no número de dispositivos móveis capazes de capturar, manipular e transmitir estes vídeos digitais. Esses dispositivos móveis, por sua vez, possuem sérias restrições em termos de consumo de energia e de poder computacional. Neste contexto, a codificação de vídeos é responsável por parte importante destas restrições. Os novos codificadores são desenvolvidos com o objetivo de realizar a compressão desses vídeos de forma cada vez mais eficiente e para resoluções cada vez mais elevadas, assim tornando o suporte a vídeos digitais uma operação bastante custosa do ponto de vista de poder computacional e de consumo de energia. Nesse cenário, o codificador AOMedia Video 1 (AV1) tem ganhado destaque. O AV1 é um codificador desenvolvido por um consórcio de grandes empresas da área, como Google, Apple, Intel, AMD entre outras, com o objetivo de ter elevada eficiência de compressão em uma solução livre de royalties. Para tanto, o AV1 adotou novas ferramentas de codificação de elevado custo computacional o que amplia os desafios para que dispositivos móveis suportem esse codificador. Entre as etapas do AV1 que trouxeram maiores inovações está a predição inter quadros. Por conta destas inovações, a predição inter quadros é responsável pelo maior custo computacional no codificador AV1, com cerca de 58% do tempo de execução, principalmente quando levamos em conta que a inter quadros é uma etapa dentre as oito dentro do codificador AV1. Este trabalho apresenta um conjunto de soluções em hardware dedicado para a predição inter quadros do AV1. Foram desenvolvidas arquiteturas para Estimação de Movimento Fracionária, a Compensação de Movimento Convencional e as Compensações de Movimentos Distorcidos Local e Global. Todas as arquiteturas propostas buscaram um projeto de hardware eficiente em termos de área e potência. As arquiteturas foram sintetizadas para ASIC usando a biblioteca TSMC de 40 nm e foram capazes de processar vídeos de ultra alta definição, como UHD 4K e UHD 8K a taxas de quadros variando entre 30 e 60 quadros por segundo. As arquiteturas desenvolvidas neste trabalho são as primeiras na literatura que implementaram soluções para as ferramentas da predição inter quadros do codificador AV1.