1 |
Υλοποίηση του MPEG-4 Simple Profile CODEC στην πλατφόρμα TMS320DM6437 για επεξεργασία βίντεο σε πραγματικό χρόνο / Implementation of MPEG-4 Simple Profile CODEC in DSP platform TMS320DM6437 for video processing in real-timeΣωτηρόπουλος, Κωνσταντίνος 30 April 2014 (has links)
Η παρούσα ειδική ερευνητική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Διατμηματικού Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών Ειδίκευσης στα “Συστήματα Επεξεργασίας Σημάτων και Επικοινωνιών” στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η σχεδίαση και ανάπτυξη του MPEG – 4 Simple Profile CODEC στο περιβάλλον Simulink με σκοπό την τελική εκτέλεση του αλγορίθμου DSP που θα προκύψει, στην πλατφόρμα ανάπτυξης TMS320DM6437 EVM.
Στο πρώτο κεφάλαιο ορίζεται η έννοια της κωδικοποίησης βίντεο σε πραγματικό χρόνο και περιγράφεται η σύγχυση που επικρατεί γύρω από αυτήν. Επίσης γίνεται μια περιγραφή των επεξεργαστών ψηφιακού σήματος ως προς τα τυπικά χαρακτηριστικά που διαθέτουν, την αρχιτεκτονική τους, την αρχιτεκτονική μνήμης, τα στοιχεία υλικού που διαθέτουν για τη ροή του DSP προγράμματος, ενώ παράλληλα, παρουσιάζεται η ιστορική εξέλιξη των DSPs που οδήγησε στους σύγχρονους DSPs και οι οποίοι, διαθέτουν καλύτερες επιδόσεις από τους προπάτορές τους, και αυτό χάρη στις τεχνολογικές και αρχιτεκτονικές εξελίξεις όπως, οι χαμηλότεροι κανόνες σχεδίασης, η γρήγορη προσπέλαση κρυφής μνήμης δύο επιπέδων, η σχεδίαση του DMA και ενός μεγαλύτερου συστήματος διαύλου. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική της πλατφόρμας ανάπτυξης TMS320DM6437 EVM καθώς και οι διεπαφές υλικού που διαθέτει για την είσοδο και έξοδο βίντεο/ήχου από αυτήν.
Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια εκτενής παρουσίαση των εννοιών που συναντώνται στην κωδικοποίηση βίντεο. Στην αρχή του κεφαλαίου απεικονίζεται το γενικό μοντέλο ενός κωδικοποιητή/αποκωδικοποιητή και βάσει αυτού προχωράμε στην περιγραφή του χρονικού μοντέλου, το οποίο επιβάλλει την πρόβλεψη του τρέχοντος πλαισίου βίντεο χρησιμοποιώντας το προηγούμενο, ενώ παράλληλα, εξηγεί και μεθόδους για την εκτίμηση κίνησης περιοχών (μακρομπλοκ) μέσα στο πλαίσιο ενός βίντεο και το πώς μπορεί να γίνει ο υπολογισμός του σφάλματος κίνησης τους. Στη συνέχεια περιγράφεται το μοντέλο εικόνας το οποίο στην πράξη αποτελείται από τρία συστατικά μέρη: τον μετασχηματισμό (αποσυσχετίζει και συμπιέζει τα δεδομένα), την κβάντιση (μειώνει την ακρίβεια των μετασχηματισμένων δεδομένων) και την ανακατάταξη (ανακατατάσσει τα δεδομένα ούτως ώστε να ομαδοποιήσει μαζί τις σημαντικές τιμές). Οι συντελεστές του μετασχηματισμού μετά την ανακατάταξη και την κωδικοποίηση, μπορούν να κωδικοποιηθούν περαιτέρω με τη χρήση κωδικών μεταβλητού μήκους (Huffman κωδικοποίηση) ή μέσω αριθμητικής κωδικοποίησης. Στο τέλος του κεφαλαίου περιγράφεται το υβριδικό μοντέλο DPCM/DCT CODEC πάνω στον οποίο στηρίζεται και η υλοποίηση του MPEG – 4 Simple Profile CODEC.
Στο τρίτο κεφάλαιο ουσιαστικά γίνεται μια περιγραφή των χαρακτηριστικών του MPEG – 4 Simple Profile CODEC, των εργαλείων που χρησιμοποιεί, της έννοιας αντικείμενο που πλέον υπεισέρχεται στην κωδικοποίηση βίντεο καθώς και τα είδη προφίλ και επιπέδων που υποστηρίζει το συγκεκριμένο πρωτόκολλο κωδικοποίησης/αποκωδικοποίησης.
Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η υλοποίηση του κωδικοποιητή, του αποκωδικοποιητή του MPEG – 4 Simple Profile CODEC καθώς και των επιμέρους υποσυστημάτων που τους απαρτίζουν.
Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η αλληλεπίδραση του χρήστη με το σύστημα κωδικοποίησης/αποκωδικοποίησης, τι παράμετροι χρειάζονται να δοθούν ως είσοδοι από αυτόν, καθώς και πως είναι δυνατή η χρήση του συγκεκριμένου συστήματος. / This project objective is the design and development of MPEG – 4 Simple Profile CODEC in Simulink environment in order to execute the resulting DSP algorithm on the development platform TMS320DM6437 EVM.
The first chapter defines the term of real – time video coding which sometimes is misunderstood by most people. Besides there is a brief description of DSP systems, which includes information about their typical characteristics, their architecture, their memory architecture and the hardware elements provided with in order to support the flow of a DSP program. It is also presented the evolution of DSPs through time, which finally gave the modern DSPs with better performance than their ancestors thanks to the technological and architectonical improvements such as, lower design rules, fast-access two-level cache, (E)DMA circuitry and a wider bus system. At the end of this chapter it is presented the architecture of TMS320DM6437 EVM board and its input/output hardware interfaces for video and sound.
At the second chapter there is an extensive presentation of terms found at the science of coding/decoding video. At the beginning of this chapter it is depicted a general model including a video encoder/decoder and this is the reason for the description of temporal model, which includes the prediction of current frame from the previous one, and at the same time it explains the computation methods of macroblock motion estimation and motion compensation. Continuing it is described the image model aparted from three component parts, the transformation (decorrelation and data compression), the quantization (reduces the accuracy of transformed data) and the reordering (reorders data on a way that groups significant values all together). The transform coefficients after reordering and coding, can be further coding by using variable length coding (Huffman coding) or arithmetic coding. At the end of the chapter the hybrid model of DPCM/DCT CODEC is described and this is the one where the implementation of MPEG – 4 Simple Profile CODEC has been set up.
At the third chapter there is a description about the characteristics of MPEG – 4 Simple Profile CODEC, the tools used, the “object” term, which appears on video coding/decoding and also what are the profiles and levels supported by the specific video encoding/decoding protocol. Finally it is described how the coding of rectangular frames is done and the Simulink model of MPEG – 4 Simple Profile CODEC which is the base for the implementation of DSP algorithm executed on the development platform.
At the forth chapter we present the implementation of MPEG – 4 Simple Profile CODEC encoder/decoder and their partial subsystems.
At the fifth chapter it is described the interaction between user and the CODEC, what are the parameters needed to be entered as inputs and how the system can be used.
|
2 |
Motion compensation-scalable video codingΑθανασόπουλος, Διονύσιος 17 September 2007 (has links)
Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας αποτελεί η κλιμακοθετήσιμη κωδικοποίηση βίντεο (scalable video coding) με χρήση του μετασχηματισμού wavelet. Η κλιμακοθετήσιμη κωδικοποίηση βίντεο αποτελεί ένα πλαίσιο εργασίας, όπου από μια ενιαία συμπιεσμένη ακολουθία βίντεο μπορούν να προκύψουν αναπαραστάσεις του βίντεο με διαφορετική ποιότητα, ανάλυση και ρυθμό πλαισίων. Η κλιμακοθετησιμότητα του βίντεο αποτελεί σημαντική ιδιότητα ενός συστήματος στις μέρες μας, όπου το video-streaming και η επικοινωνία με βίντεο γίνεται μέσω μη αξιόπιστων μέσων διάδοσης και μεταξύ τερματικών με διαφορετικές δυνατότητες
Στην εργασία αυτή αρχικά μελετάται ο μετασχηματισμός wavelet, ο οποίος αποτελεί το βασικό εργαλείο για την κλιμακοθετήσιμη κωδικοποίηση τόσο εικόνων όσο και ακολουθιών βίντεο. Στην συνέχεια, αναλύουμε την ιδέα της ανάλυσης πολλαπλής διακριτικής ικανότητας (multiresolution analysis) και την υλοποίηση του μετασχηματισμού wavelet με χρήση του σχήματος ανόρθωσης (lifting scheme), η οποία προκάλεσε νέο ενδιαφέρον στο χώρο της κλιμακοθετήσιμης κωδικοποίησης βίντεο. Τα κλιμακοθετήσιμα συστήματα κωδικοποίησης βίντεο διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: σε αυτά που εφαρμόζουν το μετασχηματισμό wavelet πρώτα στο πεδίο του χρόνου και έπειτα στο πεδίο του χώρου και σε αυτά που εφαρμόζουν το μετασχηματισμό wavelet πρώτα στο πεδίο του χώρου και έπειτα στο πεδίο του χρόνου. Εμείς εστιάzουμε στη πρώτη κατηγορία και αναλύουμε τη διαδικάσια κλιμακοθετήσιμης κωδικοποίησης/αποκωδικοποίησης καθώς και τα επιμέρους κομμάτια από τα οποία αποτελείται. Τέλος, εξετάζουμε τον τρόπο με τον οποίο διάφορες παράμετρoι επηρεάζουν την απόδοση ενός συστήματος κλιμακοθετήσιμης κωδικοποίησης βίντεο και παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα από τις πειραματικές μετρήσεις. Βασιζόμενοι στα πειραματικά αποτελέσματα προτείνουμε έναν προσαρμοστικό τρόπο επιλογής των παραμέτρων με σκοπό τη βελτίωση της απόδοσης και συγχρόνως τη μείωση της πολυπλοκότητας. / In this master thesis we examine the scalable video coding based on the wavelet transform. Scalable video coding refers to a compression framework where content representations with different quality, resolution, and frame-rate can be extracted from parts of one compressed bitstream. Scalable video coding based on motion-compensated spatiotemporal wavelet decompositions is becoming increasingly popular, as it provides coding performance competitive with state-of-the-art coders, while trying to accommodate varying network bandwidths and different receiver capabilities (frame-rate, display size, CPU, etc.) and to provide solutions for network congestion or video server design.
In this master thesis we investigate the wavelet transform, the multiresolution analysis and the lifting scheme. Then, we focus on the scalable video coding/decoding. There exist two different architectures of scalable video coding. The first one performs the wavelet transform firstly on the temporal direction and then performs the spatial wavelet decomposition. The other architecture performs firstly the spatial wavelet transform and then the temporal decomposition. We focus on the first architecture, also known as t+2D scalable coding systems.
Several coding parameters affect the performance of the scalable video coding scheme such as the number of temporal levels and the interpolation filter used for subpixel accuracy. We have conducted extensive experiments in order to test the influence of these parameters. The influence of these parameters proves to be dependent on the video content. Thus, we present an adaptive way of choosing the value of these parameters based on the video content. Experimental results show that the proposed method not only significantly improves the performance but reduces the complexity of the coding procedure.
|
3 |
Ανάπτυξη αρχιτεκτονικών διπλού φίλτρου και FPGA υλοποιήσεις για το H.264 / AVC deblocking filterΚαβρουλάκης, Νικόλαος 07 June 2013 (has links)
Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παρουσίαση και η μελέτη ενος εναλλακτικού σχεδιασμού του deblocking φίλτρου του προτύπου κωδικοποίησης βίντεο Η.264. Αρχικά επεξηγείται αναλυτικά ο τρόπος λειτουργίας του φίλτρου και στη συνέχεια προτείνεται ένας πρωτοποριακός σχεδιασμός με χρήση pipeline πέντε σταδίων. Ο σχεδιασμός παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα στον τομέα της ταχύτητας (ενδεικτικά εμφανίζεται βελτιωμένη απόδοση στην συχνότητα λειτουργίας και στο throughput). Αυτό πιστοποιήθηκε από μετρήσεις που έγιναν σε συγκεκριμένα fpga και επαλήθευσαν τα θεωρητικά συμπεράσματα που είχαν εξαχθεί. / The standard H.264 (or else MPEG-4 part 10) is nowadays the most widely used standard in the area of video coding as it is supported by the largest enterprises in the internet (including Google, Apple and Youtube). Its most important advantage over the previous standards is that it achieves better bitrate without falling in terms of quality.
A crucial part of the standard is the deblocking filter which is applied in each macroblock of a frame so that it reduces the blocking distortion. The filter accounts for about one third of the computational requirements of the standard, something which makes it a really important part of the filtering process.
The current diploma thesis presents an alternative design of the filter which achieves better performance than the existing ones. The design is based in the use of two filters (instead of one used in current technology) and moreover, in the application of a pipelined design in each filter. By using a double filter, exploitation of the independence which exists in many parts of the macroblock is achieved. That is to say, it is feasible that different parts of it can be filtered at the same time without facing any problems. Furthermore, the use of the pipeline technique importantly increases the throughput. Needless to say, in order for the desired result to be achieved, the design has to be made really carefully so that the restrictions imposed by the standard will not be failed. The use of this alternative filter design will result in an important raise in the performance. Amongst all, the operating frequency, the throughput and the quality of the produced video will all appear to be considerably risen. It also needs to be mentioned that the inevitable increase of the area used (because of the fact that two filters are used instead of one) is not really important in terms of cost.
The structure of the thesis is described in this paragraph. In chapter 1 there is a rather synoptic description of the H.264 standard and the exact position of the deblocking filter in the whole design is clarified. After that, the algorithmic description of the filter follows (Chapter 2). In this chapter, all the parameters participating in the filter are presented in full detail as well as the equations used during the process. In the next chapter (chapter 3), the architecture chosen for the design is presented. That is to say, the block diagram is presented and explained, as well as the table of timings which explains completely how the filter works. The pipelining technique applied in the filter is also analyzed and justified in this chapter. In the next chapter (chapter 4), every structural unit used in the current architecture is analyzed completely and its role in the whole structure is presented. Finally, in chapter 5, the results of the measurements made in typical fpgas of Altera and Xilinx are presented. The results are shown in table format whereas for specific parameters diagrams were used so that the improved performance of the current design compared to the older ones that are widely used, becomes evident.
|
Page generated in 0.0252 seconds