A popularização das aplicações que manipulam vídeos digitais de altas resoluções incorpora diversos desafios no desenvolvimento de novas e eficientes técnicas para manter a eficiência na compressão de vídeo. Para lidar com esta demanda, o padrão HEVC foi proposto com o objetivo de duplicar as taxas de compressão quando comparado com padrões predecessores. No entanto, para atingir esta meta, o HEVC impõe um elevado custo computacional e, consequentemente, o aumento no consumo de energia. Este cenário torna-se ainda mais preocupante quando considerados dispositivos móveis alimentados por bateria os quais apresentam restrições computacionais no processamento de aplicações multimídia. A maioria dos trabalhos relacionados com este desafio, tipicamente, concentram suas contribuições no redução e controle do esforço computacional refletido no processo de codificação. Entretanto, a literatura indica uma carência de informações com relação ao consumo de energia despendido pelo processamento da codificação de vídeo e, principalmente, o impacto energético da hierarquia de memória cache neste contexto. Esta tese apresenta uma metodologia para caracterização energética da codificação de vídeo HEVC em processador de propósito geral. O principal objetivo da metodologia proposta nesta tese é fornecer dados quantitativos referentes ao consumo de energia do HEVC. Esta metodologia é composta por dois módulos, um deles voltado para o processamento da codificação HEVC e, o outro, direcionado ao comportamento do padrão HEVC no que diz respeito à memória cache. Uma das principais vantagens deste segundo módulo é manter-se independente de aplicação ou de arquitetura de processador. Neste trabalho, diversas análises foram realizadas visando a caracterização do consumo de energia do codificador HEVC em processador de propósito geral, considerando diferentes sequências de vídeo, resoluções e parâmetros do codificador. Além disso, uma análise extensa e detalhada de diferentes configurações possíveis de memória cache foi realizada com o propósito de avaliar o impacto energético destas configurações na codificação. Os resultados obtidos com a caracterização proposta demonstram que o gerenciamento dos parâmetros da codificação de vídeo, de maneira conjunta com as especificações da memória cache, tem um alto potencial para redução do consumo energético de codificação de vídeo, mantendo bons resultados de qualidade visual das sequências codificadas. / The popularization of high-resolution digital video applications brings several challenges on developing new and efficient techniques to maintain the video compression efficiency. To respond to this demand, the HEVC standard was proposed aiming to duplicate the compression rate when compared to its predecessors. However, to achieve such goal, HEVC imposes a high computational cost and, consequently, energy consumption increase. This scenario becomes even more concerned under battery-powered mobile devices which present computational constraints to process multimedia applications. Most of the related works about encoder realization, typically concentrate their contributions on computational effort reduction and management. Therefore, there is a lack of information regarding energy consumption on video encoders, specially about the energy impact of the cache hierarchy in this context. This thesis presents a methodology for energy characterization of the HEVC video encoder in general purpose processors. The main goal of this methodology is to provide quantitative data regarding the HEVC energy consumption. This methodology is composed of two modules, one focuses on the HEVC processing and the other focuses on the HEVC behavior regarding cache memory-related consumption. One of the main advantages of this second module is to remain independent of application or processor architecture. Several analyzes are performed aiming at the energetic characterization of HEVC coding considering different video sequences, resolutions, and parameters. In addition, an extensive and detailed analysis of different cache configurations is performed in order to evaluate the energy impact of such configurations during the video coding execution. The results obtained with the proposed characterization demonstrate that the management of the video coding parameters in conjunction with the cache specifications has a high potential for reducing the energy consumption of video coding whereas maintaining good coding efficiency results.

A popularização das aplicações que manipulam vídeos digitais de altas resoluções incorpora diversos desafios no desenvolvimento de novas e eficientes técnicas para manter a eficiência na compressão de vídeo. Para lidar com esta demanda, o padrão HEVC foi proposto com o objetivo de duplicar as taxas de compressão quando comparado com padrões predecessores. No entanto, para atingir esta meta, o HEVC impõe um elevado custo computacional e, consequentemente, o aumento no consumo de energia. Este cenário torna-se ainda mais preocupante quando considerados dispositivos móveis alimentados por bateria os quais apresentam restrições computacionais no processamento de aplicações multimídia. A maioria dos trabalhos relacionados com este desafio, tipicamente, concentram suas contribuições no redução e controle do esforço computacional refletido no processo de codificação. Entretanto, a literatura indica uma carência de informações com relação ao consumo de energia despendido pelo processamento da codificação de vídeo e, principalmente, o impacto energético da hierarquia de memória cache neste contexto. Esta tese apresenta uma metodologia para caracterização energética da codificação de vídeo HEVC em processador de propósito geral. O principal objetivo da metodologia proposta nesta tese é fornecer dados quantitativos referentes ao consumo de energia do HEVC. Esta metodologia é composta por dois módulos, um deles voltado para o processamento da codificação HEVC e, o outro, direcionado ao comportamento do padrão HEVC no que diz respeito à memória cache. Uma das principais vantagens deste segundo módulo é manter-se independente de aplicação ou de arquitetura de processador. Neste trabalho, diversas análises foram realizadas visando a caracterização do consumo de energia do codificador HEVC em processador de propósito geral, considerando diferentes sequências de vídeo, resoluções e parâmetros do codificador. Além disso, uma análise extensa e detalhada de diferentes configurações possíveis de memória cache foi realizada com o propósito de avaliar o impacto energético destas configurações na codificação. Os resultados obtidos com a caracterização proposta demonstram que o gerenciamento dos parâmetros da codificação de vídeo, de maneira conjunta com as especificações da memória cache, tem um alto potencial para redução do consumo energético de codificação de vídeo, mantendo bons resultados de qualidade visual das sequências codificadas. / The popularization of high-resolution digital video applications brings several challenges on developing new and efficient techniques to maintain the video compression efficiency. To respond to this demand, the HEVC standard was proposed aiming to duplicate the compression rate when compared to its predecessors. However, to achieve such goal, HEVC imposes a high computational cost and, consequently, energy consumption increase. This scenario becomes even more concerned under battery-powered mobile devices which present computational constraints to process multimedia applications. Most of the related works about encoder realization, typically concentrate their contributions on computational effort reduction and management. Therefore, there is a lack of information regarding energy consumption on video encoders, specially about the energy impact of the cache hierarchy in this context. This thesis presents a methodology for energy characterization of the HEVC video encoder in general purpose processors. The main goal of this methodology is to provide quantitative data regarding the HEVC energy consumption. This methodology is composed of two modules, one focuses on the HEVC processing and the other focuses on the HEVC behavior regarding cache memory-related consumption. One of the main advantages of this second module is to remain independent of application or processor architecture. Several analyzes are performed aiming at the energetic characterization of HEVC coding considering different video sequences, resolutions, and parameters. In addition, an extensive and detailed analysis of different cache configurations is performed in order to evaluate the energy impact of such configurations during the video coding execution. The results obtained with the proposed characterization demonstrate that the management of the video coding parameters in conjunction with the cache specifications has a high potential for reducing the energy consumption of video coding whereas maintaining good coding efficiency results.

A evolução dos processos de fabricação de circuitos microeletrônicos coloca um número cada vez maior de dispositivos à disposição do projetista de circuitos integrados. Mais e mais funcionalidades são adicionadas aos equipamentos eletrônicos com um aumento correspondente no esforço de projeto. Aplicações de multimídia e comunicação digital, por exemplo, são muito populares e integram funções cada vez mais complexas. As janelas de mercado diminuem com a grande competição por novos produtos. Este cenário desafia os projetistas: são necessárias novas metodologias. Para aumentar a produtividade de uma equipe de projeto, é imprescindível a utilização de um nível de abstração mais alto. O mesmo sistema pode ser descrito por um número menor de primitivas se a linguagem de descrição possuir primitivas semanticamente mais ricas. Este é o chamado projeto baseado em reuso, onde módulos são desenvolvidos para responderem necessidades mais genéricas e serem reconfiguráveis. Além disso, devem seguir algum padrão de interface de comunicação. Aplicações multimídia são muito complexas. Na área de compressão de vídeo, por exemplo, há uma grande quantidade de processamento para permitir a compressão dos dados. Áudio e vídeo geram uma grande quantidade de dados. É imperativo comprimir os dados de maneira a permitir o seu armazenamento/transmissão através de recursos limitados. H.264 é a evolução dos padrões de compressão de vídeo digital, como H.263 ou MPEG-2, e a sua implementação só é possível graças ao progresso da microeletrônica. O desenvolvimento de um decodificador H.264 é um exemplo de um projeto de sistema digital complexo, visto como uma composição de módulos que executam as diferentes operações sobre o sinal. O foco deste trabalho é a metodologia para a construção de sistemas digitais a partir de funções já prontas, em um fluxo de projeto que permita o projeto e o teste baseados em reuso. O caso de estudo, o decodificador H.264, é analisado como um sistema composto por alguns módulos e o resultado é uma metodologia SoC apropriada para ele. Este trabalho levará a uma descrição de como o decodificador foi desenvolvido, uma vez que as técnicas de processamento e os desafios de implementação tenham sido completamente compreendidos. / The evolution of the manufacturing process of microelectronic circuits offers an ever increasing number of devices to the chip designer. More and more functionalities are added to the electronic equipments with a corresponding increase in design effort. Multimedia and digital communication applications, for example, are very popular and integrate each time more complex functions. The time-to-market reduces with the competition for new products. This scenario challenges the circuit designers: new methodologies are needed. To increase the productivity of a design team, higher level of abstraction must be used. The same system can be described with less number of primitives if the description language has primitives semantically richer. One primitive can call a pre-designed module giving a hierarchical design process. This is the so called reuse based design, because modules are developed to respond general needs and made reconfigurable and they must follow some standards of communication interfaces. Multimedia applications are very complex. For video compression, for example, we need a big amount of processing in order to realize data compressing. Audio and video generate a big amount of data. It is imperative to compress the data to allow its storage/transmission through limited resources. H.264 is the evolution of video compression standards, like H.263 or MPEG-2, and its implementation is only possible due to microelectronics progress. Its development is an example of a complex digital system design, and can be seen as a composition of modules that execute the different signal operations. The focus here is the methodology for building digital systems from functions already developed, in a design flow that facilitates reuse-based design and test. The case study, an H.264 decoder, is analyzed as a system made of several modules and the result is a SoC methodology fashioned for it. This work presents a description of how the decoder was developed, after the complete understanding of all the involved processing techniques and design implementation challenges.

A evolução dos processos de fabricação de circuitos microeletrônicos coloca um número cada vez maior de dispositivos à disposição do projetista de circuitos integrados. Mais e mais funcionalidades são adicionadas aos equipamentos eletrônicos com um aumento correspondente no esforço de projeto. Aplicações de multimídia e comunicação digital, por exemplo, são muito populares e integram funções cada vez mais complexas. As janelas de mercado diminuem com a grande competição por novos produtos. Este cenário desafia os projetistas: são necessárias novas metodologias. Para aumentar a produtividade de uma equipe de projeto, é imprescindível a utilização de um nível de abstração mais alto. O mesmo sistema pode ser descrito por um número menor de primitivas se a linguagem de descrição possuir primitivas semanticamente mais ricas. Este é o chamado projeto baseado em reuso, onde módulos são desenvolvidos para responderem necessidades mais genéricas e serem reconfiguráveis. Além disso, devem seguir algum padrão de interface de comunicação. Aplicações multimídia são muito complexas. Na área de compressão de vídeo, por exemplo, há uma grande quantidade de processamento para permitir a compressão dos dados. Áudio e vídeo geram uma grande quantidade de dados. É imperativo comprimir os dados de maneira a permitir o seu armazenamento/transmissão através de recursos limitados. H.264 é a evolução dos padrões de compressão de vídeo digital, como H.263 ou MPEG-2, e a sua implementação só é possível graças ao progresso da microeletrônica. O desenvolvimento de um decodificador H.264 é um exemplo de um projeto de sistema digital complexo, visto como uma composição de módulos que executam as diferentes operações sobre o sinal. O foco deste trabalho é a metodologia para a construção de sistemas digitais a partir de funções já prontas, em um fluxo de projeto que permita o projeto e o teste baseados em reuso. O caso de estudo, o decodificador H.264, é analisado como um sistema composto por alguns módulos e o resultado é uma metodologia SoC apropriada para ele. Este trabalho levará a uma descrição de como o decodificador foi desenvolvido, uma vez que as técnicas de processamento e os desafios de implementação tenham sido completamente compreendidos. / The evolution of the manufacturing process of microelectronic circuits offers an ever increasing number of devices to the chip designer. More and more functionalities are added to the electronic equipments with a corresponding increase in design effort. Multimedia and digital communication applications, for example, are very popular and integrate each time more complex functions. The time-to-market reduces with the competition for new products. This scenario challenges the circuit designers: new methodologies are needed. To increase the productivity of a design team, higher level of abstraction must be used. The same system can be described with less number of primitives if the description language has primitives semantically richer. One primitive can call a pre-designed module giving a hierarchical design process. This is the so called reuse based design, because modules are developed to respond general needs and made reconfigurable and they must follow some standards of communication interfaces. Multimedia applications are very complex. For video compression, for example, we need a big amount of processing in order to realize data compressing. Audio and video generate a big amount of data. It is imperative to compress the data to allow its storage/transmission through limited resources. H.264 is the evolution of video compression standards, like H.263 or MPEG-2, and its implementation is only possible due to microelectronics progress. Its development is an example of a complex digital system design, and can be seen as a composition of modules that execute the different signal operations. The focus here is the methodology for building digital systems from functions already developed, in a design flow that facilitates reuse-based design and test. The case study, an H.264 decoder, is analyzed as a system made of several modules and the result is a SoC methodology fashioned for it. This work presents a description of how the decoder was developed, after the complete understanding of all the involved processing techniques and design implementation challenges.

Esta tese apresenta soluções para o gerenciamento e otimização de temperatura para sistemas de codificação de vídeo baseados nas características da aplicação e no conteúdo dos vídeos digitais. Diferente dos trabalhos estado-da-arte, as soluções propostas nesta tese focam em técnicas de gerenciamento de temperatura no nível da aplicação e características da aplicação codificação de vídeo e as propriedades dos vídeos digitais são explorados para desenvolver soluções termais para a codificação de vídeo com baixas perdas na qualidade de serviço das aplicações. Diversas análises são realizadas considerando a aplicação de codificação de vídeo para entender o comportamento da temperatura durante o processo de codificação para diferentes sequências de vídeo. Com base nos resultados das análises, soluções com diferentes abordagens são propostas para atenuar os efeitos da temperatura nos sistemas de codificação de vídeo. Gerenciamento de temperatura baseado nas características da aplicação para o padrão de codificação HEVC usa uma técnica de seleção de configuração em tempo de execução para manter a temperatura abaixo dos limites seguros de operação com bons resultados de qualidade de vídeo. Otimização de temperatura baseado em computação imprecisa usa aproximações baseadas em conteúdo para reduzir a temperatura de chips executando o HEVC. Um escalonador de tarefas que usa características da aplicação para guiar o escalonamento de threads focando na redução dos gradientes espaciais de temperatura que são resultantes do desbalanceamento natural de cargas entre as threads da aplicação. As soluções propostas são capazes de reduzir em até 10 ºC a temperatura do chip com perdas insignificantes na eficiência de compressão. Os resultados de qualidade objetiva (medida usando PSNR) são de 12 dBs até 20 dBs maiores quando comparados com trabalhos da literatura. Além disso, o escalonador de tarefas proposto é capaz de eliminar os gradientes espaciais de temperatura maiores que 5 ºC para arquitetura multi-cores. Como principal conclusão, esta tese demonstra que as técnicas de gerenciamento de temperatura que usam o conhecimento da aplicação de maneira conjunta com as propriedades dos vídeos digitais tem um alto potencial para melhorar os resultados de temperatura de sistemas de codificação de vídeo mantendo bons resultados de qualidade visual dos vídeos codificados. / This thesis presents application-driven temperature-aware solutions for next generation video coding systems, such as the High Efficiency Video Coding (HEVC). Different from state-of-the-art works, the proposed solutions raise the abstraction of temperature management to the application-level, where video coding characteristics and video content properties are used to leverage thermal-aware solutions for video coding with low QoS (Quality of Service) degradation. Several video coding and temperature analyses are performed to understand the behavior of temperature when encoding different video sequences. Based on the analyses results, different approaches are proposed to mitigate the temperature effects on video coding systems. Application-driven temperature management for HEVC uses run-time encoder configuration selection to keep temperature under safe operational state while providing good visual quality results. Temperature optimization using approximate computing uses content-driven approximations to reduce the on-chip temperature of HEVC encoding. Application-driven temperature-aware scheduler leverages application-specific knowledge to guide a scheduling technique targeting reducing the spatial temperature gradients that are resulted from the unbalance workload nature of multi-threaded video coding application. The proposed solutions are able to provide up to 10 °C of chip temperature reduction with negligible compression efficiency loss. Besides, when compared with previous works the resulted objective video quality (PSNR) is from 12 dB up to 20 dB higher. Moreover, the proposed scheduler eliminates spatial temperature gradients greater than 5 ºC of multi-core architectures. As conclusion, this thesis demonstrates that leveraging application-specific knowledge and video content properties has a significant potential to improve temperature profiles of video coding systems while still keeping good quality results.

Recentemente, o Brasil adotou o padrão SBTVD (Sistema Brasileiro de TV Digital) para transmissão de TV digital. Este utiliza o CODEC (codificador e decodificador) de vídeo H.264/AVC, que é considerado o estado-da-arte no contexto de compressão de vídeo digital. Esta transição para o SBTVD requer o desenvolvimento de tecnologia para transmissão, recepção e decodificação de sinais, assim, o projeto Rede H.264 SBTVD foi iniciado e tem como um dos objetivos a produção de componentes de hardware para construção de um set-top box SoC (System on Chip) compatível com o SBTVD. No sentido de produzir IPs (Intellectual Property) para codificação e decodificação de vídeo digital segundo o padrão H.264/AVC, várias arquiteturas de hardware vêm sendo desenvolvidas no âmbito do projeto. Assim, o objetivo deste trabalho consiste na realização da implementação física em ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) de algumas destas arquiteturas de hardware para decodificação de vídeo H.264/AVC, entre elas as arquiteturas parser e decodificação de entropia, predição intra-quadro e, por fim, quantização e transformadas inversas, que juntas formam uma versão funcional de um decodificador de vídeo H.264 chamado de decodificador intra-only. Além destas, também foi fisicamente implementada uma arquitetura para o módulo filtro redutor de efeito de bloco e arquiteturas para os perfis Main e High de um compensador de movimentos. Nesta dissertação de mestrado, é apresentada a metodologia de implementação standard-cells (ASIC) utilizada, assim como uma descrição detalhada de cada passo executado para se chegar ao leiaute de cada uma das arquiteturas. Também são apresentados os resultados das implementações e realizadas algumas comparações com outras implementações de arquiteturas descritas na literatura. A implementação do filtro possui 43,9K portas lógicas (equivalent-gates), 42mW de potência e possui a menor quantidade de memória interna, 12,375KB SRAM, quando comparada com outras implementações para a mesma resolução de vídeo, 1920x1080@30fps. As implementações para os perfis Main e High do compensador de movimento apresentam a melhor relação entre a quantidade de ciclos de relógio necessária para interpolar um macrobloco (MB), 304 ciclos/MB, e a quantidade de equivalent-gates de cada implementação, 98K e 102K, respectivamente. Já a implementação do decodificador H.264 intra-only possui 5KB SRAM, 11,4mW de potência e apresenta a menor quantidade de equivalent-gates, 150K, comparado com outras implementações de decodificadores H.264 com características similares. / Recently Brazil has adopted the SBTVD (Brazilian Digital Television System) for digital TV transmission. It uses the H.264/AVC video CODEC (coder and decoder), which is considered the state of the art in the context of digital video compression. This transition to the SBTVD standard requires the development of technology for transmitting, receiving and decoding signals, so a project called Rede H.264 was initiated with the objective of producing cutting edge hardware components to build a set-top box SoC (System on Chip) compatible with the SBTVD. In order to produce IPs (Intellectual Property) for encoding and decoding digital video according to the H.264/AVC standard, many hardware architectures have been developed under the project. Therefore, the objective of this work is to carry out the physical implementation flow for ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) in some of these hardware architectures for H.264/AVC video decoding, including the architectures parser and entropy decoding, intra-prediction and inverse quantization and transforms, which together compound a working version of an H.264 video decoder called intra-only. Besides these architectures, it is also physically implemented an architecture for a deblocking filter module and architectures for motion compensation according the Main and High profiles. This master thesis presents the standard-cells (ASIC) implementation as well as a detailed description of each step necessary to outcome the layouts of each of the architecture. It also presents the results of the implementations and comparisons with other works in the literature. The implementation of the filter has 43.9K gates (equivalent-gates), 42mW of power consumption and it demands the least amount of internal memory, 12.375KB SRAM, when compared with other implementations for the same video resolution, 1920x1080@30fps. The implementations for the Main and High profiles of the motion compensator have the best relationship between the amount of required clock cycles to interpolate a macroblock (MB), 304 cycles/MB, and the equivalent-gate count of each implementation, 98K and 102K, respectively. Also, the implementation of the H.264 intra-only decoder has 5KB SRAM, 11.4 mW of power consumption and it has the least equivalent-gate count, 150K, compared with other implementations of H.264 decoders which have similar features.

Esta dissertação de mestrado apresenta um novo esquema de controle de taxa hierárquico – HRC – para o padrão MVC – extensão para vídeos de múltiplas vistas do padrão H.264 – com objetivo de melhorar o aproveitamento da largura de banda oferecida por um canal entregando o vídeo comprimido com a melhor qualidade possível. Este esquema de controle de taxa hierárquico foi concebido para controlar de forma conjunta os níveis de quadro e de unidades básicas (BU). O esquema proposto explora a correlação existente entre as distribuições das taxas de bits em quadros vizinhos para predizer de forma eficiente o comportamento dos futuras bitrates através da aplicação de um controle preditivo baseado em modelos – MPC – que define uma ação de controle apropriada sobre as ações de adaptação do parâmetro de quantização (QP). Para prover um ajuste em granularidade fina, o QP é adicionalmente adaptado internamente para cada quadro por um processo de decisão de Markov (MDP) implementado em nível de BU capaz de considerar mapas com Regiões de Interesse (RoI). Um retorno acoplado aos dois níveis supracitados é realizado para garantir a consistência do sistema. Aprendizagem por Reforço é utilizada para atualizar os parâmetros do Controle Preditivo baseado em Modelos e do processo de decisão de Markov. Resultados experimentais mostram a superioridade da utilização do esquema de controle proposto, comparado às soluções estado-da-arte, tanto em termos de precisão na alocação de bits quanto na otimização da razão taxa-distorção, entregando um vídeo de maior qualidade visual nos níveis de quadros e de BUs. / This master thesis presents a novel Hierarchical Rate Control – HRC – for the Multiview Video Coding standard targeting an increased bandwidth usage and high video quality. The HRC is designed to jointly address the rate control at both framelevel and Basic Unit (BU)-level. This scheme is able to exploit the bitrate distribution correlation with neighboring frames to efficiently predict the future bitrate behavior by employing a Model Predictive Control that defines a proper control action through QP (Quantization Parameter) adaptation. To provide a fine-grained tuning, the QP is further adapted within each frame by a Markov Decision Process implemented at BU-level able to take into consideration a map of the Regions of Interest. A coupled frame/BU-level feedback is performed in order to guarantee the system consistency. A Reinforcement Learning method is responsible for updating the Model Predictive Control and the Markov Decision Process parameters. Experimental results show the superiority of the Hierarchical Rate Control compared to state-of-the-art solutions, in terms of bitrate allocation accuracy and rate-distortion, while delivering smooth video quality at both frame and Basic Unit levels.

Esta tese apresenta soluções para o gerenciamento e otimização de temperatura para sistemas de codificação de vídeo baseados nas características da aplicação e no conteúdo dos vídeos digitais. Diferente dos trabalhos estado-da-arte, as soluções propostas nesta tese focam em técnicas de gerenciamento de temperatura no nível da aplicação e características da aplicação codificação de vídeo e as propriedades dos vídeos digitais são explorados para desenvolver soluções termais para a codificação de vídeo com baixas perdas na qualidade de serviço das aplicações. Diversas análises são realizadas considerando a aplicação de codificação de vídeo para entender o comportamento da temperatura durante o processo de codificação para diferentes sequências de vídeo. Com base nos resultados das análises, soluções com diferentes abordagens são propostas para atenuar os efeitos da temperatura nos sistemas de codificação de vídeo. Gerenciamento de temperatura baseado nas características da aplicação para o padrão de codificação HEVC usa uma técnica de seleção de configuração em tempo de execução para manter a temperatura abaixo dos limites seguros de operação com bons resultados de qualidade de vídeo. Otimização de temperatura baseado em computação imprecisa usa aproximações baseadas em conteúdo para reduzir a temperatura de chips executando o HEVC. Um escalonador de tarefas que usa características da aplicação para guiar o escalonamento de threads focando na redução dos gradientes espaciais de temperatura que são resultantes do desbalanceamento natural de cargas entre as threads da aplicação. As soluções propostas são capazes de reduzir em até 10 ºC a temperatura do chip com perdas insignificantes na eficiência de compressão. Os resultados de qualidade objetiva (medida usando PSNR) são de 12 dBs até 20 dBs maiores quando comparados com trabalhos da literatura. Além disso, o escalonador de tarefas proposto é capaz de eliminar os gradientes espaciais de temperatura maiores que 5 ºC para arquitetura multi-cores. Como principal conclusão, esta tese demonstra que as técnicas de gerenciamento de temperatura que usam o conhecimento da aplicação de maneira conjunta com as propriedades dos vídeos digitais tem um alto potencial para melhorar os resultados de temperatura de sistemas de codificação de vídeo mantendo bons resultados de qualidade visual dos vídeos codificados. / This thesis presents application-driven temperature-aware solutions for next generation video coding systems, such as the High Efficiency Video Coding (HEVC). Different from state-of-the-art works, the proposed solutions raise the abstraction of temperature management to the application-level, where video coding characteristics and video content properties are used to leverage thermal-aware solutions for video coding with low QoS (Quality of Service) degradation. Several video coding and temperature analyses are performed to understand the behavior of temperature when encoding different video sequences. Based on the analyses results, different approaches are proposed to mitigate the temperature effects on video coding systems. Application-driven temperature management for HEVC uses run-time encoder configuration selection to keep temperature under safe operational state while providing good visual quality results. Temperature optimization using approximate computing uses content-driven approximations to reduce the on-chip temperature of HEVC encoding. Application-driven temperature-aware scheduler leverages application-specific knowledge to guide a scheduling technique targeting reducing the spatial temperature gradients that are resulted from the unbalance workload nature of multi-threaded video coding application. The proposed solutions are able to provide up to 10 °C of chip temperature reduction with negligible compression efficiency loss. Besides, when compared with previous works the resulted objective video quality (PSNR) is from 12 dB up to 20 dB higher. Moreover, the proposed scheduler eliminates spatial temperature gradients greater than 5 ºC of multi-core architectures. As conclusion, this thesis demonstrates that leveraging application-specific knowledge and video content properties has a significant potential to improve temperature profiles of video coding systems while still keeping good quality results.

Recentemente, o Brasil adotou o padrão SBTVD (Sistema Brasileiro de TV Digital) para transmissão de TV digital. Este utiliza o CODEC (codificador e decodificador) de vídeo H.264/AVC, que é considerado o estado-da-arte no contexto de compressão de vídeo digital. Esta transição para o SBTVD requer o desenvolvimento de tecnologia para transmissão, recepção e decodificação de sinais, assim, o projeto Rede H.264 SBTVD foi iniciado e tem como um dos objetivos a produção de componentes de hardware para construção de um set-top box SoC (System on Chip) compatível com o SBTVD. No sentido de produzir IPs (Intellectual Property) para codificação e decodificação de vídeo digital segundo o padrão H.264/AVC, várias arquiteturas de hardware vêm sendo desenvolvidas no âmbito do projeto. Assim, o objetivo deste trabalho consiste na realização da implementação física em ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) de algumas destas arquiteturas de hardware para decodificação de vídeo H.264/AVC, entre elas as arquiteturas parser e decodificação de entropia, predição intra-quadro e, por fim, quantização e transformadas inversas, que juntas formam uma versão funcional de um decodificador de vídeo H.264 chamado de decodificador intra-only. Além destas, também foi fisicamente implementada uma arquitetura para o módulo filtro redutor de efeito de bloco e arquiteturas para os perfis Main e High de um compensador de movimentos. Nesta dissertação de mestrado, é apresentada a metodologia de implementação standard-cells (ASIC) utilizada, assim como uma descrição detalhada de cada passo executado para se chegar ao leiaute de cada uma das arquiteturas. Também são apresentados os resultados das implementações e realizadas algumas comparações com outras implementações de arquiteturas descritas na literatura. A implementação do filtro possui 43,9K portas lógicas (equivalent-gates), 42mW de potência e possui a menor quantidade de memória interna, 12,375KB SRAM, quando comparada com outras implementações para a mesma resolução de vídeo, 1920x1080@30fps. As implementações para os perfis Main e High do compensador de movimento apresentam a melhor relação entre a quantidade de ciclos de relógio necessária para interpolar um macrobloco (MB), 304 ciclos/MB, e a quantidade de equivalent-gates de cada implementação, 98K e 102K, respectivamente. Já a implementação do decodificador H.264 intra-only possui 5KB SRAM, 11,4mW de potência e apresenta a menor quantidade de equivalent-gates, 150K, comparado com outras implementações de decodificadores H.264 com características similares. / Recently Brazil has adopted the SBTVD (Brazilian Digital Television System) for digital TV transmission. It uses the H.264/AVC video CODEC (coder and decoder), which is considered the state of the art in the context of digital video compression. This transition to the SBTVD standard requires the development of technology for transmitting, receiving and decoding signals, so a project called Rede H.264 was initiated with the objective of producing cutting edge hardware components to build a set-top box SoC (System on Chip) compatible with the SBTVD. In order to produce IPs (Intellectual Property) for encoding and decoding digital video according to the H.264/AVC standard, many hardware architectures have been developed under the project. Therefore, the objective of this work is to carry out the physical implementation flow for ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) in some of these hardware architectures for H.264/AVC video decoding, including the architectures parser and entropy decoding, intra-prediction and inverse quantization and transforms, which together compound a working version of an H.264 video decoder called intra-only. Besides these architectures, it is also physically implemented an architecture for a deblocking filter module and architectures for motion compensation according the Main and High profiles. This master thesis presents the standard-cells (ASIC) implementation as well as a detailed description of each step necessary to outcome the layouts of each of the architecture. It also presents the results of the implementations and comparisons with other works in the literature. The implementation of the filter has 43.9K gates (equivalent-gates), 42mW of power consumption and it demands the least amount of internal memory, 12.375KB SRAM, when compared with other implementations for the same video resolution, 1920x1080@30fps. The implementations for the Main and High profiles of the motion compensator have the best relationship between the amount of required clock cycles to interpolate a macroblock (MB), 304 cycles/MB, and the equivalent-gate count of each implementation, 98K and 102K, respectively. Also, the implementation of the H.264 intra-only decoder has 5KB SRAM, 11.4 mW of power consumption and it has the least equivalent-gate count, 150K, compared with other implementations of H.264 decoders which have similar features.

Esta tese apresenta soluções para o gerenciamento e otimização de temperatura para sistemas de codificação de vídeo baseados nas características da aplicação e no conteúdo dos vídeos digitais. Diferente dos trabalhos estado-da-arte, as soluções propostas nesta tese focam em técnicas de gerenciamento de temperatura no nível da aplicação e características da aplicação codificação de vídeo e as propriedades dos vídeos digitais são explorados para desenvolver soluções termais para a codificação de vídeo com baixas perdas na qualidade de serviço das aplicações. Diversas análises são realizadas considerando a aplicação de codificação de vídeo para entender o comportamento da temperatura durante o processo de codificação para diferentes sequências de vídeo. Com base nos resultados das análises, soluções com diferentes abordagens são propostas para atenuar os efeitos da temperatura nos sistemas de codificação de vídeo. Gerenciamento de temperatura baseado nas características da aplicação para o padrão de codificação HEVC usa uma técnica de seleção de configuração em tempo de execução para manter a temperatura abaixo dos limites seguros de operação com bons resultados de qualidade de vídeo. Otimização de temperatura baseado em computação imprecisa usa aproximações baseadas em conteúdo para reduzir a temperatura de chips executando o HEVC. Um escalonador de tarefas que usa características da aplicação para guiar o escalonamento de threads focando na redução dos gradientes espaciais de temperatura que são resultantes do desbalanceamento natural de cargas entre as threads da aplicação. As soluções propostas são capazes de reduzir em até 10 ºC a temperatura do chip com perdas insignificantes na eficiência de compressão. Os resultados de qualidade objetiva (medida usando PSNR) são de 12 dBs até 20 dBs maiores quando comparados com trabalhos da literatura. Além disso, o escalonador de tarefas proposto é capaz de eliminar os gradientes espaciais de temperatura maiores que 5 ºC para arquitetura multi-cores. Como principal conclusão, esta tese demonstra que as técnicas de gerenciamento de temperatura que usam o conhecimento da aplicação de maneira conjunta com as propriedades dos vídeos digitais tem um alto potencial para melhorar os resultados de temperatura de sistemas de codificação de vídeo mantendo bons resultados de qualidade visual dos vídeos codificados. / This thesis presents application-driven temperature-aware solutions for next generation video coding systems, such as the High Efficiency Video Coding (HEVC). Different from state-of-the-art works, the proposed solutions raise the abstraction of temperature management to the application-level, where video coding characteristics and video content properties are used to leverage thermal-aware solutions for video coding with low QoS (Quality of Service) degradation. Several video coding and temperature analyses are performed to understand the behavior of temperature when encoding different video sequences. Based on the analyses results, different approaches are proposed to mitigate the temperature effects on video coding systems. Application-driven temperature management for HEVC uses run-time encoder configuration selection to keep temperature under safe operational state while providing good visual quality results. Temperature optimization using approximate computing uses content-driven approximations to reduce the on-chip temperature of HEVC encoding. Application-driven temperature-aware scheduler leverages application-specific knowledge to guide a scheduling technique targeting reducing the spatial temperature gradients that are resulted from the unbalance workload nature of multi-threaded video coding application. The proposed solutions are able to provide up to 10 °C of chip temperature reduction with negligible compression efficiency loss. Besides, when compared with previous works the resulted objective video quality (PSNR) is from 12 dB up to 20 dB higher. Moreover, the proposed scheduler eliminates spatial temperature gradients greater than 5 ºC of multi-core architectures. As conclusion, this thesis demonstrates that leveraging application-specific knowledge and video content properties has a significant potential to improve temperature profiles of video coding systems while still keeping good quality results.