O padrão H.264 foi desenvolvido pelo JVT, que foi formado a partir de uma união entre os especialistas do VCEG da ITU-T e do MPEG da ISO/IEC. O padrão H.264 atingiu seu objetivo de alcançar as mais elevadas taxas de processamento dentre todos os padrões existentes, mas à custa de um grande aumento na complexidade computacional. Este aumento de complexidade impede, pelo menos na tecnologia atual, a utilização de codecs H.264 implementados em software, quando se deseja a decodi cação de vídeos de alta de nição em tempo real. Essa dissertação propõe uma solução arquitetural de hardware, denominada MoCHA, para compensação de movimento do decodi cador de vídeo de alta de nição, segundo o padrão H.264/AVC. A MoCHA está dividida em três blocos principais, a predição dos vetores de movimento, o acesso à memória e o processamento de amostras. A utilização de uma cache para explorar a redundância dos dados nos acessos à mem ória, em conjunto com melhorias propostas, alcançou economia de acessos à memória superior a 60%, para os casos testados. Quando uma penalidade de um ciclo por troca de linha de memória é imposta, a economia de ciclos de acesso supera os 75%. No processamento de amostras, a arquitetura realiza o processamento dos dois blocos, que dão origem ao bloco bi-preditivo, de forma serial. Dessa forma, são economizados recursos de hardware, uma vez que a duplicação da estrutura de processamento não é requerida. A arquitetura foi validada a partir de simulações, utilizando entradas extraídas de seqüências codi cadas. Os dados extraídos, salvos em arquivos, serviam de entrada para a simulação. Os resultados da simulação foram salvos em arquivos e comparados com os resultados extraídos. O processador de amostras do compensador de movimento foi prototipado na placa XUP Virtex-II Pro. A placa possui um FPGA VP30 da família Virtex-II PRO da Xilinx. O processador PowerPC 405, presente no dispositivo, foi usado para implementar um test bench para validar a operação do processador de amostras mapeado para o FPGA. O compensador de movimento para o decodi cador de vídeo H.264 foi descrito em VHDL, num total de 30 arquivos e cerca de 13.500 linhas de código. A descrição foi sintetizada pelo sintetizador Syplify Pro da Symplicity para o dispositivo XC2VP30-7 da Xilinx, consumindo 8.465 slices, 5.671 registradores, 10.835 LUTs, 21 blocos de memó- ria interna e 12 multiplicadores. A latência mínima para processar um macrobloco é de 233 ciclos, enquanto a máxima é de 590, sem considerar misses na cache. A freqüência máxima de operação foi de 100,5 MHz. A arquitetura projetada é capaz de processar, no pior caso, 36,7 quadros HDTV de 1080 por 1920, inteiramente bi-preditivos, por segundo. Para quadros do tipo P, que não utilizam a bi-predição, a capacidade de processamento sobe para 64,3 quadros por segundo. A arquitetura apresentada para o processamento de quadros bi-preditivos e a hierarquia de memória são, até o momento, inéditas na literatura. Os trabalhos relativos a decodi cadores completos não apresentam a solução para esse processamento. Os resultados apresentados tornam a MoCHA uma solução arquitetural capaz de fazer parte de um decodi cador para vídeos de alta definição.

O padrão H.264 foi desenvolvido pelo JVT, que foi formado a partir de uma união entre os especialistas do VCEG da ITU-T e do MPEG da ISO/IEC. O padrão H.264 atingiu seu objetivo de alcançar as mais elevadas taxas de processamento dentre todos os padrões existentes, mas à custa de um grande aumento na complexidade computacional. Este aumento de complexidade impede, pelo menos na tecnologia atual, a utilização de codecs H.264 implementados em software, quando se deseja a decodi cação de vídeos de alta de nição em tempo real. Essa dissertação propõe uma solução arquitetural de hardware, denominada MoCHA, para compensação de movimento do decodi cador de vídeo de alta de nição, segundo o padrão H.264/AVC. A MoCHA está dividida em três blocos principais, a predição dos vetores de movimento, o acesso à memória e o processamento de amostras. A utilização de uma cache para explorar a redundância dos dados nos acessos à mem ória, em conjunto com melhorias propostas, alcançou economia de acessos à memória superior a 60%, para os casos testados. Quando uma penalidade de um ciclo por troca de linha de memória é imposta, a economia de ciclos de acesso supera os 75%. No processamento de amostras, a arquitetura realiza o processamento dos dois blocos, que dão origem ao bloco bi-preditivo, de forma serial. Dessa forma, são economizados recursos de hardware, uma vez que a duplicação da estrutura de processamento não é requerida. A arquitetura foi validada a partir de simulações, utilizando entradas extraídas de seqüências codi cadas. Os dados extraídos, salvos em arquivos, serviam de entrada para a simulação. Os resultados da simulação foram salvos em arquivos e comparados com os resultados extraídos. O processador de amostras do compensador de movimento foi prototipado na placa XUP Virtex-II Pro. A placa possui um FPGA VP30 da família Virtex-II PRO da Xilinx. O processador PowerPC 405, presente no dispositivo, foi usado para implementar um test bench para validar a operação do processador de amostras mapeado para o FPGA. O compensador de movimento para o decodi cador de vídeo H.264 foi descrito em VHDL, num total de 30 arquivos e cerca de 13.500 linhas de código. A descrição foi sintetizada pelo sintetizador Syplify Pro da Symplicity para o dispositivo XC2VP30-7 da Xilinx, consumindo 8.465 slices, 5.671 registradores, 10.835 LUTs, 21 blocos de memó- ria interna e 12 multiplicadores. A latência mínima para processar um macrobloco é de 233 ciclos, enquanto a máxima é de 590, sem considerar misses na cache. A freqüência máxima de operação foi de 100,5 MHz. A arquitetura projetada é capaz de processar, no pior caso, 36,7 quadros HDTV de 1080 por 1920, inteiramente bi-preditivos, por segundo. Para quadros do tipo P, que não utilizam a bi-predição, a capacidade de processamento sobe para 64,3 quadros por segundo. A arquitetura apresentada para o processamento de quadros bi-preditivos e a hierarquia de memória são, até o momento, inéditas na literatura. Os trabalhos relativos a decodi cadores completos não apresentam a solução para esse processamento. Os resultados apresentados tornam a MoCHA uma solução arquitetural capaz de fazer parte de um decodi cador para vídeos de alta definição.

O padrão H.264 foi desenvolvido pelo JVT, que foi formado a partir de uma união entre os especialistas do VCEG da ITU-T e do MPEG da ISO/IEC. O padrão H.264 atingiu seu objetivo de alcançar as mais elevadas taxas de processamento dentre todos os padrões existentes, mas à custa de um grande aumento na complexidade computacional. Este aumento de complexidade impede, pelo menos na tecnologia atual, a utilização de codecs H.264 implementados em software, quando se deseja a decodi cação de vídeos de alta de nição em tempo real. Essa dissertação propõe uma solução arquitetural de hardware, denominada MoCHA, para compensação de movimento do decodi cador de vídeo de alta de nição, segundo o padrão H.264/AVC. A MoCHA está dividida em três blocos principais, a predição dos vetores de movimento, o acesso à memória e o processamento de amostras. A utilização de uma cache para explorar a redundância dos dados nos acessos à mem ória, em conjunto com melhorias propostas, alcançou economia de acessos à memória superior a 60%, para os casos testados. Quando uma penalidade de um ciclo por troca de linha de memória é imposta, a economia de ciclos de acesso supera os 75%. No processamento de amostras, a arquitetura realiza o processamento dos dois blocos, que dão origem ao bloco bi-preditivo, de forma serial. Dessa forma, são economizados recursos de hardware, uma vez que a duplicação da estrutura de processamento não é requerida. A arquitetura foi validada a partir de simulações, utilizando entradas extraídas de seqüências codi cadas. Os dados extraídos, salvos em arquivos, serviam de entrada para a simulação. Os resultados da simulação foram salvos em arquivos e comparados com os resultados extraídos. O processador de amostras do compensador de movimento foi prototipado na placa XUP Virtex-II Pro. A placa possui um FPGA VP30 da família Virtex-II PRO da Xilinx. O processador PowerPC 405, presente no dispositivo, foi usado para implementar um test bench para validar a operação do processador de amostras mapeado para o FPGA. O compensador de movimento para o decodi cador de vídeo H.264 foi descrito em VHDL, num total de 30 arquivos e cerca de 13.500 linhas de código. A descrição foi sintetizada pelo sintetizador Syplify Pro da Symplicity para o dispositivo XC2VP30-7 da Xilinx, consumindo 8.465 slices, 5.671 registradores, 10.835 LUTs, 21 blocos de memó- ria interna e 12 multiplicadores. A latência mínima para processar um macrobloco é de 233 ciclos, enquanto a máxima é de 590, sem considerar misses na cache. A freqüência máxima de operação foi de 100,5 MHz. A arquitetura projetada é capaz de processar, no pior caso, 36,7 quadros HDTV de 1080 por 1920, inteiramente bi-preditivos, por segundo. Para quadros do tipo P, que não utilizam a bi-predição, a capacidade de processamento sobe para 64,3 quadros por segundo. A arquitetura apresentada para o processamento de quadros bi-preditivos e a hierarquia de memória são, até o momento, inéditas na literatura. Os trabalhos relativos a decodi cadores completos não apresentam a solução para esse processamento. Os resultados apresentados tornam a MoCHA uma solução arquitetural capaz de fazer parte de um decodi cador para vídeos de alta definição.

A tarefa de estimação de movimento, utilizada na compressão de vídeo digital, é normalmente realizada em hardware por processador dedicado, uma vez que demanda expressiva capacidade computacional. Este trabalho propõe e desenvolve uma arquitetura de hardware para realizar o cálculo dos vetores de movimento no contexto de compressão de vídeo digital. Essa arquitetura para estimação de movimento é composta pelos blocos: interface de entrada e saída (E/S), matriz de processamento com 64 elementos de processamento, unidade de comparação e unidade de controle. A arquitetura foi descrita em linguagem VHDL de maneira que o número de bits utilizados para representação da luminância dos pontos é configurável. A partir desta descrição, foi gerado um protótipo para dados representados em 4 bits utilizando um kit de desenvolvimento baseado no dispositivo FPGA XC2S150 da Xilinx. Para validação do algoritmo e da arquitetura implementada, além da simulação, foi desenvolvido um software para plataforma PC capaz de exercitar as funcionalidades do protótipo. O PC é utilizado como dispositivo controlador de E/S para esta validação, na qual uma implementação do algoritmo em software e outra em linguagem de descrição de hardware são comparadas. A máxima freqüência de trabalho do protótipo, estimada por simulação da arquitetura mapeada no FPGA XC2S150, é de 33 MHz. A esta freqüência o núcleo da arquitetura paralela de 64 elementos de processamento realiza cerca de 2,1 GOps (bilhões de operações inteiras por segundo). Esta arquitetura de hardware calcula os vetores de movimento para vídeo no formato 640x480 pontos à taxa de 107,32 quadros por segundo, ou um quadro a cada 9,3 ms. A arquitetura implementada para luminânica em 4 bits ocupa 16 pinos de E/S, 71,1% dos blocos lógicos do FPGA e 83,3% dos blocos de memória disponíveis no dispositivo XC2S150.

A tarefa de estimação de movimento, utilizada na compressão de vídeo digital, é normalmente realizada em hardware por processador dedicado, uma vez que demanda expressiva capacidade computacional. Este trabalho propõe e desenvolve uma arquitetura de hardware para realizar o cálculo dos vetores de movimento no contexto de compressão de vídeo digital. Essa arquitetura para estimação de movimento é composta pelos blocos: interface de entrada e saída (E/S), matriz de processamento com 64 elementos de processamento, unidade de comparação e unidade de controle. A arquitetura foi descrita em linguagem VHDL de maneira que o número de bits utilizados para representação da luminância dos pontos é configurável. A partir desta descrição, foi gerado um protótipo para dados representados em 4 bits utilizando um kit de desenvolvimento baseado no dispositivo FPGA XC2S150 da Xilinx. Para validação do algoritmo e da arquitetura implementada, além da simulação, foi desenvolvido um software para plataforma PC capaz de exercitar as funcionalidades do protótipo. O PC é utilizado como dispositivo controlador de E/S para esta validação, na qual uma implementação do algoritmo em software e outra em linguagem de descrição de hardware são comparadas. A máxima freqüência de trabalho do protótipo, estimada por simulação da arquitetura mapeada no FPGA XC2S150, é de 33 MHz. A esta freqüência o núcleo da arquitetura paralela de 64 elementos de processamento realiza cerca de 2,1 GOps (bilhões de operações inteiras por segundo). Esta arquitetura de hardware calcula os vetores de movimento para vídeo no formato 640x480 pontos à taxa de 107,32 quadros por segundo, ou um quadro a cada 9,3 ms. A arquitetura implementada para luminânica em 4 bits ocupa 16 pinos de E/S, 71,1% dos blocos lógicos do FPGA e 83,3% dos blocos de memória disponíveis no dispositivo XC2S150.

A tarefa de estimação de movimento, utilizada na compressão de vídeo digital, é normalmente realizada em hardware por processador dedicado, uma vez que demanda expressiva capacidade computacional. Este trabalho propõe e desenvolve uma arquitetura de hardware para realizar o cálculo dos vetores de movimento no contexto de compressão de vídeo digital. Essa arquitetura para estimação de movimento é composta pelos blocos: interface de entrada e saída (E/S), matriz de processamento com 64 elementos de processamento, unidade de comparação e unidade de controle. A arquitetura foi descrita em linguagem VHDL de maneira que o número de bits utilizados para representação da luminância dos pontos é configurável. A partir desta descrição, foi gerado um protótipo para dados representados em 4 bits utilizando um kit de desenvolvimento baseado no dispositivo FPGA XC2S150 da Xilinx. Para validação do algoritmo e da arquitetura implementada, além da simulação, foi desenvolvido um software para plataforma PC capaz de exercitar as funcionalidades do protótipo. O PC é utilizado como dispositivo controlador de E/S para esta validação, na qual uma implementação do algoritmo em software e outra em linguagem de descrição de hardware são comparadas. A máxima freqüência de trabalho do protótipo, estimada por simulação da arquitetura mapeada no FPGA XC2S150, é de 33 MHz. A esta freqüência o núcleo da arquitetura paralela de 64 elementos de processamento realiza cerca de 2,1 GOps (bilhões de operações inteiras por segundo). Esta arquitetura de hardware calcula os vetores de movimento para vídeo no formato 640x480 pontos à taxa de 107,32 quadros por segundo, ou um quadro a cada 9,3 ms. A arquitetura implementada para luminânica em 4 bits ocupa 16 pinos de E/S, 71,1% dos blocos lógicos do FPGA e 83,3% dos blocos de memória disponíveis no dispositivo XC2S150.

A evolução das Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC) favoreceu o crescimento do uso de variados meios na comunicação. Entre diversos meios, o vídeo em particular, necessita de uma grande banda para ser transmitido, ou de um grande espaço para ser armazenado. Uma análise dos diversos sinais de uma comunicação multimídia mostra, entretanto, que existe uma grande redundância de informação. Utilizando técnicas de compressão é possível reduzir de uma a duas ordens de grandeza a quantidade de informação veiculada, mantendo uma qualidade satisfatória. Uma das formas de compressão busca a relação de similaridade entre os quadros vizinhos de uma cena, identificando a redundância temporal existente entre as imagens. Essa técnica chama-se estimação de movimento, este processo é muito eficaz, mas o custo computacional é elevado, exigindo a implementação de algoritmos eficientes em hardware, para o caso de compressão em tempo real de vídeos de alta resolução. Esta dissertação apresenta uma investigação sobre algoritmos de estimação de movimento visando implementações em hardware. Todos os algoritmos foram desenvolvidos primeiramente em linguagem C e submetidos a diversos testes para avaliação de desempenho e custo computacional. Os algoritmos foram aplicados a diversas amostras de vídeo utilizadas pela comunidade científica, para avaliação em aplicações reais. As avaliações demonstraram que os algoritmos rápidos conseguem realizar o processo de estimação de movimento de maneira eficiente, obtendo bons resultados em termos de qualidade de vetores, esforço computacional e desempenho. Com as análises dos resultados obtidos, o algoritmo Busca Diamante (Diamond Search) foi escolhido para ser implementado em hardware, com dois níveis diferentes de subamostragem de pixel: 2:1 e 4:1. As arquiteturas para o algoritmo Busca Diamante, com sub-amostragem de pixel de 2:1 e 4:1, foram descritas em VHDL, sintetizadas para FPGAs Virtex-4 da Xilinx e também para standard cells na tecnologia TSMC 0,18μm. Os resultados mostram que as arquiteturas desenvolvidas possuem desempenho superior ao necessário para tratar vídeos HDTV 1080p em tempo real a 30 quadros por segundo. As arquiteturas desenvolvidas também apresentam um baixo consumo de recursos de hardware, após a síntese para FPGA e ASIC. / The evolution of the communication and information technologies push the development of several communication media. These media, video in particular, need a large bandwidth to be transmitted, or a large digital storage capacity. Many multimedia signals show, however, a high information redundancy. By using compression techniques it is possible to reduce the amount of coded information by one or two orders of magnitude, keeping a satisfactory visual quality. One of these compression techniques searches the similarity between neighboring frames of a scene, identifying the temporal redundancy between them. This technique is called motion estimation, and it is a very efficient method for compression. However, the computational complexity of the motion estimation requires high performance algorithms in hardware, when used for real time compression of high resolution videos. This dissertation presents a comprehensive investigation about motion estimation algorithms, targeting a hardware implementation. All the investigated algorithms were first developed in C language and submitted to many evaluation tests. The algorithms were applied to ten video samples used by the scientific community for the evaluation of real application. The evaluation showed that fast algorithms can carry out the motion estimation process efficiently, producing good results in vectors quality, computational effort and performance. With the results analyses, the Diamond Search algorithm was chosen to be hardware designed, with two different levels of pixel subsampling, 2:1 and 4:1. The architectures for Diamond Search algorithm, with pixel subsampling of 2:1 and 4:1, were described in VHDL, synthesized to Xilinx Virtex-4 FPGAs and also to standard cells TSMC 0.18μm technology. The developed architectures have sufficient performance to process HDTV 1080p videos at 30 frames per second and demand small hardware resources consumption after synthesis to FPGA and ASIC. Keywords: Video compression, motion estimation, VLSI design.

A evolução das Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC) favoreceu o crescimento do uso de variados meios na comunicação. Entre diversos meios, o vídeo em particular, necessita de uma grande banda para ser transmitido, ou de um grande espaço para ser armazenado. Uma análise dos diversos sinais de uma comunicação multimídia mostra, entretanto, que existe uma grande redundância de informação. Utilizando técnicas de compressão é possível reduzir de uma a duas ordens de grandeza a quantidade de informação veiculada, mantendo uma qualidade satisfatória. Uma das formas de compressão busca a relação de similaridade entre os quadros vizinhos de uma cena, identificando a redundância temporal existente entre as imagens. Essa técnica chama-se estimação de movimento, este processo é muito eficaz, mas o custo computacional é elevado, exigindo a implementação de algoritmos eficientes em hardware, para o caso de compressão em tempo real de vídeos de alta resolução. Esta dissertação apresenta uma investigação sobre algoritmos de estimação de movimento visando implementações em hardware. Todos os algoritmos foram desenvolvidos primeiramente em linguagem C e submetidos a diversos testes para avaliação de desempenho e custo computacional. Os algoritmos foram aplicados a diversas amostras de vídeo utilizadas pela comunidade científica, para avaliação em aplicações reais. As avaliações demonstraram que os algoritmos rápidos conseguem realizar o processo de estimação de movimento de maneira eficiente, obtendo bons resultados em termos de qualidade de vetores, esforço computacional e desempenho. Com as análises dos resultados obtidos, o algoritmo Busca Diamante (Diamond Search) foi escolhido para ser implementado em hardware, com dois níveis diferentes de subamostragem de pixel: 2:1 e 4:1. As arquiteturas para o algoritmo Busca Diamante, com sub-amostragem de pixel de 2:1 e 4:1, foram descritas em VHDL, sintetizadas para FPGAs Virtex-4 da Xilinx e também para standard cells na tecnologia TSMC 0,18μm. Os resultados mostram que as arquiteturas desenvolvidas possuem desempenho superior ao necessário para tratar vídeos HDTV 1080p em tempo real a 30 quadros por segundo. As arquiteturas desenvolvidas também apresentam um baixo consumo de recursos de hardware, após a síntese para FPGA e ASIC. / The evolution of the communication and information technologies push the development of several communication media. These media, video in particular, need a large bandwidth to be transmitted, or a large digital storage capacity. Many multimedia signals show, however, a high information redundancy. By using compression techniques it is possible to reduce the amount of coded information by one or two orders of magnitude, keeping a satisfactory visual quality. One of these compression techniques searches the similarity between neighboring frames of a scene, identifying the temporal redundancy between them. This technique is called motion estimation, and it is a very efficient method for compression. However, the computational complexity of the motion estimation requires high performance algorithms in hardware, when used for real time compression of high resolution videos. This dissertation presents a comprehensive investigation about motion estimation algorithms, targeting a hardware implementation. All the investigated algorithms were first developed in C language and submitted to many evaluation tests. The algorithms were applied to ten video samples used by the scientific community for the evaluation of real application. The evaluation showed that fast algorithms can carry out the motion estimation process efficiently, producing good results in vectors quality, computational effort and performance. With the results analyses, the Diamond Search algorithm was chosen to be hardware designed, with two different levels of pixel subsampling, 2:1 and 4:1. The architectures for Diamond Search algorithm, with pixel subsampling of 2:1 and 4:1, were described in VHDL, synthesized to Xilinx Virtex-4 FPGAs and also to standard cells TSMC 0.18μm technology. The developed architectures have sufficient performance to process HDTV 1080p videos at 30 frames per second and demand small hardware resources consumption after synthesis to FPGA and ASIC. Keywords: Video compression, motion estimation, VLSI design.

A evolução das Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC) favoreceu o crescimento do uso de variados meios na comunicação. Entre diversos meios, o vídeo em particular, necessita de uma grande banda para ser transmitido, ou de um grande espaço para ser armazenado. Uma análise dos diversos sinais de uma comunicação multimídia mostra, entretanto, que existe uma grande redundância de informação. Utilizando técnicas de compressão é possível reduzir de uma a duas ordens de grandeza a quantidade de informação veiculada, mantendo uma qualidade satisfatória. Uma das formas de compressão busca a relação de similaridade entre os quadros vizinhos de uma cena, identificando a redundância temporal existente entre as imagens. Essa técnica chama-se estimação de movimento, este processo é muito eficaz, mas o custo computacional é elevado, exigindo a implementação de algoritmos eficientes em hardware, para o caso de compressão em tempo real de vídeos de alta resolução. Esta dissertação apresenta uma investigação sobre algoritmos de estimação de movimento visando implementações em hardware. Todos os algoritmos foram desenvolvidos primeiramente em linguagem C e submetidos a diversos testes para avaliação de desempenho e custo computacional. Os algoritmos foram aplicados a diversas amostras de vídeo utilizadas pela comunidade científica, para avaliação em aplicações reais. As avaliações demonstraram que os algoritmos rápidos conseguem realizar o processo de estimação de movimento de maneira eficiente, obtendo bons resultados em termos de qualidade de vetores, esforço computacional e desempenho. Com as análises dos resultados obtidos, o algoritmo Busca Diamante (Diamond Search) foi escolhido para ser implementado em hardware, com dois níveis diferentes de subamostragem de pixel: 2:1 e 4:1. As arquiteturas para o algoritmo Busca Diamante, com sub-amostragem de pixel de 2:1 e 4:1, foram descritas em VHDL, sintetizadas para FPGAs Virtex-4 da Xilinx e também para standard cells na tecnologia TSMC 0,18μm. Os resultados mostram que as arquiteturas desenvolvidas possuem desempenho superior ao necessário para tratar vídeos HDTV 1080p em tempo real a 30 quadros por segundo. As arquiteturas desenvolvidas também apresentam um baixo consumo de recursos de hardware, após a síntese para FPGA e ASIC. / The evolution of the communication and information technologies push the development of several communication media. These media, video in particular, need a large bandwidth to be transmitted, or a large digital storage capacity. Many multimedia signals show, however, a high information redundancy. By using compression techniques it is possible to reduce the amount of coded information by one or two orders of magnitude, keeping a satisfactory visual quality. One of these compression techniques searches the similarity between neighboring frames of a scene, identifying the temporal redundancy between them. This technique is called motion estimation, and it is a very efficient method for compression. However, the computational complexity of the motion estimation requires high performance algorithms in hardware, when used for real time compression of high resolution videos. This dissertation presents a comprehensive investigation about motion estimation algorithms, targeting a hardware implementation. All the investigated algorithms were first developed in C language and submitted to many evaluation tests. The algorithms were applied to ten video samples used by the scientific community for the evaluation of real application. The evaluation showed that fast algorithms can carry out the motion estimation process efficiently, producing good results in vectors quality, computational effort and performance. With the results analyses, the Diamond Search algorithm was chosen to be hardware designed, with two different levels of pixel subsampling, 2:1 and 4:1. The architectures for Diamond Search algorithm, with pixel subsampling of 2:1 and 4:1, were described in VHDL, synthesized to Xilinx Virtex-4 FPGAs and also to standard cells TSMC 0.18μm technology. The developed architectures have sufficient performance to process HDTV 1080p videos at 30 frames per second and demand small hardware resources consumption after synthesis to FPGA and ASIC. Keywords: Video compression, motion estimation, VLSI design.

A compressão de vídeo é um tema extremamente relevante no cenário atual, principalmente devido ao crescimento significativo da utilização de vídeos digitais. Sem a compressão, é praticamente impossível enviar ou armazenar vídeos digitais devido à sua grande quantidade de informações, inviabilizando aplicações como televisão digital de alta definição, vídeo conferência, vídeo chamada para celulares etc. O problema vem se tornando maior com o crescimento de aplicações de vídeos de alta definição, onde a quantidade de informação é consideravelmente maior. Diversos padrões de compressão de vídeo foram desenvolvidos nos últimos anos, todos eles podem gerar grandes taxas de compressão. Os padrões de compressão de vídeo atuais obtêm a maior parte dos seus ganhos de compressão explorando a redundância temporal, através da estimação de movimento. No entanto, os algoritmos de estimação de movimento utilizados atualmente não consideram as variações nas características dos vídeos de alta definição. Neste trabalho uma avaliação da estimação de movimento em vídeos de alta definição é apresentada, demonstrando que algoritmos rápidos conhecidos, e largamente utilizados pela comunidade científica, não apresentam os mesmos resultados de qualidade com o aumento da resolução dos vídeos. Isto demonstra a importância do desenvolvimento de novos algoritmos focados em vídeos de altíssima definição, superiores à HD 1080p. Esta tese apresenta o desenvolvimento de novos algoritmos rápidos de estimação de movimento, focados na codificação de vídeos de alta definição. Os algoritmos desenvolvidos nesta tese apresentam características que os tornam menos suscetíveis à escolha de mínimos locais, resultando em ganhos significativos de qualidade em relação aos algoritmos rápidos convencionais, quando aplicados a vídeos de alta definição. Além disso, este trabalho também visa o desenvolvimento de arquiteturas de hardware dedicadas para estes novos algoritmos, igualmente dedicadas a vídeos de alta definição. O desenvolvimento arquitetural é extremamente relevante, principalmente para aplicações de tempo real a 30 quadros por segundo, e também para a utilização em dispositivos móveis, onde requisitos de desempenho e potência são críticos. Todos os algoritmos desenvolvidos foram avaliados para um conjunto de 10 sequências de teste HD 1080p, e seus resultados de qualidade e custo computacional foram avaliados e comparados com algoritmos conhecidos da literatura. As arquiteturas de hardware dedicadas, desenvolvidas para os novos algoritmos, foram descritas em VHDL e sintetizadas para FPGAs e ASIC, em standard cells nas tecnologias 0,18μm e 90nm. Os algoritmos desenvolvidos apresentam ganhos de qualidade para vídeos de alta definição em relação a algoritmos rápidos convencionais, e as arquiteturas desenvolvidas possuem altas taxas de processamento com baixo consumo de recursos de hardware e de potência. / Video compression is an extremely relevant theme in today’s scenario, mainly due to the significant growth in digital video applications. Without compression, it is almost impossible to send or store digital videos, due to the large amount of data that they require, making applications such as high definition digital television, video conferences, mobiles video calls, and others unviable. This demand is increasing since there is a strong growth in high definition video applications, where the amount of information is considerably larger. Many video coding standards were developed in the last few years, all of them can achieve excellent compression rates. A significant part of the compression gains in the current video coding standards are obtained through the exploration of the temporal redundancies by means of the motion estimation process. However, the current motion estimation algorithms do not consider the inherent variations that appear in high and ultra-high definition videos. In this work an evaluation of the motion estimation in high definition videos is presented. This evaluation shows that some well know fast algorithms, that are widely used by the scientific community, do not keep the same quality results when applied to high resolution videos. It demonstrates the relevance of new fast algorithms that are focused on high definition videos. This thesis presents the development of new fast motion estimation algorithms focused in high definition video encoding. The algorithms developed in this thesis show some characteristics that make them more resilient to avoid local minima, when applied to high definition videos. Moreover, this work also aims at the development of dedicated hardware architectures for these new algorithms, focused on high definition videos. The architectural development is extremely relevant, mainly for real time applications at 30 frames per second, and also for mobile applications, where performance and power are critical issues. All developed algorithms were assessed using 10 HD 1080p test video sequences, and the results for quality and computational cost were evaluated and compared against known algorithms from the literature. The dedicated hardware architectures, developed for the new algorithms, were described in VHDL and synthesized for FPGA and ASIC. The ASIC implementation used 0.18μm and 90nm CMOS standard cells technology. The developed algorithms present quality gains in comparison to regular fast algorithms for high definition videos, and the developed architectures presents high processing rate with low hardware resources cost and power consumption.