As inovações tecnológicas têm propiciado transformações nas formas de interação e, principalmente, na comunicação entre as pessoas. Os avanços nas áreas de tecnologia da informação e comunicações abriram novos horizontes para a criação de demandas até então não existentes. Nesse contexto, a utilização de vídeo digital de alta definição para aplicações de tempo real ganha ênfase. Entretanto, os desafios envolvidos na manipulação da quantidade de informações necessárias à sua representação, fomentam pesquisas na indústria e na academia para minimizar os impactos sobre a largura de banda necessária para transmissão e/ou no espaço para o seu armazenamento. Para enfrentar esses problemas diversos padrões de compressão de vídeo têm sido desenvolvidos sendo que, nesse aspecto, o padrão H.264/AVC é considerado o estado da arte. O padrão H.264/AVC introduz ganhos significativos na taxa de compressão, em relação a seus antecessores, porém esses ganhos vêem acompanhados pelo aumento na complexidade computacional das ferramentas aplicadas como, por exemplo, a Codificação Aritmética Binária Adaptativa ao Contexto (CABAC). A complexidade computacional relacionado ao padrão H.264/AVC é tal que torna impraticável sua execução em software (para operar em um processador de propósito geral, ao menos para nos disponíveis atuais) com a finalidade de realizar a codificação ou decodificação em tempo real para sequências de vídeo de alta definição. Esta dissertação apresenta uma arquitetura de hardware para o processo de decodificação do CABAC, conforme especificação do padrão H.264/AVC. Tendo o objetivo de contribuir para a resolução de alguns dos problemas relacionados à tarefa de decodificação de vídeo de alta definição em tempo real. Para isso, apresenta-se uma introdução sobre conceitos fundamentais da compressão de dados e vídeo digital, além da discussão sobre as principais características do padrão H.264/AVC. O conjunto de algoritmos presentes no CABAC e o fluxo de decodificação do CABAC são descritos em detalhes. Para fundamentar as decisões de projeto um vasto conjunto de experimentos foi realizado para analisar o comportamento do bitstream durante o processo de decodificação do CABAC. A arquitetura de hardware proposta e desenvolvida é apresentada em detalhes, tendo seu desempenho comparado com outras propostas encontradas na literatura. Os resultados obtidos mostram que a arquitetura desenvolvida é eficaz em seu objetivo, pois atinge a capacidade de processamento de vídeos em alta definição (HD1080p) em tempo real. Além disso, os experimentos realizados deram origem a observações inovadoras, que permitiram determinar os pontos chave para minimizar os gargalos inerentes ao conjunto de algoritmos que compõe o CABAC. / The technological innovations of recent decades have brought changes in the forms of human interaction especially in communication area. Advances in the areas of information technology and communications opened new horizons for creating demands non-existent so far. In this scenario the high-definition digital video for real-time applications has gained emphasis for this context. However, the challenges involved in handling the amount of information necessary for its representation, promoting research in industry and academia to minimize the impact on the bandwidth needed for transmission and / or the space for the storage. To address those problems several video compression standards have been developed and the H.264/AVC standard is the state-of-the-art. The H.264/AVC standard introduces significant gains in compression rate, compared to its predecessors. These gains are obtained by an increase in computational complexity of the techniques used, such as the CABAC. The computational requirements of H.264/AVC standard is so strong that make its implementation impractical in software (to operate on a general purpose processor) for the purpose of performing encoding or decoding in real time for high-definition video sequences. This dissertation presents a new CABAD architecture with the implementation in hardware intended to solve the problems related to the task of decoding high-definition video in real time. An introduction to fundamental concepts of data compression and digital video is presented, in addition to discussing the main features of the H.264/AVC standard. The set of algorithms the CABAC and of the CABAD decode flow are described in detail. A wide number of experiments were conducted to identify the static and dynamic behavior of the bitstream to support the design decisions. At the end the developed architecture is examined and compared with other proposals found in literature. The results show that the architecture developed is effective in its purpose to handle high-definition video (HD1080p) in real time. Furthermore, the experiments have led to innovative observations to determine the key points to minimize the bottlenecks inherent in the set of algorithms that make the CABAD.

As inovações tecnológicas têm propiciado transformações nas formas de interação e, principalmente, na comunicação entre as pessoas. Os avanços nas áreas de tecnologia da informação e comunicações abriram novos horizontes para a criação de demandas até então não existentes. Nesse contexto, a utilização de vídeo digital de alta definição para aplicações de tempo real ganha ênfase. Entretanto, os desafios envolvidos na manipulação da quantidade de informações necessárias à sua representação, fomentam pesquisas na indústria e na academia para minimizar os impactos sobre a largura de banda necessária para transmissão e/ou no espaço para o seu armazenamento. Para enfrentar esses problemas diversos padrões de compressão de vídeo têm sido desenvolvidos sendo que, nesse aspecto, o padrão H.264/AVC é considerado o estado da arte. O padrão H.264/AVC introduz ganhos significativos na taxa de compressão, em relação a seus antecessores, porém esses ganhos vêem acompanhados pelo aumento na complexidade computacional das ferramentas aplicadas como, por exemplo, a Codificação Aritmética Binária Adaptativa ao Contexto (CABAC). A complexidade computacional relacionado ao padrão H.264/AVC é tal que torna impraticável sua execução em software (para operar em um processador de propósito geral, ao menos para nos disponíveis atuais) com a finalidade de realizar a codificação ou decodificação em tempo real para sequências de vídeo de alta definição. Esta dissertação apresenta uma arquitetura de hardware para o processo de decodificação do CABAC, conforme especificação do padrão H.264/AVC. Tendo o objetivo de contribuir para a resolução de alguns dos problemas relacionados à tarefa de decodificação de vídeo de alta definição em tempo real. Para isso, apresenta-se uma introdução sobre conceitos fundamentais da compressão de dados e vídeo digital, além da discussão sobre as principais características do padrão H.264/AVC. O conjunto de algoritmos presentes no CABAC e o fluxo de decodificação do CABAC são descritos em detalhes. Para fundamentar as decisões de projeto um vasto conjunto de experimentos foi realizado para analisar o comportamento do bitstream durante o processo de decodificação do CABAC. A arquitetura de hardware proposta e desenvolvida é apresentada em detalhes, tendo seu desempenho comparado com outras propostas encontradas na literatura. Os resultados obtidos mostram que a arquitetura desenvolvida é eficaz em seu objetivo, pois atinge a capacidade de processamento de vídeos em alta definição (HD1080p) em tempo real. Além disso, os experimentos realizados deram origem a observações inovadoras, que permitiram determinar os pontos chave para minimizar os gargalos inerentes ao conjunto de algoritmos que compõe o CABAC. / The technological innovations of recent decades have brought changes in the forms of human interaction especially in communication area. Advances in the areas of information technology and communications opened new horizons for creating demands non-existent so far. In this scenario the high-definition digital video for real-time applications has gained emphasis for this context. However, the challenges involved in handling the amount of information necessary for its representation, promoting research in industry and academia to minimize the impact on the bandwidth needed for transmission and / or the space for the storage. To address those problems several video compression standards have been developed and the H.264/AVC standard is the state-of-the-art. The H.264/AVC standard introduces significant gains in compression rate, compared to its predecessors. These gains are obtained by an increase in computational complexity of the techniques used, such as the CABAC. The computational requirements of H.264/AVC standard is so strong that make its implementation impractical in software (to operate on a general purpose processor) for the purpose of performing encoding or decoding in real time for high-definition video sequences. This dissertation presents a new CABAD architecture with the implementation in hardware intended to solve the problems related to the task of decoding high-definition video in real time. An introduction to fundamental concepts of data compression and digital video is presented, in addition to discussing the main features of the H.264/AVC standard. The set of algorithms the CABAC and of the CABAD decode flow are described in detail. A wide number of experiments were conducted to identify the static and dynamic behavior of the bitstream to support the design decisions. At the end the developed architecture is examined and compared with other proposals found in literature. The results show that the architecture developed is effective in its purpose to handle high-definition video (HD1080p) in real time. Furthermore, the experiments have led to innovative observations to determine the key points to minimize the bottlenecks inherent in the set of algorithms that make the CABAD.

As inovações tecnológicas têm propiciado transformações nas formas de interação e, principalmente, na comunicação entre as pessoas. Os avanços nas áreas de tecnologia da informação e comunicações abriram novos horizontes para a criação de demandas até então não existentes. Nesse contexto, a utilização de vídeo digital de alta definição para aplicações de tempo real ganha ênfase. Entretanto, os desafios envolvidos na manipulação da quantidade de informações necessárias à sua representação, fomentam pesquisas na indústria e na academia para minimizar os impactos sobre a largura de banda necessária para transmissão e/ou no espaço para o seu armazenamento. Para enfrentar esses problemas diversos padrões de compressão de vídeo têm sido desenvolvidos sendo que, nesse aspecto, o padrão H.264/AVC é considerado o estado da arte. O padrão H.264/AVC introduz ganhos significativos na taxa de compressão, em relação a seus antecessores, porém esses ganhos vêem acompanhados pelo aumento na complexidade computacional das ferramentas aplicadas como, por exemplo, a Codificação Aritmética Binária Adaptativa ao Contexto (CABAC). A complexidade computacional relacionado ao padrão H.264/AVC é tal que torna impraticável sua execução em software (para operar em um processador de propósito geral, ao menos para nos disponíveis atuais) com a finalidade de realizar a codificação ou decodificação em tempo real para sequências de vídeo de alta definição. Esta dissertação apresenta uma arquitetura de hardware para o processo de decodificação do CABAC, conforme especificação do padrão H.264/AVC. Tendo o objetivo de contribuir para a resolução de alguns dos problemas relacionados à tarefa de decodificação de vídeo de alta definição em tempo real. Para isso, apresenta-se uma introdução sobre conceitos fundamentais da compressão de dados e vídeo digital, além da discussão sobre as principais características do padrão H.264/AVC. O conjunto de algoritmos presentes no CABAC e o fluxo de decodificação do CABAC são descritos em detalhes. Para fundamentar as decisões de projeto um vasto conjunto de experimentos foi realizado para analisar o comportamento do bitstream durante o processo de decodificação do CABAC. A arquitetura de hardware proposta e desenvolvida é apresentada em detalhes, tendo seu desempenho comparado com outras propostas encontradas na literatura. Os resultados obtidos mostram que a arquitetura desenvolvida é eficaz em seu objetivo, pois atinge a capacidade de processamento de vídeos em alta definição (HD1080p) em tempo real. Além disso, os experimentos realizados deram origem a observações inovadoras, que permitiram determinar os pontos chave para minimizar os gargalos inerentes ao conjunto de algoritmos que compõe o CABAC. / The technological innovations of recent decades have brought changes in the forms of human interaction especially in communication area. Advances in the areas of information technology and communications opened new horizons for creating demands non-existent so far. In this scenario the high-definition digital video for real-time applications has gained emphasis for this context. However, the challenges involved in handling the amount of information necessary for its representation, promoting research in industry and academia to minimize the impact on the bandwidth needed for transmission and / or the space for the storage. To address those problems several video compression standards have been developed and the H.264/AVC standard is the state-of-the-art. The H.264/AVC standard introduces significant gains in compression rate, compared to its predecessors. These gains are obtained by an increase in computational complexity of the techniques used, such as the CABAC. The computational requirements of H.264/AVC standard is so strong that make its implementation impractical in software (to operate on a general purpose processor) for the purpose of performing encoding or decoding in real time for high-definition video sequences. This dissertation presents a new CABAD architecture with the implementation in hardware intended to solve the problems related to the task of decoding high-definition video in real time. An introduction to fundamental concepts of data compression and digital video is presented, in addition to discussing the main features of the H.264/AVC standard. The set of algorithms the CABAC and of the CABAD decode flow are described in detail. A wide number of experiments were conducted to identify the static and dynamic behavior of the bitstream to support the design decisions. At the end the developed architecture is examined and compared with other proposals found in literature. The results show that the architecture developed is effective in its purpose to handle high-definition video (HD1080p) in real time. Furthermore, the experiments have led to innovative observations to determine the key points to minimize the bottlenecks inherent in the set of algorithms that make the CABAD.

O codificador aritmético binário adaptativo ao contexto adotado (CABAC – Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding) pelo padrão H.264/AVC a partir de perfil Main é o estado-da-arte em termos de eficiência de taxa de bits. Entretanto, o CABAC ocupa 9.6% do tempo total de processamento e seu throughput é limitado pelas dependências de dados no nível de bit (LIN, 2010). Logo, atingir os requisitos de desempenho em tempo real nos níveis mais altos do padrão H.264/AVC se torna uma tarefa árdua em software, sendo necesário então, a aceleração do CABAC através de implementações em hardware. As arquiteturas de hardware encontradas na literatura para o CABAC focam no Codificador Aritmético Binário (BAE - Binary Arithmetic Encoder) enquanto que a Binarização e Modelagem de Contextos (BCM – Binarization and Context Modeling) fica em segundo plano ou nem é apresentada. O BCM e o BAE juntos constituem o CABAC. Esta dissertação descreve detalhadamente o conjunto de algoritmos que compõem o BCM do padrão H.264/AVC. Em seguida, o projeto de uma arquitetura de hardware específica para o BCM é apresentada. A solução proposta é descrita em VHDL e os resultados de síntese mostram que a arquitetura alcança desempenho suficiente, em FPGA e ASIC, para processar vídeos no nível 5 do padrão H.264/AVC. A arquitetura proposta é 13,3% mais rápida e igualmente eficiente em área que os melhores trabalhos relacionados nestes quesitos. / Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding (CABAC) adopted in the H.264/AVC main profile is the state-of-art in terms of bit-rate efficiency. However, CABAC takes 9.6% of the total encoding time and its throughput is limited by bit-level data dependency (LIN, 2010). Moreover, meeting real-time requirement for a pure software CABAC encoder is difficult at the highest levels of the H.264/AVC standard. Hence, speeding up the CABAC by hardware implementation is required. The CABAC hardware architectures found in the literature focus on the Binary Arithmetic Encoder (BAE), while the Binarization and Context Modeling (BCM) is a secondary issue or even absent in the literature. Integrated, the BCM and the BAE constitute the CABAC. This dissertation presents the set of algorithms that describe the BCM of the H.264/AVC standard. Then, a novel hardware architecture design for the BCM is presented. The proposed design is described in VHDL and the synthesis results show that the proposed architecture reaches sufficiently high performance in FPGA and ASIC to process videos in real-time at the level 5 of H.264/AVC standard. The proposed design is 13.3% faster than the best works in these items, while being equally efficient in area.

O codificador aritmético binário adaptativo ao contexto adotado (CABAC – Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding) pelo padrão H.264/AVC a partir de perfil Main é o estado-da-arte em termos de eficiência de taxa de bits. Entretanto, o CABAC ocupa 9.6% do tempo total de processamento e seu throughput é limitado pelas dependências de dados no nível de bit (LIN, 2010). Logo, atingir os requisitos de desempenho em tempo real nos níveis mais altos do padrão H.264/AVC se torna uma tarefa árdua em software, sendo necesário então, a aceleração do CABAC através de implementações em hardware. As arquiteturas de hardware encontradas na literatura para o CABAC focam no Codificador Aritmético Binário (BAE - Binary Arithmetic Encoder) enquanto que a Binarização e Modelagem de Contextos (BCM – Binarization and Context Modeling) fica em segundo plano ou nem é apresentada. O BCM e o BAE juntos constituem o CABAC. Esta dissertação descreve detalhadamente o conjunto de algoritmos que compõem o BCM do padrão H.264/AVC. Em seguida, o projeto de uma arquitetura de hardware específica para o BCM é apresentada. A solução proposta é descrita em VHDL e os resultados de síntese mostram que a arquitetura alcança desempenho suficiente, em FPGA e ASIC, para processar vídeos no nível 5 do padrão H.264/AVC. A arquitetura proposta é 13,3% mais rápida e igualmente eficiente em área que os melhores trabalhos relacionados nestes quesitos. / Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding (CABAC) adopted in the H.264/AVC main profile is the state-of-art in terms of bit-rate efficiency. However, CABAC takes 9.6% of the total encoding time and its throughput is limited by bit-level data dependency (LIN, 2010). Moreover, meeting real-time requirement for a pure software CABAC encoder is difficult at the highest levels of the H.264/AVC standard. Hence, speeding up the CABAC by hardware implementation is required. The CABAC hardware architectures found in the literature focus on the Binary Arithmetic Encoder (BAE), while the Binarization and Context Modeling (BCM) is a secondary issue or even absent in the literature. Integrated, the BCM and the BAE constitute the CABAC. This dissertation presents the set of algorithms that describe the BCM of the H.264/AVC standard. Then, a novel hardware architecture design for the BCM is presented. The proposed design is described in VHDL and the synthesis results show that the proposed architecture reaches sufficiently high performance in FPGA and ASIC to process videos in real-time at the level 5 of H.264/AVC standard. The proposed design is 13.3% faster than the best works in these items, while being equally efficient in area.

O codificador aritmético binário adaptativo ao contexto adotado (CABAC – Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding) pelo padrão H.264/AVC a partir de perfil Main é o estado-da-arte em termos de eficiência de taxa de bits. Entretanto, o CABAC ocupa 9.6% do tempo total de processamento e seu throughput é limitado pelas dependências de dados no nível de bit (LIN, 2010). Logo, atingir os requisitos de desempenho em tempo real nos níveis mais altos do padrão H.264/AVC se torna uma tarefa árdua em software, sendo necesário então, a aceleração do CABAC através de implementações em hardware. As arquiteturas de hardware encontradas na literatura para o CABAC focam no Codificador Aritmético Binário (BAE - Binary Arithmetic Encoder) enquanto que a Binarização e Modelagem de Contextos (BCM – Binarization and Context Modeling) fica em segundo plano ou nem é apresentada. O BCM e o BAE juntos constituem o CABAC. Esta dissertação descreve detalhadamente o conjunto de algoritmos que compõem o BCM do padrão H.264/AVC. Em seguida, o projeto de uma arquitetura de hardware específica para o BCM é apresentada. A solução proposta é descrita em VHDL e os resultados de síntese mostram que a arquitetura alcança desempenho suficiente, em FPGA e ASIC, para processar vídeos no nível 5 do padrão H.264/AVC. A arquitetura proposta é 13,3% mais rápida e igualmente eficiente em área que os melhores trabalhos relacionados nestes quesitos. / Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding (CABAC) adopted in the H.264/AVC main profile is the state-of-art in terms of bit-rate efficiency. However, CABAC takes 9.6% of the total encoding time and its throughput is limited by bit-level data dependency (LIN, 2010). Moreover, meeting real-time requirement for a pure software CABAC encoder is difficult at the highest levels of the H.264/AVC standard. Hence, speeding up the CABAC by hardware implementation is required. The CABAC hardware architectures found in the literature focus on the Binary Arithmetic Encoder (BAE), while the Binarization and Context Modeling (BCM) is a secondary issue or even absent in the literature. Integrated, the BCM and the BAE constitute the CABAC. This dissertation presents the set of algorithms that describe the BCM of the H.264/AVC standard. Then, a novel hardware architecture design for the BCM is presented. The proposed design is described in VHDL and the synthesis results show that the proposed architecture reaches sufficiently high performance in FPGA and ASIC to process videos in real-time at the level 5 of H.264/AVC standard. The proposed design is 13.3% faster than the best works in these items, while being equally efficient in area.

This thesis is focused on the compression algorithm's analysis of MJPEG format and its implementation in FPGA chip. Three additional video bitstream reduction methods have been evaluated for real-time low latency applications of MJPEG format. These methods are noise filtering, inter-frame encoding and lowering video's quality. Based on this analysis, a MJPEG codec has been designed for implementation into FPGA chip XC6SLX45, from Spartan-6 family.