As redes-em-chip (NoCs) surgiram como uma alternativa aos atuais problemas de interconexão decorrentes da redução da escala de tecnologia de fabricação de circuitos integrados. O desenvolvimento de transistores com nanômetros de largura tem permitido a inserção de sistemas altamente complexos em uma única pastilha de silício. Dessa forma, os SoCs (Systems-on-Chip) passaram a constituir inúmeros elementos de processamentos (EPs) e as NoCs têm se apresentado como uma opção eficiente no provimento da interconexão dos mesmos, permitindo maior escalabilidade e paralelismo ao sistema. No entanto, esta conexão não é realizada de forma direta. Todo sistema conectado por uma NoC necessita de interfaces de rede (NIs) para intermediar a conexão dos elementos de processamento aos roteadores da rede. O objetivo desse trabalho é apresentar soluções arquiteturais de interfaces de rede para NoCs que atendam diferentes aplicações de forma genérica. Neste trabalho foram desenvolvidas interfaces de redes reutilizáveis e parametrizáveis, e para atender a estas características, as interfaces de rede possibilitam a configuração de diversos parâmetros arquiteturais, como largura da palavra de dados dos EPs, profundidade das FIFOs das interfaces, profundidade das FIFOs da NoC e largura de dados da rede, possibilitando prover a interconexão de qualquer aplicação com um mínimo de reprojeto. As interfaces de rede, juntamente com a NoC, são responsáveis pelo desempenho da comunicação da aplicação e, para isso, o projeto de uma NI deve ser capaz de atender aos requisitos do sistema, por isso, a importância de se obter um projeto de NIs flexível. Para validar as arquiteturas das NIs desenvolvidas, os módulos do decodificador de vídeo no contexto do padrão H.264 foram conectados à NoC através das interfaces projetadas. A partir dessa implementação, puderam-se levantar diversas necessidades que devem ser atendidas pelas NIs. Por fim, foram analisados os resultados de síntese das NIs para diferentes configurações. Também foram verificados os resultados de síntese e desempenho do decodificador de vídeo H.264 conectado pelas NIs à NoC. Com relação aos resultados de síntese em FPGA, a implementação do decodificador de vídeo com NoC e NIs não apresentou um grande aumento em área quando comparada a implementação com conexão ponto-a-ponto. Além disso, para diferentes configurações das NIs, a NoC pode ser utilizada atendendo aos requisitos de desempenho exigidos pela aplicação, sem a necessidade de operar na sua máxima taxa de operação para a resolução QCIF. / Networks-on-Chip (NoCs) have emerged as an alternative to the current interconnection problems arising from the scaling technology for manufacturing integrated circuits. The development of transistors with nanometer-wide has enabled the integration of highly complex systems on a single silicon wafer. Thus, SoCs (Systemson- Chip) have integrated numerous processing elements (EPs) and NoCs have been presented as an effective option in providing the interconnection of these elements, allowing scalability and parallelism to the system. However, this connection is not done directly. Every system connected by NoC needs network interfaces to intermediate the connection of processing elements to network routers. The goal of this thesis is to present architectural solutions for network interfaces for applications in general. In this work we developed a generic, reusable and configurable network interface. The proposed network interface enables the configuration of several architectural parameters, such as data width of the packets, FIFOs depth of the interfaces, FIFO depth and data width of the NoC, and thus, being able to provide the interconnection of any application with a minimal redesign. Network interfaces, together with the NoC, are responsible for application performance and, therefore, the design of an NI should be able to support the system requirements. To validate the architecture of developed NI, the modules of H.264 decoder were connected to NoC through designed interface. From this implementation, one could raise several needs that must be supported by the NIs. Finally, we analyzed the results of synthesis of the NIs for different configurations. It was also analyzed the results of synthesis and performance of H.264 video decoder connected by NIs to NoC. According to results for FPGA synthesis, the implementation of video decoder with NoC and NIs did not show a large increase in area when compared with the implementation of peer-to-peer. Moreover, for different configurations, the NoC can be used according to time requisitions required by the application, without the need to operate at its maximum operation frequency for QCIF resolution.

Visando atuação flexível em redes heterogêneas, modernos sistemas multimídia podem adotar o conceito da codificação escalável, onde o fluxo de vídeo é composto por múltiplas camadas, cada qual complementando e aprimorando gradualmente as características de exibição, de forma adaptativa às capacidades de cada receptor. Atualmente, a especificação H.264/SVC representa o estado da arte da área, por sua eficiência de codificação aprimorada, porém demanda recursos computacionais extremamente elevados. Neste contexto, o presente trabalho apresenta uma arquitetura de projeto colaborativo de hardware e software, que explora as características dos diversos algoritmos internos do codificador H.264/SVC, buscando um adequado balanceamento entre as duas tecnologias (hardware e software) para a implementação prática de um codificador escalável de até 16 camadas em formato de 1920x1080 pixels. A partir de um modelo do código de referência H.264/SVC, refinado para reduzir tempos de codificação, foram definidas estratégias de particionamento de módulos e integração entre entidades de software e hardware, avaliando-se questões como dependência de dados e potencial de paralelismo dos algoritmos, assim como restrições práticas das interfaces de comunicação e acessos à memória. Em hardware foram implementados módulos de transformadas, quantização, filtro anti-blocagem e predição entre camadas, permanecendo em software funções de gerência do sistema, entropia, controle de taxa e interface com usuário. A solução completa obtida, integrando módulos em hardware, sintetizados em uma placa de desenvolvimento, com o software de referência refinado, comprova a validade da proposta, pelos significativos ganhos de desempenho registrados, mostrando-se como uma solução adequada para aplicações que exijam codificação escalável tempo real. / In order to support heterogeneous networks and distinct devices simultaneously, modern multimedia systems can adopt the scalability concept, when the video stream is composed by multiple layers, each one being responsible for gradually enhance the video exhibition quality, according to specific receiver capabilities. Currently the H.264/SVC specification can be considered the state-of-art in this area, by improving the coding efficiency, but, in the other hand, impacting in extremely high computational demands. Based on that, this work presents a hardware/software co-design architecture, which explores the characteristics of H.264/SVC internal algorithms, aiming the right balancing between both technologies (hardware and software) in order to generate a practical scalable encoder implementation, able to process up to 16 layers in 1920x1080 pixels format. Based in an H.264/SVC reference code model, which was refined in order to reduce global encoding time, the approaches for module partitioning and data integration between hardware and software were defined. The proposed methodology took into account characteristics like data dependency and inherent possibility of parallelism, as well practical restrictions like influence of communication interfaces and memory accesses. Particularly, the modules of transforms, quantization, deblocking and inter-layer prediction were implemented in hardware, while the functions of system management, entropy, rate control and user interface were kept in software. The whole solution, which was obtained integrating hardware modules, synthesized in a development board, with the refined H.264/SVC reference code, validates the proposal, by the significant performance gains registered, indicating it as an adequate solution for applications which require real-time video scalable coding.

A compressão de vídeo é essencial para aplicações de vídeo digital. Devido ao elevado volume de informações contidas em um vídeo digital, um processo de compressão é aplicado antes de ser armazenado ou transmitido. O padrão H.264/AVC é considerado o estado-da-arte em termos de compressão de vídeo, introduzindo um conjunto de ferramentas inovadoras em relação a padrões anteriores. Tais ferramentas possibilitam um ganho significativo em compressão, ao preço de um aumento na complexidade. A predição intra-quadro é uma das ferramentas inovadoras do padrão H.264/AVC, responsável por reduzir a redundância espacial do vídeo utilizando informações contidas em um único quadro para predição. A predição intra-quadro do H.264/AVC possibilita ganhos de compressão em comparação com os mais usados padrões de compressão de imagens estáticas, o JPEG e JPEG 2000, mas introduz complexidade no projeto do codificador de vídeo, especialmente quando se torna necessário atingir o desempenho para codificar vídeos de alta definição em tempo-real. Neste contexto, a presente dissertação apresenta a proposta e o desenvolvimento de uma arquitetura de hardware dedicada para a predição intra-quadro, presente nos codificadores compatíveis com o padrão H.264/AVC de compressão de vídeo. A arquitetura desenvolvida codifica vídeos de alta definição em tempo-real utilizando uma frequência de operação 46% menor que o melhor trabalho encontrado na literatura. A arquitetura desenvolvida será integrada, futuramente, em um codificador de vídeo em hardware compatível com o padrão H.264/AVC no perfil Main. / Video coding is essential in digital video applications, due to the extremely high data volume present in a digital video to be stored or transmitted through a physical link. H.264/AVC is the state-of-the-art video coding standard, introducing a set of novel features when compared to former standards. A significant gain in terms of bit-rate has been obtained but the increase of complexity of the codec when compared to other video coding standard is inevitable. Intra-frame Prediction is a novel feature introduced with H.264/AVC, which is responsible for reducing a video spatial redundancy using only information in the same frame for prediction. H.264/AVC intra-frame prediction can provide compression gains when compared with state-of-art still image coding standards, like JPEG and JPEG 2000, but introduces complexity and latency to video encoder design, mainly when high definition video coding is needed. In this context, this thesis presents the proposal and development of an intra-frame prediction dedicated hardware architecture for H.264/AVC compatible video encoder. The developed architecture achieved the performance to encode high definition video in real-time with 46% reduction in clock frequency compared with the best results found in the literature. In the future, the developed architecture can be integrated to a fully compatible H.264/AVC main profile hardware encoder.

Os constantes avanços nas áreas de transmissão e processamento de dados ao longo dos últimos anos permitiram a criação de diversas aplicações e serviços baseados em dados multimídia, como streaming de vídeo, videoconferências, aulas remotas e IPTV. Além disso, avanços nas demais áreas da computação e engenharias, possibilitaram a construção de uma enorme diversidade de dispositivos de acesso a esses serviços, desde computadores pessoais até celulares, para citar os mais utilizados atualmente. Muitas dessas aplicações e dispositivos estão amplamente difundidos hoje em dia, e, ao mesmo tempo em que a tecnologia avança, os usuários tornam-se mais exigentes, buscando sempre melhor qualidade nos serviços que utilizam. Devido à grande variedade de redes e dispositivos atuais, uma dificuldade existente é possibilitar o acesso universal a uma transmissão. Uma alternativa criada é utilizar transmissão de vídeo escalável com IP multicast e controlada por mecanismos para adaptabilidade e controle de congestionamento. O produto final dessas transmissões mulimídia são os próprios dados multimídia (vídeo e áudio, principalmente) que o usuário está recebendo, portanto a qualidade destes dados é fundamental para um bom desempenho do sistema e satisfação dos usuários. Este trabalho apresenta um estudo de avaliações subjetivas de qualidade aplicadas em sequências de vídeo codificadas através da extensão escalável do padrão H.264 (SVC). Foi executado um conjunto de testes para avaliar, principalmente, os efeitos da instabilidade da transmissão (variação do número de camadas de vídeo recebidas) e a influência dos três métodos de escalabilidade (espacial, temporal e de qualidade) na qualidade dos vídeos. As definições foram baseadas em um sistema de transmissão em camadas com utilização de protocolos para adaptabilidade e controle de congestionamento. Para execução das avaliações subjetivas foi feito o uso da metodologia ACR-HRR e recomendações das normas ITU-R Rec. BT.500 e ITU-T Rec. P.910. Os resultados mostram que, diferente do esperado, a instabilidade não provoca grandes alterações na qualidade subjetiva dos vídeos e que o método de escalabilidade temporal tende a apresentar qualidade bastante inferior aos outros métodos. As principais contribuições deste trabalho estão nos resultados obtidos nas avaliações, além da metodologia utilizada durante o desenvolvimento do trabalho (definição do plano de avaliação, uso das ferramentas como o JSVM, seleção do material de teste, execução das avaliações, entre outros), das aplicações desenvolvidas, da definição de alguns trabalhos futuros e de possíveis objetivos para avaliações de qualidade. / The constant advances in multimedia processing and transmission over the past years have enabled the creation of several applications and services based on multimedia data, such as video streaming, teleconference, remote classes and IPTV. Futhermore, a big variety of devices, that goes from personal computers to mobile phones, are now capable of receiving these transmissions and displaying the multimedia data. Most of these applications are widely adopted nowadays and, at the same time the technology advances, the user are becoming more demanding about the quality of the services they use. Given the diversity of devices and networks available today, one of the big challenges of these multimedia systems is to be able to adapt the transmission to the receivers' characteristics and conditions. A suitable solution to provide this adaptation is the integration of scalable video coding with layered transmission. As the final product in these multimedia systems are the multimedia data that is presented to the user, the quality of these data will define the performace of the system and the users' satisfaction. This paper presents a study of subjective quality of scalable video sequences, coded using the scalable extension of the H.264 standard (SVC). A group of experiments was performed to measure, primarily, the efeects that the transmission instability (variations in the number of video layers received) has in the video quality and the relationship between the three scalability methods (spatial, temporal and quality) in terms of subjective quality. The decisions taken to model the tests were based on layered transmission systems that use protocols for adaptability and congestion control. To run the subjective assessments we used the ACR-HRR methodology and recommendations given by ITU-R Rec. BT.500 and ITU-T Rec. P.910. The results show that the instability modelled does not causes significant alterations on the overall video subjective quality if compared to a stable video and that the temporal scalability usually produces videos with worse quality than the spatial and quality methods, the latter being the one with the better quality. The main contributions presented in this work are the results obtained in the subjective assessments. Moreover, are also considered as contributions the methodology used throughout the entire work (including the test plan definition, the use of tools as JSVM, the test material selection and the steps taken during the assessment), some applications that were developed, the definition of future works and the specification of some problems that can also be solved with subjective quality evaluations.

A compressão de vídeo é essencial para aplicações de vídeo digital. Devido ao elevado volume de informações contidas em um vídeo digital, um processo de compressão é aplicado antes de ser armazenado ou transmitido. O padrão H.264/AVC é considerado o estado-da-arte em termos de compressão de vídeo, introduzindo um conjunto de ferramentas inovadoras em relação a padrões anteriores. Tais ferramentas possibilitam um ganho significativo em compressão, ao preço de um aumento na complexidade. A predição intra-quadro é uma das ferramentas inovadoras do padrão H.264/AVC, responsável por reduzir a redundância espacial do vídeo utilizando informações contidas em um único quadro para predição. A predição intra-quadro do H.264/AVC possibilita ganhos de compressão em comparação com os mais usados padrões de compressão de imagens estáticas, o JPEG e JPEG 2000, mas introduz complexidade no projeto do codificador de vídeo, especialmente quando se torna necessário atingir o desempenho para codificar vídeos de alta definição em tempo-real. Neste contexto, a presente dissertação apresenta a proposta e o desenvolvimento de uma arquitetura de hardware dedicada para a predição intra-quadro, presente nos codificadores compatíveis com o padrão H.264/AVC de compressão de vídeo. A arquitetura desenvolvida codifica vídeos de alta definição em tempo-real utilizando uma frequência de operação 46% menor que o melhor trabalho encontrado na literatura. A arquitetura desenvolvida será integrada, futuramente, em um codificador de vídeo em hardware compatível com o padrão H.264/AVC no perfil Main. / Video coding is essential in digital video applications, due to the extremely high data volume present in a digital video to be stored or transmitted through a physical link. H.264/AVC is the state-of-the-art video coding standard, introducing a set of novel features when compared to former standards. A significant gain in terms of bit-rate has been obtained but the increase of complexity of the codec when compared to other video coding standard is inevitable. Intra-frame Prediction is a novel feature introduced with H.264/AVC, which is responsible for reducing a video spatial redundancy using only information in the same frame for prediction. H.264/AVC intra-frame prediction can provide compression gains when compared with state-of-art still image coding standards, like JPEG and JPEG 2000, but introduces complexity and latency to video encoder design, mainly when high definition video coding is needed. In this context, this thesis presents the proposal and development of an intra-frame prediction dedicated hardware architecture for H.264/AVC compatible video encoder. The developed architecture achieved the performance to encode high definition video in real-time with 46% reduction in clock frequency compared with the best results found in the literature. In the future, the developed architecture can be integrated to a fully compatible H.264/AVC main profile hardware encoder.

Os constantes avanços nas áreas de transmissão e processamento de dados ao longo dos últimos anos permitiram a criação de diversas aplicações e serviços baseados em dados multimídia, como streaming de vídeo, videoconferências, aulas remotas e IPTV. Além disso, avanços nas demais áreas da computação e engenharias, possibilitaram a construção de uma enorme diversidade de dispositivos de acesso a esses serviços, desde computadores pessoais até celulares, para citar os mais utilizados atualmente. Muitas dessas aplicações e dispositivos estão amplamente difundidos hoje em dia, e, ao mesmo tempo em que a tecnologia avança, os usuários tornam-se mais exigentes, buscando sempre melhor qualidade nos serviços que utilizam. Devido à grande variedade de redes e dispositivos atuais, uma dificuldade existente é possibilitar o acesso universal a uma transmissão. Uma alternativa criada é utilizar transmissão de vídeo escalável com IP multicast e controlada por mecanismos para adaptabilidade e controle de congestionamento. O produto final dessas transmissões mulimídia são os próprios dados multimídia (vídeo e áudio, principalmente) que o usuário está recebendo, portanto a qualidade destes dados é fundamental para um bom desempenho do sistema e satisfação dos usuários. Este trabalho apresenta um estudo de avaliações subjetivas de qualidade aplicadas em sequências de vídeo codificadas através da extensão escalável do padrão H.264 (SVC). Foi executado um conjunto de testes para avaliar, principalmente, os efeitos da instabilidade da transmissão (variação do número de camadas de vídeo recebidas) e a influência dos três métodos de escalabilidade (espacial, temporal e de qualidade) na qualidade dos vídeos. As definições foram baseadas em um sistema de transmissão em camadas com utilização de protocolos para adaptabilidade e controle de congestionamento. Para execução das avaliações subjetivas foi feito o uso da metodologia ACR-HRR e recomendações das normas ITU-R Rec. BT.500 e ITU-T Rec. P.910. Os resultados mostram que, diferente do esperado, a instabilidade não provoca grandes alterações na qualidade subjetiva dos vídeos e que o método de escalabilidade temporal tende a apresentar qualidade bastante inferior aos outros métodos. As principais contribuições deste trabalho estão nos resultados obtidos nas avaliações, além da metodologia utilizada durante o desenvolvimento do trabalho (definição do plano de avaliação, uso das ferramentas como o JSVM, seleção do material de teste, execução das avaliações, entre outros), das aplicações desenvolvidas, da definição de alguns trabalhos futuros e de possíveis objetivos para avaliações de qualidade. / The constant advances in multimedia processing and transmission over the past years have enabled the creation of several applications and services based on multimedia data, such as video streaming, teleconference, remote classes and IPTV. Futhermore, a big variety of devices, that goes from personal computers to mobile phones, are now capable of receiving these transmissions and displaying the multimedia data. Most of these applications are widely adopted nowadays and, at the same time the technology advances, the user are becoming more demanding about the quality of the services they use. Given the diversity of devices and networks available today, one of the big challenges of these multimedia systems is to be able to adapt the transmission to the receivers' characteristics and conditions. A suitable solution to provide this adaptation is the integration of scalable video coding with layered transmission. As the final product in these multimedia systems are the multimedia data that is presented to the user, the quality of these data will define the performace of the system and the users' satisfaction. This paper presents a study of subjective quality of scalable video sequences, coded using the scalable extension of the H.264 standard (SVC). A group of experiments was performed to measure, primarily, the efeects that the transmission instability (variations in the number of video layers received) has in the video quality and the relationship between the three scalability methods (spatial, temporal and quality) in terms of subjective quality. The decisions taken to model the tests were based on layered transmission systems that use protocols for adaptability and congestion control. To run the subjective assessments we used the ACR-HRR methodology and recommendations given by ITU-R Rec. BT.500 and ITU-T Rec. P.910. The results show that the instability modelled does not causes significant alterations on the overall video subjective quality if compared to a stable video and that the temporal scalability usually produces videos with worse quality than the spatial and quality methods, the latter being the one with the better quality. The main contributions presented in this work are the results obtained in the subjective assessments. Moreover, are also considered as contributions the methodology used throughout the entire work (including the test plan definition, the use of tools as JSVM, the test material selection and the steps taken during the assessment), some applications that were developed, the definition of future works and the specification of some problems that can also be solved with subjective quality evaluations.

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 processo de compressão de vídeo é essencial para aplicações que utilizam vídeos digitais. O alto volume de informações contidas em um vídeo digital requer que um processo de compressão seja aplicado antes de este ser armazenado ou transmitido. O padrão H.264/AVC, estado-da-arte em termos de compressão de vídeo, introduziu um conjunto de ferramentas inéditas em relação a outros padrões, as quais possibilitam um ganho significativo em eficiência de compressão, diminuindo a taxa de bits sem perda na qualidade da imagem. Contudo, o preço deste ganho reside em um significativo aumento na complexidade de codificação. No padrão H.264/AVC, a codificação pode acontecer de acordo com um dos treze modos de codificação intra-quadro ou de acordo com um dos oito tamanhos de bloco disponíveis para a predição inter-quadros. A escolha de melhor modo utilizada pelo software de referência do padrão (JM 17.1) é baseada em uma busca exaustiva pelo melhor modo, realizando a codificação repetidamente para todos os modos até que o menor custo em termos de taxa de bits e distorção seja encontrado. Esta decisão aumenta drasticamente o fluxo de codificação, muitas vezes impossibilitando a codificação de vídeos digitais em tempo real. Neste contexto, a presente dissertação apresenta o estudo e o desenvolvimento de um conjunto de heurísticas que possibilitam a avaliação do melhor modo de codificação de bloco em um processo mais rápido que o usado pelo software de referência. Ao invés da realização do fluxo completo de codificação para todos os modos seguida por uma avaliação do melhor caso, propõe-se um conjunto de análises prévias que convergem para a decisão de apenas um modo de codificação. A redução atingida no número de repetições do processo de codificação foi de quarenta e sete vezes, ao custo de um aumento relativamente pequeno na taxa de bits. Quando comparada com outros trabalhos, a decisão rápida atingiu resultados expressivamente mais satisfatórios em termos de complexidade computacional, sem perda de qualidade ou aumento de taxa de bits significativo. Foram desenvolvidas arquiteturas de hardware que implementam as heurísticas propostas. A arquitetura de decisão intra-quadro atingiu uma frequência máxima de 105 MHz, enquanto que a arquitetura de decisão inter-quadros apresentou uma frequência de 118 MHz para dispositivos FPGA Virtex 5 da Xilinx, sendo ambas capazes de processar vídeos de alta definição em tempo real. / The video compression process is essential in digital video applications, due to the extremely high data volume present in a digital video to be stored or transmitted through a physical link. H.264/AVC, the state-of-art video coding standard, introduces a set of novel features which lead to a significant gain in terms of compression efficiency, decreasing the bit-rate without image quality losses. However, the price of this gain resides at a high complexity increase. In H.264/AVC, the encoding process can occur according to one of the thirteen intra-frame coding modes or according to one of the eight available inter-frames block sizes. In the reference software (JM 17.1), the choice of the best mode is performed through exhaustive executions of the whole encoding process. The mode which presents the lowest cost in terms of required bit-rate and image distortion is then chosen. This decision process increases significantly the encoding process, sometimes even forbidding its use in real time video coding applications. Considering this context, this thesis presents a study and the development of a set of heuristics which allow the evaluation of the best coding mode in a process which is faster than the one used by the reference software. Instead of performing the whole encoding flow for all the possible modes followed by an evaluation of the best case, this work proposes a set of pre-analysis which converge to the selection of one encoding mode. The reduction achieved in the number of repetitions of the encoding process is of forty seven times, at the cost of a relatively small bit-rate increase. When compared to other works, the fast mode decision results are expressively more satisfactory in terms of computational complexity, with no image quality loss or significant bit-rate increase. The hardware architectures which implement the proposed heuristics were also developed in this work. The architecture for intra-frame decision achieved a maximum frequency of 105 MHz, while the architecture for inter-frames decision presented a maximum frequency of 118 MHz for Virtex 5 FPGAs from Xilinx. They are both capable of processing high definition videos in real time.

As redes-em-chip (NoCs) surgiram como uma alternativa aos atuais problemas de interconexão decorrentes da redução da escala de tecnologia de fabricação de circuitos integrados. O desenvolvimento de transistores com nanômetros de largura tem permitido a inserção de sistemas altamente complexos em uma única pastilha de silício. Dessa forma, os SoCs (Systems-on-Chip) passaram a constituir inúmeros elementos de processamentos (EPs) e as NoCs têm se apresentado como uma opção eficiente no provimento da interconexão dos mesmos, permitindo maior escalabilidade e paralelismo ao sistema. No entanto, esta conexão não é realizada de forma direta. Todo sistema conectado por uma NoC necessita de interfaces de rede (NIs) para intermediar a conexão dos elementos de processamento aos roteadores da rede. O objetivo desse trabalho é apresentar soluções arquiteturais de interfaces de rede para NoCs que atendam diferentes aplicações de forma genérica. Neste trabalho foram desenvolvidas interfaces de redes reutilizáveis e parametrizáveis, e para atender a estas características, as interfaces de rede possibilitam a configuração de diversos parâmetros arquiteturais, como largura da palavra de dados dos EPs, profundidade das FIFOs das interfaces, profundidade das FIFOs da NoC e largura de dados da rede, possibilitando prover a interconexão de qualquer aplicação com um mínimo de reprojeto. As interfaces de rede, juntamente com a NoC, são responsáveis pelo desempenho da comunicação da aplicação e, para isso, o projeto de uma NI deve ser capaz de atender aos requisitos do sistema, por isso, a importância de se obter um projeto de NIs flexível. Para validar as arquiteturas das NIs desenvolvidas, os módulos do decodificador de vídeo no contexto do padrão H.264 foram conectados à NoC através das interfaces projetadas. A partir dessa implementação, puderam-se levantar diversas necessidades que devem ser atendidas pelas NIs. Por fim, foram analisados os resultados de síntese das NIs para diferentes configurações. Também foram verificados os resultados de síntese e desempenho do decodificador de vídeo H.264 conectado pelas NIs à NoC. Com relação aos resultados de síntese em FPGA, a implementação do decodificador de vídeo com NoC e NIs não apresentou um grande aumento em área quando comparada a implementação com conexão ponto-a-ponto. Além disso, para diferentes configurações das NIs, a NoC pode ser utilizada atendendo aos requisitos de desempenho exigidos pela aplicação, sem a necessidade de operar na sua máxima taxa de operação para a resolução QCIF. / Networks-on-Chip (NoCs) have emerged as an alternative to the current interconnection problems arising from the scaling technology for manufacturing integrated circuits. The development of transistors with nanometer-wide has enabled the integration of highly complex systems on a single silicon wafer. Thus, SoCs (Systemson- Chip) have integrated numerous processing elements (EPs) and NoCs have been presented as an effective option in providing the interconnection of these elements, allowing scalability and parallelism to the system. However, this connection is not done directly. Every system connected by NoC needs network interfaces to intermediate the connection of processing elements to network routers. The goal of this thesis is to present architectural solutions for network interfaces for applications in general. In this work we developed a generic, reusable and configurable network interface. The proposed network interface enables the configuration of several architectural parameters, such as data width of the packets, FIFOs depth of the interfaces, FIFO depth and data width of the NoC, and thus, being able to provide the interconnection of any application with a minimal redesign. Network interfaces, together with the NoC, are responsible for application performance and, therefore, the design of an NI should be able to support the system requirements. To validate the architecture of developed NI, the modules of H.264 decoder were connected to NoC through designed interface. From this implementation, one could raise several needs that must be supported by the NIs. Finally, we analyzed the results of synthesis of the NIs for different configurations. It was also analyzed the results of synthesis and performance of H.264 video decoder connected by NIs to NoC. According to results for FPGA synthesis, the implementation of video decoder with NoC and NIs did not show a large increase in area when compared with the implementation of peer-to-peer. Moreover, for different configurations, the NoC can be used according to time requisitions required by the application, without the need to operate at its maximum operation frequency for QCIF resolution.

Visando atuação flexível em redes heterogêneas, modernos sistemas multimídia podem adotar o conceito da codificação escalável, onde o fluxo de vídeo é composto por múltiplas camadas, cada qual complementando e aprimorando gradualmente as características de exibição, de forma adaptativa às capacidades de cada receptor. Atualmente, a especificação H.264/SVC representa o estado da arte da área, por sua eficiência de codificação aprimorada, porém demanda recursos computacionais extremamente elevados. Neste contexto, o presente trabalho apresenta uma arquitetura de projeto colaborativo de hardware e software, que explora as características dos diversos algoritmos internos do codificador H.264/SVC, buscando um adequado balanceamento entre as duas tecnologias (hardware e software) para a implementação prática de um codificador escalável de até 16 camadas em formato de 1920x1080 pixels. A partir de um modelo do código de referência H.264/SVC, refinado para reduzir tempos de codificação, foram definidas estratégias de particionamento de módulos e integração entre entidades de software e hardware, avaliando-se questões como dependência de dados e potencial de paralelismo dos algoritmos, assim como restrições práticas das interfaces de comunicação e acessos à memória. Em hardware foram implementados módulos de transformadas, quantização, filtro anti-blocagem e predição entre camadas, permanecendo em software funções de gerência do sistema, entropia, controle de taxa e interface com usuário. A solução completa obtida, integrando módulos em hardware, sintetizados em uma placa de desenvolvimento, com o software de referência refinado, comprova a validade da proposta, pelos significativos ganhos de desempenho registrados, mostrando-se como uma solução adequada para aplicações que exijam codificação escalável tempo real. / In order to support heterogeneous networks and distinct devices simultaneously, modern multimedia systems can adopt the scalability concept, when the video stream is composed by multiple layers, each one being responsible for gradually enhance the video exhibition quality, according to specific receiver capabilities. Currently the H.264/SVC specification can be considered the state-of-art in this area, by improving the coding efficiency, but, in the other hand, impacting in extremely high computational demands. Based on that, this work presents a hardware/software co-design architecture, which explores the characteristics of H.264/SVC internal algorithms, aiming the right balancing between both technologies (hardware and software) in order to generate a practical scalable encoder implementation, able to process up to 16 layers in 1920x1080 pixels format. Based in an H.264/SVC reference code model, which was refined in order to reduce global encoding time, the approaches for module partitioning and data integration between hardware and software were defined. The proposed methodology took into account characteristics like data dependency and inherent possibility of parallelism, as well practical restrictions like influence of communication interfaces and memory accesses. Particularly, the modules of transforms, quantization, deblocking and inter-layer prediction were implemented in hardware, while the functions of system management, entropy, rate control and user interface were kept in software. The whole solution, which was obtained integrating hardware modules, synthesized in a development board, with the refined H.264/SVC reference code, validates the proposal, by the significant performance gains registered, indicating it as an adequate solution for applications which require real-time video scalable coding.