La presente Tesis tiene por finalidad explicar las ventajas y desventajas de las arquitecturas IPv4 e IPv6 para el servicio de video streaming en tiempo real. Para ello se realiza la implementación de un servidor de video, operando en redes IPv4, IPv6 y Dual Stack (IPv4/IPv6) para llegar así a conclusiones y resultados que sirvan de referencia a otros trabajos relacionados al tema y a las empresas dedicadas a ofrecer estos servicios. El trabajo se divide en cuatro capítulos que se detallan a continuación: En el capítulo I “Preliminares” se exponen los fundamentos teóricos para poder abordar el tema de video streaming sobre una red Dual Stack. En el capítulo II “Escenarios de prueba” se describen los posibles entornos a considerar y las características generales de cada uno de ellos incluyendo la red Dual Stack, los requerimientos que deben cumplir las redes para poder aplicar video streaming, además de sus ventajas y desventajas sobre el escenario Dual Stack. En el capítulo III “Diseño” se explica la implementación del servicio de video streaming instalando un servidor con soporte IPv4 y posteriormente modificando el escenario para transmitir datos sobre IPv6. Finalmente, en el capítulo IV “Pruebas y Análisis de Resultados” se adjuntan los resultados de las pruebas, se observa la calidad de servicio en cada caso, así como el tráfico de la red, terminando con las “Conclusiones y Recomendaciones” fruto del estudio realizado. / Tesis

El movimiento humano es un elemento importante en el estudio de la biología humana debido a ser una propiedad básica de la vida. Este resulta aún más importante en aspectos colectivos como el deporte, la salud, la educación física, la danza, la rehabilitación, entre otros. Especial atención requiere la rehabilitación donde, a través del análisis de marcha, el fisiatra observa y estudia el desempeño de los pacientes a lo largo de diversas sesiones que realizan, con el fin de ver la evolución de los mismos. Sin embargo, capturar y realizar seguimiento al movimiento humano de manera computacional es una tarea compleja con alternativas costosas. Asimismo, los centros de rehabilitación de Lima no cuentan con la tecnología apropiada y existe, por parte de las personas, una negación al cambio que complica la inclusión de la misma. Debido a esto, el presente proyecto presenta una herramienta de bajo costo que permite registrar y representar el movimiento humano en 3D para apoyar a las terapias de rehabilitación de la marcha. El registro puede ser almacenado de forma permanente con el fin de mantener un histórico y realizar nuevos análisis en el tiempo. El dispositivo usado (Kinect) se mostró adecuado para la captura de la información útil con un margen de error aceptable que, dependiendo del entorno de captura, éste puede ser controlado. En el trabajo se consiguió detectar el patrón de marcha de los ángulos de flexión de la rodilla, lo cual permitió comparar diferentes situaciones de caminata y calcular medidas como distancia de paso, velocidad del movimiento de la persona, porcentaje de datos dentro del rango de referencia de una caminata normal (medidas de los ángulos de flexión), de esta manera se consigue determinar el nivel de normalidad de un ciclo de paso. Finalmente se desarrolló un prototipo de visualización 3D que permite manipular el entorno y tener diferentes vistas del movimiento del paciente. Este puede ser reutilizado para crear un ambiente más completo de análisis que comprenda otros tipos de movimientos (además de la rodilla), soportar un mayor número de fuentes de diferentes ángulos (múltiples Kinect), Kinect en movimiento que permita realizar un seguimiento de la marcha en un mayor espacio, entre otros. Todo lo anterior mencionado serviría de base para la constitución de un laboratorio de rehabilitación basado en realidad virtual. / Tesis

Thesis (Ph.D)--Literature, Communication, and Culture, Georgia Institute of Technology, 2010. / Committee Chair: Mazalek, Alexandra; Committee Member: Bolter, Jay; Committee Member: Knospel, Kenneth; Committee Member: Murray, Janet; Committee Member: Winegarden, Claudia Rebola. Part of the SMARTech Electronic Thesis and Dissertation Collection.

Η ανάπτυξη ενσωματωμένων στο όχημα συστημάτων υποβοήθησης του οδηγού για αποφυγή συγκρούσεων με άλλα οχήματα έχει βρεθεί στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος εξαιτίας των μεγάλων απωλειών σε ανθρώπινες ζωές στα αυτοκινητιστικά δυστυχήματα. Τα βασισμένα στην όραση συστήματα εξελίσσονται με πολύ γρήγορους ρυθμούς αλλά η έλλειψη μεγάλης σθεναρότητας αποτελεί τροχοπέδη στην τοποθέτηση τους σε οχήματα ευρείας παραγωγής. Ωστόσο, τα αποτελέσματα των ερευνών είναι πολύ ενθαρρυντικά. Στην παρούσα διπλωματική εργασία στόχος είναι η ανάπτυξη ενός συστήματος αναγνώρισης οχημάτων από εικόνες που λαμβάνονται από βιντεοκάμερα που έχει ενσωματωθεί στο όχημα. Η προσπάθεια ανίχνευσης πραγματοποιήθηκε έχοντας ως μοναδικό στοιχείο της εικόνες αυτές , τόσο τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της κάμερας όσο και η ταχύτητα του οχήματος δεν ήταν γνωστά. Η μεθοδολογία που επιλέχθηκε είναι αυτή της οπτικής ροής. Αρχικά υπολογίσθηκε η οπτική ροή μεταξύ δύο καρέ και στην συνέχεια αυτή η πληροφορία αξιοποιήθηκε με δύο μεθόδους ώστε να γίνει η υπόθεση για τη θέση του κινούμενου οχήματος στην εικόνα. Η μία χρησιμοποιεί την κλίση της οπτικής ροής σε συνδυασμό με την απότομη αλλαγή της κατεύθυνσης των διανυσμάτων οπτικής ροής στα άκρα των κινούμενων οχημάτων και η άλλη συνδυάζει την οπτική ροή με την ανάλυση κύριων τμημάτων (PCA-Principal Component Analysis). / The goal of this paper is the development of an on-board vehicle detection system with the use of optical flow techniques.

Este trabalho trata da aplicação de técnicas de minimização de consumo de potência para blocos digitais para o algoritmo de SAD e o decodificador H.264/AVC Intra-Only. Na descrição de hardware são acrescidas as técnicas de paralelismo e pipeline. Na síntese física e lógica, incluem-se as técnicas de inativação do relógio ( clock gating), múltiplas tensões de threshold, diferentes tecnologias e diferentes tensões de alimentação. A síntese é feita nas ferramentas da CadenceTM com exploração arquitetural e apresenta uma menor energia por operação, quando exigido desempenho equivalente (isoperformance ) para SAD, em baixa frequência, alto paralelismo e, principalmente, com um estágio de pipeline. Além disso, tecnologias CMOS mais avançadas diminuem o consumo de potência dinâmica e, em alguns casos, também diminuem a potência estática por gate equivalente, se utilizadas células High-VT e tensão de alimentação a menor possível. Outro fator a ser destacado é o uso do clock gating que no caso das arquiteturas de SAD, em vez de diminuir, aumenta o consumo de potência dinâmica. Neste trabalho foi realizada a síntese do decodificador Intra-Only. O decodificador com clock gating apresenta um menor consumo de potência, mostrando um caso em que esta técnica é benéfica. Além disso, a utilização de uma tecnologia CMOS 65 nm e, consequentemente, tensão de alimentação menor, levou a uma sensível diminuição no consumo de potência em relação a outros trabalhos similares. / This work presents low-power techniques applications to digital blocks in the SAD algorithm and in the Intra-Only H.264/AVC decoder. In the hardware description, we add parallelism and pipeline techniques. In the logical and physical synthesis exploration, includes the clock gating, multiple threshold voltage, different technologies and multiple supply voltage. The synthesis are done in the CadenceTM tools and show a smaller energy per operation in isoperformance for SAD at low frequency, high parallelism and, mainly, with one pipeline stage. In addition to that, more advanced CMOS technologies decrease the dynamic power consumption and, also, decrease the static power for equivalent gates, if using High-VT cells and lowest possible power supply. Another factor is the clock gating use that in the SAD architecture, instead of decreasing, increases the dynamic power consumption. In this work the design of an Intra-Only H.264/AVC Decoder was performed. This design with clock gating presents lower power consumption, showing a case in which this technique is beneficial in terms of dynamic power. Besides that, the 65 nm CMOS technology uses a lower power supply, resulting in lower power consumption in comparison to other related works.

A compressão de vídeo é essencial para aplicações que manipulam vídeos digitais, em função da enorme quantidade de informação necessária para representar um vídeo sem nenhum tipo de compressão. Esta tese apresenta o desenvolvimento de soluções arquiteturais dedicadas e de alto desempenho para a compressão de vídeos, com foco no padrão H.264/AVC. O padrão H.264/AVC é o mais novo padrão de compressão de vídeo da ITU-T e da ISO e atinge as mais elevadas taxas de compressão dentre todos os padrões de codificação de vídeo existentes. Este padrão também possui a maior complexidade computacional dentre os padrões atuais. Esta tese apresenta soluções arquiteturais para os módulos da estimação de movimento, da compensação de movimento, das transformadas diretas e inversas e da quantização direta e inversa. Inicialmente, são apresentados alguns conceitos básicos de compressão de vídeo e uma introdução ao padrão H.264/AVC, para embasar as explicações das soluções arquiteturais desenvolvidas. Então, as arquiteturas desenvolvidas para os módulos das transformadas diretas e inversas, da quantização direta e inversa, da estimação de movimento e da compensação de movimento são apresentadas. Todas as arquiteturas desenvolvidas foram descritas em VHDL e foram mapeadas para FPGAs Virtex-II Pro da Xilinx. Alguns dos módulos foram, também, sintetizados para standard-cells. Os resultados obtidos através da síntese destas arquiteturas são apresentados e discutidos. Para todos os casos, os resultados de síntese indicaram que as arquiteturas desenvolvidas estão aptas para atender as demandas de codecs H.264/AVC direcionados para vídeos de alta resolução. / Video coding is essential for applications based in digital videos, given the enormous amount of bits which are required to represent a video sequence without compression. This thesis presents the design of dedicated and high performance architectures for video compression, focusing in the H.264/AVC standard. The H.264/AVC standard is the latest ITU-T and ISO standard for video compression and it reaches the highest compression rates amongst all the current video coding standards. This standard has also the highest computational complexity among all of them. This thesis presents architectural solutions for the modules of motion estimation, motion compensation, forward and inverse transforms and forward and inverse quantization. Some concepts of video compression and an introduction to the H.264/AVC standard are presented and they serve as basis for the architectural developments. Then, the designed architectures for forward and inverse transforms, forward and inverse quantization, motion estimation and motion compensation are presented. All designed architectures were described in VHDL and they were mapped to Xilinx Virtex-II Pro FPGAs. Some modules were also synthesized into standard-cells. The synthesis results are presented and discussed. For all cases, the synthesis results indicated that the architectures developed in this work are able to meet the demands of H.264/AVC codecs targeting high resolution videos.

Esta dissertação é composta de duas partes principais em que apresenta, em sua primeira parte, o desenvolvimento de uma arquitetura de hardware para compensação de movimento para decodificadores de vídeo segundo o padrão H.264/AVC. A segunda parte apresenta a modelagem de uma arquitetura de hardware para codificação de vídeo segundo o mesmo padrão. Também são apresentados os conceitos básicos da codificação e decodificação de vídeo digital segundo o padrão H.264/AVC. A arquitetura desenvolvida para compensação de movimento, denominada HP422- MoCHA (High Profile 4:2:2 Motion Compensation Hardware Architecture) (ZATT, 2008), baseada na arquitetura MoCHA (Motion Compensator Hardware Architecture) (AZEVEDO, 2007), suporta o conjunto de ferramentas da compensação de movimento para o perfil High 4:2:2 do H.264/AVC. Esta arquitetura está particionada em três blocos principais: Preditor de Vetores de Movimento, Acesso à Memória e Processador de Amostras. Esses blocos funcionam na forma de um pipeline, existindo buffers entre os mesmos para armazenar os resultados intermediários. A descrição foi desenvolvida com a linguagem VHDL e alcança desempenho para decodificar, em tempo real, vídeos HDTV 1920x1080 a 30 quadros por segundo. Na literatura atual não foi encontrada nenhuma solução detalhada para a compensação de movimento no perfil High 4:2:2 do padrão H.264/AVC. Uma nova estrutura para interpolação de amostra na compensação de movimento foi proposta, sendo que sua versão para o Perfil Main se mostra 17% mais compacta, em termos de gates, que a solução mais compacta encontrada na literatura, sem degradação de performance. A segunda parte do texto detalha a modelagem de uma arquitetura de codificação de vídeo segundo o H.264/AVC. A descrição utiliza a linguagem SystemC e consumiu aproximadamente 15.000 linhas de código. Seu projeto foi desenvolvido com o objetivo de codificar vídeo H.264/AVC segundo o perfil Main do padrão com desempenho para codificar vídeos 1920x1080 em tempo real, a 30 quadros por segundo. A modelagem alcançou o objetivo principal de chegar a uma implementação funcional de um codificador, embora assumindo diversas restrições de codificação, permitindo a caracterização temporal e de comunicação do codificador. Dessa forma, o modelo se mostra uma poderosa ferramenta para o desenvolvimento do sistema de codificação em HW, desde a etapa de projeto até a verificação final. Não foi encontrado na literatura, até o presente momento, nenhum trabalho que descreva uma modelagem em alto nível de um hardware para o codificador, ou mesmo para o decodificador, de vídeo H.264/AVC. / This thesis is comprised by two main parts that present, in the first part, the development of a motion compensation hardware architecture for video decoders in compliance with the H.264/AVC standard. The second part presents a hardware architecture modeling for a video encoder compliant to the same video standard. The digital video coding basics in the H.264/AVC standard are also reviewed. The developed motion compensation hardware architecture, named HP422-MoCHA (High Profile 4:2:2 Motion Compensation Hardware Architecture) (ZATT, 2008), is based on the MoCHA (Motion Compensator Hardware Architecture) (AZEVEDO, 2007) architecture. It supports the motion compensation toolset for the H.264/AVC High 4:2:2 profile. This architecture is divided in three main modules: Motion Vector Predictor, Memory Access and Sample Processor. These modules work in a pipeline and are interfaced by buffers to store the intermediate data. The architecture was described in the VHDL language and reaches the required throughput for real time decoding of HDTV 1920x1080 video sequences at 30 frames per second. In the current literature another detailed motion compensation solution for the H.264/AVC High 4:2:2 could not be found. A new filtering organization for the motion compensation sample interpolator was proposed and its Main profile version reduces 17% the gate count in comparison to the smallest solution found in the literature, without any performance degradation. The second part of the thesis details the modeling of a hardware architecture for a video encoder for the H.264/AVC standard. The model was described in SystemC language and used 15,000 source code lines. The project was designed for real time encoding of Main profile H.264/AVC for 1920x1080 video sequences at 30 frames per second. The model supported the main objective which was to obtain a functional encoder implementation, despite of the several encoding restrictions, permitting the temporal and communications characterization of the encoder. The model is presented as a powerful tool for the hardware video encoder development, as it is useful from the initial design to the final verification. No other hardware encoder or decoder modeling description was found in the current literature for the H.264/AVC video coding standard.

Apesar de as capacidades de transmissão e de armazenamento dos dispositivos continuarem crescendo, a compressão ainda é essencial em aplicações que trabalham com vídeo. Com a compressão reduz-se significativamente a quantidade de bits necessários para se representar uma seqüência de vídeo. Dentre os padrões de compressão de vídeo digital, o mais novo é o H.264/AVC. Este padrão alcança as mais elevadas taxas de compressão se comparado com os padrões anteriores mas, por outro lado, possui uma elevada complexidade computacional. A complexidade computacional elevada dificulta o desenvolvimento em software de aplicações voltadas a definições elevadas de imagem, considerando a tecnologia atual. Assim, tornam-se indispensáveis implementações em hardware. Neste escopo, este trabalho aborda o desenvolvimento de uma arquitetura para estimação de movimento de blocos de tamanhos variáveis segundo o padrão H.264/AVC de compressão de vídeo digital. Esta arquitetura utiliza o algoritmo full search e SAD como critério de similaridade. Além disso, a arquitetura é capaz de gerar os 41 diferentes vetores de movimento referentes a um macrobloco e definidos pelo padrão. A solução arquitetural proposta neste trabalho foi descrita em VHDL e mapeada para FPGAs da Xilinx. Também foi desenvolvida uma versão standard cell da arquitetura. Considerando-se as versões da arquitetura com síntese direcionada para FPGA, os resultados mostraram que a arquitetura pode ser utilizada em aplicações voltadas para alta definição como SDTV ou HDTV. Para a versão standard cells da arquitetura os resultados indicam que ela pode ser utilizada para aplicações SDTV. / The transmission and storage capabilities of the digital communications and processing continue to grow. However, compression is still necessary in video applications. With compression, the amount of bits necessary to represent a video sequence is dramatically reduced. Amongst the video compression standards, the latest one is the H.264/AVC. This standard reaches the highest compression rates when compared to the previous standards. On the other hand, it has a high computational complexity. This high computational complexity makes it difficult the development of applications targeting high definitions when a software implementation running in a current technology is considered. Thus, hardware implementations become essential. Addressing the hardware architectures, this work presents the architectural design for the variable block-size motion estimation defined in the H.264/AVC standard. This architecture is based on full search motion estimation algorithm and SAD calculation. This architecture is able to produce the 41 motion vectors within a macroblock that are specified in the standard. The architecture designed in this work was described in VHDL and it was mapped to Xilinx FPGAs. Extensive simulations of the hardware architecture and comparisons to the software implementation of the same variable-size algorithm were used to validate the architecture. It was also synthesized to standard cells. Considering the synthesis results, the architecture reaches real time for high resolution videos, as HDTV when mapped to FPGAs. The standard cells version of this architecture is able to reach real time for SDTV resolution, considering a physical synthesis to 0.18µm CMOS.

A compressão de vídeo é essencial para aplicações que manipulam vídeos digitais, em função da enorme quantidade de informação necessária para representar um vídeo sem nenhum tipo de compressão. Esta tese apresenta o desenvolvimento de soluções arquiteturais dedicadas e de alto desempenho para a compressão de vídeos, com foco no padrão H.264/AVC. O padrão H.264/AVC é o mais novo padrão de compressão de vídeo da ITU-T e da ISO e atinge as mais elevadas taxas de compressão dentre todos os padrões de codificação de vídeo existentes. Este padrão também possui a maior complexidade computacional dentre os padrões atuais. Esta tese apresenta soluções arquiteturais para os módulos da estimação de movimento, da compensação de movimento, das transformadas diretas e inversas e da quantização direta e inversa. Inicialmente, são apresentados alguns conceitos básicos de compressão de vídeo e uma introdução ao padrão H.264/AVC, para embasar as explicações das soluções arquiteturais desenvolvidas. Então, as arquiteturas desenvolvidas para os módulos das transformadas diretas e inversas, da quantização direta e inversa, da estimação de movimento e da compensação de movimento são apresentadas. Todas as arquiteturas desenvolvidas foram descritas em VHDL e foram mapeadas para FPGAs Virtex-II Pro da Xilinx. Alguns dos módulos foram, também, sintetizados para standard-cells. Os resultados obtidos através da síntese destas arquiteturas são apresentados e discutidos. Para todos os casos, os resultados de síntese indicaram que as arquiteturas desenvolvidas estão aptas para atender as demandas de codecs H.264/AVC direcionados para vídeos de alta resolução. / Video coding is essential for applications based in digital videos, given the enormous amount of bits which are required to represent a video sequence without compression. This thesis presents the design of dedicated and high performance architectures for video compression, focusing in the H.264/AVC standard. The H.264/AVC standard is the latest ITU-T and ISO standard for video compression and it reaches the highest compression rates amongst all the current video coding standards. This standard has also the highest computational complexity among all of them. This thesis presents architectural solutions for the modules of motion estimation, motion compensation, forward and inverse transforms and forward and inverse quantization. Some concepts of video compression and an introduction to the H.264/AVC standard are presented and they serve as basis for the architectural developments. Then, the designed architectures for forward and inverse transforms, forward and inverse quantization, motion estimation and motion compensation are presented. All designed architectures were described in VHDL and they were mapped to Xilinx Virtex-II Pro FPGAs. Some modules were also synthesized into standard-cells. The synthesis results are presented and discussed. For all cases, the synthesis results indicated that the architectures developed in this work are able to meet the demands of H.264/AVC codecs targeting high resolution videos.

Esta dissertação é composta de duas partes principais em que apresenta, em sua primeira parte, o desenvolvimento de uma arquitetura de hardware para compensação de movimento para decodificadores de vídeo segundo o padrão H.264/AVC. A segunda parte apresenta a modelagem de uma arquitetura de hardware para codificação de vídeo segundo o mesmo padrão. Também são apresentados os conceitos básicos da codificação e decodificação de vídeo digital segundo o padrão H.264/AVC. A arquitetura desenvolvida para compensação de movimento, denominada HP422- MoCHA (High Profile 4:2:2 Motion Compensation Hardware Architecture) (ZATT, 2008), baseada na arquitetura MoCHA (Motion Compensator Hardware Architecture) (AZEVEDO, 2007), suporta o conjunto de ferramentas da compensação de movimento para o perfil High 4:2:2 do H.264/AVC. Esta arquitetura está particionada em três blocos principais: Preditor de Vetores de Movimento, Acesso à Memória e Processador de Amostras. Esses blocos funcionam na forma de um pipeline, existindo buffers entre os mesmos para armazenar os resultados intermediários. A descrição foi desenvolvida com a linguagem VHDL e alcança desempenho para decodificar, em tempo real, vídeos HDTV 1920x1080 a 30 quadros por segundo. Na literatura atual não foi encontrada nenhuma solução detalhada para a compensação de movimento no perfil High 4:2:2 do padrão H.264/AVC. Uma nova estrutura para interpolação de amostra na compensação de movimento foi proposta, sendo que sua versão para o Perfil Main se mostra 17% mais compacta, em termos de gates, que a solução mais compacta encontrada na literatura, sem degradação de performance. A segunda parte do texto detalha a modelagem de uma arquitetura de codificação de vídeo segundo o H.264/AVC. A descrição utiliza a linguagem SystemC e consumiu aproximadamente 15.000 linhas de código. Seu projeto foi desenvolvido com o objetivo de codificar vídeo H.264/AVC segundo o perfil Main do padrão com desempenho para codificar vídeos 1920x1080 em tempo real, a 30 quadros por segundo. A modelagem alcançou o objetivo principal de chegar a uma implementação funcional de um codificador, embora assumindo diversas restrições de codificação, permitindo a caracterização temporal e de comunicação do codificador. Dessa forma, o modelo se mostra uma poderosa ferramenta para o desenvolvimento do sistema de codificação em HW, desde a etapa de projeto até a verificação final. Não foi encontrado na literatura, até o presente momento, nenhum trabalho que descreva uma modelagem em alto nível de um hardware para o codificador, ou mesmo para o decodificador, de vídeo H.264/AVC. / This thesis is comprised by two main parts that present, in the first part, the development of a motion compensation hardware architecture for video decoders in compliance with the H.264/AVC standard. The second part presents a hardware architecture modeling for a video encoder compliant to the same video standard. The digital video coding basics in the H.264/AVC standard are also reviewed. The developed motion compensation hardware architecture, named HP422-MoCHA (High Profile 4:2:2 Motion Compensation Hardware Architecture) (ZATT, 2008), is based on the MoCHA (Motion Compensator Hardware Architecture) (AZEVEDO, 2007) architecture. It supports the motion compensation toolset for the H.264/AVC High 4:2:2 profile. This architecture is divided in three main modules: Motion Vector Predictor, Memory Access and Sample Processor. These modules work in a pipeline and are interfaced by buffers to store the intermediate data. The architecture was described in the VHDL language and reaches the required throughput for real time decoding of HDTV 1920x1080 video sequences at 30 frames per second. In the current literature another detailed motion compensation solution for the H.264/AVC High 4:2:2 could not be found. A new filtering organization for the motion compensation sample interpolator was proposed and its Main profile version reduces 17% the gate count in comparison to the smallest solution found in the literature, without any performance degradation. The second part of the thesis details the modeling of a hardware architecture for a video encoder for the H.264/AVC standard. The model was described in SystemC language and used 15,000 source code lines. The project was designed for real time encoding of Main profile H.264/AVC for 1920x1080 video sequences at 30 frames per second. The model supported the main objective which was to obtain a functional encoder implementation, despite of the several encoding restrictions, permitting the temporal and communications characterization of the encoder. The model is presented as a powerful tool for the hardware video encoder development, as it is useful from the initial design to the final verification. No other hardware encoder or decoder modeling description was found in the current literature for the H.264/AVC video coding standard.