Software radio is a technique for implementing reconfigurable radio systems using a combination of various circuit elements and digital hardware. By implementing radio functions in software, a flexible radio can be created that is capable of performing a variety of functions at different times. Numerous digital hardware devices are available to perform the required signal processing, each with its own strengths and weaknesses in terms of performance, power consumption, and programmability. The system developer must make trade-offs in these three design areas when determining the best digital hardware solution for a software radio implementation. When selecting digital hardware architectures, it is important to recognize the requirements of the system and identify which architectures will provide sufficient performance within the design constraints. While some architectures may provide abundant computational performance and flexibility, the associated power consumption may largely exceed the limits available for a given system. Conversely, other processing architectures may demand minimal power consumption and offer sufficient computation performance yet provide little in terms of the flexibility needed for software radio systems. Several digital hardware solutions are presented as well as their design trade-offs and associated implementation issues. / Master of Science

Master of Science / Department of Electrical and Computer Engineering / Dwight D. Day / Over the last several years, the use of Field Programmable Gate Arrays, or FPGAs, has become increasingly popular in the embedded systems field. However, FPGAs are typically used only as a coprocessor or dedicated DSP. This project proposes that an embedded system can realize a performance gain over a traditional microprocessor-based design and be made more flexible and extensible by using an FPGA as the primary processing device in the embedded system. Basing a design on an FPGA also allows new features to be much more rapidly developed and integrated into the system. This will be shown by designing an FPGA based embedded system for Surface Systems & Instruments’ Walking Profiler device. The system will include support for rotary encoders, an incline sensor for data collection, and an Ethernet protocol for communication with a Windows computer. The implementation of a sub sampling distance measuring algorithm will be used to demonstrate the tradeoffs between hardware, software, and development times.

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Many problems in early vision can be formulated in terms of minimizing an energy or cost function. Examples are shape-from-shading, edge detection, motion analysis, structure from motion and surface interpolation (Poggio, Torre and Koch, 1985). It has been shown that all quadratic variational problems, an important subset of early vision tasks, can be "solved" by linear, analog electrical or chemical networks (Poggio and Koch, 1985). IN a variety of situateions the cost function is non-quadratic, however, for instance in the presence of discontinuities. The use of non-quadratic cost functions raises the question of designing efficient algorithms for computing the optimal solution. Recently, Hopfield and Tank (1985) have shown that networks of nonlinear analog "neurons" can be effective in computing the solution of optimization problems. In this paper, we show how these networks can be generalized to solve the non-convex energy functionals of early vision. We illustrate this approach by implementing a specific network solving the problem of reconstructing a smooth surface while preserving its discontinuities from sparsely sampled data (Geman and Geman, 1984; Marroquin 1984; Terzopoulos 1984). These results suggest a novel computational strategy for solving such problems for both biological and artificial vision systems.

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.

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.

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.

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.

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.

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.