향상된 Parallelism과 Early Termination 기반 고속 H.264/AVC 하이 프로파일 인트라 프레임 인코더

국문 초록 (Abstract)

H.264/AVC는 Joint Video Team (JVT)가 발표한 압축 표준으로 영상 압축, 저장, 전송 등 다양한 분야에 사용되고 있다. H.264.AVC 하이 프로파일 인트라 프레임 인코더는 적은 하드웨어 리소스와 저전력 응용 분야에 적합하다. 하이 프로파일은 고해상도 영상을 대상으로 하고 있다. 즉, 하이 프로파일 인코더의 동작 속도는 베이스라인/메인 프로파일의 하드웨어 보다 더욱 빨라야 한다. 이전 베이스라인/메인 프로파일의 인트라 프레임 인코더 하드웨어에 관한 연구는 Early Decision과 Early Termination 알고리즘으로 인코딩을 고속화 하였고 하드웨어 효율을 높였다. 본 논문은 Luma 8x8 예측이 Luma 4x4/16x16, Chroma 8x8 예측과 병렬로 인코딩을 수행하는 하드웨어 기반의 하이 프로파일 인트라 예측 인코더를 제안한다. 제안된 하드웨어는 베이스라인/메인 프로파일의 인트라 프레임 인코더 와 하드웨어 리소스를 공유하지 않기 때문에 쉽게 베이스라인/메인 프로파일의 하드웨어와 합쳐 하이 프로파일 인트라 프레임 인코더를 구성할 수 있다. 하이 프로파일 Luma 8x8 인트라 예측 인코더의 고속화를 예측 위해 예측 모드 수행 순서 조절 방법과 IDCT(Inverse Descrete Cosine Transform)순서 조절 방법을 제안하여 하드웨어의 idle cycle을 제거하였고, modified three-step 알고리즘을 제안한 하드웨어에 맞도록 수정하였으며, Luma 8x8 예측 모드 사이의 Early Termination을 적용하여 Luma 8x8 인트라 예측 인코더의 고속화를 이루었다. 또한 Luma 8x8 예측의 결과를 이용하여 Luma 4x4/16x16 예측을 더욱 고속화 하는 Luma 4x4/16x16 예측의 확장된 Early Termination을 제안한다. 제안된 하드웨어는 Verilog-HDL로 구현, 검증되어 Dongbu 0.13um 공정으로 합성되었다. 실험 결과 Quad-HD영상에서 312 cycle, Full-HD영상에서 314 cycle, HD 영상에서 319 cycle의 평균 수행 속도를 보여주었다. JM 13.2 reference software와 비교하였을 때 Bit rate는 0.81%증가 하였고 PSNR은 0.038dB 감소하였다. JM 13.2 reference software와 RD-성능에서 큰 차이는 없지만, 이전 연구들 보다 빠른 속도를 달성 하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 내용 3
• 제 2 장 관련 연구 4
• 2.1 H.264/AVC 의 인트라 예측 4
• 2.1.1 베이스라인/메인 프로파일의 인트라 예측 4
• 2.1.2 하이 프로파일의 인트라 예측 8
• 2.2 하드웨어 기반 H.264/AVC 인트라 예측 인코더 9
• 2.2.1 베이스라인/메인 프로파일의 인트라 예측 인코더 9
• 2.2.2 하이 프로파일의 인트라 예측 인코더 13
• 2.2.3 Early Termination 알고리즘 15
• 제 3 장 하드웨어 기반 Luma 8x8 인트라 예측 인코더 20
• 3.1 Luma 8x8 인트라 예측의 과정 20
• 3.1.1 Luma 4x4 인트라 예측과의 비교 20
• 3.1.2 인근 참조 픽셀에 대한 필터 적용 21
• 3.1.3 8x8 DCT(Discrete Cosine Transform) 적용 22
• 3.2 Luma 8x8 인트라 예측 인코더의 하드웨어 구조 23
• 3.2.1 이전 연구에 기반한 파이프라인 스케쥴링 23
• 3.2.2 Luma 8x8 인트라 예측 모드 수행 순서의 조절 25
• 3.2.3 8x8 IDCT(Inverse-DCT) 수행 순서의 조절 27
• 3.2.4 새로운 파이프라인 스케쥴링 29
• 3.2.5 새로운 파이프라인 스케쥴링을 지원하는 하드웨어 구조 31
• 3.2.6 고속 Luma 8x8 인트라 예측 알고리즘 35
• 제 4 장 하드웨어 기반 하이 프로파일 인트라 예측 인코더 37
• 4.1 프로파일 별 병렬 수행을 지원하는 하드웨어 구조 37
• 4.2 DCT 기반의 최적 모드 결정 41
• 4.3 하이 프로파일을 위한 새로운Early Termination 알고리즘 45
• 4.3.1 Luma 8x8 인트라 예측의 Early Termination 45
• 4.3.2 Luma 4x4/16x16 인트라 예측의 Early Termination 46
• 4.3.3 Early Termination 하드웨어 구조 49
• 제 5 장 실험 결과 및 분석 51
• 5.1 실험 환경 51
• 5.1.1 테스트 영상 및 인코딩 파라미터 51
• 5.1.2 DCT-based SATD를 사용한 JM reference software 51
• 5.2 제안된 방법에 따른 수행 시간 및 화질의 변화 분석 54
• 5.2.1 기본 하드웨어의 수행시간 분석 54
• 5.2.2 Luma 8x8 인트라 예측 모드 수행 순서의 조절 57
• 5.2.3 8x8 IDCT(Inverse-DCT) 수행 순서의 조절 59
• 5.2.4 고속 Luma 8x8 인트라 예측 알고리즘 61
• 5.2.5 하이 프로파일을 위한 새로운 Early Termination 알고리즘 63
• 5.3 하드웨어 설계 결과 69
• 제 6 장 결론 73
• 참고문헌 75
• ABSTRACT 79