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dc.creatorGoebel, Jones William
dc.date.accessioned2024-07-24T12:54:25Z
dc.date.available2024-07-23
dc.date.available2024-07-24T12:54:25Z
dc.date.issued2024-03-22
dc.identifier.citationGOEBEL, Jones William. Projeto Eficiente de Arquiteturas de Hardware Dedicadas para o Módulo das Transformadas na Codificação de Sinais Visuais: Estudo de Caso no Codificador AV1. Orientador: Marcelo Schiavon Porto. 2024. 184 f. Tese (Doutorado em Ciência da Computação) – Centro de Desenvolvimento Tecnológico, Universidade Federal de Pelotas, Pelotas, 2024.pt_BR
dc.identifier.urihttp://guaiaca.ufpel.edu.br/xmlui/handle/prefix/13589
dc.description.abstractNowadays, there is a growing demand for content that manipulates and displays visual signals, such as images, videos, and Light Fields. However, due to the large volume of data present in these types of visual signals, data compression is essential to enable their storage and/or transmission. One of the key steps in all current visual data compression systems is the transforms stage, which is responsible for enabling greater compression of the energy present in the samples and the separation of all frequency components presented in images and videos. In current encoders, the transforms stage has brought various innovations, allowing better data exploration and greater efficiency in compressing videos. To deal with all these innovations and challenges for the transforms stage, implementation in dedicated hardware is a technological alternative that provides the necessary performance to achieve the processing required for high resolutions, such as UHD, while also ensuring acceptable levels of energy consumption. In this context, this Thesis focuses on the development of dedicated architectures for the transforms module in visual signal encoding, using the AV1 encoder as a case study to demonstrate the results. Thus, various archi tectural solutions for the transforms stage were investigated and explored, bringing novel contributions to the state-of-the-art and demonstrating a flow for the design of hardware architectures for the transforms module that can also be used for other visual signal encoders. The development of the work involved the elaboration of a script aimed at automatically generating the transforms kernels and accelerating the architectural design. More than 27 different versions of architectures for the transforms module were explored, covering the development of three versions for different 1D transforms and nine versions for the transposition buffers. The designed architectures were synthesized in ASIC using the Genus Compiler tool and the 40nm and 60nm libraries from TSMC. The synthesis results demonstrate that the complete 2D-SD-B16-RED-OLB and 2D-SD-SRAM-RED architectures, after all optimization stages and using Multi-VTh libraries of the 40nm technology, presented area results of 778.88kgates and 621.92kgates, with power dissipation of 69.11mW and 71.05mW, respectively, when operating at a frequency of 104.98MHz to achieve processing of UHD 4K videos at 60 frames per second. At the moment that this Thesis is being written, no other work proposing a dedicated hardware solution for the 2D transforms of the AV1 encoder was found in the literature.pt_BR
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqpt_BR
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul - FAPERGSpt_BR
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESpt_BR
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal de Pelotaspt_BR
dc.rightsOpenAccesspt_BR
dc.subjectCodificadores de sinais visuaispt_BR
dc.subjectTransformadaspt_BR
dc.subjectEstudo de casopt_BR
dc.subjectCodificador AV1pt_BR
dc.subjectProjeto de hardwarept_BR
dc.subjectVisual signal encodingpt_BR
dc.subjectTransformedpt_BR
dc.subjectCase studypt_BR
dc.subjectAV1 encoderpt_BR
dc.subjectHardware designpt_BR
dc.titleProjeto Eficiente de Arquiteturas de Hardware Dedicadas para o Módulo das Transformadas na Codificação de Sinais Visuais: Estudo de Caso no Codificador AV1pt_BR
dc.title.alternativeEfficient Design of Dedicated Hardware Architectures for the Transform Module in Visual Signal Encoding: A Case Study on the AV1 Encoderpt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/8994081789699278pt_BR
dc.contributor.advisorIDhttps://orcid.org/0000-0003-3827-3023pt_BR
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/5741927083446578pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Zatt, Bruno
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8251926321102019pt_BR
dc.contributor.advisor-co2Agostini, Luciano Volcan
dc.contributor.advisor-co2Latteshttp://lattes.cnpq.br/9604735363839730pt_BR
dc.description.resumoNa atualidade existe uma demanda crescente por conteúdos que manipulam e exibem sinais visuais, tais como imagens, vídeos e Light Fields. Porém, devido ao grande volume de dados presentes nestes tipos de sinais visuais, a compressão de dados é essencial para permitir o seu armazenamento e/ou transmissão. Uma das principais etapas presentes em todos os sistemas de compressão de dados visuais atuais é a etapa das transformadas, sendo ela responsável por permitir uma maior compactação da energia presente nas amostras e a separação de todos os componentes de frequência presentes nas imagens e vídeos. Nos codificadores atuais, a etapa da transformada trouxe diversas inovações, que permitem uma melhor exploração dos dados e uma eficiência maior para comprimir os vídeos. Para lidar com todas essas inovações e desafios para a etapa das transformadas, a implementação em hardware dedicado é uma alternativa tecnológica que proporciona o desempenho necessário para atingir o processamento requerido para as altas resoluções, como UHD, além de garantir níveis de consumo energético aceitáveis. Neste contexto, esta Tese foca no desenvolvimento de arquiteturas dedicadas para o módulo das transformadas na codificação dos sinais visuais, tendo como caso de estudo, para a demonstração dos resultados, o codificador AV1. Desta forma, foram investigadas e exploradas várias soluções arquiteturais para a etapa das transformadas, trazendo contribuições inéditas para o estado-da-arte e demonstrando um fluxo para o de senvolvimento de arquiteturas de hardware para este módulo que também pode ser usado para outros codificadores de sinais visuais. O desenvolvimento do trabalho contou com a elaboração de um script, que visa gerar automaticamente os kernels das transformadas e acelerar o desenvolvimento das arquiteturas. Foram exploradas mais de 27 versões distintas de arquiteturas para o módulo das transformadas, abrangendo o desenvolvimento de três versões diferentes para as transformadas 1D e nove versões para os buffers de transposição. As arquiteturas desenvolvidas foram sintetizadas em ASIC utilizando a ferramenta Genus Compiler e as bibliotecas de 40nm e 60nm da TSMC. Os resultados da síntese demonstram que as arquiteturas 2D-SD-B16-RED-OLB e 2D-SD-SRAM-RED completas, após todas as etapas de otimização e com o uso de bibliotecas Multi-VTh da tecnologia de 40 nm, apresenta ram, respectivamente, os resultados de área de 778,88kgates e 621,92kgates, com dissipação de potência de 69,11mW e 71,05mW, quando operando na frequência de 104,98MHz para poder atingir o processamento de vídeos UHD 4K a 60 quadros por segundo. Até o momento da escrita desta Tese, nenhum outro trabalho propondo uma solução dedicada em hardware para a transformada 2D do codificador AV1 foi encontrada na literatura.pt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Computaçãopt_BR
dc.publisher.initialsUFPelpt_BR
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRApt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.rights.licenseCC BY-NC-SApt_BR
dc.contributor.advisor1Porto, Marcelo Schiavon
dc.subject.cnpq1CIENCIA DA COMPUTACAOpt_BR


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