Low power motion estimation hardware designs

Abstract

Hareket Tahmini (HT) video sıkıştırma ve video iyileştirme sistemlerinin en çok işlem yapılan ve en çok güç harcayan kısmıdır. HT, H.264/MPEG-4 gibi video sıkıştırma standartlarında ve çerçeve hızı dönüştürme gibi video iyileştirme uygulamalarında kullanılır. Yarım piksel hassaslığında (YPH) HT video kodlama verimini arttırmakla birlikte yapılan işlem miktarını da arttırır. Bu nedenle bu tezde, tam arama HT algoritmasını kullanan verimli tam sayı hassaslığında (TSH) HT donanımları tasarladık ve gerçekleştirdik. Ayrıca TSH ve YPH HT donanımları için güç azaltma teknikleri önerdik. Önerilen HT donanımları Verilog HDL dili kullanılarak gerçekleştirildiler ve Xilinx FPGA'lerine yerleştirildiler.Blok eşleştirme (BE) HT donanımlarının güç kullanımını azaltmak için karşılaştırma öngörüsü (KÖ) tekniğini önerdik. KÖ tekniği BE HT donanımlarında yapılan mutlak fark işleminin güç kullanımını azaltır. KÖ tekniği tüm BE HT donanımlarına kolayca uygulanabilir. Bu tezde ise sabit blok boyutlu 256 işlem birimli BE HT donanımına uygulandı.Ayrıca, H.264 YPH HT için iki güç azaltma tekniği önerdik. Bu tekniklerin bir YPH HT donanımının güç kullanımını olan etkilerini gösterdik. Birinci teknik hareket vektörlerine bağlı olarak mutlak farklar toplamlarının (MFT) yeniden kullanımı tekniğidir. Bu teknik değişken blok boyutlu HT için yapılan işlem miktarını PSNR kaybı olmadan azaltmaktadır. İkinci teknik YPH HT algoritmasında yapılan özgün bir değişikliktir. Bu teknik tam sayı hareket vektörlerinin uzantılarını kullanarak YP arama penceresini uyarlanır bir şekilde tek boyuta indirmektedir. Bu teknik değişken blok boyutlu HT için yapılan işlem miktarını az bir PSNR kaybı ile azaltmaktadır.

Motion Estimation (ME) is the most computationally intensive and most power consuming part of video compression and video enhancement systems. ME is used in video compression standards such as H.264/MPEG-4 and it is used in video enhancement algorithms such as frame rate conversion and de-interlacing. Half pixel (HP) ME increases the video coding efficiency at the expense of increased computational complexity. Therefore, in this thesis, we designed and implemented efficient integer pixel (IP) ME hardware implementing full search ME algorithm, and we proposed techniques for reducing the dynamic power consumptions of IP and HP ME hardware. The proposed ME hardware architectures are implemented in Verilog HDL and mapped to Xilinx FPGAs. The FPGA implementations are verified with post place & route simulations.We proposed comparison prediction (CP) technique for reducing the power consumption of IP block matching (BM) ME hardware. CP technique reduces the power consumption of absolute difference operations performed by IP BM ME hardware. The proposed technique can easily be used in all IP BM ME hardware. It reduced the power consumption of a fixed block size IP BM ME hardware implementing full search algorithm by 9.3% with 0.04% PSNR loss on a Xilinx XC2VP30-7 FPGA.We also proposed two techniques for reducing the power consumption of H.264 HP ME hardware. The first technique is vector dependent sum of absolute difference (SAD) reuse which reduces the amount of computations for variable block size H.264 HP ME with no PSNR loss. The second technique is a novel modification of the HP search algorithm which adaptively tries to use the IP motion vector trajectories to reduce HP search to 1-D. This technique causes an average PSNR loss of 0.36 dB. The two techniques reduced the power consumption of a variable block size H.264 HP ME hardware by 6% and 31% on a Xilinx Virtex 6 FPGA respectively.