Diseño de una arquitectura para estimación de movimiento fraccional según el estándar de codificación HEVC para video de alta resolución en tiempo real

Abstract

Las labores de organizaciones especializadas como ITU-T Video Coding Experts Group e ISO/IEC Moving Picture Experts Group han permitido el desarrollo de la codificación de video a lo largo de estos años. Durante la primera década de este siglo, el trabajo de estas organizaciones estuvo centrado en el estándar H.264/AVC; sin embargo, el incremento de servicios como transmisión de video por Internet y redes móviles así como el surgimiento de mayores resoluciones como 4k u 8k llevó al desarrollo de un nuevo estándar de codificación denominado HEVC o H.265, el cual busca representar los cuadros de video con menor información sin afectar la calidad de la imagen. El presente trabajo de tesis está centrado en el módulo de Estimación de Movimiento Fraccional el cual forma parte del codificador HEVC y presenta una elevada complejidad computacional. En este trabajo, se han tomado en cuenta las mejoras incluidas por el estándar HEVC las cuales radican en los filtros de interpolación empleados para calcular las muestras fraccionales. Para verificar el algoritmo, se realizó la implementación del mismo utilizando el entorno de programación MATLAB®. Este programa también ha permitido contrastar los resultados obtenidos por medio de la simulación de la arquitectura. Posteriormente, se diseñó la arquitectura teniendo como criterios principales la frecuencia de procesamiento así como optimizar la cantidad de recursos lógicos requeridos. La arquitectura fue descrita utilizando el lenguaje de descripción de hardware VHDL y fue sintetizada para los dispositivos FPGA de la familia Virtex los cuales pertenecen a la compañía Xilinx®. La verificación funcional fue realizada por medio de la herramienta ModelSim empleando Testbenchs. Los resultados de máxima frecuencia de operación fueron obtenidos por medio de la síntesis de la arquitectura; adicionalmente, por medio de las simulaciones se verificó la cantidad de ciclos de reloj para realizar el algoritmo. Con estos datos se puede fundamentar que la arquitectura diseñada es capaz de procesar secuencias de video HDTV (1920x1080 píxeles) a una tasa de procesamiento mayor o igual a 30 cuadros por segundo.