Khóa Luận Tốt Nghiệp: Thiết Kế Và Hiện Thực Phần Cứng Tăng Tốc Giải Thuật Intra Prediction Trong Hệ Thống Nén Video HEVC

• Tác giả: Nguyen Pham The Anh
• Người hướng dẫn: TS. Lam Duc Khai
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ sư ngành Kỹ thuật Máy tính
• Đề tài: Thiết kế và hiện thực phần cứng tăng tốc giải thuật Intra Prediction trong HEVC
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Giới thiệu đề tài
• 1.2. Mục tiêu đề tài và phương pháp thực hiện
• 1.3. Bố cục khóa luận
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Sơ lược về HEVC
• 2.2. Giải thuật Intra Prediction
• 2.2.1. Sơ lược về Intra Prediction
• 2.2.2. Quy trình Reference Sample Array Construction
• 2.2.3. Quy trình Post Processing
• 2.2.4. Bộ chọn mode tối ưu nhất
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐỀ XUẤT CHO GIẢI THUẬT INTRA PREDICTION
• 3.1. Thiết kế hệ thống
• 3.2. Thiết kế chi tiết
• 3.2.1. Module Reference Sample Filter
• 3.2.2. Module Angular Prediction
• 3.2.3. Module Planar Prediction
• 3.2.4. Module DC Prediction
• 3.2.5. Module SAD And Best Mode Selection
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 4.1. Mô phỏng pre-synthesis
• 4.2. Mô phỏng post-synthesis
• 4.3. Đánh giá kết quả
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Thiết kế phần cứng

Thiết kế phần cứng là trọng tâm của nghiên cứu này, tập trung vào việc tối ưu hóa giải thuật Intra Prediction trong HEVC. Nghiên cứu đề xuất một kiến trúc phần cứng dựa trên FPGA để tăng tốc độ xử lý. Các kỹ thuật như tối ưu phép nhân, xử lý song song, và pipeline được áp dụng để cải thiện hiệu suất. Kiến trúc này hỗ trợ xử lý các khối PU với kích thước từ 4x4 đến 32x32, đảm bảo tốc độ xử lý tối thiểu 30 FPS ở độ phân giải 4K.

1.1. Tối ưu hóa phần cứng

Tối ưu hóa phần cứng được thực hiện thông qua việc giảm thiểu số lượng phép tính và tăng cường xử lý song song. Các module như Reference Sample Filter, Angular Prediction, và Planar Prediction được thiết kế để hoạt động độc lập và hiệu quả. Việc sử dụng DSP blocks thay cho các phép tính truyền thống giúp giảm điện năng tiêu thụ và tăng tốc độ xử lý.

1.2. Thiết kế hệ thống

Thiết kế hệ thống bao gồm việc phân chia các chức năng thành các module riêng biệt. Mỗi module được tối ưu để xử lý một phần cụ thể của giải thuật Intra Prediction. Kiến trúc tổng thể được xây dựng để đảm bảo tính linh hoạt và khả năng mở rộng, phù hợp với các yêu cầu xử lý video thời gian thực.

II. Hiện thực phần cứng

Hiện thực phần cứng được thực hiện trên nền tảng FPGA, sử dụng ngôn ngữ Verilog để mô tả các module. Quá trình hiện thực bao gồm việc mô phỏng và kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế. Môi trường kiểm tra dựa trên UVM được sử dụng để đảm bảo độ bao phủ và tính chính xác của mạch. Kết quả mô phỏng cho thấy thiết kế đạt được hiệu suất mong muốn với tần số hoạt động tối thiểu 212.625 MHz.

2.1. Mô phỏng và kiểm tra

Mô phỏng và kiểm tra được thực hiện thông qua các bài kiểm tra chức năng và timing. Các coverpoint được định nghĩa để đảm bảo độ bao phủ của mạch. Kết quả mô phỏng cho thấy thiết kế đáp ứng được các yêu cầu về tốc độ và độ chính xác, đặc biệt là trong việc xử lý các khối PU với kích thước khác nhau.

2.2. Đánh giá hiệu suất

Đánh giá hiệu suất được thực hiện bằng cách so sánh kết quả với các nghiên cứu trước đây. Thiết kế đề xuất đạt được tốc độ xử lý cao hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các giải pháp phần mềm. Kết quả này khẳng định tính khả thi của việc hiện thực giải thuật Intra Prediction trên phần cứng FPGA.

III. Tăng tốc giải thuật

Tăng tốc giải thuật là mục tiêu chính của nghiên cứu, đạt được thông qua việc tối ưu hóa các phép tính và tăng cường xử lý song song. Giải thuật Intra Prediction được cải tiến để giảm thiểu thời gian tính toán, đặc biệt là trong việc dự đoán các điểm ảnh. Kết quả cho thấy thiết kế đạt được tốc độ xử lý tối thiểu 30 FPS ở độ phân giải 4K, đáp ứng nhu cầu xử lý video thời gian thực.

3.1. Tối ưu hóa giải thuật

Tối ưu hóa giải thuật được thực hiện thông qua việc giảm thiểu số lượng phép tính và tăng cường xử lý song song. Các kỹ thuật như pipeline và xử lý song song được áp dụng để tăng tốc độ xử lý. Kết quả cho thấy thiết kế đạt được hiệu suất cao hơn so với các giải pháp phần mềm.

3.2. Ứng dụng thực tế

Ứng dụng thực tế của nghiên cứu bao gồm việc sử dụng giải thuật Intra Prediction trong các hệ thống nén video thời gian thực. Thiết kế đề xuất có thể được áp dụng trong các nền tảng streaming video, giúp cải thiện tốc độ truyền tải và chất lượng video.