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고성능 HEVC 부호기를 위한 화면내 예측 하드웨어 설계
An Intra Prediction Hardware Design for High Performance HEVC Encoder 원문보기

한국정보통신학회 2015년도 추계학술대회, 2015 Oct. 26, 2015년, pp.875 - 878  

박승용 (한밭대학교 정보통신전문대학원) ,  류광기 (한밭대학교 정보통신전문대학원)

초록
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본 논문에서는 고성능 HEVC 부호기 화면내 예측기의 적은 연산 시간 및 연산 복잡도, 하드웨어 면적 감소를 위한 하드웨어 구조를 제안한다. 제안하는 화면내 예측기의 하드웨어 구조는 연산 복잡도를 감소시키기 위해 공통 연산기를 사용하였고, 저면적 하드웨어 구조를 위해 $4{\times}4$ 블록 단위 연산기를 사용하였다. 공통 연산기는 모든 예측모드의 예측픽셀 생성과 필터링 과정을 하나의 연산기로 처리하기 때문에 연산기의 개수를 감소시킨다. 화면내 예측 하드웨어 구조는 $4{\times}4$ PU 공통 연산기를 사용하여 하드웨어 면적은 감소 시켰으며, $32{\times}32$ PU까지 지원하는 하드웨어 구조로 설계하였다. 제안하는 하드웨어 구조는 10개의 공통 연산기를 사용하여 병렬처리함으로써 화면내 예측의 수행 사이클 수를 감소시킨다. 제안하는 화면내 예측기의 하드웨어 구조는 Verilog HDL로 설계하였으며, TSMC $0.13{\mu}m$ CMOS 표준 셀 라이브러리로 합성한 결과 41.5k개의 게이트로 구현되었다. 제안하는 화면내 예측기 하드웨어 구조는 150MHz의 동작주파수에서 4K UHD@30fps 영상의 실시간 처리가 가능하며, 최대 200MHz까지 동작 가능하다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we propose an intra prediction hardware architecture with less processing time, computations and reduced hardware area for a high performance HEVC encoder. The proposed intra prediction hardware architecture uses common operation units to reduce computational complexity and uses ...

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

  • 본 논문에서는 HEVC 화면 내 예측의 연산시간과 연산량, 하드웨어 면적을 최소화하기 위해 4x4 PU 블록 단위 연산기를 사용하였고, 공통 연산기 구조로 최대 32x32 PU 블록 단위까지 지원하는 방식을 채택하였다. 또한, 제안하는 화면 내 예측 하드웨어 구조는 3단 파이프라인으로 연산 시간을 최소화하였다.
  • 본 논문에서 제안하는 화면 내 예측 하드웨어 구조는 Verilog HDL로 설계하였으며, ASIC 설계를 위한 하드웨어 합성은 IDEC에서 지원하는 CAD Tool인 Synopsys사의 Design Complier를 통해 합성하였다. 표 1은 하드웨어 합성 결과를 나타낸다.
  • 본 논문에서는 HEVC 화면 내 예측의 연산시간과 연산량, 하드웨어 면적을 최소화하기 위해 4x4 PU 블록 단위 연산기를 사용하였고, 공통 연산기 구조로 최대 32x32 PU 블록 단위까지 지원하는 방식을 채택하였다. 또한, 제안하는 화면 내 예측 하드웨어 구조는 3단 파이프라인으로 연산 시간을 최소화하였다.
  • 본 논문에서는 화면 내 예측 하드웨어 구조는 4x4 PU 공통 연산기를 사용하여 하드웨어 면적은 감소 시켰으며, 32x32 PU까지 지원하는 하드웨어 구조로 설계하였다. 제안하는 하드웨어 구조는 10개의 공통 연산기를 사용하여 병렬처리함으로써 화면 내 예측의 수행 사이클 수를 감소시킨다.
  • RP_Unit_1 모듈 내부 공통 연산기 구조는 그림 6과 같다. 예측모드에 따라 스위치 모듈에서 선택된 참조샘플들을 필터링하며, 필터링에 필요한 수식이 P1+2P2+P3+2 라는 공통 수식을 가지고 있기 때문에 2P2에 대한 부분을 P2를 2번 입력하여 2P2로 연산하는 구조로 설계하였다. 총 10개의 공통연산기를 사용하여 필터링에 필요한 참조샘플들을 생성가능하다.
  • 본 논문에서는 화면 내 예측 하드웨어 구조는 4x4 PU 공통 연산기를 사용하여 하드웨어 면적은 감소 시켰으며, 32x32 PU까지 지원하는 하드웨어 구조로 설계하였다. 제안하는 하드웨어 구조는 10개의 공통 연산기를 사용하여 병렬처리함으로써 화면 내 예측의 수행 사이클 수를 감소시킨다.
  • 제안하는 화면 내 예측 하드웨어 구조는 그림 4와 같이 RP_Gen 모듈, C_Unit 모듈, CP_Unit 모듈, Intra_Controller 모듈로 구분된다. RP_Gen 모듈은 외부로부터 참조샘플을 입력받아 예측샘플을 생성하는 기능을 수행하며, C_Unit 모듈은 RP_Gen 모듈에서 생성된 예측샘플과 원본샘플과의 차이를 구하는 모듈이다.
  • 제안하는 화면 내 예측 하드웨어 구조는 참조샘플 생성 작업과 연산 작업, 비교 작업의 3단계 파이프라인 구조를 가지며, 파이프라인 구조를 통해 연산시간을 최소화 하였다. 제안하는 3단계 파이프라인 구조는 그림 7과 같다.

대상 데이터

  • 264/AVC와 비교하여 약 50% 이상 개선된 부호화 효율을 갖는다[1]. 새로운 기술들 중 화면 내 예측은 현재 프레임과 가장 유사한 예측 프레임을 생성하기 위해 4x4 PU(Prediction Unit)부터 64x64 PU까지 다양한 크기의 PU에 대한 예측을 수행하고, 35개의 예측모드를 갖는다. HEVC의 화면 내 예측은 많은 예측모드 수와 다양한 크기의 PU를 지원하고 참조 픽셀 및 예측 픽셀의 필터링 과정을 수행하기 때문에 하드웨어 구현 시 기존 H.
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