Diseño de una arquitectura para la interpolación de quarter-pixel para estimación de movimiento según el formato H.264/AVC empleado en el estándar SBTVD de televisión digital terrestre

Abstract

La reciente adopción del estándar de transmisión Japonés-Brasileño de TV Digital (SBTVDT) por parte del gobierno peruano ha motivado a realizar investigaciones en torno a este estándar por su naturaleza de “estándar abierto” permitiendo cooperar con un aporte significativo para su desarrollo. Uno de los campos más interesantes en torno al SBTVD-T es el formato de compresión de video digital en el cual se basan los codificadores/decodificacores (CODEC’s). Los CODEC’s del estándar SBTVD-T utilizan el formato de compresión H.264/AVC, desarrollado por el Joint Video Team (JVT), el cual posee mayor tasa de compresión en comparación con sus predecesores debido a la alta complejidad computacional que presentan sus algoritmos. El presente trabajo de tesis trata sobre el módulo de Estimación de Movimiento que forma parte del proceso de Inter-Predicción del Codificador H.264/AVC, el cual presenta la mayor complejidad computacional de todos los procesos del Codificador H.264/AVC. Para el presente trabajo se desarrolló este módulo tomando en cuenta una de las principales innovaciones del formato H.264/AVC: el algoritmo de Estimación de Movimiento Fraccional con precisión Quarter-Pixel o 0.25 píxeles. El objetivo del presente trabajo es aplicar este algoritmo para transmisión de video digital en tiempo real considerando que será utilizado para plataformas de dispositivos portátiles cuyas características buscan reducir el consumo de energía y el espacio de hardware. Este algoritmo fue implementado en una aplicación en el entorno de programación MATLAB®, en base a un software de referencia disponible en el portal del grupo que los desarrolló, cuyos resultados se contrastaron con los obtenidos por la simulación de la arquitectura hardware. Posteriormente se diseño la arquitectura en base a artículos revisados para luego plantear modificaciones que mejoren la frecuencia de procesamiento y la optimización de la cantidad de recursos lógicos requeridos. La arquitectura fue descrita en el lenguaje de descripción de hardware VHDL, sintetizada para los dispositivos FPGA de la familia Cyclone II y Stratix II de la compañía Altera® y se realizó la verificación funcional por medio de Testbenchs utilizando la herramienta ModelSim de ALTERA. De los resultados de la síntesis de la arquitectura se obtuvo la frecuencia de operación y por simulación se verificó las cantidades de ciclos de reloj por operación, con lo que se pudo fundamentar que la arquitectura diseñada para ser implementada en un FPGA de la familia Cyclone II de la compañía ALTERA es capaz de procesar secuencias de video HDTV (1920x1080 píxeles) a una tasa de 30 cuadros por segundo, es decir en tiempo real.