Simplified Affine Motion Estimation algorithm and architecture for the Versatile Video Coding Standard

La richiesta di contenuti video ad elevata qualità da parte degli utenti nel mondo è attualmente in crescita. In uno scenario del genere, fare affidamento ad algoritmi e standard di codifica video efficienti è essenziale per evitare enormi requisiti in termini di memoria e risorse computazionali. Versatile Video Coding (VVC) è il più recente standard di codifica video, sviluppato dal Joint Video Experts Team e finalizzato a luglio 2020 in ITU-T come “Recommendation H.266”. È in grado di ottenere riduzioni significative del bit rate nell'archiviazione e nella trasmissione di flussi video. Si parla di circa il 50% in meno rispetto al suo predecessore, HEVC, a parità di qualità video. Questo miglioramento del tasso di compressione comporta una maggiore complessità del sistema di elaborazione video: il tempo di codifica in VVC aumenta rispetto agli standard precedenti, supponendo lo stesso flusso di dati in ingresso. Per ridurre il carico in termini di complessità computazionale sui processori, è stato progettato un acceleratore hardware che gestisce una delle fasi più complesse di VVC: l’Affine Motion Estimation. Questo algoritmo è stato rielaborato in una forma originale semplificata, realizzata a partire da una combinazione di metodi preesistenti opportunamente rivisitati. I suoi risultati sono stati confrontati con quelli del software di riferimento VTM (VVC Test Model). Nel lavoro di tesi questi risultati vengono confrontati. L'algoritmo ottimizzato è stato implementato in hardware per ASIC attraverso una descrizione RTL. Tale implementazione è stata verificata a livello logico e il circuito sintetizzato con la Nangate Open Cell Library a 45 nm. In base alla stima delle prestazioni del circuito e alla complessità computazionale dell'intera catena di codifica VVC, il componente progettato può assistere l'encoder del VTM nell'elaborazione di flussi video con risoluzioni fino a 1920x1080 a 50 fotogrammi al secondo.