Jak využít specifické znalosti 3D-HEVC k vývoji energeticky efektivních hardwarových architektur pro zpracování videa?

V dnešním vývoji video komprese se 3D-HEVC (High Efficiency Video Coding pro 3D videa) jeví jako klíčová technologie pro dosažení vyšší kvality a efektivity při zpracování trojrozměrného videa. Tento kódovací standard využívá řadu nových nástrojů, které umožňují zpracování hloubkových map a víceúhlového videa, což přináší nové výzvy i příležitosti pro optimalizaci hardwarových architektur. Základním cílem tohoto přístupu je dosáhnout co nejvyšší propustnosti a energetické účinnosti, přičemž zásadní roli v tomto procesu hraje analýza chování přístupu k paměti a správného řízení energetické spotřeby.

Analýza přístupů k paměti v reálném čase, týkající se 3D-HEVC kódování, je nezbytná pro definování metodologií správy paměti a návrhu hardwaru, které jsou schopné splnit požadavky na propustnost a spotřebu energie. Taková analýza zahrnuje především zohlednění nových kódovacích nástrojů a vlastností videa, jako jsou hloubkové mapy, což umožňuje vyvinout algoritmy zaměřené na zvýšení propustnosti a zlepšení energetické efektivity hardwarových řešení.

Jedním z hlavních směrů vývoje je návrh energeticky efektivních architektur, které využívají techniky, jako je clock gating pro optimalizaci spotřeby energie během kódování videa. Využití specifických znalostí aplikace 3D-HEVC, včetně nových kódovacích nástrojů a charakteristik videa, je klíčové pro tvorbu algoritmů, které nejenže zvýší propustnost, ale také sníží spotřebu energie. Významnou roli zde hraje optimalizace přístupu k paměti, která je zásadní pro efektivní zpracování dat při kódování.

Významným vývojem je i hardware orientovaný design pro hloubkový modelovací nástroj (DMM-1), který implementuje algoritmus Bresenham pro zamezení používání paměti a dokáže zpracovávat až devět pohledů v 3D Full HD při 30 snímcích za sekundu. Tento přístup umožňuje vysoce efektivní zpracování dat při současném snížení spotřeby energie. Architektura také využívá nové heuristiky pro objevování redundancí mezi kanály textury a hloubky, což dále zlepšuje energetickou efektivitu.

Navíc vývoj energeticky efektivních systémů pro odhad pohybu a disparity (ME/DE) v kombinaci s flexibilním kódovacím pořadím mezi texturou a hloubkovými mapami je klíčovým krokem k minimalizaci spotřeby energie během zpracování 3D-HEVC kódování. Tyto systémy využívají adaptivní paměťovou hierarchii, která umožňuje optimalizaci výpočtů v reálném čase a udržuje spotřebu energie na minimální úrovni.

Je důležité si uvědomit, že dosažení ideální rovnováhy mezi propustností a spotřebou energie je klíčovým faktorem pro efektivní nasazení těchto systémů do reálných aplikací. Jakýkoli pokrok v této oblasti přispívá k vývoji energeticky efektivního hardwaru, který bude schopen podpořit náročné aplikace, jako je streamování 3D videa nebo pokročilé multimediální systémy.

Jak efektivně optimalizovat kódování hloubkových map a textur pomocí CCO Inter-predikce

V procesu kódování obrazu a hloubkových map je klíčovým prvkem dosažení vysoké účinnosti komprese. Mezi metody, které zajišťují tuto efektivitu, patří využívání různých režimů predikce, přičemž důraz je kladen na Inter-predikci, která zahrnuje jak predikci mezi snímky (Inter-frames), tak mezi pohledy (Inter-view predictions). Tento proces je obzvláště složitý při kódování hloubkových map, kde je třeba zohlednit specifické parametry, které ovlivňují kvalitu a kompresní poměr.

Důležité je, že režimy DMM (DMM-4 a DMM-1), které byly zavedeny v rámci 3D-HEVC kódování, přinášejí velmi dobré výsledky při kompresi hloubkových map, ale jsou spojeny s vyšší výpočetní náročností. Tyto režimy tedy nejsou aplikovány na první úroveň CU-depth (64×64 CUs), což znamená, že jsou omezeny na menší bloky, což zjednodušuje jejich použití, ale zároveň omezuje jejich využití na začátku kódování.

Pro hloubkové mapy platí podobný princip. Ačkoli režim Skip představuje dominantní metodu pro Inter-predikci (96,72 % použití), kódování je efektivní i v případě jiných predikčních režimů, jako je Merge nebo ME/DE, které mají menší, ale stále významný podíl na kompresi. I když 2N × 2N bloky dominují jak u textur, tak u hloubkových map, je důležité vzít v úvahu i menší bloky (např. 8×8 nebo 16×16 CU depths), které i při menším podílu na kódování mohou mít důležitý vliv na kvalitu komprese v specifických podmínkách.

Významným aspektem zůstává, že většina pixelů je kódována v počátečních úrovních kvadratického stromu (quad-tree levels), přičemž prvních několik úrovní je zodpovědných za kódování téměř všech pixelů. Tento faktor ovlivňuje způsob, jakým jsou jednotlivé nástroje a režimy v rámci Inter-predikce aplikovány.

Je také důležité si uvědomit, že kódování pomocí Inter-predikce v kombinaci s různými režimy a úrovněmi CU-depth má zásadní vliv na celkovou efektivitu komprese, přičemž zvolené parametry ovlivňují nejen kompresní poměr, ale i kvalitu výsledného obrazu. Režimy jako DBBP, které se používají jen ve specifických podmínkách, jako jsou menší bloky, mají menší zastoupení, ale v určitých situacích mohou přispět k lepší kvalitě obrazu.

Jak optimalizovat spotřebu energie v návrhu hardware pro 3D video kódování?

Návrh hardwaru, který je zodpovědný za syntézu designu a mapování na cílovou technologii, generuje seznam brán na úrovni obvodu (gate level netlist) standardních buněk dostupných v knihovně (Nan-gate 2024). Po těchto krocích může následovat analýza spotřeby energie, která slouží k analýze a reportování odhadu spotřeby. Tento proces zahrnuje několik klíčových kroků, které jsou zásadní pro dosažení optimální spotřeby a výkonu, zejména v případě složitějších systémů, jako je 3D video kódování.

Jedním z nejběžnějších nástrojů používaných pro odhad spotřeby energie je RTL Compiler, který nabízí standardizovaný tok pro odhad spotřeby, jak ukazuje obrázek B.1. Tento nástroj vyžaduje vstupy v podobě RTL souborů (HDL soubory) a souboru Synopsys Design Constraints (SDC), který obsahuje provozní podmínky pro design, jako je cílová frekvence, zpoždění vstupu a výstupu, latence hodinového signálu apod. Tento tok používá výchozí hodnoty pro aktivitu přepínání, definované nástrojem RTL Compiler. Výchozí procento přepínání na každém vstupním pinu je 20 %, což představuje faktor pro úpravu přepínací frekvence.

Pochopení tohoto procesu je klíčové pro optimalizaci návrhu hardwaru, protože správná analýza spotřeby energie je nezbytná pro zajištění efektivního fungování 3D video kodeků. Design, který umožňuje flexibilní kódování a úpravy spotřeby, je zásadní pro minimalizaci energetických nároků a zvýšení efektivity v reálném čase.

Pro čtenáře je důležité si uvědomit, že ve výsledcích BD-Rate se odrážejí nejen technické aspekty samotného kompresního algoritmu, ale i vliv použití různých optimalizačních strategií, které mohou ovlivnit výstupní kvalitu videa při různých konfiguracích a podmínkách. Důležité je, že efektivní snížení složitosti návrhu vede k významnému zlepšení výkonu a snížení spotřeby energie, což je zvlášť důležité v reálných aplikacích, kde je výpočetní výkon a efektivita klíčová.

Příklad optimalizace spotřeby energie pomocí návrhu založeného na algoritmu 6WR pro 3D video kódování ukazuje jak změna metody predikce a kódování ovlivňuje BD-Rate a spotřebu energie. Tato optimalizace poskytuje vysokou průchodnost dat při zachování nízké spotřeby energie, což je ideální pro systémy pracující v reálném čase. Kromě toho je potřeba přizpůsobit výpočetní strategii v závislosti na typu dat a požadavcích na kvalitu videa.

Je rovněž důležité si uvědomit, že ve všech těchto systémech je flexibilita rozhodující. Schopnost konfigurovat kódování v reálném čase podle specifických požadavků na kvalitu a spotřebu energie umožňuje dosažení optimálních výsledků ve všech typech aplikací, od přenosu videa po real-time rendering. Důraz na výběr vhodné metody a nástrojů pro návrh a analýzu hraje klíčovou roli při vývoji efektivních a úsporných 3D video kodeků.

Jaké technologie a výzvy spojují kódování 3D videa a budoucnost komprese pro interaktivní zobrazení?

Vývoj technologií pro zpracování a zobrazení 3D videí čelí mnoha výzvám, přičemž některé z nich vyplývají z potřeby přenášet a uchovávat obrovské množství dat. První generace zařízení pro 3D zobrazení videí se zaměřovala na to, aby uživatelé mohli zažívat hloubku obrazu a dojem trojrozměrného prostoru. Bohužel, přestože tyto technologie usilovaly o imerzivní zážitek, jejich vývoj vedl k postupnému poklesu prodeje. To bylo způsobeno nepohodlným používáním brýlí a častým zklamáním uživatelů z nízké kvality zobrazení. Výroba 3D televizí byla zastavena v roce 2016, což ukazuje na omezenou životnost těchto raných technologií (Pereira et al., 2016).

Komprese a kódování dat v 3D videu vyžaduje pokročilé metody zpracování, které umožňují efektivní zobrazení více pohledů na scénu. Zatímco tradiční 2D videa byla zpracovávána prostřednictvím běžných kompresních standardů, 3D obsah přináší nové výzvy. Významnou novinkou je použití hloubkových map, které popisují vzdálenost objektů v prostoru od kamery. Tyto hloubkové mapy, přestože nejsou viditelné pro diváka, jsou klíčové pro dekódování a syntézu dalších virtuálních pohledů na scénu pomocí technik jako DIBR (Depth Image-Based Rendering). Tento přístup umožňuje zredukovat počet potřebných pohledů pro zachování kvalitního zážitku.

Pokud jde o výzvy v kódování 3D videí, je zde především potřeba velkého výpočetního výkonu a energetických nároků. Pro efektivní kódování 3D videí je nutné zpracovávat obrovské množství dat v reálném čase. To se ukazuje jako velká výzva pro mobilní zařízení, která jsou závislá na bateriích. Technologie, které dokážou pracovat s 3D obsahem bez potřeby brýlí, jako jsou například smart glasses nebo zařízení pro rozšířenou realitu, se však rychle vyvíjejí a očekává se, že do budoucna se stanou běžnou součástí trhu. Mezi příklady takových zařízení patří chytré brýle Epson Moverio BT-200, Microsoft HoloLens 2 nebo Intel RealSense 3D.

Nové technologie, jako je MPEG Immersive Video (MIV), představují stav současné komprese pro interaktivní technologie. Tento standard využívá přístup MVD pro efektivní kompresi 3D obsahu a umožňuje generovat videa z různých pohledů na scénu. Využívání hloubkových map a technik DIBR při kódování 3D videa zajišťuje, že i při omezeném počtu zachycených pohledů lze dosáhnout vysoké kvality zážitku. To vede k nižším nárokům na přenos a úložné kapacity, což je důležité pro budoucí generace mobilních zařízení.

Důležitým aspektem je také potřeba speciálního hardwarového designu, který by byl optimalizován pro efektivní kódování a dekódování 3D videa v reálném čase. Tento přístup vyžaduje nejen pokročilé kompresní techniky, ale také inovace ve způsobu, jakým jsou zařízení navržena, aby byla schopna vyrovnat se s požadavky na vysoký výkon, nízkou spotřebu energie a nízkou latenci. Vývoj v oblasti VLSI (Very Large Scale Integration) designu, který se zaměřuje na optimalizaci výkonu pro konkrétní aplikace, jako je kódování MVD videa, se tak stává klíčovým pro implementaci této technologie v reálném světě.

Pro zařízení s omezenými výpočetními schopnostmi je nutné zavádět nové metody pro redukci komplexity a efektivní využívání zdrojů. Pokrok v oblasti vývoje těchto zařízení bude i nadále záviset na výzkumu a vývoji efektivních hardwarových architektur zaměřených na kompresi 3D videa.