Damian Modrzyk

Damian Modrzyk
Politechnika Śląska
[email protected]
Koder Motion JPEG2000 realizowany w strukturze GALS
Badania prowadzona są w dziedzinie elektronicznych układów scalonych przeznaczonych do
kompresji sygnału obrazu nieruchomego oraz ruchomego. Technika kompresji Motion
JPEG2000 zdefiniowana jest w standardzie ISO/IEC 15444-3 oraz zaleceniu ITU-T T.802
i określa sposób wykorzystania algorytmu JPEG2000 do kompresji sekwencji wizyjnej, ze
wsparciem dla transmisji audio. W szerszym sensie kodowanie Motion JPEG2000 można
określić jako metodę redukcji ilości danych reprezentujących sygnał wizyjny celem jego
przesłania przez kanał telekomunikacyjny o ograniczonym paśmie. Algorytmy kompresji
danych multimedialnych (audio-wideo) są ważnym obszarem badań w dziedzinie nauki jaką
jest elektronika i telekomunikacja. Nowoczesne standardy kompresji takie jak Motion
JPEG2000 czy H.264/AVC mogą być realizowane programowo lub sprzętowo, jednak ze
względu na dużą złożoność obliczeniową koderów oraz wysokie wymagania dotyczące
jakości sygnału wizyjnego – wysokie rozdzielczości oraz duża liczba klatek na sekundę –
realizacje programowe okazują się nieefektywne. Dlatego też, aby zapewnić przetwarzanie
obrazu ruchomego o dużej rozdzielczości w czasie rzeczywistym stosuje się specjalizowane
kodery sprzętowe, implementowane najczęściej w technologiach układów scalonych ASIC
oraz FPGA.
Cechą charakterystyczną implementacji sprzętowych koderów standardu H.264/AVC czy
Motion JPEG2000 jest duża powierzchnia w układzie scalonym oraz wysoka częstotliwość
pracy układu wymagana do zapewnienia kompresji-dekompresji w czasie rzeczywistym. Te
czynniki wpływają z kolei na znaczny, dynamiczny pobór mocy sprzętowych koderów wizji.
Wobec stopnia złożoności tych układów zapewnienie przetwarzania sygnału o dużej
rozdzielczości, np. Full HD w czasie rzeczywistym, przy ograniczonym poborze mocy
stanowi nietrywialny problem naukowy. W niniejszym projekcie badawczym podjęto się
rozwiązania tego problemu realizując koder Motion JPEG2000 w architekturze globalnie
asynchronicznej lokalnie synchronicznej (GALS). Systemy GALS są stosunkowo nowym
zagadnieniem w dziedzinie układów cyfrowych. Po raz pierwszy zostały scharakteryzowane
przez Daniela Chapiro w 1984 r., a dotychczas powstało niewiele prac naukowych, w których
koncepcję GALS wykorzystano w celu redukcji poboru mocy w bardzo złożonym systemie
kompresji. Postawiona teza doktoratu głosi, że przez nowatorskie podejście, jakim jest
zastosowanie elementów asynchronicznej wymiany danych między blokami kodera oraz
lokalne generowanie sygnałów zegarowych dla tych modułów możliwe jest znaczne
ograniczenie mocy dynamicznej w układzie kodera, bez pogorszenia szybkości kompresji.
Badania oraz prace implementacyjne nad architekturą GALS kodera prowadzone są
z użyciem nowoczesnych metod opisu (w językach VHDL, Verilog) i syntezy cyfrowych
układów scalonych, w ścisłej współpracy z firmą Evatronix z Bielska Białej – wiodącym na
rynku polskim dostawcą elektronicznych komponentów wirtualnych (ang. IP cores) dla
aplikacji mikroprocesorowych i multimedialnych.
Praca badawcza prowadzona w obszarze scalonych układów kompresji wizyjnej,
o ograniczonym poborze mocy, może w znacznym stopniu przyczynić się do podniesienia
innowacyjności i konkurencyjności produktów tej branży oferowanych przez firmy
z Województwa Śląskiego. Problem naukowo-badawczy podjęty w pracy doktorskiej jest
wynikiem analizy ograniczeń rzeczywistych układów elektronicznych oferowanych właśnie
przez firmę Evatronix. Chodzi tutaj w głównej mierze o synchroniczny koder JPEG2000 [1],
który pomimo dużej szybkości przetwarzania cechuje się zbyt dużym poborem mocy.
Rezultaty prowadzonych badań oraz opracowany prototyp kodera Motion JPEG2000 mogą
zostać
wykorzystane
przez
firmę
Evatronix
do
podniesienia
konkurencyjności
i innowacyjności oferowanych komponentów wirtualnych przez wprowadzenie nowej
metodologii projektowania układów scalonych, wykorzystującej koncepcję GALS. Innym
przykładem, który uzasadnia istotne znaczenie gospodarcze projektu jest zainteresowanie firm
z sektora górniczego iskro-bezpiecznymi systemami monitoringu wizyjnego, dostosowanymi
do pracy w warunkach zagrożenia wybuchem. W takich zastosowaniach konieczne jest
stosowanie specjalizowanych układów akwizycji i kompresji sygnału wizyjnego z kamer
rozproszonych, zapewniając minimalny pobór mocy całego urządzenia. Badania naukowe
prowadzone w tym obszarze zakończone rozprawą doktorską oraz nowatorskim prototypem
scalonego kodera wizji są odpowiedzią na realne potrzeby przedsiębiorstw z regionu
Województwa Śląskiego, co uzasadnia duże znaczenie gospodarcze niniejszego projektu.
[1] D. Modrzyk, M. Staworko, "A high-performance architecture of JPEG2000 encoder",
Proceedings of the 19th European Signal Processing Conference EUSIPCO, September 2011,
pp. 569-573