Reconfigurable hardware for the new generation IoT video-cards

Abstract

Embedded systems became a crucial research and developing area because of the dependence of society on devices and the growing demand for new technology products in our lives. The video industry is an example of remarkable technological advances by exploiting the hardware performance for bringing new video products along with even better video quality and higher resolution. Today is time for Ultra High Definition (UHD) resolution and the next new feature is the 8k. A relevant area that may benefit from 8k is medicine, by improving the detail and image quality in diagnoses. Moreover, Japan is preparing to become the first 8k transmitter at the 2020 Olympics. In spite of existing already general-purpose solutions for managing efficiently UHD video, the deployment of a customized configurable solution can be useful for a specific system needs. Besides, it may dictate market favorable positioning on meeting new market demands by providing faster upgrades. For addressing this problem, this MSc thesis proposes a hardware-based deployment of two essential reconfigurable cores for a new generation IoT UHD Video-Card, for managing huge memory accesses as well as for compressing video. The memory management provides a memory direct access for dealing with variable video resolution up to 8k, as well as data error control, frame alignment, configurable memory region, and more. The video compression is performed by a configurable core based on an open-source H.264 encoder. The results presented show it was achieved 8k real-time video streaming along with extra control and status functionalities. Video encoding was achieved for up to 8k.

Os sistemas embebidos tornaram-se uma área fulcral de pesquisa e desenvolvimento devido à dependência da sociedade em dispositivos e à crescente procura por novidades tecnológicas para o quotidiano. A indústria de vídeo é um exemplo do notável avanço tecnológico ao explorar o desempenho máximo do hardware para trazer maior qualidade de vídeo e maior resolução. A resolução de vídeo UHD já é uma realidade e a próxima novidade é o 8k. Uma área de relevo que pode beneficiar do 8k é a medicina, com maior detalhe e qualidade de imagem em diagnósticos. Além disso, o Japão está preparar-se para se tornar o primeiro transmissor de 8k nas Olimpíadas de 2020. Apesar de existirem soluções capazes de gerir com eficiência vídeo UHD, uma solução personalizada e configurável pode ser útil para as necessidades específicas de um sistema. Além disso, pode ditar um posicionamento dianteiro no mercado ao atender às novas exigências do mercado fornecendo novidades mais rapidamente. Como possível solução para os problemas expostos, esta tese propõe o desenvolvimento de dois núcleos de hardware reconfigurável essenciais para uma nova geração de placas IoT de vídeo UHD, para gerir acessos à memória assim como para compactar vídeo. A gestão de memória desenvolvida fornece acesso direto à memória para lidar com resolução de vídeo variável e até 8k, além de controlo de erros de dados, alinhamento de frames, região de memória configurável e muito mais. A compactação de vídeo é realizada por um núcleo de hardware configurável, baseado num Encoder H.264 de código aberto. Os resultados mostram que foi alcançada transmissão de vídeo 8k em tempo real, além de funcionalidades extras de controlo e estado. A codificação de vídeo até 8k foi alcançada.