Conception et implémentation de processeurs dédiés pour des systèmes de traitement vidéo temps réel

Les systèmes de traitement vidéo se caractérisent par des demandes de performance de plus en plus exigeantes. Les nouvelles normes, telles le HMDI 1.3 (High Definition Media Interface), requièrent des bandes passantes allant jusqu'à 340 Méga-pixels par seconde et par canal. Il en découle que les processeurs traitant ce type d'information doivent être très performants. Les nouvelles méthodologies de conception basées sur un langage de description d'architecture (ADL) apparaissent pour répondre à ces défis. Elles nous permettent de concevoir des processeurs dédiés de bout en bout, avec un maximum de flexibilité. Cette flexibilité, grande force de ce type de langage (tels LISA 2.0), nous permet par ajout d'instructions spécialisées et modification de l'architecture (ajout de registres spécialisés, modification de largeur de bus), de créer un processeur dédié à partir d'architectures de base considérées comme des processeurs d'usage général. Dans le cadre de nos travaux, nous nous sommes concentrés sur un type d'algorithmes de traitement d'image, le désentrelacement. Le désentrelacement est un traitement qui permet de reconstruire une séquence vidéo complète à partir d'une séquence vidéo entrelacée pour des raisons telles que la réduction de bande passante. Tout au long de nos travaux, nous avons eu un souci constant de développer des méthodologies, les plus générales possibles, pouvant être utilisées pour d'autres algorithmes. L'une des contributions de ce mémoire est le développement d'architectures de testcomplètes et modulaires, permettant d'implémenter un processeur de traitement vidéo temps réel. Nous avons également développé une interface de gestion de RAM qui permet au cours du développement des processeurs de les tester sans modifier le système au complet. Le développement de deux méthodologies innovatrices représente un apport supplémentaire dans la conception de processeurs dédiés. Ces deux méthodologies, qui se basent sur un langage ADL, sont synergiques et permettent d'implémenter et d'accélérer des algorithmes de traitements vidéo temps réel. Nous obtenons dans un premier temps un facteur d'accélération de 11 pour la première méthodologie puis un facteur d'accélération de 282 pour la deuxième.

Abstract

Video processing systems are characterized by rising performance specifications. New standards such as the HDMI 1.3 require bandwidths as high as 340 megapixels per second and per channel, resulting in greater information processing power. New conceptual methodologies based on architectural descriptions (ADL) seem to respond to this challenge. Design methods and languages for architectural descriptions (such as LISA 2.0), allow developing tailor-made high performance processors in a very flexible way. The flexibility of these languages let the user add specialized instructions to an instruction set processor. They also allow modifying its architecture to create a processor with much improved performance compared to some baseline general purpose processsor. Our study focuses on a specific type of video processing algorithm called deinterlacing. Deinterlacing allows reconstructing a complete video sequence from an interlaced video sequence. Despite this algorithmic focus, in the course of this study, we were concerned with developing broadly applicable methodologies usable for other algorithms. This thesis aims to contribute to the existing body of work in the field by developing complete and modular test architectures allowing to implement processors capable of real time video processing. The development of two innovative design methodologies represents an additional contribution. These synergetic methodologies are based on ADL (Architecture Description Language). Our results confirm that they allow implementing processors capable of real-time video processing. We obtained an acceleration factor of 11 with a first design method and the acceleration factor was further improved to 282 with a second method.