스마트 폰, 원격회의, 블랙박스, 원격 교육 등 실시간 영상서비스가 다양한 분
야에서 활용되고 있다. 이러한 실시간 영상 서비스들은 보다 실감나도록 하기
위해 해상도가 HD급에서 4K UHD급으로 증가하고 있으며, 해상도가 증가함에
따라 데이터 전송률도 700Mbps에서 12Gbps로 증가하고 있다. 12Gbps의 데이
터 전송률을 줄이기 위해 고해상도 영상을 압축 전송할 수 있는 동영상 압축
전송기술이 필요하며, H.264/AVC는 MPEG-4 대비 2배의 압축 효율을 가지는
동영상압축 기술이다. 그러나 4K(3840×2160)의 고해상도 영상을 압축 부호화하
기 위해 H.264/AVC 부호화기의 연산량은 23.4(Tera Instructions/sec)로 증가하
고, 외부메모리 접근량은 50.13(TBytes/sec)로 증가한다. 따라서 고해상도를 실
시간 처리하기 위한 H.264/AVC 부호화기의 연구들은 많은 연산량과 외부메모
리 접근을 개선하기 위한 노력을 진행 중이다.
고해상도 실시간 H.264/AVC 부호화기의 많은 연산량을 실시간 처리하기 위해
연산량이 많은 정수화소 움직임 추정과 부화소 움직임 추정의 연산처리 성능을
향상시키고자 하였다. 먼저 정수화소 움직임 추정의 차분연산을 병렬화 하여 여
러개의 탐색지점을 동시에 차분하도록 하였고, 부화소 움직임 추정의 보간연산
을 병렬화하여 4×1 라인 단위의 부화소를 병렬로 생성하도록 연산처리성능을
향상시켰다. 그러나 정수화소 움직임 추정의 차분연산 병렬화와 부화소 움직임
추정의 보간연산 병렬화는 Full HD 영상까지 실시간 처리하는 한계를 갖는다.
따라서 고해상도 영상의 연산량을 줄이기 위해 전체 부호화기에서 가장 많은
연산량을 차지하고 있는 움직임추정의 탐색 방법을 전역 탐색방법에서 고속 탐
색방법으로 변경하고, 가변블록 모드를 7-모드에서 4-모드로 줄이고자 하였다. 그러나 탐색지점의 개수를 줄이고, 모드 수를 줄인 움직임 추정은 화질저하가
발생하며 4K 영상을 초당 24장 밖에 실시간 처리하지 못하는 한계를 갖는다.
그리고 움직임 추정의 수행시간이 단축됨에 따라 다음 임계 데이터패스인 엔트
로피 부호화기의 연산처리성능이 병목을 일으키게 되는데, 엔트로피 부호화기
를 2배 병렬화하여 이를 해결하고자 하였다. 그러나 엔트로피 부호화기의 병렬
화로 전체 부호화기의 면적이 증가하는 문제가 발생하고, 엔트로피 부호화의 연
산처리 성능 한계로 4K 영상을 초당 24장밖에 처리하지 못한다. 그리고 고해상
도 H.264/AVC 부호화기의 메모리 접근량을 줄이고자 움직임추정의 검색영역을
내부버퍼에 저장하여 외부메모리 접근량을 줄이고자 하였고, 검색영역 내 검색
윈도우를 재사용하여 내부메모리 접근량도 줄이고자 하였다. 그러나 수평 검색
영역 재사용 기법은 수직으로 인접한 매크로블록 간 검색영역을 재사용하지 않
아 외부메모리 접근량이 많고, 3-방향 검색윈도우 방법은 검색경로 간 참조데이
터의 재사용이 없어 내부메모리 접근량이 많아 4K 영상을 실시간처리하는 데
많은 어려움이 있다.
이에 본 연구는 4K 고해상도 동영상을 실시간 처리하는 고성능 H.264/AVC
부호화기를 설계 및 구현하고자 임계데이터 패스인 움직임 추정과 엔트로피 부
호화의 수행시간을 줄이고, 움직임 추정의 검색영역 재사용을 높여 외부메모리
접근량을 줄이고, 검색경로 간 참조데이터를 재사용하여 내부메모리 접근량도
줄이고자 하였다. 움직임 추정의 수행시간을 줄이기 위해 화질저하가 거의 없는
전역탐색 기반 계층적 정수화소 움직임 추정으로 탐색지점을 줄이고, C 시뮬레
이션을 통한 가변블록 움직임추정의 모드 수를 3-모드로 줄여 화질저하가 없도
록 하였다. 그리고 부화소 움직임 추정의 보간연산을 기존 라인단위에서 블록단
위로 병렬성을 늘려 연산처리성능을 향상시켜 움직임 추정의 수행시간을 줄였
다. 그리고 움직임추정 이후 임계 데이터패스인 엔트로피 부호화의 순차적 연산
과 재귀적 연산을 논리연산 기반 병렬 연산하여 수행시간을 줄였다. 그리고
H.264/AVC 부호화기의 메모리 접근량을 줄이기 위해 수평-수직 검색영역 재사
용 기법을 사용하여 수직으로 인접한 매크로블록 간 검색영역 재사용으로 외부 메모리 접근량을 줄였으며 , 4-방향 검색 윈도우 재사용 기법을 사용하여 검색
경로 간 참조데이터 재사용으로 내부메모리 접근량을 줄였다.
제안하는 H.264/AVC 부호화기를 HDL로 구현하여 0.65nm 공정에서 시뮬레이
션하여 성능을 검증하였다. 제안하는 H.264/AVC 부호화기는 Snopsys사의
design compiler를 통해 합성하였다. 최대 동작주파수 350MHz로 합성하였을
때, 게이트 수는 1,188Kgates이다. 이 같은 결과는 4K 동영상을 초당 60장으로
처리하는 결과이며, 가장 실시간 처리성능이 좋은(4K@24fps) 기존 연구보다 작
은 게이트 수를 갖는 결과이다. 내부버퍼의 크기는 558KBytes이며, 4K@24fps
를 실시간 처리하는 기존 연구보다 내부버퍼의 크기가 크다. 제안하는
H.264/AVC 부호화기의 성능을 검증하기 위해 IP FPGA검증 플랫폼을 구축하
여 Full HD 동영상을 실시간 처리하여 고성능 H.264/AVC 복호화기를 구현하
였음을 확인하였다

Smart phones, teleconferencing, black box, real-time video services, such
as distance education has been used in various fields. Real-time video
services in order to make a more realistic feel in HD-resolution 4K UHD
level is increasing, and the resolution increases data rates from 700Mbps to
12Gbps is increasing. To reduce the data rate of 12Gbps high-resolution
images that can be transmitted compressed video compression and
transmission technology required, H.264/AVC MPEG-4 over two times the
compression efficiency is a video compression technology. However 4K (3840
× 2160) resolution of the H.264/AVC video compression encoder to encode
the computational complexity of the 23.4 (Tera Instructions / sec) increases,
and the amount of external memory access is 50.13 (TBytes / sec) increases
with. Thus, high-resolution real-time H.264/AVC encoder for processing
large computational studies and efforts to improve access to external
memory and is in progress.
The purpose of this study to handle 4K high-resolution real-time
H.264/AVC video encoder to the design and implementation of the critical data path execution time of motion estimation and reduce the entropy
coding, motion estimation search area to re-raise the amount of external
memory access reduce, reuse search path between the reference data and
also to reduce the amount of internal memory access was In order to reduce
the execution time of motion estimation with little or no deterioration in
image quality based on the global navigation of hierarchical integer pixel
motion estimation to reduce the search point, C variable block motion
estimation through simulation mode, the number of 3-Mode reduces image
quality degradation was so . Part-pixel motion estimation and interpolation
of the existing line-by-line calculation increasing the parallelism in the
computation in blocks to improve the performance of the execution time of
motion estimation reduced. Since motion estimation and entropy coding of
the critical data path of sequential operations and logical operations based on
a recursive operation reduced the execution time of the parallel computation.
H.264/AVC encoder and to reduce the amount of memory access
horizontal-vertical search areas re-using the technique of vertical search
areas between adjacent macro block access to external memory, the amount
of re-bar was four-way search window reuse scheme use the search path
to the cross-reference data reuse reduced the amount of internal memory
access.
H.264/AVC is proposed to implement in HDL coder 0.65nm process
performance was verified by simulation. The proposed H.264/AVC encoder
was synthesized through Snopsys''s design compiler. When synthesized in
the maximum operating frequency 350MHz, the number of gates is 1,188
Kgates. These results 4K video processing is a result of 60 frame per
second, the real-time processing performance is good (4K @ 24fps) with the
existing research is the result of a smaller number of gates. The size of the internal buffer is 558KBytes, 4K@24fps real-time processing than previous
studies of the internal buffer size is big. Verify the performance of the
proposed H.264/AVC encoder IP FPGA verification platform for building
real-time processing and Full HD video and high-performance
implementation of H.264/AVC decoder has to acknowledge.