With recent advances in hardware and software of digital processing, it is now feasible to integrate the multimedia data streams within a single platform, which is fundamental driving force behind the apparent convergence of computing, telecommunications, broadcast, and entertainment technologies. The integration of the multiple media with different characteristics into a single computer system provides additional possibility for a spectrum of new applications, many of which are in place today. A multimedia data processing system should be designed as a programmable and reconfigurable multiprocessor architecture which can be cope with versatile applications in general image processing, image coding, image analysis, and other multimedia applications.
This thesis proposes a multimedia data processing system, called the KAIST image computing system (KICS), and describes it's design, implementation, and analysis. The KICS is designed in consideration of the requirements for a multimedia system, such as programmability, high-speed data access capability, reconfigurability, partitionability, and flexible resource allocation and communication. Multiple hierarchical parallelisms and flexible communications exist in processing element (PE) clusters and inside PEs in the KICS. Key features in the architecture are the topology using message-passing model with hierarchically segmented buses, powerful PEs with programmable features, high-speed memory access with enhanced memory performance, and a flexible structure which allows the use of either parallelism or pipelining within a PE or between the PE's inside a cluster. The proposed memory system using status-arbiter is modeled with the M/G/1 queuing system with extended service time and its throughput approximates full bandwidth in case of large data-block access. The programmability and the high-speed data-access capability of the KICS are its most important features as a high-performance system for real-time multimedia data processing.
Several multimedia algorithms were implemented on the KICS and their Performances were analyzed. The functional and spatial partitioning strategies of the KICS for a real-time MPEG-2 video coder are described. It is based on the computational analysis of each functional entity for MPEG-2 video coding. A fast algorithm for discrete cosine transform (DCT) was proposed to reduce the required processing time. The computational model analysis for the KICS is developed to present the total processing time for some applications with the analytical expression according to its typical configurations and data-flow. The total processing time includes the data I/O time and the computing time. As a reconfigurable hardware, a fast variable length code (VLC) decoder is proposed using the plane separation that reduces the processing time in feedback loop by concurrent processing. The programmable solution for multimedia applications using the KICS can compete in performance with the traditional hardware solutions or conventional expensive multiprocessor architectures. In addition, the KICS offers several advantages thatare unique and unmatched by the hardware approach.
최근의 디지털 하드웨어 및 소프트 웨어의 처리기술의 발전에 따라, 멀티 미디어 데이터를 하나의 기반하에 통합할 수 있게 되었고, 이는 신호처리, 통신, 방송 등 기술이 진행하고 있는 방향으로 향하는 기본적인 힘이 되고 있다. 다른 특성을 갖는 다수의 미디어를 하나의 처리 시스템으로 통합하는 것은 또한 새로운 응용을 가능하게 하였고, 이것이 현재 진행되고 있다. 따라서, 멀티미디어 데이터 처리 시스템은 일반 영상처리, 영상 압축, 영상해석 및 다른 멀티미디어 응용에 대처하기 위하여 이의 구조를 응용에 따라서 재설정 할 수 있어야 하고, 알고리즘의 중요한 함수를 프로그램으로 구성,처리가 가능하도록 유연한 규조 및 고성능의 연산구조를 갖추어야 한다.
본 논문은 KICS (KAIST 영상처리 시스템) 라고 명명된 하나의 멀티미디어 데이터 처리 시스템을 제안하고, 이의 설계, 구현 및 분석에 관하여 서술한다. KICS는 멀티미디어 시스템의 프로그램 처리 가능성, 고속의 데이터 액세스 능력, 재설정 능력, 분할성, 유연한 자원분배 및 통신 등을 고려하여 설계 되었다. 다중의 계층적 병렬처리 및 다중의 유연한 통신로가 처리단위 군집사이 및 처리단위의 내부에 존재하며, 설계된 구조의 주된 특징은 계층적 분할 버스들 과 메시지 전달 모델이 공유하는 통신구조, 고성능의 처리단위, 병렬처리와 파이프 라인처리를 선택적으로 사용하는 유연한 구조 등이다. 상태적 조정기를 이용한 제안된 메모리 시스템은 연장된 서비스 시간을 갖는 M/G/1 큐잉 시스템으로 모델링이 되고, 큰 데이터 블록을 액세스 할 경우에 최대의 대역폭에 접근한다. KICS의 프로그램 처리 가능성과 고속의 데이터 액세스 가능성은 고성능의 실시간 멀티미디어 데이터 처리 시스템으로써의 가장 중요한 특징이다.
KICS를 이용하여 구현한 여러 가지 멀티미디어 알고리즘들과 그의 성능을 분석하였다. MPEG-2 비디오 코딩의 주요 기능 요소의 필요한 연산의 양 및 복잡도를 분석하였다. 이를 이용하여 KICS의 처리단위 군집내의 기능적 분할 및 처리단위 군집간의 공간적 분할을 이용하여 MPEG-2 비디오 코덱의 구현을 하였다. 연산처리 시간을 줄이기 위한 빠른 이산 여현 변환이 제안되었으며 알고리즘의 처리를 위하여 채택된 구조 및 데이터의 흐름을 고려한 총 처리시간에 대한 해석적인 방법을 제공하기 위하여 처리 모델을 이용한 분석이 행하여 졌다. 또한, 재설정 가능한 하드웨어의 예로써 평면분할을 이용한 가변-길이 복호화 방법이 제안되어 되먹임 경로의 병렬처리를 통한 처리시간의 향상을 보여 주었다. KICS는 알고리즘의 프로그램처리를 이용한 고성능의 멀티미디어 응용에서 하드웨어를 이용한 데이터 경로 처리 방식이나, 대용량의 병렬처리 시스템과 견줄 수 있는 성능을 가지고 있다.
