Progettazione su Chip FPGA VIRTEX-II di un Moltiplicatore SIMD per Applicazioni Multimediali

8Il processamento multimediale è basato fondamentalmente su 
algoritmi di codifica/decodifica, compressione/decompressione di segnali 
audio e video digitali (come ad esempio JPEG o MPEG), che 
intrinsecamente esibiscono un elevato grado di parallelismo, soprattutto 
su dati a bassa precisione, in particolare vi è la necessità di realizzare 
ripetute moltiplicazioni con accumulazione su dati a 8, 12, e 16-bit.
Si avverte quindi il bisogno di realizzare microprocessori specifici per 
il DSP (AS-DSP: Application Specific-DSP) capaci di sfruttare al meglio 
il parallelismo presente negli algoritmi multimediali. L’approccio 
architetturale di tali processori deve essere perciò pensato per supportare 
l’elaborazione simultanea di vettori di dati, secondo una tecnica di 
processamento di tipo SIMD (Single Instruction stream Multiple Data 
stream). Inoltre, per operare efficientemente con dati multimediali, 
bisogna associare all’approccio SIMD il concetto di riconfigurabilità, nel 
senso che l’architettura del processore deve essere in grado di elaborare 
dati vettoriali a precisione variabile utilizzando lo stesso datapath. 
9Capitolo 1 
Applicazioni multimediali 
1.1 Introduzione 
Negli ultimi anni la tecnologia digitale si è affermata a tal punto da 
diventare uno standard per il trattamento e la trasmissione di dati 
multimediali.  
Gli ambiti applicativi del concetto di multimedia sono molteplici: 
¾ Così come i CD audio hanno soppiantato i nastri magnetici e i 
supporti in vinile in campo musicale, così il formato DVD nasce 
per fornire un supporto "definitivo" al video digitale, cercando di 
superare i limiti di Video CD, LaserDisc e soprattutto dello 
standard VHS. Tale tecnologia, è in grado di offrire al pubblico, 
oltre ad una qualità audio e video nettamente superiore a quella 
della videocassetta, servizi aggiuntivi multimediali quali ad 
esempio la possibilità di scegliere la lingua originale o servizi di 
sottotitolatura;
1.1   Introduzione 
10
¾ Se la televisione ad alta risoluzione è stata già di per sé un grande 
traguardo, il futuro prossimo ha in serbo delle novità in grado di 
rivoluzionare, se non addirittura di ribaltare, i ruoli tra chi produce 
e chi consuma informazione. Fino a poco tempo fa la televisione, 
infatti, non offriva grandi strumenti di interazione per l’utente. Si 
poteva cambiare canale, nel migliore dei casi anche scegliere la 
lingua, ma in nessun modo intervenire per modificare il finale di 
un film o per approfondire una notizia fornita dal telegiornale. 
Grazie a nuovi ed efficienti formati di compressione dati (ad 
esempio MPEG-4) la multimedialità diventa una realtà 
rivoluzionando il concetto tradizionale di audiovisivo: non più una 
serie di immagini sequenziali che compongono un video digitale 
ma una serie di oggetti audiovisivi autonomi come dati, testo, 
immagini, video, grafici, animazioni e audio naturali e sintetici. 
Ogni oggetto audiovisivo è codificato e compresso in funzione del 
contenuto informativo da trasmettere, per sfruttare al meglio la 
banda del sistema di trasporto, sia esso un canale satellitare, un 
accesso via cavo, una fibra ottica o un collegamento che usi la 
telefonia mobile di terza generazione UMTS (Universal Mobile 
Telecommunications Systems). In definitiva è stato creato il 
collegamento tra l’interattività tipica di Internet e il familiare 
mondo della televisione;
¾ L’integrazione sempre più spinta dei sistemi in campo domestico 
sta spingendo verso la realizzazione della Digital Home in cui sarà 
1.1   Introduzione 
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possibile gestire e monitorare, anche in remoto con un telefono 
cellulare o tramite Internet, le più svariate attività domestiche;
¾ Nell’ambito dei prodotti elettronici di largo consumo si inquadrano 
videocamere e macchine fotografiche digitali, PDA (Personal 
Digital Assistant), telefoni cellulari, video games, ecc.;
¾ In campo automobilistico diversi costruttori stanno realizzando e 
integrando  tutta una serie di funzioni (Car Infotainment) quali il 
computer di bordo per la navigazione satellitare (GPS) e 
riproduzione di mappe cartografiche, radio digitale, sistemi multi-
CD, telefono cellulare integrato, possibilità di guardare DVD per i 
sedili posteriori, attivazione vocale di alcuni comandi, 
videocamere antifurto e anticollisione, dispositivi di diagnostica 
dell’autovettura e così via;
¾ L’integrazione di servizi basati su Internet offre tutta una serie di 
agevolazioni grazie all’e-commerce, all’e-banking, all’e-learning, 
alla videoconferenza, alla videomedicina, ecc.. 
¾ Grazie all’evoluzione congiunta delle reti telematiche e degli 
algoritmi di compressione dei dati multimediali, l’accesso ad 
Internet a larga banda, tecnologie xDSL e fibre ottiche, non fanno 
altro che accelerare il passaggio a prodotti multimediali interattivi 
in stile MPEG-4. La disponibilità di strumenti che consentono 
l’accesso a informazioni senza limiti di spazio fornirà un forte 
impulso alla produzione e alla distribuzione dei contenuti 
multimediali.
1.1   Introduzione 
12
Al di là degli aspetti economico-industriale e di costume che il 
passaggio dall’analogico al digitale ha prodotto nell’elaborazione 
audiovisiva, è importante metterne in evidenza i vantaggi tecnici. Un 
segnale analogico convertito in digitale acquista un’elevata resistenza al 
rumore introdotto dal sistema di elaborazione che lo sta manipolando e 
dall’eventuale sistema di trasmissione. Se ad un segnale analogico viene 
aggiunta anche solo una minima componente di rumore esso viene 
deformato senza possibilità di distinguere il segnale vero dal rumore 
addizionale; inoltre un amplificatore, usato per compensare 
l’attenuazione che ogni canale di trasmissione produce, va ad 
amplificare, indistintamente, tutto il segnale rumore incluso, oltre che ad 
introdurne di nuovo dovuto alle proprie imperfezioni. In tal modo la 
ritrasmissione del segnale può far accumulare il rumore a tal punto da 
pregiudicare la fedeltà del segnale stesso. 
Al contrario, poiché il segnale digitale è numerico, la cui precisione è 
legata al numero di bits usati, non solo è possibile rilevare facilmente il 
rumore ma, nel caso in cui il rumore è tale da produrre un’alterazione del 
messaggio, e quindi un errore, cioè trasformare uno 0 in 1 e viceversa, è 
possibile, con opportune tecniche , correggere tali errori. La proprietà dei 
segnali digitali di essere rigenerati senza introduzione di rumore implica 
che un segnale digitale possa essere duplicato senza perdita di qualità, 
caratteristica molto importante nelle applicazioni di videoediting. Inoltre 
un segnale del genere può essere facilmente manipolato al computer per 
le più svariate applicazioni. La capacità di elaborare il video e l’audio 
digitale ha raggiunto un livello così elevato che ormai è diventato 
frequente l’inserimento nei films di sequenze generate al computer 
1.1   Introduzione 
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apparentemente senza nessuno stacco visivo per non parlare poi delle 
tecniche per gli effetti speciali. 
Se rispetto all’analogico il formato digitale offre innegabili vantaggi 
come l’affidabilità nella trasmissione, l’alta qualità nella riproduzione e 
la notevole flessibilità nelle applicazioni, il suo principale svantaggio è 
legato ad un bit-rate decisamente elevato per i mezzi di memorizzazione 
e per i canali di trasmissione attualmente disponibili. La compressione 
dei segnali digitali e lo sviluppo di tecnologie in grado di ridurre 
l’ingombro dei file digitali è, quindi, una scelta necessaria. 
1.2   L’immagine digitale 
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1.2 L’immagine digitale 
Un’immagine digitale può essere vista come una matrice di elementi 
detti pixel. Se l’immagine è in bianco e nero il valore del pixel 
(solitamente un intero senza segno ad 8-bit) dà una misura dell’intensità 
del grigio; se invece si tratta di un’immagine a colori un solo valore non 
è più sufficiente per descrivere un pixel.  
La più nota rappresentazione delle immagini a colori in formato 
digitale è detta RGB (Red, Green, Blue), si basa appunto sul fatto che 
ogni colore si può ottenere come combinazione di tre colori di base 
(rosso, verde e blu). Quindi con questa rappresentazione ogni pixel è 
caratterizzato da tre valori che definiscono il peso delle tre componenti di 
colore per quello specifico pixel, ad esempio: 
gialloŸ RED=255 GREEN=255 BLUE=0 
É stato dimostrato, attraverso considerazioni statistiche che tali 
componenti presentano informazioni ridondanti. Infatti all’interno di 
un’immagine vi è spesso una ripetizione dell’informazione dovuta ad una 
vicinanza logica e/o cromatica tra i pixel; ad esempio in un’immagine 
che ritrae una spiaggia l’informazione comunicata dai pixel che 
codificano la zona di mare o la zona di sabbia sarà sempre la stessa, con 
di tanto in tanto qualche pixel leggermente diverso. In questo caso si 
parla di elevata correlazione spaziale tra pixel vicini tra loro. Si può 
quindi pensare di ridurre questa ridondanza adottando opportune tecniche 
di compressione delle immagini. 
1.2   L’immagine digitale 
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Tali tecniche sono del tipo intra-frame: in queste tecniche di 
compressione si sfrutta la correlazione spaziale di pixel adiacenti 
all’interno di un’unica immagine.