【摘要】：新一代視頻編碼標準HEVC的提出,在編碼模塊引入更多新特性,較H.264/AVC降低一倍碼率的同時,帶來了計算復雜度的大幅度增加。基于現(xiàn)代多核處理器平臺的并行計算成為高復雜度視頻編碼的有力解決方案,具有重要的研究意義和應用前景。本文針對HEVC視頻編碼復雜度高的問題,設計主要編碼模塊并行處理方案,提升編碼運算效率;通過核調度策略將方案融合后應用到多路編碼系統(tǒng)中,實現(xiàn)對多路視頻的目標場景并行處理。論文工作基于TILE-Gx36多核平臺展開,具體工作分為以下三部分:(1)設計并實現(xiàn)了CTU粒度并行算法方案。通過分析視頻編碼過程中的幀內幀間模塊CTU之間的的依賴性以及負載均衡關系,發(fā)現(xiàn)CTU之間的負載均衡關系與依賴關系影響CTU編碼效率的機制,通過設計鄰接矩陣、入度矩陣等數(shù)據(jù)結構,結合線程池核資源調度策略,設計并實現(xiàn)了CTU粒度的并行算法和熵編碼改進方案,充分提高多核利用率,有效地提高了并行加速比。(2)設計并實現(xiàn)了一種CTU預測過程的并行算法。通過DAG分析預測過程中不同尺度CU的PU間存在的依賴關系,發(fā)現(xiàn)不同尺度的PU可以并行處理的可能性,并據(jù)此提出了CTU在預測模塊中并行方案。該并行算法使用優(yōu)先級隊列和四叉樹掃描技術做任務的初始化與更新,設計CTU內的PU級并行編碼方案,有效提高預測模塊的編碼速度。(3)設計并實現(xiàn)了一種多路視頻的并行編碼處理方案。首先將CTU粒度并行與CTU內PU間并行的兩個并行方案通過核調度策略融合,獲得更高的單路視頻的并行加速比;在此基礎上,針對指定幀率和實時編碼兩種應用場景,設計并實現(xiàn)了流內和流間的核動態(tài)分配方案,實現(xiàn)了多路視頻的多粒度融合并行編碼。本文在Tilera多核平臺上實現(xiàn)上述三種編碼方案,通過設置對比算法實驗驗證了本文研究的性能提升。其中CTU粒度并行編碼方案的并行加速比可達到9,并且不會影響視頻的客觀質量參數(shù);預測模塊中設計CTU預測過程中的PU間并行算法有效的提高了并行度,相對幀內2X并行算法、幀間局部并行算法都有速度提升,幀內模塊加速比可達到2.5,幀間模塊加速比可以達到2.7;多路編碼系統(tǒng)中使用核動態(tài)分配方案針對多路中各目標場景,更合理的給多路分配核線程資源,達到了預期的設計目標。
【圖文】：

圖 1.1 視頻編碼標準發(fā)展歷史面從時間上對 HEVC 之前的編碼標準做簡單敘述：988 年，H.261 標準成功發(fā)布，該標準主要應用于 ISDN 網(wǎng)絡視頻會議，處理后碼流/s 整數(shù)倍速度傳輸，但通信方式受限于 ISDN 之間。作為 H 系列第一個視頻編碼標 標準中的 zz 掃描、DCT 等技術仍在被繼續(xù)使用[8]。993 年，MPEG 組織的編碼標準 MPEG-1 誕生，引入了雙向預測技術，該標準的應用面向數(shù)字存儲媒體，該標準在使用中遇到了一個重大問題，當視頻編碼中運動矢量重建圖像會有方塊效應[9]。995 年，MPEG-2 作為應用于 DVD 和數(shù)字視頻廣播的標準而指定。標準較 MPEG-1一些新概念，可以將一幀根據(jù)尺度劃分成四個等級，以及五個不同復雜度的檔次，級的不同組合方式可以決策不同的編碼方法。995 年，H.263 針對解決固定網(wǎng)絡帶寬下如何靈活變換碼率的問題而指定，該標準適會議等。此外，，為解決傳輸過程中的差錯、誤碼等問題，H.263 經(jīng)不斷修訂衍生出 H.2

圖 2.1 HEVC 混合編碼框架2.3 HEVC 編碼的數(shù)據(jù)結構HEVC 編碼標準提出了一種與 H.264 標準不同的圖像分割方式，用編碼樹單元CTU(Coding Tree Unit)作為圖像分割的基本單元取代了固定大小的編碼宏快[27]。HEVC 的數(shù)據(jù)單元相比 H.264 更靈活，HEVC 編碼框架在不同模塊都有自己特有的數(shù)據(jù)單元，一幀圖像劃分成 CTU 數(shù)據(jù)單元，CTU 單元根據(jù)計算復雜度自適應劃分成 CU 單元，CU 單元在預測模塊劃分對應 PU(PredictionUnit)單元，殘差信息在變換量化模塊對應 TU(TransformUnit)單元，這幾種數(shù)據(jù)單元使得編碼更高效。CTU 作為一幀圖像分割的基本單元，一個 CTU 包含一個亮度 CTB(Coding Tree Block)和兩個色度 CTB 以及相應的語法元素，CTU 的尺度一般選用64×64、32×32 兩種來對一幀進行劃分。對于一個 CTU，會根據(jù)紋理復雜度向下自適應劃分,CTU 會自頂向下的采用四叉樹結構進行分解獲得率失真代價，然后自底向上的決策來確定最佳劃分模式，在一個 CTU 內形成不同尺度編碼單元 CU(CodingUnit)[28]。在 HEVC 的混合
【學位授予單位】：南京郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN919.81

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本文編號：2641110