基于TILE-Gx36多核处理器的HEVC多路视频并行编码技术的研究与应用

发布时间：2020-04-26 04:52

【摘要】：新一代视频编码标准HEVC的提出,在编码模块引入更多新特性,较H.264/AVC降低一倍码率的同时,带来了计算复杂度的大幅度增加。基于现代多核处理器平台的并行计算成为高复杂度视频编码的有力解决方案,具有重要的研究意义和应用前景。本文针对HEVC视频编码复杂度高的问题,设计主要编码模块并行处理方案,提升编码运算效率;通过核调度策略将方案融合后应用到多路编码系统中,实现对多路视频的目标场景并行处理。论文工作基于TILE-Gx36多核平台展开,具体工作分为以下三部分:(1)设计并实现了CTU粒度并行算法方案。通过分析视频编码过程中的帧内帧间模块CTU之间的的依赖性以及负载均衡关系,发现CTU之间的负载均衡关系与依赖关系影响CTU编码效率的机制,通过设计邻接矩阵、入度矩阵等数据结构,结合线程池核资源调度策略,设计并实现了CTU粒度的并行算法和熵编码改进方案,充分提高多核利用率,有效地提高了并行加速比。(2)设计并实现了一种CTU预测过程的并行算法。通过DAG分析预测过程中不同尺度CU的PU间存在的依赖关系,发现不同尺度的PU可以并行处理的可能性,并据此提出了CTU在预测模块中并行方案。该并行算法使用优先级队列和四叉树扫描技术做任务的初始化与更新,设计CTU内的PU级并行编码方案,有效提高预测模块的编码速度。(3)设计并实现了一种多路视频的并行编码处理方案。首先将CTU粒度并行与CTU内PU间并行的两个并行方案通过核调度策略融合,获得更高的单路视频的并行加速比;在此基础上,针对指定帧率和实时编码两种应用场景,设计并实现了流内和流间的核动态分配方案,实现了多路视频的多粒度融合并行编码。本文在Tilera多核平台上实现上述三种编码方案,通过设置对比算法实验验证了本文研究的性能提升。其中CTU粒度并行编码方案的并行加速比可达到9,并且不会影响视频的客观质量参数;预测模块中设计CTU预测过程中的PU间并行算法有效的提高了并行度,相对帧内2X并行算法、帧间局部并行算法都有速度提升,帧内模块加速比可达到2.5,帧间模块加速比可以达到2.7;多路编码系统中使用核动态分配方案针对多路中各目标场景,更合理的给多路分配核线程资源,达到了预期的设计目标。
【图文】：

图 1.1 视频编码标准发展历史面从时间上对 HEVC 之前的编码标准做简单叙述：988 年，H.261 标准成功发布，该标准主要应用于 ISDN 网络视频会议，处理后码流/s 整数倍速度传输，但通信方式受限于 ISDN 之间。作为 H 系列第一个视频编码标 标准中的 zz 扫描、DCT 等技术仍在被继续使用[8]。993 年，MPEG 组织的编码标准 MPEG-1 诞生，引入了双向预测技术，该标准的应用面向数字存储媒体，该标准在使用中遇到了一个重大问题，当视频编码中运动矢量重建图像会有方块效应[9]。995 年，MPEG-2 作为应用于 DVD 和数字视频广播的标准而指定。标准较 MPEG-1一些新概念，可以将一帧根据尺度划分成四个等级，以及五个不同复杂度的档次，级的不同组合方式可以决策不同的编码方法。995 年，H.263 针对解决固定网络带宽下如何灵活变换码率的问题而指定，该标准适会议等。此外，，为解决传输过程中的差错、误码等问题，H.263 经不断修订衍生出 H.2

图 2.1 HEVC 混合编码框架2.3 HEVC 编码的数据结构HEVC 编码标准提出了一种与 H.264 标准不同的图像分割方式，用编码树单元CTU(Coding Tree Unit)作为图像分割的基本单元取代了固定大小的编码宏快[27]。HEVC 的数据单元相比 H.264 更灵活，HEVC 编码框架在不同模块都有自己特有的数据单元，一帧图像划分成 CTU 数据单元，CTU 单元根据计算复杂度自适应划分成 CU 单元，CU 单元在预测模块划分对应 PU(PredictionUnit)单元，残差信息在变换量化模块对应 TU(TransformUnit)单元，这几种数据单元使得编码更高效。CTU 作为一帧图像分割的基本单元，一个 CTU 包含一个亮度 CTB(Coding Tree Block)和两个色度 CTB 以及相应的语法元素，CTU 的尺度一般选用64×64、32×32 两种来对一帧进行划分。对于一个 CTU，会根据纹理复杂度向下自适应划分,CTU 会自顶向下的采用四叉树结构进行分解获得率失真代价，然后自底向上的决策来确定最佳划分模式，在一个 CTU 内形成不同尺度编码单元 CU(CodingUnit)[28]。在 HEVC 的混合
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN919.81

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王世刚,祝宇宏,王金芳,宫克存;MPEG-4多路视频编码器硬件解决方案[J];吉林大学学报(信息科学版);2003年S1期

2 罗颖;;多路视频同步记录与回放技术的研究[J];甘肃科技;2014年16期

3 屈青青;;基于可靠及高效需求下的多路视频接入和处理软件方案[J];自动化与仪器仪表;2016年10期

4 胡健生;臧晓昱;;嵌入式多路视频采集显示系统设计[J];液晶与显示;2010年06期

5 罗旭;廉小亲;王涛;李康飞;张晓力;段振刚;;一种多路视频信号分时远距离传输方法的实现[J];电子技术应用;2015年03期

6 段亚;;多路视频同步播放控制的实现[J];现代电子技术;2012年24期

7 孙立民，张建波;对多路视频信号混编为一路记录及重建的研究[J];烟台师范学院学报(自然科学版);1996年03期

8 王健;宋颖慧;向建军;;远程无线多路视频处理系统设计与实现[J];测控技术;2013年12期

9 于会山，王正奎，李悦科;多路视频光纤传输系统[J];电子技术;1995年07期

10 熊汉林;粟培;郭军;曾永福;;基于大气激光通信的多路视频传输系统的研究[J];光通信技术;2012年07期

相关会议论文 前7条

1 王彦成;杨红雨;;多路视频智能场面监视系统实时融合构架设计[A];第十四届全国图象图形学学术会议论文集[C];2008年

2 王俊;屈亦成;陈其周;;基于ARM的嵌入式多路视频采集系统硬件设计[A];第十一届全国信号和智能信息处理与应用学术会议专刊[C];2017年

3 李霏;王让定;徐霁;;基于嵌入式Web服务器的多路视频监控系统的设计和实现[A];第十一届中国体视学与图像分析学术会议论文集[C];2006年

4 孙洛;赵彦君;徐光yP;;多路视频监控环境下的信息管理框架[A];第三届和谐人机环境联合学术会议（HHME2007）论文集[C];2007年

5 张宁;宋晓虹;侯亚欣;;客运专线中多路视频监控信息传输中网络带宽资源利用的优化策略[A];铁路客运专线建设技术交流会论文集[C];2005年

6 王钢;孟利民;;DVR系统中多路视频处理技术的研究与实现[A];浙江省电子学会2012学术年会论文集[C];2012年

7 ;实用新型[A];浙江省烟草学会2014年学术年会论文暨信息技术专业委员会科技成果汇编[C];2014年

相关重要报纸文章 前1条

1 河南 王素军;自制简易多路视频监视控制器[N];电子报;2006年

相关硕士学位论文 前10条

1 尹传伟;基于TILE-Gx36多核处理器的HEVC多路视频并行编码技术的研究与应用[D];南京邮电大学;2019年

2 刘梦;基于ARM9的多路视频采集技术研究与应用[D];华北电力大学;2019年

3 胡伟;基于Linux的多路视频录制系统设计和软件开发[D];浙江工业大学;2019年

4 雷文静;远程多路视频采集传输与大场景拼接技术研究[D];东北师范大学;2019年

5 王永;面向公交车载的多路视频播放系统软件设计与开发[D];浙江工业大学;2017年

6 林嘉森;基于多路视频采集及图像分析的缆索表面损伤检测系统研究与开发[D];东南大学;2018年

7 胡胜;基于FPGA的多路视频合成和增强处理算法的设计[D];浙江工业大学;2013年

8 马津洋;多路视频合成与回放器的软件设计[D];哈尔滨理工大学;2011年

9 张少松;多路视频图像处理系统的设计与实现[D];大连理工大学;2013年

10 金峰;基于FPGA的多路视频拼接系统设计[D];浙江工业大学;2015年

本文编号：2641110