GHEVC: an efficient HEVC decoder for graphics processing units

Diego Felix de Souza

Informações chave

Autores:

Diego Felix de Souza (Diego Felix de Souza)

Orientadores:

Leonel Augusto Pires Seabra de Sousa (Leonel Augusto Pires Seabra de Sousa); Nuno Filipe Valentim Roma (Nuno Filipe Valentim Roma)

Publicado em

10/07/2018

Resumo

A eficiência de compressão alcançada pela norma High Efficiency Video Coding (HEVC) é conseguida à custa de um aumento significativo da carga computacional no codificador e no descodificador. Para descodificadores HEVC, o aumento da carga computacional é um fator limitativo para a execução em tempo real, especialmente para sequências de vídeo de alta definição (Ultra HD 4K). Por outro lado, as Unidades de Processamento Gráfico (GPUs) evoluíram significativamente ao longo dos últimos anos, sendo hoje poderosos aceleradores programáveis, capazes de atingir um nível de desempenho que excede em muito o de uma Unidade de Processamento Central (CPU) multinúcleo. No entanto, este nível de desempenho é, em geral, atingido para aplicações de computação intensiva, com um alto grau de paralelismo e acessos regulares à memória. Assim, a exploração efetiva das capacidades de processamento das GPUs para os procedimentos da norma HEVC, que são computacionalmente complexos, está longe de ser uma tarefa fácil. Neste cenário, o trabalho apresentado foca-se na investigação e desenvolvimento de um descodificador HEVC computacionalmente eficiente, baseado na utilização de GPUs, a que se designou de GHEVC. O descodificador GHEVC inclui todos os procedimentos do HEVC, sendo estes executados num sistema heterogéneo constituído por um CPU e uma GPU. Desta forma, os algoritmos aqui apresentados exploram oportunidades de paralelismo numa perspectiva integrada, através de uma nova execução dos procedimentos do descodificador HEVC, os quais lidam com as suas inerentes complexidades e dependências computacionais. Como resultado, o descodificador GHEVC, totalmente compatível com a norma HEVC, é capaz de satisfazer os rigorosos requisitos de tempo real para processar sequências de vídeo Ultra HD 4K. The compression efficiency achieved with the High Efficiency Video Coding (HEVC) standard comes at the cost of a significant increase of the computational load at both the encoder and the decoder. When considering HEVC decoders, such an increased burden is a limiting factor to accomplish real-time, especially for high definition video sequences (e.g. Ultra HD 4K and beyond). On the other hand, modern Graphics Processor Units (GPUs) have evolved into programmable and powerful parallel accelerators, being able to deliver an execution performance that greatly exceeds the capabilities of multi-core Central Processing Units (CPUs). However, this performance is mostly attainable for compute-intensive applications, with significant amount of data parallelism and regular memory access patterns. Accordingly, fully exploiting the GPU capabilities for a set of diverse and computationally complex HEVC decoding procedures is far from being a trivial task. In this scenario, the presented research is focused on developing an efficient GPU-based HEVC decoder, denoted as GHEVC. Such a data-parallel GHEVC decoder integrates the whole decompression pipeline, where the several HEVC procedures are executed in a highly heterogeneous environment composed by a CPU and a GPU. The herein presented algorithms comprehensively exploit both coarse and fine-grained parallelization opportunities in an integrated perspective by re-designing the execution pattern of the involved HEVC procedures, while simultaneously coping with their inherent computational complexity and data dependencies. As a result, the proposed GHEVC decoder, which is fully compliant with the HEVC standard, has showed to be a remarkable approach, being capable of satisfying hard real-time requirements to process Ultra HD 4K video sequences.