Computational Complexity Reduction and Scaling for High Efficiency Video Encoders

Abstract

Nas últimas décadas, os avanços na indústria de semicondutores possibilitaram um grande desenvolvimento no campo de sistemas multimédia, principalmente devido ao contínuo aumento de poder computacional e à disponibilidade de infraestruturas de comunicação confiáveis. Diversos padrões de compressão de vídeo foram desenvolvidos neste período com o objetivo de reduzir as taxas de bits sem afetar a qualidade do vídeo codificado. O padrão High Efficiency Video Coding (HEVC), recentemente lançado pelo Joint Collaborative Team on Video Coding (JCT-VC), tornou-se o estado-da-arte em compressão de vídeo e deve gradualmente substituir o seu predecessor, o H.264/AVC, dentro de poucos anos. O HEVC provê elevados níveis de compressão em comparação com outros padrões, mas tais ganhos são associados a grandes aumentos na complexidade computacional e, consequentemente, no tempo da codificação, prejudicando ou até mesmo impedindo a operação do codificador em dispositivos portáteis e em sistemas de tempo real, especialmente para vídeos de alta resolução. O foco desta tese concentra-se na complexidade computacional de codificadores HEVC, com contribuições que se estendem desde a análise da eficiência de compressão e da complexidade computacional do padrão até a redução e o ajuste dinâmico da sua complexidade de codificação. A primeira contribuição desta tese é uma análise detalhada das funcionalidades e ferramentas de codificação que compõem o HEVC, a qual foi realizada com vistas à identificação das operações mais complexas do processo de codificação. Cinco algoritmos para escalonamento dinâmico da complexidade de codificação representam a segunda contribuição da tese. Todos eles se baseiam no ajuste das novas estruturas de particionamento de trama introduzidas pelo novo padrão, nomeadamente as Unidades de Codificação e as Unidades de Predição, as quais foram identificadas como responsáveis por uma grande parcela da complexidade computacional do codificador HEVC. O melhor algoritmo de escalonamento desenvolvido provê reduções de até 50% na complexidade computacional com perdas negligenciáveis na eficiência da compressão e reduções de até 80% com perdas pequenas ou médias. A terceira contribuição desta tese consiste em um conjunto de esquemas de finalização antecipada baseados em técnicas de mineração de dados, os quais procuram reduzir a complexidade computacional demandada pelos processos de decisão das melhores estruturas de particionamento de trama, nomeadamente as Árvores de Codificação, as Unidades de Predição e as Árvores Residuais Quadráticas. Embora os esquemas não permitam escalonamento dinâmico, reduções de até 65% na complexidade computacional foram obtidas com perdas muito pequenas na eficiência de compressão. Finalmente, a quarta contribuição da tese consiste em um sistema de controlo que utiliza as três contribuições anteriores com a finalidade de ajustar o tempo de codificação sempre que necessário, com o objetivo de mantê-lo abaixo de um determinado alvo. O sistema de controlo utiliza configurações de codificação pré-definidas, as quais foram criadas a partir de combinações dos esquemas de finalização antecipada e de modificações na parametrização das ferramentas com maior complexidade computacional no codificador HEVC. Sobretudo, os métodos propostos nesta tese são especialmente úteis em dispositivos multimédia portáteis com limitação energética, possibilitando a redução do consumo de energia elétrica e um consequente prolongamento da duração das suas baterias. Além disso, os métodos também podem ser aplicados a dispositivos multimédia portáteis e não-portáteis que operam em tempo real com recursos computacionais limitados.