Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10316/26633
Title: Computational Complexity Reduction and Scaling for High Efficiency Video Encoders
Authors: Correa, Guilherme 
Orientador: Cruz, Luis A. da Silva
Assunção, Pedro
Agostini, Luciano
Keywords: High efficiency video coding (HEVC); Estruturas de particionamento; Decisão de modo de codificação; Árvores de decisão; Complexidade computacional; Redução de complexidade; Escalonamento de complexidade
Issue Date: 19-Jan-2015
Citation: CORRÊA, Guilherme Ribeiro - Computational complexity reduction and scaling for high efficiency video encoders. Coimbra : [s.n.], 2014. Tese de doutoramento. Disponível na Internet em: http://hdl.handle.net/10316/26633
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.
Description: Tese de doutoramento em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: https://hdl.handle.net/10316/26633
Rights: embargoedAccess
Appears in Collections:FCTUC Eng.Electrotécnica - Teses de Doutoramento

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