Exploiting SATD properties to reduce energy in video coding
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| Data de Publicação: | 2020 |
| Tipo de documento: | Tese |
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| Título da fonte: | Repositório Institucional da UFSC |
| Texto Completo: | https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/216224 |
Resumo: | Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, Florianópolis, 2020. |
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Exploiting SATD properties to reduce energy in video codingComputaçãoHardwareEficiência energéticaArquitetura de computadorTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, Florianópolis, 2020.O contínuo surgimento de novas aplicações de vídeo demanda também o aumento da eficiência da codificação. Entretanto, a lei de Moore é insuficiente para compensar o aumento da complexidade e, portanto, não se pode mais confiar que consiga sozinha viabilizar tais aplicações. Paradoxalmente, a maioria dos métodos para diminuir a complexidade reduzem a eficiência de codificação. A principal contribuição desta tese reside no aumento da eficiência energética da codificação de vídeo sem redução da eficiência de codificação. Por suas complexidades, adotamos a soma das diferenças transformadas absolutas (SATD), uma métrica de distorção baseada na transformada de Hadamard, e a estimação de movimento fracionária (FME), que pode utilizar a SATD em sua execução. Inicialmente, analisamos a eficiência da codificação de ambas através do modelo Bjøntegaard Delta (BD) no software de referência do padrão ?High Efficiency Video Coding? (HEVC). Mostramos que o uso da SATD resulta em Bjøntegaard Delta Bitrate (BD-Rate) de -1,38%, em média e que o uso da FME é de suma importância, uma vez que quando desabilitada aumenta o BD-Rate em 10,89%, em média. A chave para as contribuições principais desta tese é a exploração de propriedades matemáticas da SATD quando usada durante a predição, reduzindo a energia necessária para o seu cálculo. Para tanto, exploramos três técnicas: reúso de cálculo, eliminação sucessiva (SEA), e eliminação da distorção parcial (PDE). Dentre elas, o reúso proporciona simplicidade e efetividade máximas, economizando 2/3 das operações de transformadas. A SEA baseada em SATD é mais simples em sua forma de nível único, mas apresenta uma efetividade inferior àquela de sua versão multinível. Em geral, ambas são capazes de eliminar até 80% dos blocos candidatos. Finalmente, mostramos que a PDE é capaz de reduzir em até 70% o número de blocos necessários. Ainda, apresentamos uma exploração do espaço de projeto de arquiteturas de hardware para a SATD, culminando com uma versão que explora simultaneamente o reúso e a organização do hardware. Tal exploração simultânea resultou em 28% menos área e 32% menos energia consumida do que a exploração somente do reúso. Propomos também, uma arquitetura para FME inicialmente com a soma das diferenças absolutas (SAD), métrica de distorção mais simples do que a SATD. Tal arquitetura é até 46% mais eficiente do ponto de vista energético do que as arquiteturas do estado da arte para o padrão HEVC. Modificamos a arquitetura, e demonstramos que a FME usando SATD demanda 2,6 vezes mais energia do que requerida pela FME usando SAD. Finalmente, desenvolvemos uma versão da arquitetura para FME que usa a SEA e a PDE, a qual resultou em reduções de energia de até 25% com um pequeno sobrecusto de área. Concluímos que as técnicas propostas provêm economias suficientes quando isoladas. Porém, o paralelismo proporcionado pelo hardware dedicado compromete a eficiência das técnicas. Embora as técnicas propostas não sejam suficientes para permitir projetos completos de codificadores com alta eficiência energética, elas certamente contribuem para melhorar a eficiência energética e, portanto, devem ser empregadas.Abstract: The continued emergence of new video applications with ever-increasing resolutions results in a dramatic demand for increased coding efficiency. Meanwhile, embedded video encoders must be energy-efficient to prolong portable devices? battery lifetime. However, Moore?s law is no longer sufficient to compensate for the snowballing complexity increase and thus it cannot be expected anymore to be the sole enabler of those new applications. Moreover, most methods to reduce the computational complexity end up decreasing the coding efficiency. Given such game of trade-offs, the main contribution of this thesis is to improve the energy efficiency of video encoding without reducing coding efficiency. To achieve that, we identified two complex parts of the encoder: the Hadamard-based Sum of Absolute Transformed Differences (SATD), a distortion metric, and the Fractional Motion Estimation (FME), a prediction tool that may adopt the former during its execution. We then analyzed their coding efficiency, in terms of Bjøntegaard Delta Bitrate (BD-Rate), in the High Efficiency Video Coding (HEVC) reference software. We show that using SATD results in -1.38% BD-Rate, on average and that the use of FME is a must, as disabling it increases by 10.89% the average BD-Rate. The key to achieving the main contributions of this thesis was to exploit mathematical properties of the SATD when used during prediction, as to make SATD calculation less energy demanding. For that, we exploited three techniques: calculation reuse, Successive Elimination Algorithm (SEA), and Partial Distortion Elimination (PDE). We evaluated them in terms of simplicity (overhead), effectiveness (capacity do reduce the number of operations), and savings. Among those three techniques, the reuse provides the maximum simplicity and effectiveness, resulting in about 2/3 transform operations saved. The SATD-based SEA is simpler in its single-level form but has smaller effectiveness than its multi-level counterpart. In general, they are able to eliminate up to 80% of candidate blocks, even considering FME solely. Finally, we exploited PDE, that is able to reduce the number of blocks required in up to 70%. Furthermore, we present a design space exploration of SATD hardware architectures that culminate in the design of a hardware that exploits reuse together with the hardware organization. This results in 28% less area and consumes 32% less energy than exploiting reuse alone. We also propose a coding- and energyefficient hardware architecture for FME, initially for the Sum of Absolute Differences (SAD), a distortion metric simpler than SATD. Such architecture is up to 46% more energy-efficient than state-of-the-art ones for the HEVC standard. We also modified our FME architecture, showing that the energy demands of SATD are 2.6× higher than that of SAD. Finally, we adopted the proposed SEA and PDE in such FME hardware, showing that they reduce energy in up to 25% with a small area overhead. We conclude that the proposed techniques provide enough savings when considered isolated. However, dedicated hardware parallelism jeopardizes the efficiency of the techniques. Also, while the proposed techniques are not sufficient to achieve the desired energy efficiency in a video encoder design, they certainly help to improve energy efficiency and should be employed. Moreover, any energy saving technique that does not impose coding efficiency losses deserves high consideration. After all, even when combined with other lossy techniques, they will not result in further degradations to the coding efficiency.Güntzel, José Luís AlmadaAgostini, Luciano VolcanUniversidade Federal de Santa CatarinaSeidel, Ismael2020-10-21T21:27:01Z2020-10-21T21:27:01Z2020info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis252 p.| il.application/pdf370006https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/216224spareponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2020-10-21T21:27:01Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/216224Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732020-10-21T21:27:01Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false |
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