[發明專利]基于CPU+GPU異構平臺實現HEVC中熵編碼環節的并行處理方法

有效

• 申請號: 201811258709.6
• 申請日: 2018-10-26
• 公開（公告）號: CN109391816B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 郭成安;董菁鑫
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H04N19/124
• 分類號: H04N19/124;H04N19/147;H04N19/159;H04N19/172;H04N19/44;H04N19/70;H04N19/91;G06F9/50;G06T1/20
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

一種基于CPU+GPU異構平臺實現HEVC中熵編碼環節的高效并行處理方法，是在按HEVC協議標準對視頻圖像序列進行編碼過程中，將當前幀圖像的最終熵編碼環節與對下一幀圖像的處理中除了最終熵編碼環節以外的全部其它環節做并行處理?亦即采用CPU+GPU計算平臺對當前幀圖像的熵編碼用CPU進行處理，對下一幀圖像的預測、變換、量化、率失真優化、反量化、反變換、濾波及圖像重構等全部其它環節用GPU進行處理，CPU和GPU二者同時并行計算；通過采用這種并行處理方案，可以省去上述二者之中耗時較短的環節(即最終熵編碼環節)所需要花費的處理時間，從而顯著提高HEVC編碼器的整體計算速度。

技術領域

本發明屬于數字視頻壓縮編碼技術領域，涉及到在高效視頻編碼HEVC(HighEfficiency Video Coding，也稱為H.265或稱為HEVC/H.265)協議標準中的熵編碼環節如何實現高效并行處理的方法，以達到顯著提升HEVC編碼器的計算效率的目的。

背景技術

隨著互聯網和信息技術的迅速發展，多媒體技術在社會生活中起到了越來越重要的作用。而視頻作為一種重要的信息載體，具有直觀性、確切性、高效性及廣泛性等優點，廣泛應用在社會各個領域。隨著人們對視頻分辨率和清晰度等需求的不斷提高，數字視頻的發展從最初的352×240分辨率發展到高清(1920×1080)進而再到超高清(4k×2k及以上)，視頻數據量也隨之大幅度增加。然而實際信道及存儲設備的容量卻是有限的，因此，視頻數據壓縮已成為視頻技術應用和發展中必不可少的關鍵技術。

作為最新一代高效視頻編碼標準，HEVC由國際電信聯盟的視頻編碼專家組(ITU-T/VCEG)和國際標準化組織及國際電工委員會(IEC)的運動圖像專家組(ISO/IEC MPEG)于2013年正式發布。HEVC包含了最新的視頻編碼技術，與前一代視頻編碼標準H.264/AVC相比，HEVC可以在保證相同的編碼質量前提下，能夠節省約50％的碼率。HEVC在獲得出色視頻壓縮性能的同時也使得編碼過程的計算復雜度顯著增加(據統計是H.264/AVC的2-4倍)，從而給編碼器的實時處理的實現帶來了巨大挑戰。因此，設計高效快速的HEVC編碼算法現已成為視頻數據壓縮領域的一個重要研究課題。

在HEVC編碼器中主要包括預測(幀內預測和幀間預測)、變換、量化、率失真優化、反量化、反變換、濾波(去方塊效應濾波和樣點自適應補償濾波)、圖像重構及熵編碼等環節，目前除了熵編碼環節以外針對其它各個環節現已分別設計出了相應的高效并行處理算法，進而通過采用GPU和多線程編程技術實現并行計算來顯著提升這些環節的計算效率。但對于其中的熵編碼環節，由于在HEVC中采用的是基于上下文的自適應二進制算術編碼(Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding:CABAC)方法，該計算過程本身是一種遞推運算，在對后一數據的進行編碼計算時需要用到對前一數據的編碼結果，因此只能在已經求出對前一數據的編碼結果之后才能對后一數據進行編碼，故只能按照數據的前后順序依次進行串行運算，而不適于做并行處理，所以難以使該環節的計算速度得到大規模的提高。在整個HEVC編碼過程中有兩個環節涉及到熵編碼計算，一個是在進行率失真優化時需要對圖像中各個CU數據塊分別求出每個CU塊的碼率信息以獲得其最佳編碼參數，另一個是對已經求出全部最佳編碼參數后的整幀圖像的全部待編碼數據進行最終的熵編碼以產生該幀圖像壓縮后的比特碼流。

實驗測試結果表明，采用第七代i7CPU(例如，Core^TM i7-7700)在對高清(1080P)視頻圖像在數據壓縮比為100-130倍下，用HEVC中的熵編碼算法完成一幅整幀圖像的最終熵編碼環節平均耗時14--17毫秒。而對于預測、變換、量化、反量化、反變換、率失真優化、濾波及圖像重構等全部環節，通過采用一塊GPU卡(例如GTX-1080)進行并行處理平均可在32--36毫秒內完成。因此，對于整個HEVC編碼器，熵編碼環節現已成為實現實時處理的瓶頸問題。如何設計出高效的熵編碼算法以顯著節省該環節的處理時間，對于實現HEVC編碼器的實時處理十分關鍵。