Parallel Acceleration of H.265 Video Processing

Abstract

The objective of this study was to research the scalability of the parallel features in the new H.265 video compression standard, also know as High Efficiency Video Coding (HEVC). Compared to its predecessor, the H.264 standard, H.265 typically achieves around 50% bitrate reduction for the same subjective video quality. Especially videos with higher resolution (Full HD and beyond) achieve better compression ratios. Also a better utilization of parallel computing resources is provided.

H.265 introduces two novel parallelization features: Tiles and Wavefront Parallel Processing (WPP). In Tiles, each video frame is divided into areas that can be decoded without referencing to other areas in the same frame. In WPP, the relations between code blocks in a frame are encoded so that the decoding process can progress through the frame as a front using multiple threads. In this study, the reference implementation for the H.265 decoder was augmented to support both of these parallelization features. The performance of the parallel implementations was measured using three different setups.

From the measurement results it could be seen that the introduction of more CPU cores reduced the total decode time of the video frames to a certain point. When using the Tiles feature, it was observed that the encoding geometry, i.e. how each frame was divided into individually decodable areas, had a noticeable effect on the decode times with certain thread counts. When using WPP, it was observed that what was mostly synchronization overhead, sometimes had a negative effect on the decode times when using larger (4-12) amounts of threads.

Tämän tutkimuksen aiheena oli tutkia uuden H.265 videonpakkausstandardin (tunnetaan myös nimellä HEVC (engl. High Efficiency Video Coding)) rinnakkaisuusominaisuuksien skaalautuvuutta. Verrattuna edeltäjäänsä, H.264 videonpakkaustandardiin, H.265 tyypillisesti saavuttaa samalla kuvanlaadulla noin 50% pienemmän pakkauskoon. Erityisesti suuren resoluution videoilla (Full HD ja suuremmat) pakkaustehokkuuden paremmuus korostuu. Huomiota on kiinnitetty myös moniydinprosessoreiden hyödyntämiseen videokoodauksessa.

H.265 tarjoaa kaksi uutta rinnakkaisuusominaisuutta: niin kutsutut Tiles- ja WPP-menetelmät (engl. \emph{Wavefront Parallel Processing}). Tiles-menetelmässä jokainen videon kuva jaetaan alueisiin, jotka voidaan purkaa viittaamatta saman kuvan muihin alueisiin. WPP-menetelmässä suhteet kuvan lohkoihin pakataan siten että purkamisprosessi pystyy etenemään kuvan läpi rintamana hyödyntäen useampia säikeitä. Tässä tutkimuksessa H.265 videodekooderin referenssitoteutusta laajennettiin tukemaan molempia näistä rinnakkaisuusominaisuuksista. Suorituskykyä mitattiin käyttäen kolmea eri mittausasetelmaa.

Mittaustuloksista ilmeni, että prosessoriydinten lukumäärän kasvattaminen nopeutti videoiden purkamista tiettyyn pisteeseen asti. Tiles-menetelmää mitatessa havaittiin, että alueiden geometrialla, eli kuinka kuva jaettiin riippumattomiin alueisiin, on huomattava vaikutus purkamisnopeuteen tietyillä säiemäärillä. WPP-menetelmää mitattaessa havaittiin että korkeampiin säiemääriin (4-12) siirryttäessä purkamisnopeus alkoi hidastua. Tämä johtui pääasiassa säikeiden keskinäiseen synkronointiin kuluvasta ajasta.