Παράλληλες διεργασίες και εφαρμογές σε επεξεργασία εικόνων και εικονορροών
Authors: Γεωργής Γεώργιος 
Published: September 2021

Οι ταχέως εξελισσόμενες εφαρμογές επεξεργασίας εικονορροών εισαγάγουν απαιτήσεις υψηλής ποιότητας εικόνας, χαμηλού δυφιορρυθμού ή/και χαμηλού υπολογιστικού κόστους. Η τρέχουσα διατριβή μελετά το πεδίο της Υπερ-Ανάλυσης υπό το πρίσμα της μειωμένης πολυπλοκότητας, με σκοπό την παρουσίαση, την αποτίμηση επιδόσεων και την υλοποίηση παραλληλοποιήσιμων μεθόδων και τεχνικών. Επιπλέον, στοχεύει στην εφαρμογή αυτών των μεθόδων σε ένα γενικότερο πλαίσιο επεξεργασίας α) εικόνων και β) εικονορροών με συμπίεση αποδεκάτισης-κβάντισης. Τέλος, μελετά τα απτά αποτελέσματα των τεχνικών αυτών σε πλατφόρμες επιτάχυνσης υλικού. Για το σκοπό αυτό, αρχικά μελετώνται τεχνικές υπερ-ανάλυσης χαμηλής πολυπλοκότητας προκειμένου να επιτευχθεί βελτίωση στη διαδικασία εκτίμησης κίνησης των κωδικοποιητών εικονορροών. Παρουσιάζονται τεχνικές παρεμβολής μειωμένου κόστους σε σύγκριση με το πρότυπο φίλτρο 6 δειγμάτων, με απώτερο στόχο την επιτάχυνση της παραγωγής των πλακιδίων κατά τη διαδικασία αναζήτησης. Η απόδοση των τεχνικών αυτών συγκρίνεται με αυτή των ευρέως διαδεδομένων τεχνικών ως προς την προκύπτουσα ποιότητα και το χρόνο επεξεργασίας. Η μελέτη βασίζεται στη χρήση ενός τυπικού αλγορίθμου κλασματικής εκτίμησης κίνησης για το πρότυπο H.264/AVC, και επομένως, ευνοεί το σχεδιασμό κωδικοποιητών βασισμένων στο πρότυπο αυτό. Κατόπιν, συνδυάζονται υπερσύγχρονες μέθοδοι υπερ-ανάλυσης και κωδικοποίησης με στόχο τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας του κωδικοποιητή και την ελάττωση της πολυπλοκότητας. Η προτεινόμενη προσέγγιση βελτιώνει το γενικευμένο σχήμα συμπίεσης με αποδεκάτιση και κβάντιση, αφενός εισαγάγοντας τεχνικές υπερ-ανάλυσης χαμηλής πολυπλοκότητας για την υπερδειγματοληψία των δεδομένων στην πλευρά του αποκωδικοποιητή, αφετέρου εξερευνώντας και βελτιστοποιώντας τις διεργασίες αποδεκάτισης / υπερδειγματοληψίας. Σε σχέση με το συμβατικό σχήμα κωδικοποίησης, το εμπλουτισμένο σχήμα επιτυγχάνει βελτίωση της ποιότητας και της πολυπλοκότητας, ενώ μπορεί εύκολα να παραμετροποιηθεί προκειμένου να υποστηρίζει οποιοδήποτε υφιστάμενο σχήμα κωδικοαποκωδίκευσης όπως το Η.264/AVC και το HEVC. Η προτεινόμενη προσέγγιση βασίζεται αρχικά στη μελέτη της παραμετροποίησης του γενικευμένου σχήματος με ευρέως διαδεδομένες τεχνικές μετασχηματισμού διαστάσεων, επιτυγχάνοντας βελτιωμένη τιμή κορυφής λόγου σήματος-θορύβου κατά 2 έως 4 dB σε σχέση με τα συμβατικά σχήματα. Εν συνεχεία εισαγάγεται ο αλγόριθμος L-SEABI, ένας νέος αλγόριθμος υπερ-ανάλυσης μέσω του οποίο αυξάνεται η τιμή του κρίσιμου δυφιορρυθμού στο επίπεδο των 10 Mb/s. Ο αλγόριθμος αποτιμάται και σε σύγκριση με άλλες λύσεις υπερδειγματοληψίας από τη βιβλιογραφία. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν βελτίωση της ποιότητας κατά 5 dB σε σχέση με τις απλές τεχνικές παρεμβολής και ελάττωση του χρόνου υπολογισμού κατά τρεις τάξεις μεγέθους σε σχέση με τις μεθόδους τεχνολογικής αιχμής. Τέλος, βασιζόμενοι στα χαρακτηριστικά του αλγορίθμου L-SEABI εισαγάγουμε τεχνικές παραλληλοποίησης για υλοποιήσεις σε μονάδες επεξεργασίας γραφικών και συστοιχίες επιτόπια προγραμματιζόμενων πυλών. Οι προτεινόμενες τεχνικές επιταχύνουν την ανακατασκευή περιεχομένου υπερ-υψηλής ευκρίνειας, επιτυγχάνοντας τριπλάσια απόδοση από τη συμβατική απαίτηση πραγματικού χρόνου σε μονάδες επεξεργασίας γραφικών μέσης απόδοσης και τουλάχιστον εννεαπλάσια απόδοση σε μονάδες επεξεργασίας γραφικών υψηλής απόδοσης. Αντίστοιχα αποτελέσματα της υλοποίησης σε FPGA καταδεικνύουν τετραπλασιασμό της απόδοσης των συμβατικών απαιτήσεων πραγματικού χρόνου σε μονάδες χαμηλής ολοκλήρωσης και 69 φορές ταχύτερη απόδοση στη μονάδα Virtex 7 2000t.