Parallel video decoding
Authors:   , Álvarez Mesa Mauricio 
Published: July 2023

Digital video is a popular technology used in many different applications. The quality of video, expressed in the spatial and temporal resolution, has been increasing continuously in the last years. In order to reduce the bitrate required for its storage and transmission, a new generation of video encoders and decoders (codecs) have been developed. The latest video codec standard, known as H.264/AVC, includes sophisticated compression tools that require more computing resources than any previous video codec. The combination of high quality video and the advanced compression tools found in H.264/AVC has resulted in a significant increase in the computational requirements of video decoding applications.

The main objective of this thesis is to provide the performance required for real-time operation of high quality video decoding using programmable architectures. Our solution has been the simultaneous exploitation of multiple levels of parallelism. On the one hand, video decoders have been modified in order to extract as much parallelism as possible. And, on the other hand, general purpose architectures has been enhanced for exploiting the type of parallelism that is present in video codec applications.
El vídeo digital es una tecnología popular utilizada en una gran variedad de aplicaciones. La calidad de vídeo, expresada en la resolución espacial y temporal, ha ido aumentando constantemente en los últimos años. Con el fin de reducir la tasa de bits requerida para su almacenamiento y transmisión, se ha desarrollado una nueva generación de codificadores y decodificadores (códecs) de vídeo. El códec estándar de vídeo más reciente, conocido como H.264/AVC, incluye herramientas sofisticadas de compresión que requieren más recursos de computación que los códecs de vídeo anteriores. El efecto combinado del vídeo de alta calidad y las herramientas de compresión avanzada incluidas en el H.264/AVC han llevado a un aumento significativo de los requerimientos computacionales de la decodificación de vídeo.

El objetivo principal de esta tesis es proporcionar el rendimiento necesario para la decodificación en tiempo real de vídeo de alta calidad. Nuestra solución ha sido la explotación simultánea de múltiples niveles de paralelismo. Por un lado, se realizaron modificaciones en el decodificador de vídeo con el fin de extraer múltiples niveles de paralelismo. Y, por otro lado, se modificaron las arquitecturas de propósito general para mejorar la explotación del tipo paralelismo que está presente en las aplicaciones de vídeo.

Primero hicimos un análisis de la escalabilidad de dos extensiones de Instrucción Simple con Múltiples Datos (SIMD por sus siglas en inglés): una de una dimensión (1D) y otra matricial de dos dimensiones (2D). Se demostró que al escalar la extensión 2D se obtiene un mayor rendimiento con una menor complejidad que al escalar la extensión 1D.

Luego se realizó una caracterización de la decodificación de H.264/AVC en aplicaciones de alta definición (HD) donde se identificaron los núcleos principales. Debido a la falta de un punto de referencia (benchmark) adecuado para la decodificación de vídeo HD, desarrollamos uno propio, llamado HD-VideoBench el cual incluye aplicaciones completas de codificación y decodificación de vídeo junto con una serie de secuencias de vídeo en HD.

Después optimizamos los núcleos más importantes del decodificador H.264/AVC usando instrucciones SIMD. Sin embargo, los resultados no alcanzaron el máximo rendimiento posible debido al efecto negativo de la desalineación de los datos en memoria. Como solución, evaluamos el hardware y el software necesarios para realizar accesos no alineados. Este soporte produjo mejoras significativas de rendimiento en la aplicación.

Aparte se realizó una investigación sobre cómo extraer paralelismo de nivel de tarea. Se encontró que ninguno de los mecanismos existentes podía escalar para sistemas masivamente paralelos. Como alternativa, desarrollamos un nuevo algoritmo que fue capaz de encontrar miles de tareas independientes al explotar paralelismo de nivel de macrobloque.

Luego implementamos una versión paralela del decodificador de H.264 en una máquina de memoria compartida distribuida (DSM por sus siglas en inglés). Sin embargo esta implementación no alcanzó el máximo rendimiento posible debido al impacto negativo de las operaciones de sincronización y al efecto del núcleo de decodificación de entropía.

Con el fin de eliminar estos cuellos de botella se evaluó la paralelización al nivel de imagen de la fase de decodificación de entropía combinada con la paralelización al nivel de macrobloque de los demás núcleos. La sobrecarga de las operaciones de sincronización se eliminó casi por completo mediante el uso de operaciones aceleradas por hardware.

Con todas las mejoras presentadas se permitió la decodificación, en tiempo real, de vídeo de alta definición y alta tasa de imágenes por segundo. Como resultado global se creó una solución escalable capaz de usar el número creciente procesadores en las arquitecturas multinúcleo.