Performance and coding efficiency evaluation of HEVC parallelization strategies.

Abstract

For ultra-high definition videos, the requirements of low-latency or real-time processing can exceed the capacity of current single core codecs. The new video compression standard High Efficiency Video Coding (HEVC) incorporates two tools to render it more parallel-friendly: Tiles and Wavefront Parallel Processing (WPP). This work presents an evaluation of the performance of these normative tools in terms of speedup, coding efficiency, scalability, and parallelization inefficiency. The results were obtained by means of the simulation of a parallel environment based on data produced using the HEVC HM Reference Software. WPP only presented gains when using a number of threads greater than or equal to half the number of CTU columns present in its frames, which is revealed to be a limitation directly related to data dependencies and row scheduling. Using more tiles than threads only produces significant speedups for specific numbers of threads. For HD resolutions, different tiling patterns present intersection points in speedup when compared – cases for which the choice for less partitions incurs more coding efficiency and same gain in performance. In comparison to WPP, tiles achieve higher average performance. Tiles also scale better but present, as a downside, meaningful losses in coding efficiency. For high-definition content and a relatively low number of processing units (30-40% of the number of partitions) – the case of most low-power devices nowadays -, the difference in performance is not so significant, in which case WPP would be preferable since it leads to better compression rates and needs less memory bandwidth.

Para vídeos de ultra-alta definição, os requisitos de baixa latência ou de processamento em tempo real podem exceder a capacidade dos atuais codecs single core. O novo padrão de codificação de vídeos de alta eficiência (HEVC – High Efficiency Video Coding standard) integra duas ferramentas que expandem o seu suporte ao paralelismo: os Tiles e o Wavefront Parallel Processing (WPP). Este trabalho apresenta uma avaliação do desempenho dessas ferramentas em termos de ganho de performance, eficiência de codificação, escalabilidade e ineficiência de paralelização. Os resultados foram obtidos por meio da simulação de um ambiente paralelo com base em dados produzidos utilizando o software de referência do HEVC (HM Reference Software). O WPP só apresentou ganhos ao utilizar um número de partições superior ou igual à metade do número de colunas de CTUs presentes em seus quadros, uma limitação diretamente relacionada às dependências de dados. A utilização de mais tiles do que as threads só produz acelerações significativas para números específicos de threads. Para resoluções de alta definição, diferentes padrões de particionamento em tiles apresentam pontos de interseção quando a aceleração é comparada - casos para os quais a escolha de um menor número de partições gera economias em codificação para um mesmo ganho em desempenho. Em comparação com o WPP, os tiles alcançam um desempenho médio superior. Tiles também possuem melhor escalabilidade, embora apresentem, como desvantagem, perdas significativas de eficiência de codificação. Para conteúdo de alta definição e um número relativamente baixo de unidades de processamento (30-40% do número de partições) - o caso da maioria dos dispositivos de baixa potência -, a diferença de desempenho não é tão significativa, caso em que o uso do WPP ser preferível, uma vez que garante melhores taxas de compressão e necessita de menor largura de banda de memória.