Caracterização energética da codificação de vídeo de alta eficiência (HEVC) em processador de propósito geral

Abstract

A popularização das aplicações que manipulam vídeos digitais de altas resoluções incorpora diversos desafios no desenvolvimento de novas e eficientes técnicas para manter a eficiência na compressão de vídeo. Para lidar com esta demanda, o padrão HEVC foi proposto com o objetivo de duplicar as taxas de compressão quando comparado com padrões predecessores. No entanto, para atingir esta meta, o HEVC impõe um elevado custo computacional e, consequentemente, o aumento no consumo de energia. Este cenário torna-se ainda mais preocupante quando considerados dispositivos móveis alimentados por bateria os quais apresentam restrições computacionais no processamento de aplicações multimídia. A maioria dos trabalhos relacionados com este desafio, tipicamente, concentram suas contribuições no redução e controle do esforço computacional refletido no processo de codificação. Entretanto, a literatura indica uma carência de informações com relação ao consumo de energia despendido pelo processamento da codificação de vídeo e, principalmente, o impacto energético da hierarquia de memória cache neste contexto. Esta tese apresenta uma metodologia para caracterização energética da codificação de vídeo HEVC em processador de propósito geral. O principal objetivo da metodologia proposta nesta tese é fornecer dados quantitativos referentes ao consumo de energia do HEVC. Esta metodologia é composta por dois módulos, um deles voltado para o processamento da codificação HEVC e, o outro, direcionado ao comportamento do padrão HEVC no que diz respeito à memória cache. Uma das principais vantagens deste segundo módulo é manter-se independente de aplicação ou de arquitetura de processador. Neste trabalho, diversas análises foram realizadas visando a caracterização do consumo de energia do codificador HEVC em processador de propósito geral, considerando diferentes sequências de vídeo, resoluções e parâmetros do codificador. Além disso, uma análise extensa e detalhada de diferentes configurações possíveis de memória cache foi realizada com o propósito de avaliar o impacto energético destas configurações na codificação. Os resultados obtidos com a caracterização proposta demonstram que o gerenciamento dos parâmetros da codificação de vídeo, de maneira conjunta com as especificações da memória cache, tem um alto potencial para redução do consumo energético de codificação de vídeo, mantendo bons resultados de qualidade visual das sequências codificadas.

The popularization of high-resolution digital video applications brings several challenges on developing new and efficient techniques to maintain the video compression efficiency. To respond to this demand, the HEVC standard was proposed aiming to duplicate the compression rate when compared to its predecessors. However, to achieve such goal, HEVC imposes a high computational cost and, consequently, energy consumption increase. This scenario becomes even more concerned under battery-powered mobile devices which present computational constraints to process multimedia applications. Most of the related works about encoder realization, typically concentrate their contributions on computational effort reduction and management. Therefore, there is a lack of information regarding energy consumption on video encoders, specially about the energy impact of the cache hierarchy in this context. This thesis presents a methodology for energy characterization of the HEVC video encoder in general purpose processors. The main goal of this methodology is to provide quantitative data regarding the HEVC energy consumption. This methodology is composed of two modules, one focuses on the HEVC processing and the other focuses on the HEVC behavior regarding cache memory-related consumption. One of the main advantages of this second module is to remain independent of application or processor architecture. Several analyzes are performed aiming at the energetic characterization of HEVC coding considering different video sequences, resolutions, and parameters. In addition, an extensive and detailed analysis of different cache configurations is performed in order to evaluate the energy impact of such configurations during the video coding execution. The results obtained with the proposed characterization demonstrate that the management of the video coding parameters in conjunction with the cache specifications has a high potential for reducing the energy consumption of video coding whereas maintaining good coding efficiency results.