Exploring partial distortion elimination techniques in the sum of absolute differences architecture for HEVC integer motion estimation

Abstract

Digital videos are among the multimedia applications that have been given the most importance in the recent years, leading to the development of better compression techniques at the cost of higher computing requirements. In the most recent video-coding standard, named High Efficiency Video Coding (HEVC), Integer Motion Estimation (IME) is one of the most computing- and memory-intensive steps. IME exploits temporal redundancy by minimizing the rate-distortion cost estimated from two metrics: Sum of Absolute Differences (SAD) and motion vector cost (MVCost). Partial Distortion Elimination (PDE) techniques may be used to optimize the calculation of the SAD unit itself, avoiding the computation of candidates that will certainly not be selected in the IME. This work explores the impact of employing PDE on circuit area and on energy consumption. Differently from related solutions found in the literature, the designed architectures include the MVCost in its decision, which enhances the compression efficiency by up to 1.5%. Different designs were also proposed and implemented for the rate-distortion computation unit, in order to discover the best alternative in terms of energy consumption. The architectures were synthesized for ASIC with a 65 nm standard cells library, considering real-input vectors from video sequences to obtain accurate power results. The use of PDE without theMVCost achieves an average energy reduction of 16.4% for 1080p and of 11.64% for 2160p sequences when compared to non-PDE implementations. By accumulating the MVCost before SAD, approaches using a multiplexer and a Carry-Save Adder (CSA) were analyzed. Compared to the case that accumulatesMVCost after SAD, average reductions of 17.51% and 5.05% were obtained when using a multiplexer for the HEVC Model (HM) and x265 implementations respectively. The comparisons also showed that using a CSA is the best solution in terms of total energy, with additional reductions of 1.94% (for the HM implementation) and 2.27% (for the x265) when compared to the multiplexer implementation.

Vídeos digitais estão entre as aplicações multimídia para as quais têm se dado a maior importância nos últimos anos, levando ao desenvolvimento de melhores técnicas de compressão ao custo de maiores requisitos computacionais. No padrão de codificação de vídeo mais recente, High Efficiency Video Coding (HEVC), a Estimação de Movimento Inteira (IME) é uma das etapas que demandam maior esforço computacional e mais acessos à memória. A IME explora a redundância temporal, minimizando o custo rate-distortion estimado por duas métricas: a Soma das Diferenças Absolutas (SAD) e o custo de vetor de movimento (MVCost). Técnicas de Eliminação de Distorção Parcial (PDE) podem ser usadas para otimizar o cálculo da unidade de SAD, evitando a computação de candidatos que certamente não serão selecionados na IME. Esse trabalho explora o impacto da utilização de PDE na área e no consumo energético do circuito. Diferentemente de soluções relacionadas encontradas na literatura, as arquiteturas desenvolvidas incluem o MVCost na decisão, o que melhora a eficiência de compressão em até 1.5%. Diferentes modelos foram propostos e implementados para a unidade que computa o rate-distortion, para determinar a melhor alternativa em termos de consumo energético. As arquiteturas foram sintetizadas para ASIC com uma biblioteca de standard cells de 65 nm, considerando vetores de entradas reais de sequências de vídeos para obter resultados de potência precisos. O uso da PDE sem oMVCost atinge uma redução média de energia de 16.4% para sequências 1080p e de 11.64% para sequências 2160p quando comparado a implementações sem PDE. Ao acumular o MVCost antes da SAD, propostas utilizando um multiplexador e um Carry-Save Adder (CSA) foram analizadas. Comparado ao caso que acumula o MVCost após a SAD, reduções média de 17.51% e 5.05% foram obtidas ao utilizar um multiplexador, considerando as implementações do HEVC Model (HM) e do x265 respectivamente. As comparações também mostraram que utilizar o CSA é a melhor solução em termos de energia total, com reduções adicionais de 1.94% (na implementação do HM) e de 2.27% (no x265) quando comparado com a implementação do multiplexador.