Análise do impacto de pel decimation na codificação de vídeos de alta resolução

Abstract

Ao mesmo tempo em que o número de pixels por quadro tende a aumentar pela iminente adoção de resoluções ultra altas, a subamostragem de pixels, também conhecida por pel decimation, surge como uma opção viável para aumentar a eficiência energética da codificação de vídeo. Este trabalho investiga os impactos em energia e qualidade, quando pel decimation é aplicado ao cálculo da Soma das Diferenças Absolutas (SAD), a qual é a métrica de similaridade mais utilizada durante a etapa de estimação de movimento. Primeiramente, apresenta-se uma análise de qualidade de 15 padrões de subamostragem. Os 10.860 pontos experimentais usados proporcionam evidência estatística de que a razão de amostragem 4:3 proposta apresenta velocidade de codificação duas vezes maior do que a amostragem completa, perdendo apenas 5% em DSSIM e 1% em PSNR. A razão 4:3 apresenta o melhor custo-benefício entre aceleração e redução de qualidade, comparando-se com razões de menor amostragem. Para obter estimativas de área em silício e energia por bloco, cinco arquiteturas para cálculo da SAD foram projetadas e sintetizadas para uma biblioteca standard cell industrial. Dentre elas, uma pode ser configurada para operar com razões de amostragem 1:1, 4:3, 2:1 ou 4:1, ao passo que as demais foram projetadas para operar exclusivamente com cada uma destas razões de amostragem. A arquitetura configurável, operando em amostragem completa, consome 3,54 pJ/bloco (60% menos que a versão não-configurável), podendo ser reduzida até 1,34 pJ/bloco utilizando-se a razão de amostragem 4:1, com redução de 2,8% em PSNR e 14,1% em DSSIM. Finalmente, demonstra-se que a aceleração de codificação de um determinado padrão de subamostragem deve-se à redução conjunta do número de pixels amostradas e do número total de cálculos de SAD. Assim, modelando-se as componentes de energia da codificação de vídeos, demonstra-se que a eficiência energética do processo de codificação como um todo pode ser melhorada além da razão de subamostragem. Utilizando-se uma arquitetura de SAD configurável, a economia de energia pode ser de até 95,11%.<br>

Abstract : As the number of pixels per frame tends to increase by the upcoming adoption of ultra high resolutions, pixel subsampling, also known as pel decimation, appears as a viable means to improve the energy efficiency of video coding. This work investigates the impacts on energy and quality when pel decimation is applied to the Sum of Absolute Differences (SAD) calculation, which is the most used similarity metric in motion estimation step of video coding. Firstly, a quality assessment of 15 pel decimation patterns is presented. The 10,680 experimental points used provide statistical evidence that the proposed 4:3 ratio leads to an encoding speedup of more than two times in comparison to full sampling, losing only 5% in DSSIM and 1% in PSNR. Compared with lower sampling ratios, it presents a better trade-off between speedup and quality loss. To obtain estimates for silicon area and energy per block, five SAD architectures were designed and synthesized for an industrial standard cell library. Among those, one can be configured to operate with 1:1, 4:3, 2:1 or 4:1 sampling ratios, whereas the rest are tailored to operate exclusively with each one of these ratios. The configurable architecture consumes 3.54pJ/block operating in full sampling (60% lower than the nonconfigurable). The energy can be further reduced until 1.34pJ/block by using 4:1 ratio, with losses of 2.8% in PSNR and 14.1% in DSSIM. Finally, it is shown that the speedup of a given subsampling pattern is due the reduction of both the number of sampled pixels and the total number of SAD calculations. Therefore, by modeling the video coding energy components, it is shown that the whole video compression energy efficiency can be increased beyond the sampling ratio. By using a configurable SAD architecture operating in 4:1 ratio the energy savings are up to 95:11%.