一種基于分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行hevc編碼系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子信息學(xué)科視頻編碼技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行HEVC編碼系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，特別是互聯(lián)網(wǎng)近些年的快速發(fā)展，數(shù)字視頻采集、傳輸和存儲(chǔ)逐步進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ?。視頻數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)量大而著稱，通常需要經(jīng)過壓縮編碼后才進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸。目前國(guó)際上常用的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)有ISO/IEC制定的MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)、MPEG-2 標(biāo)準(zhǔn)、MPEG-4ASP 標(biāo)準(zhǔn)，ITU-T 制定的 H.261 標(biāo)準(zhǔn)、H.263 標(biāo)準(zhǔn)，和 ISO/IEC 和 ITU-T聯(lián)合制定的MPEG-4AVC/ITU-T H.264標(biāo)準(zhǔn)等。但這些標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足大圖像尺寸高畫質(zhì)視頻的編碼需要，因此ISO/IEC MPEG專家組和ITU-T VCEG專家組聯(lián)合成立的JVT-VC工作組2013年制定了最新的高效視頻編碼(HEVC)標(biāo)準(zhǔn)。目前該標(biāo)準(zhǔn)已正式被ISO/IEC批準(zhǔn)為MPEG-H Part 2標(biāo)準(zhǔn)，被ITU-T批準(zhǔn)為H.265標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)報(bào)道符合HEVC標(biāo)準(zhǔn)的編碼器在編碼壓縮效率上已經(jīng)較MPEG-4AVC/ITU-T H.264標(biāo)準(zhǔn)有50%以上的提高。同時(shí)針對(duì)大圖像尺寸視頻編碼時(shí)計(jì)算復(fù)雜度高難于實(shí)時(shí)編碼的問題，在HEVC標(biāo)準(zhǔn)中增加了一些并行處理的工具，以便可以采用并行處理的方法解決這一問題。因此HEVC將成為今后視頻編碼的主流標(biāo)準(zhǔn)。
[0003]HEVC為了獲得更高的壓縮效率，和以前的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相比，壓縮相同尺寸的視頻圖像，其編碼的復(fù)雜度高出很多。同時(shí)由于實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于更大圖像尺寸的視頻壓縮編碼的需求越來越強(qiáng)烈，導(dǎo)致今后實(shí)際應(yīng)用中的HEVC編碼器的計(jì)算復(fù)雜度會(huì)非常高。因此在HEVC標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)就考慮了并行處理的方案，新引入了如Tiles，Wavefont parallelprocessing (WPP)，Overlaped Wavefront (OffF)和并行 CABAC 等編碼工具。但這些方案主要是針對(duì)多核系統(tǒng)提出的并行處理解決方法。多核系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是多個(gè)處理器核集成在一個(gè)芯片上共享緩存，處理器核之間以及處理器和緩存之間通信有很高的傳輸帶寬，可以達(dá)到每秒鐘傳輸數(shù)十個(gè)G甚至上百個(gè)G字節(jié)。因此HEVC標(biāo)準(zhǔn)里的這些并行處理方案并沒有考慮處理器模塊之間傳輸帶寬對(duì)參考幀在處理器之間實(shí)時(shí)傳輸?shù)挠绊憽?br>[0004]隨著云計(jì)算等分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)近幾年的快速發(fā)展，利用分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻編碼是視頻編碼技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一種多處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，各處理器通過互連網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成統(tǒng)一的系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分布式計(jì)算結(jié)構(gòu)，即把原來系統(tǒng)內(nèi)中央處理器處理的任務(wù)分散給相應(yīng)的處理器，實(shí)現(xiàn)不同功能的各個(gè)處理器相互協(xié)調(diào)。與多核系統(tǒng)相比，分布式系統(tǒng)的子系統(tǒng)之間的互連網(wǎng)絡(luò)帶寬有限，導(dǎo)致參考幀不能在各子系統(tǒng)之間實(shí)時(shí)傳輸，成為分布式系統(tǒng)并行視頻編碼的主要瓶頸。
[0005]如圖1所示，圖為符合HEVC標(biāo)準(zhǔn)的編碼器的基本原理框圖，編碼器主要模塊包括:變換比例縮放和量化模塊、比例縮放和反變換模塊、濾波器控制分析模塊、去塊效應(yīng)濾波器和取樣適應(yīng)偏置(SAO)濾波器模塊、運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊、幀內(nèi)估計(jì)模塊、幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊、熵編碼模塊編碼器通用控制模塊等，其中熵編碼模塊完成碼流頭格式形成和CABAC編碼功能。圖中實(shí)線箭頭表示數(shù)據(jù)流，虛線箭頭表示控制流。編碼的主要過程是首先將輸入圖像劃分為編碼樹單元(CTU)，然后對(duì)圖像中的CTU按從左到右從上到下的次序一一進(jìn)行編碼。每一個(gè)CTU編碼時(shí)將按PU單元(預(yù)測(cè)單元)進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)或幀間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，然后按CU單元(編碼單元)對(duì)殘差進(jìn)行變換和量化，量化后的殘差采用CABAC方法進(jìn)行熵編碼。對(duì)于量化后的殘差同時(shí)進(jìn)行反量化和反變換并和幀內(nèi)預(yù)測(cè)值或幀間預(yù)測(cè)值相加為后續(xù)的編碼提供幀內(nèi)預(yù)測(cè)的參考值，然后經(jīng)過去塊效應(yīng)濾波和取樣適應(yīng)偏置濾波形成后續(xù)的幀間預(yù)測(cè)的參考幀。在上述過程中形成的編碼器控制數(shù)據(jù)、幀間預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、濾波器控制數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)等將作為視頻流數(shù)據(jù)的一部分送至熵編碼模塊進(jìn)行熵編碼。
[0006]如圖2所示，圖為符合HEVC標(biāo)準(zhǔn)的解碼器原理框圖，解碼器主要模塊包括:熵解碼模塊、解碼器控制模塊、比例縮放和反變換模塊、去塊效應(yīng)濾波器和取樣適應(yīng)偏置濾波器模塊、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊、幀內(nèi)估計(jì)模塊、幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊等。圖中實(shí)線箭頭表示數(shù)據(jù)流，虛線箭頭表示控制流。解碼器接收到HEVC碼流后首先進(jìn)行熵解碼，得到控制數(shù)據(jù)和圖像變數(shù)據(jù)。控制數(shù)據(jù)分別輸入解碼器控制模塊和去塊效應(yīng)濾波器和取樣適應(yīng)偏置濾波器模塊進(jìn)行解碼控制。圖像數(shù)據(jù)首先經(jīng)過比例縮放和反變換；如果當(dāng)前解碼幀是幀內(nèi)預(yù)測(cè)幀，則利用當(dāng)前圖像幀中已解碼重建的部分進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)圖像；如果當(dāng)前解碼幀是幀間預(yù)測(cè)幀，則利用前面已解碼重建的幀做為參考幀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，得到預(yù)測(cè)的圖像；然后將預(yù)測(cè)的圖像和經(jīng)過比例縮放和反變換得到的殘差圖像相加；相加后的圖像進(jìn)行去塊效應(yīng)濾波和取樣適應(yīng)偏置濾波，完成當(dāng)前幀的解碼重建；解碼重建的圖像在輸出顯示的同時(shí)緩存入?yún)⒖紟彺婀┖罄m(xù)幀間預(yù)測(cè)幀解碼時(shí)使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種編碼效率高、編碼方式多樣、適用范圍廣的基于分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行HEVC編碼系統(tǒng)及方法。
[0008]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0009]一種基于分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行HEVC編碼系統(tǒng)，包括多個(gè)依次連接的計(jì)算子系統(tǒng)、分別與多個(gè)計(jì)算子系統(tǒng)連接的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和主HEVC編碼器以及與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接的合并輸出模塊，所述的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)包括高速傳輸網(wǎng)絡(luò)和參考幀緩存器，所述的計(jì)算子系統(tǒng)包括并行解碼器和并行HEVC視頻編碼器，且每個(gè)并行HEVC視頻編碼器分別通過高速傳輸網(wǎng)絡(luò)和參考幀緩存器與其他計(jì)算子系統(tǒng)中的并行解碼器連接。
[0010]所述的并行解碼器包括熵解碼模塊、解碼比例縮放反變化模塊、解碼去塊效應(yīng)及取樣適應(yīng)偏置濾波模塊、解碼幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊、解碼運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊、解碼器控制模塊和解碼幀內(nèi)幀間選擇模塊，所述的熵解碼模塊分別與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、解碼比例縮放反變化模塊、解碼去塊效應(yīng)及取樣適應(yīng)偏置濾波模塊、解碼幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊、解碼運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊和解碼器控制模塊連接，所述的解碼幀內(nèi)幀間選擇模塊分別與解碼幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊、解碼運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊和解碼器控制模塊連接，所述的解碼比例縮放反變化模塊分別與解碼去塊效應(yīng)及取樣適應(yīng)偏置濾波模塊和解碼器控制模塊連接，所述的解碼比例縮放反變化模塊通過高速傳輸網(wǎng)絡(luò)與其他計(jì)算子系統(tǒng)中的并行HEVC視頻編碼器連接，所述的解碼去塊效應(yīng)及取樣適應(yīng)偏置濾波模塊通過參考幀緩存器與并行HEVC視頻編碼器連接。
[0011]所述的并行HEVC視頻編碼器包括編碼樹單元?jiǎng)澐帜K、變換比例縮放量化模塊、熵編碼模塊、編碼器控制模塊、編碼比例縮放反變換模塊、編碼幀內(nèi)估計(jì)模塊、編碼幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊、編碼運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊、編碼運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊、編碼幀內(nèi)幀間選擇模塊、濾波器控制分析模塊和編碼去塊效應(yīng)及取樣適應(yīng)偏置濾波模塊，所述的編碼器控制模塊分別與主HEVC編碼器、編碼樹單元?jiǎng)澐帜K、變換比例縮放量化模塊、熵編碼模塊、編碼幀內(nèi)估計(jì)模塊、編碼運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊和編碼幀內(nèi)幀間選擇模塊連接，所述的編碼樹單元?jiǎng)澐帜K分別與變換比例縮放量化模塊、編碼運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊和濾波器控制分析模塊連接，所述的熵編碼模塊分別與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、變換比例縮放量化模塊、編碼幀內(nèi)估計(jì)模塊、編碼運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊和濾波器控制分析模塊連接，所述的編碼比例縮放反變換模塊分別與變換比例縮放量化模塊和濾波器控制分析模塊連接，所述的濾波器控制分析模塊分別與編碼幀內(nèi)估計(jì)模塊、編碼幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊和編碼去塊效應(yīng)及取樣適應(yīng)偏置濾波模塊連接，所述的編碼幀內(nèi)幀間選擇模塊分別與編碼幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊和編碼運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊連接，所述的編碼幀內(nèi)預(yù)測(cè)模塊分別與編碼幀內(nèi)估計(jì)模塊以及其他計(jì)算子系統(tǒng)中并行解碼器的解碼比例縮放反變化模塊連接，所述的解碼去塊效應(yīng)及取樣適應(yīng)偏置濾波模塊通過參考幀緩存器分別與編碼運(yùn)動(dòng)估計(jì)模塊和編碼運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模塊連接。
[0012]所述的互連網(wǎng)絡(luò)為以太網(wǎng)或高速?gòu)V域網(wǎng)。
[0013]一種基于分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行HEVC編碼方法，包括以下步驟:
[0014]I)主HEVC編碼器將視頻流中的待編碼幀分為多個(gè)不重疊的行幀信息，并且依次發(fā)到多個(gè)計(jì)算子系統(tǒng)中；
[0015]2)每個(gè)計(jì)算子系統(tǒng)根據(jù)獲取到的多個(gè)不重疊的行幀信息，并將不重疊的行幀信息分為多個(gè)CTU幀單元，且計(jì)算子系統(tǒng)中的每一個(gè)線程對(duì)應(yīng)一行CTU幀單元；
[0016]3)計(jì)算子系統(tǒng)開始在一個(gè)線程中對(duì)一行CTU幀單元進(jìn)行編碼，并行HEVC視頻編碼器獲取當(dāng)前待編碼的CTU幀單元信息，根據(jù)控制信息進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)或是幀間預(yù)測(cè)，并將編碼完成的當(dāng)前CTU幀單元的編碼比特流分別發(fā)送給其他計(jì)算子系統(tǒng)的并行解碼器和合并輸出模塊；
[0017]4)當(dāng)計(jì)算子系統(tǒng)中的所有線程全部完成對(duì)當(dāng)前待編碼幀的編碼時(shí)，合并輸出模塊將獲取到的多個(gè)CTU幀單元的編碼比特流整合為一個(gè)完整的編碼幀比特流發(fā)出。
[0018]所述的步驟3)中的幀內(nèi)預(yù)測(cè)包括以下步驟:
[0019]311)并行HEVC視頻編碼器在編碼器控制模塊控制下，獲取當(dāng)前待編碼的CTU幀單元信息；
[0020]312)并行解碼器根據(jù)解碼器控制模塊的控制下，獲取其他計(jì)算子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)線程中的CTU幀單元的編碼比特流，在熵解碼模塊中進(jìn)行解碼后，進(jìn)行比例縮放和反變換得到幀內(nèi)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，并且通過高速傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送