文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
含GPU环境高清视频图像处理算法研究与实现
姓名:魏卓
申请学位级别:博士
专业:计算机系统结构
指导教师:余胜生
2011-01-06
华中科技大学博士学位论文
摘要
随着网络技术的发展以及多媒体技术的逐步成熟,多媒体技术已经广泛应用于
社会的各个领域。高清视频图像信息量巨大,其应用对现有视频图像处理、存储、
以及网络传输提出了新的要求。为了提高高清视频图像的处理效率,降低延时,新
的运算体系结构和高性能计算方法层出不穷。在现有计算机系统体系结构中,发展
趋势之一是多核 CPU 系统结构;另一个发展趋势是包含有图像处理器的异构多核结
构(CPU+GPU)。研究了在后者结构环境里,从理论上如何提高高清视频图像处理
中转码、编码的并行性,提出了相应的并行性算法,给出详细的测试数据和对比结
果。
主要研究和创新工作如下:
1,分别对 HARR 和 5/3 小波变换,提出了基于异构多核平台下并行整数小波变
换方法。依据 HARR 小波变换的原理,以四个相邻位置的像素为单位做并行
计算。根据 5/3 整数小波变换原理,以行为单位对其做并行计算。与 CPU 结
构整数小波变换计算时间相比较,在 GPU 多核结构平台下采用 5/3 小波处理
高清图像的计算时间减少了 90%左右。
2,提出了一种 MPEG-2/ 帧内并行快速转码算法 PFIT,算法包含三个并行
计算环节:以解码过程中的 DCT 因子为研究对象,并行统计图像各个宏块
的平滑性,预判 帧内编码的宏块模式选择;对 DCT 信息做并行 IDCT
计算,使其解码到像素域;在像素域对图像做 SOBEL 边缘检测,并行统计
和分析了 4×4,8×8 和 16×16 内的方向性,最终确定 帧内编码预测模
式。通过 OpenMP 在双 GPU 平台上对前两个步骤同时并行计算。实验结果
表明,在牺牲较小 PSNR 条件下,PFIT 算法降低帧内转码的时间复杂度,与
标准级联算法运算时间相比较减少了 50%左右。
3,提出了一种 MPEG-2/ 帧间并行快速转码算法 PFPT,算法包含三个并
行环节:通过对 MPEG-2 帧间解码信息再利用,并行预判宏块运动强度,进
一步预判 Intra 模式选择或 Inter 模式分割,将 MPEG-2 宏块的 1/2 精度运动
矢量指定为 帧间宏块编码的预测运动矢量 PMV,根据 PMV 变化动态
调整 运动估计的搜索窗口;并行计算 七种分割模式的预测差
SAD(Sum of Absolute Difference);对帧间编码并行计算运动估计。通过
OpenMP 在双 GPU 平台上对前两个步骤同时并行计算。实验表明与标准级联
转码算法运算时间相比较减少了 90%左右。
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4,在 2,3 的算法基础上,提出了一种 MPEG-2/ 分辨率并行快速转码算法
PFRT。首先,分析帧内分辨率转码算法,利用邻近四个宏块预判模式,预估
重构宏块的模式选择,预测模式选择仍然采用 3 中 SOBLE 边缘检测来进行
预判。其次,分析帧间分辨率转码算法,利用邻近四个宏块的解码信息分析
各个宏块的运动复杂度,对重构宏块做模式分割选择以及预测运动矢量的估
计。实验表明,在与标准级联算法在时间复杂度上比较中,帧内分辨率转码
算法计算时间减少了 50%,帧间分辨率转码算法计算时间减少了 90%。
5,在以上算法的基础上,提出了含双 GPU 环境下高清视频图像处理的框架结
构,提出了基于上述框架的眼科远程医疗系统,该系统能有效对高清视频图
像做并行处理。
关键字:图像压缩编码,高清视频编码,图像处理单元,并行算法
*本课题由国家自然科学基金(60873029)资助。
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Abstract
With the development work and multimedia, the technology of multimedia is
widely used in all the fields of society. Due to the hug information of high definition video
and image, the new requirement is put froward for current processing of video and image,
storing