Overviewcis565/LECTURE2010/Video... · 2010-11-19 · Dirac Wavelet Video Codec (DWVC) Video...

Overview   Videos are everywhere 

  But can take up large amounts of resources   Disk space   Memory   Network bandwidth 

  Exploit redundancy to reduce file size   Spatial   Temporal 

General lossless compression   Huffman compression – shorter bit sequences for common 

data 

  Lempel‐Ziv – short bit sequence for previously seen strings 

Transform coding   Perform some transformation on data 

  Does not reduce data size, usually theoretically lossless   Concentrate information in a small(er) number of data points 

  Quantize data (lossy)   Most data points are smaller numbers 

  Losslessly compress data stream   The typical range of data is smaller   Fewer bits required to store common case 

Discrete Cosine Transform (DCT)   Traditional lossy compression 

  Converts a function of time to a function of frequency   Weighted sum of cosine functions   Information from the original signal can be completely 

reconstructed from generated weights 

  FFT: O(NlogN) vs. O(N^2) 

2D DCT   Treat each row of the signal as a 1D signal, perform 1D 

transform 

  Treat each column of the transformed signal as a 1D signal, perform another 1D transform 

  Separable transformation   2nk vs. nk^2 

  3D extension? 

Transform coding   DCT itself does not perform any compression 

  Images concentrate most of their information in low‐frequency components 

  High‐frequency components can be stored with less precision – human visual system   Often high‐frequency components round to zero and loss of 

information not noticeable 

Global transform   DCT acts on an entire signal 

  So perform on image blocks 

  One value per frequency for an entire block 

  Block Artefacts 

  Image discontinuities   Sharp edges dividing otherwise relatively low‐frequency 

areas   High frequency components localized to small number of 

pixels   DCT is less effective at representing these compactly 

Discrete Wavelet Transform (DWT) 

  Decomposition into two signals, with half resolution of input 

  Approximation signal   low‐res version of original 

  Contains only low frequencies 

  Detail signal   Information lost be reducing the resolution   Contains only high frequencies 

Discrete Wavelet Transform (DWT) 

  Approximation signal recursively transformed   Image entirely converted to detail signals of various 

resolutions 

  Final result is effectively a sum of scaled and translated versions of a wavelet (small portion of a wave)   Wavelets have location, waves have phase 

  Avoids undershoot and ringing 

  2D DWT often separable (though depends on wavelet)   Square decomposition 

The Haar Wavelet 

More complicated wavelets 

Locality   Detail signal is not transformed 

  Despite being high frequency, discontinuities will remain localized 

  Can be less effective for periodic signals, better for images 

Motion compensation   Calculate motion direction of parts of an image 

  Temporal coherence: Similarity between neighboring video frames 

  Global – describe motion of camera 

  Local – describe motion of small objects (within a block of an image) 

  Motion compensation => a next‐frame prediction 

  Residue (difference from prediction) is stored 

  Accelerating Wavelet‐Based Video Coding on Graphics Hardware using CUDA    Wladimir J. van der Laan, Jos B.T.M. Roerdink, Andrei C. Jalba  

Dirac Wavelet Video Codec (DWVC) 

  Video compression format 

  Open source, royalty‐free alternative to H.264; roughly equivalent quality 

  BBC Research 

  Dirac‐research – reference implementation 

  Schrödinger – high performance   Heavily optimized   Good basis for performance comparison 

DWVC Decoding   Stream data 

  Intra‐frames – self contained images 

  Inter‐frames – difference with respect to one or two reference frames 

  Arithmetic decoding – lossless; extracts parameters, vectors, coefficients from bitstream   Reversed entropy coder, which represents common values with 

shorter bit sequences 

  Little inherent parallelism – handled by CPU 

  Motion compensation   Residue (difference from prediction) stored as wavelet coefficients 

CUDA Implementation   Use CUDA to avoid mapping decoding process to 

rendering pipeline 

  Lifting scheme – less arithmetic, in‐place 

  Frame arithmetic – 16 vs 32 bit? 

  Sub pixel precision   Bicubic interpolation of reference frame 

Separable transformation for wavelet lifting 

  Decompose 2D op into 2 1D ops 

Horizontal Pass   Coalesced read part of a row 

  Duplicate border elements – boundary conditions 

  Shared memory: in‐place lifting 

  Syncthreads after each step in transform 

  Coalesced write back to global 

  Reorganized coefficients – based on JPEG 2000 cache‐efficient wavelet lifting 

Vertical pass   Substituting rows for columns ‐> poor coalescing 

  Each block processes multiple columns: a slab 

  Each row in a slab can be read with coalescing 

  Shared memory: transform on columns 

  Sliding window – not all columns can fit in shared 

Motion compensation Block placement 

  Traditional   Divide image into equally‐sized, disjoint blocks   Strong discontinuities between neighboring blocks 

  Poor prediction on block edges 

  Overlapped Block Motion Compensation   Overlaps neighboring blocks   Blending together in shared area 

Reference frame options   Previous frame 

  Previous and next (blended together with some weights) – for fades 

  A different frame several frames back – if better match 

Overlapped blocks   Each pixel part of up to four motion compensation blocks 

per frame 

  Naïve implementation   Equally sized CUDA blocks   Complicated flow control – neighboring pixels access 

different motion comp. blocks 

Solution: Divide image into regions 

  Based on number of and orientation of overlapping blocks   Center – 1 block   Edges – 2 blocks (H or V overlap), linear blend   Corners – 4 blocks, bilinear blend 

  All pixels in a region have same code   Each region is processed by one CUDA block   No block divergent branching 

  Texture faster than constant memory   Each thread potentially accesses a different location 

Results   Dual Core AMD Opteron 280 vs Nvidia GeForce GTX280, 

CUDA 2.2 

  Single threaded   GPU times do not require readback (video is displayed 

through OpenGL textures)   5.4x overall speedup for entire decode process   13x speedup for GPU operations (arithmetic decoding 

excluded)   1920x1080 (1080p) displayed at 56.4fps 

  25 fps needed for movie playback 

  10.5 fps for CPU reference 

  Parallel Implementation of the 2D Discrete Wavelet Transform on Graphics Processing Units: Filter Bank versus Lifting    Christian Tenllado, Javier Setoain, Manuel Prieto, Luis Piñuel, 

Francisco Tirado 

Focus on DWT   Has other image processing/computer graphics 

applications – multiresolution analysis 

  Primary methods:   Filter bank   Lifting scheme 

Filter bank   Given signal A: 

  Run low pass filter (convolution) on A to get low frequency approximation (~blur) 

  Run corresponding high pass filter on A to get high frequency details 

  Halve frequency of both (since we now have twice as much information as necessary) 

  Recurse on approximation 

  Direct translation of definition of wavelet transform 

Lifting scheme   Combine highpass and lowpass filters 

  Any FBS wavelet can be factorized into several LS steps with Polyphase Matrix representation 

  Split signal into odd/even values (lazy wavelet transform) 

  Predict 

  Update 

LS Advantages   Simple to invert: run in opposite direction (no reverse 

convolution) 

  Method for producing wavelet transforms   Control over the actual operations that are executed   Can use integer operations ‐> lossless compression 

  Easy to generalize   + must be invertible but doesn’t have to be + 

  Tends to be more efficient w.r.t. amount of hardware or power consumption for embedded systems 

FBS vs LS Speed   CPU: LS up to twice the speed of FBS 

  Performs about half as many computations   Though actual gains are often smaller than theoretical 

  In‐place transform 

  LS is default way to implement wavelet transform – seen as most efficient 

  GPU: FBS is actually faster   Fewer synchronization barriers 

Implementation   OpenGL + Cg 

  Layout: 2x2 locks stored in RGBA texel – allows H and V algorithms to be designed symmetrically 

  Filter bank – synch barrier between H and V filters 

  Lifting scheme   Several loops to perform simple vector operations on each 

data stream 

  Every LS step performed by a different kernel   Many synch barriers 

Results   Execution times scale linearly with problem size 

  Ratio of LS time to FBS time ‐> constant as size grows 

  Speedups from Nvidia FX 5950 Ultra (2003) to 7800 GTX (2005)   4x for FBS   2.2x for LS 

Results   Key performance factor is # rendering passes and synch 

barriers   FBS doesn’t require pipeline flush, allows better 

parallelization   LS: removing synch barriers (incorrect output, but good 

performance estimate)   1.4x speedup 

  GPU: 1.2 – 3.4x speedup over CPU implementation w/o data transfer 

  Transform a 4M pixel image in 9.12 and 17.9 ms using FBS and LS using Daubechies‐4   Slower times for more complicated wavelets 

Future improvements   LS/FBS time ratio grows as # shader processors increase – 

future GPUs will progressively favor FBS  

  Waiting for better CPU/GPU integration 

  Suggest fusing consecutive kernels – increased complexity, but faster 

Summary   GPU allows several times speedup over CPU for 

decompression with modern codecs   May not seem dramatic, but helps cross barrier over movie 

fps rate   Allows more types of compression algorithms to become 

feasible 

  Methods for implementation best for CPU may not be best for GPU