Étude et conception d’un encodeur vidéo H264/AVC de résolution HD sur une plateforme multicœur

Study and design of an H264/AVC high-definition video encoder on multicore platform

• Auteur / Autrice : Nejmeddine Bahri
• Direction : Mohamed Akil
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 09/11/2015
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Université de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de l'Institut Gaspard Monge (1997-2009) - LIGM
• Jury : Président / Présidente : Lotfi Kamoun
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Akil, Thierry Grandpierre, Nouri Masmoudi, Ali Ahaitouf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chiheb Rebai, Jean-François Nezan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Codage

Systèmes embarqués (informatique)

Traitement du signal -- Techniques numériques -- Appareils et matériel

Données -- Compression (télécommunications)

Mots clés libres

H264/avc

Implémentations parallèles

DSP multicœur

Temps réel

Hevc

Systèmes embarqués

H264/avc

Parallel implementations

Multicore DSP

Real-Time

Hevc

Embedded systems

Résumé

La migration vers la résolution HD de la plupart des applications multimédias visuelles a nécessité la création de nouveaux standards de compression vidéo tels que le H264/AVC (Advanced Video Coding) et le HEVC (High Efficiency Video Coding). Ces standards sont caractérisés par des hautes performances de codage en termes de taux de compression et qualité vidéo par rapport aux normes précédentes. Cependant, ces performances entraînent de grandes complexités de calcul ce qui rend difficile d'assurer un encodage en temps réel pour la résolution HD sur des processeurs monocœurs programmables qui sont les plus répandus. De plus, comme actuellement les systèmes embarqués sont de plus en plus utilisés dans diverses applications multimédias, concevoir une solution logicielle embarquée pour l'encodeur H264/AVC constitue ainsi un défit très difficile puisqu'il faut répondre aux exigences de l'embarqué au niveau des ressources matérielles comme la mémoire et de la consommation d'énergie. Les récents systèmes embarqués dotés de la technologie multicœur représentent une solution attractive pour surmonter ces problèmes. Dans ce contexte, cette thèse s'intéresse à exploiter la performance de la nouvelle génération de DSP multicœurs de Texas Instruments pour concevoir un encodeur H264/AVC embarqué de résolution HD fonctionnant en temps réel. Nous visons une solution logicielle, caractérisée par une forte flexibilité, par rapport aux IPs existants, qui permet de tout paramétrer (qualité, débit etc). Cette flexibilité logicielle permet aussi l'évolutivité de système en suivant les améliorations de codage comme la migration vers la nouvelle norme HEVC, partiellement abordée dans cette thèse. Nous présentons ainsi les diverses optimisations appliquées que ce soient algorithmiques, architecturales et structurelles afin d'améliorer la vitesse d'encodage sur un seul cœur DSP avant de passer à une implémentation multicœur. Ensuite, nous proposons des implémentations parallèles de l'encodeur H264/AVC sur différentes unités de calcul en exploitant le parallélisme potentiel au sein de la chaîne d'encodage afin de satisfaire la contrainte de temps réel tout en assurant une bonne performance de codage en termes de qualité vidéo et débit binaire. Nous étudions également le problème d'allocation des ressources (ressources de calcul, ressources mémoire, ressources de communication) avec de fortes contraintes temporelles d'exécution. Finalement, cette thèse ouvre la voie vers l'implémentation de la nouvelle norme de codage vidéo HEVC sur deux systèmes embarqués monocœurs dans le but de préparer une solution logicielle embarquée pour les futurs travaux de recherche

The trend toward HD resolution in most of visual multimedia applications has involved the emergence of a large number of video compression standards such as H.264/AVC (Advanced Video Coding) and HEVC (High Efficiency Video Coding). These standards are characterized by high coding performances in terms of compression ratio and video quality compared to previous standards. However, these performances come with large computational complexities which make it difficult to meet real-time encoding for HD resolution on the most common single-core programmable processors. Moreover, as embedded systems have become increasingly used in various multimedia applications, designing an embedded software solution for the H264/AVC encoder represents another difficult challenge since we have to meet the embedded requirements in terms of hardware resources such as memory and power consumption. The new embedded systems with multicore technology represent an attractive solution to overcome these problems. In this context, this thesis is interested in exploiting the performance of the new generation of Texas Instruments multicore DSPs to design an embedded real-time H264/AVC high definition video encoder. We aim a software solution, characterized by high flexibility that allows setting all parameters (quality, bitrate etc) compared to existing IPs. This software flexibility allows also the system scalability by following the coding enhancements as the migration to the newest HEVC standard. Thus, we present the algorithmic, architectural, and structural optimizations which are applied to improve the encoding speed on a single DSP core before moving to a multicore implementation. Then, we propose parallel implementations of the H264/AVC encoder exploiting the multicore architecture of our platform and the potential parallelism in the encoding chain in order to meet real-time constraints while ensuring a good performance in terms of bitrate and video quality. We also explore the problem of resources allocation (computing resources, storage resources, communication resources) with hard execution time constraints. Finally, this thesis opens the way towards the implementation of the new HEVC video coding standard on two embedded systems in order to prepare a software solution for future research