[論文レビュー] A software decoder implementation for H.266/VVC video coding standard

Bin Zhu, Shan Liu+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2020

Video Coding and Compression Technologies参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、x86 CPU上で4K 60fpsのVVCビットストリームのリアルタイム復号を達成するために、SIMD命令拡張およびマルチレベル並列処理（データ並列およびタスク並列）を活用した最適化されたソフトウェアデコーダを提示する。この実装は、新しいコーディング効率の高さに起因する標準の高い計算複雑性に対処し、実用的なリアルタイム展開の可能性を示しているものの、新たな性能要件に応えるのは困難である。

ABSTRACT

Versatile Video Coding Standard (H.266/VVC) was completed by Joint Video Expert Team (JVET) of ITU-T and ISO/IEC, in July 2020. This new ITU recommendation/international standard is a successor to the well-known H.265/HEVC video coding standard with roughly doubled compression efficiency, but also at the cost of an increased computational complexity. The complexity of H.266/VVC decoder processing modules is studied in this paper. An optimized decoder implementation using SIMD instruction extensions and additional parallel processing including data and task level parallelism is presented, which can achieve real-time decoding of 4K 60fps VVC bitstreams on an x86 based CPU.

研究の動機と目的

• 新しく標準化されたH.266/VVC動画コーディング形式の高い計算複雑性に対処すること。
• 高解像度動画ストリームのリアルタイム復号が可能な実用的なソフトウェアデコーダの開発。
• 一般用途のx86 CPU上で性能を評価・最適化するデコーダ処理モジュールの開発。
• ソフトウェアオンリー技術を用いてH.266/VVCの効率的展開を可能にする。

提案手法

• デコーダ実装は、コア動画復号プロセスにおけるデータ並列処理を加速するためにSIMD命令拡張を使用する。
• タスクレベルの並列処理を用いて、複数のCPUコアに復号タスクを分散する。
• SIMDユニット内でデータ並列処理を活用し、複数のサンプルを同時に処理する。
• データ並列とタスク並列の両方を統合することで、現代のx86アーキテクチャ上でスループットを最大化する。
• エンタロピー復号、逆変換、サンプル適応型オフセットを含む、H.266/VVCの完全な復号パイプラインをターゲットとする。
• 遅延の低減とパフォーマンス向上を目的として、モーション補償、変換、ループフィルタリングなどの重要なモジュールに最適化を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンsumer用x86 CPU上で、ソフトウェアオンリーのデコーダが4K 60fpsのH.266/VVCビットストリームのリアルタイム復号を達成できるか？
• RQ2 SIMDおよびタスクレベルの並列処理は、H.266/VVCの高い計算複雑性を効果的に軽減できるか？
• RQ3 H.266/VVCデコーダ処理モジュールにおけるパフォーマンスボトルネックは何か、そしてどのように最適化できるか？
• RQ4 並列処理および命令レベル並列処理は、高効率動画コーディングの復号スループットをどの程度向上できるか？

主な発見

• 提案されたデコーダは、標準のx86ベースCPU上で4K 60fpsのH.266/VVCビットストリームのリアルタイム復号を達成した。
• SIMD命令拡張の使用により、復号パイプライン内のデータ並列処理が顕著に高速化された。
• データ並列とタスク並列の併用により、復号遅延が効果的に低減され、スループットが向上した。
• 最適化された実装により、一般用途のハードウェア上でH.266/VVCのソフトウェアベースの復号が実現可能であることが示された。
• 本研究は、H.266/VVC復号における主要な計算ボトルネックを同定し、的確な最適化戦略を提示した。