基于Intel MIC架构的运动估计与运动补偿算法研究

摘要

随着多媒体行业的不断发展，数字电视、音视频设备及高帧率电影不断涌现。人们对多媒体技术的要求也越来越高。因此人们开始寻求更高画质和更逼真的视觉效果，包括液晶电视的分辨率从2K（1920×1080）增大到4K（3840×2160），即从高清到超高清的转变，以及电影高帧率的出现。现有的视频源中还存在着许多低帧率的视频，这就需要运用帧率上转换算法进行帧率转换。但由于数据量的增大，一些传统的串行算法不能够满足快速处理甚至实时处理的要求。而MIC作为新一代的众核协处理器，为并行计算发挥更大的作用。Intel MIC众核架构的硬件保留了CPU中的多级指令流水线和SIMD指令等利于高效计算的功能,再加上配备了众多的计算核心,这就保证了其强大的运算能力。所以本文对帧率上变换算法中的两大核心模块运动估计与运动补偿算法进行了并行加速研究。本文所研究的主要工作有以下几个方面：
　　（1）提出了基于MIC架构的双向三维递归搜索运动估计算法，首先分析了双向三维递归运动估计算法的并行可行性，包括并行粒度的分析以及将要并行的部分有没有数据竞争等问题；之后基于分析的结果设计了基于OpenMP(Open Multi-Processing)的并行双向三维递归搜索算法，并对并行算法进行了循环交换，动态调度等优化；最后将算法移植到MIC架构上，使用offload模式对算法进行加速。我们针对2K、4K视频序列，在多核CPU以及MIC卡上对算法进行了测试，并对其结果进行了分析，分析了串行算法与并行算法的加速比，在MIC架构上最高可达到26倍加速比,不同线程数对算法的影响,offload模式下数据传输对性能的影响等。
　　（2）提出了基于 MIC架构的中值滤波运动补偿算法，首先分析了中值滤波运动补偿算法的并行可行性，之后设计基于OpenMP的中值滤波运动补偿算法，最后将算法移植到MIC架构，并对算法进行了自动向量化等优化。我们针对2K、4K视频序列在多核CPU以及MIC卡上对算法进行了测试，实验结果表明并行算法在多核CPU与MIC架构上都得到了很好的加速比，在MIC架构上最高可达到52倍加速比，之后对并行的中值滤波运动补偿在多核CPU和MIC上的加速性能进行了对比分析，分析了不同线程数对处理速度的影响，分析了MIC offload模式下，数据传输对算法的影响等。

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第一章 绪论

1 .1研究背景和意义

1 .2国内外研究现状

1 .3本文内容与创新

1 .4本文结构安排

第二章 并行运动估计和运动补偿算法的相关知识

2 .1并行计算设备

2 .2并行编程技术

2 .3运动估计算法

2 .4常用的运动补偿算法

2 .5视频后处理性能评估

2 .6本章小结

第三章 基于MIC架构的双向3DRS运动估计算法

3.1基于双向3DRS的运动估计算法

3.2基于OpenMP的双向3DRS运动估计算法的并行性分析

3 .3基于多核CPU的OpenMP并行运动估计算法的实现与优化

3.4基于MIC架构的双向3DRS运动估计算法实现与优化

3 .5实验结果与分析

3 .6本章小结

第四章 基于MIC架构的中值滤波运动补偿算法

4 .1基于中值滤波运动补偿算法

4.2基于多核CPU的OpenMP并行中值滤波运动补偿算法

4 .3基于MIC架构的中值滤波运动补偿算法研究

4 .4实验结果与分析

4 .5本章小结

第五章 总结与展望

5 .1总结

5 .2展望

参考文献

致谢

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