视频解码计算复杂度的线性建模理论及在线预测方法

作     者：田婷 余胜生 郭红星 苏曙光 TIAN Ting;YU Sheng-Sheng;GUO Hong-Xing;SU Shu-Guang

作者机构：华中科技大学计算机科学与技术学院武汉430074 华中科技大学软件学院武汉430074 

出 版 物：《计算机学报》 (Chinese Journal of Computers)

年 卷 期：2012年第35卷第10期

页      面：2048-2062页

核心收录：

学科分类：08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金"嵌入式多媒体流计算的质量驱动机制与共生调优"(61173044) 国家自然科学基金"嵌入式多媒体流计算的自适应机制与跨层优化"(60873029) 中央高校基本科研业务费专项资金资~~ 

主　　题：视频解码 计算复杂度 线性模型 在线预测 状态变量分析法 

摘      要：视频解码是一类最典型的多媒体应用,其计算量大、耗能高.现代多媒体计算平台可利用视频解码计算复杂度固有的动态变化特征来自适应地调整所需计算资源,从而节省能耗,其前提是对视频解码计算复杂度进行准确估计.作者基于解码计算复杂度与帧长之间的线性关系,提出了一种利用状态变量法对解码计算复杂度进行理论建模和在线估计的方法.与传统的直接对帧长和计算复杂度之间的输入-输出依赖关系进行建模所不同,这里将视频解码系统表征为由视频内容特征的状态变化所驱动的系统.首先从语义层面对解码器各模块的解码复杂度进行分析,并导出各模块计算复杂度与语义参数间的依赖关系模型,总解码复杂度为各子模块的复杂度之和.经过化简得到解码计算复杂度与帧长之间的线性模型,其中模型系数为上述语义参数的函数,表征了视频内容特征的状态变化,被定义为状态变量.再结合压缩视频流中相邻帧语义参数之间的相关性,将系统状态方程定义为反映视频内容变化程度的分段线性函数.根据I帧和P帧状态轨迹特性及其在压缩码流中位置属性的不同,分别进行计算复杂度在线估计:对于I帧,采用统计分析方法获得其状态变量的均值并进行在线估计;而对P帧,则是在运行过程中利用状态方程对状态变量进行实时更新和计算复杂度估计.在基于SimpleScalar的软件仿真平台和基于DSP的嵌入式硬件平台上分别对H.264、MPEG-4压缩码流的解码计算复杂度进行在线估计,实验结果表明:对解码计算复杂度的平均估计误差在7%以内,预测精度非常高,而且状态方程更新过程简单,在线运行复杂度低,特别适用于嵌入式移动设备.