Programming issues for video analysis on Graphics Processing Units

Abstract

El procesamiento de vídeo es la parte del procesamiento de señales, donde las señales de entrada y/o de salida son secuencias de vídeo. Cubre una amplia variedad de aplicaciones que son, en general, de cálculo intensivo, debido a su complejidad algorítmica. Por otra parte, muchas de estas aplicaciones exigen un funcionamiento en tiempo real. El cumplimiento de estos requisitos hace necesario el uso de aceleradores hardware como las Unidades de Procesamiento Gráfico (GPU). El procesamiento de propósito general en GPU representa una tendencia exitosa en la computación de alto rendimiento, desde el lanzamiento de la arquitectura y el modelo de programación NVIDIA CUDA. Esta tesis doctoral trata sobre la paralelización eficiente de aplicaciones de procesamiento de vídeo en GPU. Este objetivo se aborda desde dos vertientes: por un lado, la programación adecuada de la GPU para aplicaciones de vídeo; por otro lado, la GPU debe ser considerada como parte de un sistema heterogéneo. Dado que las secuencias de vídeo se componen de fotogramas, que son estructuras de datos regulares, muchos componentes de las aplicaciones de vídeo son inherentemente paralelizables. Sin embargo, otros componentes son irregulares en el sentido de que llevan a cabo cálculos que dependen de la carga de trabajo, sufren contención en la escritura, contienen partes inherentemente secuenciales o desbalanceadas en carga... Esta tesis propone estrategias para hacer frente a estos aspectos, a través de varios casos de estudio. También se describe una aproximación optimizada al cálculo de histogramas basada en un modelo de rendimiento de la memoria. Las secuencias de vídeo son flujos continuos que deben ser transferidos desde el ¿host¿ (CPU) al dispositivo (GPU), y los resultados del dispositivo al ¿host¿. Esta tesis doctoral propone el uso de CUDA streams para implementar el paradigma de ¿stream processing¿ en la GPU, con el fin de controlar la ejecución simultánea de las transferencias de datos y de la computación. También propone modelos de rendimiento que permiten una ejecución óptima.