任務(wù)敏感的多模式視頻編碼系統(tǒng)功耗控制方法

曹　倩,李輝勇,左　敏,姜同強,蔡　強,王　瑜

(1.北京工商大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院食品安全大數(shù)據(jù)技術(shù)北京市重點實驗室,北京100048;2.北京航空航天大學(xué)計算機學(xué)院,北京 100191)

任務(wù)敏感的多模式視頻編碼系統(tǒng)功耗控制方法

曹倩1,李輝勇2,左敏1,姜同強1,蔡強1,王瑜1

(1.北京工商大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院食品安全大數(shù)據(jù)技術(shù)北京市重點實驗室,北京100048;2.北京航空航天大學(xué)計算機學(xué)院,北京 100191)

在嵌入式多模式視頻編碼系統(tǒng)中,動態(tài)電壓頻率調(diào)整(Dynamic Voltage and Frequency Scaling,DVFS)技術(shù)可在一定程序上節(jié)約系統(tǒng)能耗,然而持續(xù)降低電壓和頻率可能影響處理器接口資源的傳輸性能,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作.針對該問題,提出了一種任務(wù)敏感的功耗控制方法.通過研究多模式視頻編碼任務(wù)量和處理器資源之間的關(guān)系,建立一個任務(wù)敏感的資源配置模型,基于該模型設(shè)計了一個自適應(yīng)功耗控制器,在系統(tǒng)工作過程中根據(jù)編碼任務(wù)量的不同動態(tài)調(diào)節(jié)處理器工作頻率和工作核數(shù).實驗表明,在滿足多模式實時視頻編碼功能和性能要求的基礎(chǔ)上,該文提出的方法與傳統(tǒng)DVFS技術(shù)相比,單幀視頻編碼的平均功耗節(jié)省了11.4%.

功耗;多模式視頻;嵌入式系統(tǒng);DVFS;視頻編碼

1　引言

多模式視頻編碼是指不同類型和不同分辨率的視頻圖像(可見光、紅外以及數(shù)碼相片等)進行多種碼率的實時編碼.該論文主要是研究嵌入式多模式實時視頻編碼系統(tǒng),支持多種分辨率、幀率的可見光和紅外視頻在多種碼率下的實時編碼,以滿足不同光照條件和傳輸帶寬的應(yīng)用需求,便于突發(fā)事件(如交通事故、自然災(zāi)害等)的應(yīng)急處理.

隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷提高,嵌入式系統(tǒng)在追求高性能的同時,功耗控制成為一個需要解決的關(guān)鍵問題之一[1～4].Yoo[5]提出了一種新穎的功耗-性能擴展方法,在歸納出功耗-性能擴展的規(guī)律基礎(chǔ)上,將DVFS與多核擴展性聯(lián)系起來.Li等人[6]根據(jù)多任務(wù)在多核處理平臺的特定配置,動態(tài)調(diào)節(jié)處理器的頻率,達到降低功耗的目的.You等人[7]基于嵌入式GPU提出了一種軟件管理的DVFS架構(gòu),通過分析GPU處理負載的變化從而證實了DVFS在GPU上的可用性.

近些年,很多研究專注于通過任務(wù)調(diào)度來實現(xiàn)節(jié)約能耗,這類能耗敏感的任務(wù)調(diào)度根據(jù)不同的任務(wù)動態(tài)調(diào)整電壓及頻率,為有效節(jié)約能耗提供了可行的方案[8].Anagnostopoulos等人[9]結(jié)合動態(tài)內(nèi)存管理和DVFS技術(shù),通過實時內(nèi)存監(jiān)控機制來控制DVFS進行頻率和電壓調(diào)整,降低系統(tǒng)功耗.Cho等人[10]針對ARM嵌入式系統(tǒng),提出了一種基于計算密度的DVFS算法,該方法根據(jù)應(yīng)用程序訪存的情況調(diào)整最優(yōu)的頻率.實驗證明該方法與現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)中能耗控制方法相比具有一定的優(yōu)勢,可以節(jié)約能耗17%左右,但是該算法僅適用于訪存密集型的應(yīng)用.Nogues等人[11]提出了一種輕量級的DVFS使能軟件,從而適應(yīng)HEVC實時編碼中的不同任務(wù)需求.該方法尤其適用于移動應(yīng)用程序,該方法對于每秒60幀像素720p的視頻編碼大約消耗1.1W.考慮在實際應(yīng)用中任務(wù)的執(zhí)行往往受到運行平臺、輸入數(shù)據(jù)集等因素的影響,因此可以將任務(wù)完成到某個概率作為限定條件,從而研究能耗敏感的概率調(diào)度方法,以權(quán)衡系統(tǒng)功耗與執(zhí)行時間[12].

上述研究成果可知,DVFS技術(shù)可以有效控制嵌入式系統(tǒng)的功耗,然而對于一些嵌入式處理器而言,其部分外圍接口的工作時鐘由處理器頻率分頻得到,因此過度降低處理器的頻率將會對其他資源(如EMIF接口、共享存儲管理等)產(chǎn)生影響,甚至無法滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨骩13].鑒于此,本文面向多模式視頻編碼系統(tǒng),結(jié)合TMS320C6678處理器(以下簡稱C6678)特性和DVFS技術(shù)提出了一種任務(wù)敏感的功耗控制方法(Task-Aware Power Control Method,TAPCM).其主要工作包括:1)通過抽象提取多模式視頻編碼參數(shù),建立了一種任務(wù)敏感的處理器資源配置模型,該模型描述了任務(wù)量與處理器利用率之間的關(guān)系,為系統(tǒng)功耗控制方法提供了技術(shù)基礎(chǔ).2)根據(jù)任務(wù)敏感的處理器資源配置模型,設(shè)計了一種自適應(yīng)的功耗控制器,通過實時監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)模式,動態(tài)調(diào)整處理器頻率和處理器核數(shù),達到節(jié)省系統(tǒng)功耗的目的.3)在自主設(shè)計的基于HEVC的多模式視頻編碼系統(tǒng)中進行驗證,實驗結(jié)果表明該方法在滿足系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上可有效降低功耗.

2　任務(wù)敏感的功耗控制方法

在多模式實時視頻編碼系統(tǒng)中,常見的視頻包括:可見光視頻和紅外視頻.由于視頻分辨率、幀率、像素位寬以及編碼碼率不同,所以編碼處理時所需要的計算量不同,即完成編碼任務(wù)所要求的DSP負載能力存在差異.然而,在系統(tǒng)設(shè)計時為了完成所有處理任務(wù),必須保證滿足最大負載任務(wù)的需求.在系統(tǒng)運行過程中,如果DSP處理性能固定不變就會存在一個問題:當由負載較大的任務(wù)模式切換到負載較小的任務(wù)模式時,可能會因負載太小從而導(dǎo)致處理器功耗浪費.若能根據(jù)任務(wù)需求的變化,動態(tài)配置DSP的處理資源,將在一定程度上降低系統(tǒng)功耗.

C6678作為頻率可調(diào)節(jié)的嵌入式多核處理器,可通過減低處理器頻率和減少工作核數(shù)來控制處理功耗[13,14].在處理器核的平均利用率為80%,工作溫度為50℃,只開啟DDR3、串行高速輸入輸出(SRIO)和共享存儲資源的條件下,C6678處理器不同主頻條件下的性能、功耗對比如表1所示.

表1　C6678處理器不同主頻條件的性能和功耗

因此,該文結(jié)合不同處理模式的任務(wù)量動態(tài)調(diào)整DSP的頻率和工作核數(shù)量,在滿足任務(wù)處理需求的基礎(chǔ)上,避免DSP利用率太小而導(dǎo)致的功耗浪費,實現(xiàn)降低系統(tǒng)功耗的目標.

2.1多模式任務(wù)描述

為了便于描述,假設(shè)視頻編碼系統(tǒng)需要支持L種任務(wù)模式,每種任務(wù)模式可用一個七元組描述,即第i(1≤i≤L)種任務(wù)模式可表示為Mi=,其中hi,wi,bi,ci分別表示視頻的分辨率(高、寬)、碼率、像素位寬,該文稱其為視頻編碼參數(shù);fi表示視頻幀率;Ti表示單幀視頻編碼的平均最長處理時間,其值由任務(wù)模式中的視頻幀率決定,即Ti=1/fi;τi為單幀視頻編碼的平均DSP處理周期,用于表示第i種模式的任務(wù)量,在實際應(yīng)用中通過實時統(tǒng)計連續(xù)n幀視頻編碼的DSP處理周期再計算平均值得到.需要注意的是,n的取值會影響統(tǒng)計的準確性和配置調(diào)整的延時,需要進行折中處理.針對從負載較小的任務(wù)模式到負載較大的任務(wù)模式的調(diào)整,為了避免因統(tǒng)計任務(wù)量而造成系統(tǒng)負載過重的問題,在實際應(yīng)用中,可將這種情況下的系統(tǒng)配置先調(diào)整到最高級,在保證系統(tǒng)功能和性能的基礎(chǔ)上,再進行配置調(diào)整.

在獲得任務(wù)量的基礎(chǔ)上,第i種模式中單幀視頻編碼的平均處理時間ti可表示為:

(1)

其中τi表示處理一幀視頻編碼平均需要的DSP處理周期,F表示DSP的工作頻率,則DSP的時鐘周期為1/F,因為在實際實現(xiàn)中視頻編碼消耗的時鐘周期是采用6分頻的時鐘頻率統(tǒng)計的,所以式(1)有一個乘6操作.

2.2任務(wù)敏感的資源配置模型

假設(shè)在任務(wù)i的執(zhí)行周期內(nèi)DSP的利用率為ηi,結(jié)合式(1)有:

(2)

其中τi是系統(tǒng)實時統(tǒng)計值,具體大小與視頻編碼參數(shù)、編碼算法和視頻內(nèi)容等因素相關(guān);fi是視頻幀率,其值由編碼任務(wù)模式?jīng)Q定.由式(2)可知DSP的利用率ηi與DSP的主頻成反比關(guān)系.在實際應(yīng)用中,由于視頻內(nèi)容不斷變化,結(jié)合視頻編碼原理可知,運動較劇烈的視頻所消耗的處理周期較多,即任務(wù)量較大,而運動平緩的視頻消耗的處理周期較少,即任務(wù)量較小,因此在同一視頻任務(wù)模式下DSP的利用率也不是一個固定值.為了避免DSP利用率太低而造成的功耗浪費,需要根據(jù)任務(wù)量的變化動態(tài)調(diào)節(jié)DSP資源從而將其利用率控制在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi),即:|ηi-η|≤λ,其中η和λ分別為用戶設(shè)定的DSP利用率值和誤差范圍.為了保證滿足所有任務(wù)的需求,可根據(jù)最大的任務(wù)負載設(shè)定η和λ.因此有:

(3)

由式(3)可得:

(4)

根據(jù)式(4)的計算結(jié)果從表1中選擇DSP的主頻進行調(diào)整,如果有多個符合條件的DSP主頻,為了滿足任務(wù)處理功能,選擇較大的進行調(diào)整.

根據(jù)電路動態(tài)功耗特性可知,在執(zhí)行任務(wù)i時,DSP的主頻越大,其功耗越高,反之亦然.然而,當主頻為800MHz時,如果DSP的利用率仍然過小則可考慮對處理器工作核數(shù)進行調(diào)整,即通過關(guān)閉部分處理器核以進一步降低系統(tǒng)功耗.由于DSP工作核數(shù)的改變會影響算法的處理流程,為了盡量降低功耗控制方法的復(fù)雜性,以下工作核調(diào)整模型的建立是基于數(shù)據(jù)并行的視頻編碼算法.

(5)

其中1≤Nj≤8,1≤Ni≤8,并且Nj,Ni均屬于整數(shù)集.由式(5)可知,通過調(diào)整DSP的工作核數(shù)量可以改變DSP的利用率.ηj可由式(5)獲得,在實際應(yīng)用中,為了保證調(diào)整后DSP的處理性能可以滿足系統(tǒng)功能的需求,在可行解中選擇滿足|ηj-η|≤λ條件下的最大工作核數(shù).

2.3自適應(yīng)功耗控制器的設(shè)計

為了實現(xiàn)系統(tǒng)功耗的自動控制,需要結(jié)合不同模式的視頻編碼和功耗控制模型設(shè)計一個自適應(yīng)功耗控制器,通過該控制器可以實時監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)模式,并依據(jù)不同的任務(wù)模式需求動態(tài)調(diào)整DSP頻率和工作核數(shù)量,達到降低功耗的目的.

功耗控制器初始狀態(tài)為S0,當事件x1(或x2)發(fā)生時進入狀態(tài)S1(或S2),并做出相應(yīng)的控制動作r1(或r2).當r1(或r2)執(zhí)行結(jié)束后,控制器自動回到狀態(tài)S0.S1和S2為瞬間狀態(tài),它們隨著控制動作的結(jié)束而自動結(jié)束.

3　實驗及結(jié)果分析

3.1實驗方案

結(jié)合多模式實時視頻編碼系統(tǒng)的任務(wù)需求,其常用的工作模式包括7種,即L=7.具體任務(wù)屬性描述如表2所示.在高清可見光視頻實時處理狀態(tài)下,由于需要處理的視頻數(shù)量最大,在使用相同編碼算法的情況下,要求DSP的處理性能最高.視頻編碼的任務(wù)量τi需要通過系統(tǒng)測試得到,在本實驗中通過實時統(tǒng)計連續(xù)50幀視頻編碼的DSP處理周期再取平均值得到.

表2　多模式實時視頻編碼任務(wù)屬性描述

由表2可知,根據(jù)不同的任務(wù)模式,結(jié)合C6678功耗優(yōu)化特性,在滿足任務(wù)處理性能的基礎(chǔ)上,可通過兩種方式進行功耗控制:第一,執(zhí)行任務(wù)時,實時檢測DSP狀態(tài),在其空閑時降低DSP的頻率和資源配置;第二,根據(jù)任務(wù)模式不同,動態(tài)調(diào)整DSP頻率和資源配置,提高DSP利用率,避免空閑狀態(tài).從理論上分析,這兩種方式都可以達到控制DSP功耗的目的.然而在具體操作時,準確的判斷處理器工作狀態(tài)切換點是功耗控制方法有效實現(xiàn)的關(guān)鍵.針對第一種方式,DSP空閑一般會出現(xiàn)在一幀數(shù)據(jù)處理完成和下一幀數(shù)據(jù)開始處理之間,由于這段時間在毫秒級,而且頻繁出現(xiàn),若頻繁地調(diào)整DSP頻率和資源將會引入大量額外的開銷,因此第一種方式在工程設(shè)計中不實用;對于第二種方式,只有在任務(wù)模式切換時進行DSP頻率的調(diào)整,因為每種任務(wù)模式的執(zhí)行周期比較長,短則幾分鐘,長則幾個小時,而且任務(wù)切換是通過控制命令實現(xiàn)的,切換的時間點容易判斷,便于操作,因此本文實驗中選擇第二種處理方式.

實驗平臺選用基于C6678自主設(shè)計的多模式實時視頻編碼處理板,搭建專用的測試環(huán)境,組建如圖2所示的多模式視頻圖像編碼處理板實驗平臺.其中專用發(fā)送板與專用接收板分別安裝在計算機的PCI-E總線和PCI總線上.專用發(fā)送板與多模式視頻壓縮處理板之間通過cameralink總線和串口互聯(lián),多模式視頻壓縮處理板與專用接收板之間通過LVDS總線互聯(lián).進行試驗測試時,專用發(fā)送板通過PCI-E總線實時讀取計算機內(nèi)存儲的高清、標清和紅外視頻通過cameralink總線傳入多模式視頻壓縮處理板,同時通過串口發(fā)送多模式控制命令,控制多模式視頻壓縮處理板工完成不同模式實時視頻的采集和編碼壓縮.最后,多模式視頻壓縮處理板將編碼碼流通過LVDS總線傳入專用接收板,再通過PCI總線傳輸?shù)接嬎銠C進行解碼顯示,驗證正確性.本文實現(xiàn)的HEVC編碼器是在HM4基礎(chǔ)上對幀內(nèi)預(yù)測、幀間預(yù)測、變化量化以及自適應(yīng)環(huán)路濾波等關(guān)鍵模塊進行了改進和優(yōu)化的算法,其編碼參數(shù)為:CU最大尺寸為64×64,深度為4,參考幀數(shù)為4,高碼率時QP分別為27,低碼率時QP為32.

3.2結(jié)果分析

每種任務(wù)模式的主要參數(shù)包括視頻分辨率、幀率、像素位寬和碼率等.編碼處理采用最新的HEVC視頻編碼算法,經(jīng)過優(yōu)化后在C6678上執(zhí)行.為了驗證該文提出的功耗控制方法的效果,在相同條件下,分別對不使用功耗控制方法、使用DVFS方法[12]和使用該文方法TAPCM進行實驗,表3為不使用和使用DVFS功耗控制方法的實驗結(jié)果,表4為使用TAPCM的實驗結(jié)果.根據(jù)反復(fù)的實驗評估,設(shè)定η和λ分別為0.7和0.1.圖3為TAPCM與不使用功耗控制、傳統(tǒng)DVFS方法系統(tǒng)功耗的對比.

表3　不使用和使用DVFS功耗控制方法實驗結(jié)果

表4　使用TAPCM的功耗控制方法實驗結(jié)果

由實驗結(jié)果可知,當不使用功耗控制方法時,不同任務(wù)模式所產(chǎn)生的平均功耗也有所不同,如在進行高清視頻編碼時,功耗最高.在系統(tǒng)剛加電時,無任務(wù)狀態(tài)的功耗最低,其余幾個任務(wù)模式的平均功耗也不盡相同,但是總體相差不大,主要原因在于CMOS電路的動態(tài)功耗與電路中電平翻轉(zhuǎn)的次數(shù)有關(guān),當無任務(wù)或需要處理的任務(wù)數(shù)據(jù)量少時,DSP負載較小,所以產(chǎn)生的功耗較低.對于使用功耗控制方法的實驗結(jié)果,可以看到其功耗明顯降低,在處理最小負載任務(wù)模式M7時的功耗比處理最大負載任務(wù)模式M2的功耗節(jié)省了44%.不考慮無任務(wù)模式,傳統(tǒng)的DVFS功耗控制方法和本文的TAPCM功耗控制方法相比,處理單幀視頻的平均能耗節(jié)省了11.4%.采用DVFS策略的功耗控制方法處理器頻率為800MHz以上,并且需要工作核數(shù)為滿負荷時與TAPCM具有相近的效果.但是隨著負載進一步減小,TAPCM關(guān)閉部分處理核可以進一步降低系統(tǒng)功耗.

為了進一步測試TAPCM控制方法的有效性,針對不同分辨率的視頻做了長時間的測試,其中不同分辨率視頻序列的具體參數(shù)如表5所示.

表5　實驗選用不同視頻序列的參數(shù)

由圖4可以直觀的看到,不同分辨率的視頻在編碼時需要的時間都呈現(xiàn)高斯概率分布,這是因為相同分辨率的視頻,視頻的內(nèi)容不同,例如運動劇烈和運動緩慢、紋理復(fù)雜和紋理簡單等等,在編碼處理時其復(fù)雜度也不同,消耗的處理周期存在差異.圖5采用累積分布函數(shù)顯示了不同分辨率視頻在完成單幀視頻編碼所需要的時間,因此采用本文提出的TAPCM控制方法在處理標清和紅外視頻時,在保證視頻實時處理性能的基礎(chǔ)上,合理降低系統(tǒng)處理性能,從而換取功耗的降低.

處理不同分辨率視頻時,使用TAPCM、傳統(tǒng)DVFS方法以及無功耗控制時系統(tǒng)功耗的對比結(jié)果如圖6所示,在處理標清視頻和紅外視頻是本文的TAPCM方法在控制系統(tǒng)功耗方面具有較好的效果.

4　結(jié)論

該文以C6678多核DSP處理器為硬件平臺,針對多模式視頻編碼任務(wù)的處理,提出了一種基于任務(wù)量變化的功耗控制方法.針對多模式實時視頻編碼處理任務(wù)的需求變化,動態(tài)調(diào)節(jié)工作頻率和工作核數(shù).并且該文的設(shè)計不需要改變多核DSP的基本體系結(jié)構(gòu)、核間互聯(lián)結(jié)構(gòu)及片上存儲器系統(tǒng),可廣泛地應(yīng)用于各種同構(gòu)多核DSP,還可與其他低功耗優(yōu)化技術(shù)配合使用,具有良好的可移植性和擴展性.

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曹倩女,1983年出生于河北保定.獲北京科技大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位,現(xiàn)于北京工商大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院任研究生導(dǎo)師.研究方向包含高性能計算與并行計算、智能管理與數(shù)據(jù)挖掘.

李輝勇(通信作者)男,1983年出生于河北石家莊.獲北京航空航天大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位,現(xiàn)就職于北京航空航天大學(xué)計算機學(xué)院.研究方向包含高效嵌入式視頻系統(tǒng)開發(fā)、移動計算等.

E-mail:lihyit@126.com

Task-Aware Power Control Method for Multi-Mode Video Compression System

CAO Qian1,LI Hui-yong2,ZUO Min1,JIANG Tong-qiang1,CAI Qiang1,WANG Yu1

(1.Beijing Key Laboratory of Big Data Technology for Food Safety,School of Computer and Information Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China; 2.School of Computer Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

Dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) technique,to some extent,controls the energy consumption for embedded multi-mode real-time video compression system.Yet,continuously decreasing voltage and frequency might affect interface resource transfers and even the normal system operations.To solve the problem,we proposed a task-aware power control method in response to task variations.We first analyzed the relationship between the workloads and processor resources,and then established a task-aware resource configuration model.Based on this model,we designed an adaptive power controller,which dynamically adjusts processor frequency and the number of cores.The experiments indicate that our method fulfills function and performance requirements of multi-mode video encoding system,with power consumption for encoding a frame reduced by 11.4% compared with traditional DVFS technique.

power consumption;multi-mode video;embedded system;DVFS;video compression

2015-11-03;

2016-03-03;責(zé)任編輯：李勇鋒

北京市教委科學(xué)研究面上項目(No.KM201410011005);北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助項目(No.2015000020124G029);北京工商大學(xué)教育教學(xué)改革項目(No.jg155225);國家科技支撐計劃(No.2015BAK36B04)；北京市青年拔尖人才計劃(No.CIT&TCD201404029);北京市自然基金重點項目(No.KZ201410011014);軌道交通控制與安全國家重點實驗室(北京交通大學(xué))開放課題(No.RCS2015K009)

TN919

A

0372-2112 (2016)07-1592-07

??學(xué)報URL:http://www.ejournal.org.cn

10.3969/j.issn.0372-2112.2016.07.011