Performance evaluation of H.264/AVC decoding and visualization using the GPU

The coding efficiency of the H.264/AVC standard makes the decoding process computationally demanding. This has limited the availability of cost-effective, high-performance solutions. Modern computers are typically equipped with powerful yet cost-effective Graphics Processing Units (GPUs) to accelerate graphics operations. These GPUs can be addressed by means of a 3-D graphics API such as Microsoft Direct3D or OpenGL, using programmable shaders as generic processing units for vector data. The new CUDA (Compute Unified Device Architecture) platform of NVIDIA provides a straightforward way to address the GPU directly, without the need for a 3-D graphics API in the middle. In CUDA, a compiler generates executable code from C code with specific modifiers that determine the execution model. This paper first presents an own-developed H.264/AVC renderer, which is capable of executing motion compensation (MC), reconstruction, and Color Space Conversion (CSC) entirely on the GPU. To steer the GPU, Direct3D combined with programmable pixel and vertex shaders is used. Next, we also present a GPU-enabled decoder utilizing the new CUDA architecture from NVIDIA. This decoder performs MC, reconstruction, and CSC on the GPU as well. Our results compare both GPU-enabled decoders, as well as a CPU-only decoder in terms of speed, complexity, and CPU requirements. Our measurements show that a significant speedup is possible, relative to a CPU-only solution. As an example, real-time playback of high-definition video (1080p) was achieved with our Direct3D and CUDA-based H.264/AVC renderers

Intelligent Side Information Generation in Distributed Video Coding

Distributed video coding (DVC) reverses the traditional coding paradigm of complex encoders allied with basic decoding to one where the computational cost is largely incurred by the decoder. This is attractive as the proven theoretical work of Wyner-Ziv (WZ) and Slepian-Wolf (SW) shows that the performance by such a system should be exactly the same as a conventional coder. Despite the solid theoretical foundations, current DVC qualitative and quantitative performance falls short of existing conventional coders and there remain crucial limitations. A key constraint governing DVC performance is the quality of side information (SI), a coarse representation of original video frames which are not available at the decoder. Techniques to generate SI have usually been based on linear motion compensated temporal interpolation (LMCTI), though these do not always produce satisfactory SI quality, especially in sequences exhibiting non-linear motion. This thesis presents an intelligent higher order piecewise trajectory temporal interpolation (HOPTTI) framework for SI generation with original contributions that afford better SI quality in comparison to existing LMCTI-based approaches. The major elements in this framework are: (i) a cubic trajectory interpolation algorithm model that significantly improves the accuracy of motion vector estimations; (ii) an adaptive overlapped block motion compensation (AOBMC) model which reduces both blocking and overlapping artefacts in the SI emanating from the block matching algorithm; (iii) the development of an empirical mode switching algorithm; and (iv) an intelligent switching mechanism to construct SI by automatically selecting the best macroblock from the intermediate SI generated by HOPTTI and AOBMC algorithms. Rigorous analysis and evaluation confirms that significant quantitative and perceptual improvements in SI quality are achieved with the new framework

Reconstruction of Cardiac Cine MRI under Free-breathing using Motion-guided Deformable Alignment and Multi-resolution Fusion

Objective: Cardiac cine magnetic resonance imaging (MRI) is one of the important means to assess cardiac functions and vascular abnormalities. However, due to cardiac beat, blood flow, or the patient's involuntary movement during the long acquisition, the reconstructed images are prone to motion artifacts that affect the clinical diagnosis. Therefore, accelerated cardiac cine MRI acquisition to achieve high-quality images is necessary for clinical practice. Approach: A novel end-to-end deep learning network is developed to improve cardiac cine MRI reconstruction under free breathing conditions. First, a U-Net is adopted to obtain the initial reconstructed images in k-space. Further to remove the motion artifacts, the Motion-Guided Deformable Alignment (MGDA) method with second-order bidirectional propagation is introduced to align the adjacent cine MRI frames by maximizing spatial-temporal information to alleviate motion artifacts. Finally, the Multi-Resolution Fusion (MRF) module is designed to correct the blur and artifacts generated from alignment operation and obtain the last high-quality reconstructed cardiac images. Main results: At an 8$\times$ acceleration rate, the numerical measurements on the ACDC dataset are SSIM of 78.40%$\pm$4.57%, PSNR of 30.46$\pm$1.22 dB, and NMSE of 0.0468$\pm$0.0075. On the ACMRI dataset, the results are SSIM of 87.65%$\pm$4.20%, PSNR of 30.04$\pm$1.18 dB, and NMSE of 0.0473$\pm$0.0072. Significance: The proposed method exhibits high-quality results with richer details and fewer artifacts for cardiac cine MRI reconstruction on different accelerations under free breathing conditions.Comment: 28 pages, 5 tables, 11 figure

New visual coding exploration in MPEG: Super-MultiView and free navigation in free viewpoint TV

ISO/IEC MPEG and ITU-T VCEG have recently jointly issued a new multiview video compression standard, called 3D-HEVC, which reaches unpreceded compression performances for linear,dense camera arrangements. In view of supporting future highquality,auto-stereoscopic 3D displays and Free Navigation virtual/augmented reality applications with sparse, arbitrarily arranged camera setups, innovative depth estimation and virtual view synthesis techniques with global optimizations over all camera views should be developed. Preliminary studies in response to the MPEG-FTV (Free viewpoint TV) Call for Evidence suggest these targets are within reach, with at least 6% bitrate gains over 3DHEVC technology

Realistic Visualization of Animated Virtual Cloth

Photo-realistic rendering of real-world objects is a broad research area with applications in various different areas, such as computer generated films, entertainment, e-commerce and so on. Within photo-realistic rendering, the rendering of cloth is a subarea which involves many important aspects, ranging from material surface reflection properties and macroscopic self-shadowing to animation sequence generation and compression. In this thesis, besides an introduction to the topic plus a broad overview of related work, different methods to handle major aspects of cloth rendering are described. Material surface reflection properties play an important part to reproduce the look & feel of materials, that is, to identify a material only by looking at it. The BTF (bidirectional texture function), as a function of viewing and illumination direction, is an appropriate representation of reflection properties. It captures effects caused by the mesostructure of a surface, like roughness, self-shadowing, occlusion, inter-reflections, subsurface scattering and color bleeding. Unfortunately a BTF data set of a material consists of hundreds to thousands of images, which exceeds current memory size of personal computers by far. This work describes the first usable method to efficiently compress and decompress a BTF data for rendering at interactive to real-time frame rates. It is based on PCA (principal component analysis) of the BTF data set. While preserving the important visual aspects of the BTF, the achieved compression rates allow the storage of several different data sets in main memory of consumer hardware, while maintaining a high rendering quality. Correct handling of complex illumination conditions plays another key role for the realistic appearance of cloth. Therefore, an upgrade of the BTF compression and rendering algorithm is described, which allows the support of distant direct HDR (high-dynamic-range) illumination stored in environment maps. To further enhance the appearance, macroscopic self-shadowing has to be taken into account. For the visualization of folds and the life-like 3D impression, these kind of shadows are absolutely necessary. This work describes two methods to compute these shadows. The first is seamlessly integrated into the illumination part of the rendering algorithm and optimized for static meshes. Furthermore, another method is proposed, which allows the handling of dynamic objects. It uses hardware-accelerated occlusion queries for the visibility determination. In contrast to other algorithms, the presented algorithm, despite its simplicity, is fast and produces less artifacts than other methods. As a plus, it incorporates changeable distant direct high-dynamic-range illumination. The human perception system is the main target of any computer graphics application and can also be treated as part of the rendering pipeline. Therefore, optimization of the rendering itself can be achieved by analyzing human perception of certain visual aspects in the image. As a part of this thesis, an experiment is introduced that evaluates human shadow perception to speedup shadow rendering and provides optimization approaches. Another subarea of cloth visualization in computer graphics is the animation of the cloth and avatars for presentations. This work also describes two new methods for automatic generation and compression of animation sequences. The first method to generate completely new, customizable animation sequences, is based on the concept of finding similarities in animation frames of a given basis sequence. Identifying these similarities allows jumps within the basis sequence to generate endless new sequences. Transmission of any animated 3D data over bandwidth-limited channels, like extended networks or to less powerful clients requires efficient compression schemes. The second method included in this thesis in the animation field is a geometry data compression scheme. Similar to the BTF compression, it uses PCA in combination with clustering algorithms to segment similar moving parts of the animated objects to achieve high compression rates in combination with a very exact reconstruction quality.Realistische Visualisierung von animierter virtueller Kleidung Das photorealistisches Rendering realer Gegenstände ist ein weites Forschungsfeld und hat Anwendungen in vielen Bereichen. Dazu zählen Computer generierte Filme (CGI), die Unterhaltungsindustrie und E-Commerce. Innerhalb dieses Forschungsbereiches ist das Rendern von photorealistischer Kleidung ein wichtiger Bestandteil. Hier reichen die wichtigen Aspekte, die es zu berücksichtigen gilt, von optischen Materialeigenschaften über makroskopische Selbstabschattung bis zur Animationsgenerierung und -kompression. In dieser Arbeit wird, neben der Einführung in das Thema, ein weiter Überblick über ähnlich gelagerte Arbeiten gegeben. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf den wichtigen Aspekten der virtuellen Kleidungsvisualisierung, die oben beschrieben wurden. Die optischen Reflektionseigenschaften von Materialoberflächen spielen eine wichtige Rolle, um das so genannte look & feel von Materialien zu charakterisieren. Hierbei kann ein Material vom Nutzer identifiziert werden, ohne dass er es direkt anfassen muss. Die BTF (bidirektionale Texturfunktion)ist eine Funktion die abhängig von der Blick- und Beleuchtungsrichtung ist. Daher ist sie eine angemessene Repräsentation von Reflektionseigenschaften. Sie enthält Effekte wie Rauheit, Selbstabschattungen, Verdeckungen, Interreflektionen, Streuung und Farbbluten, die durch die Mesostruktur der Oberfläche hervorgerufen werden. Leider besteht ein BTF Datensatz eines Materials aus hunderten oder tausenden von Bildern und sprengt damit herkömmliche Hauptspeicher in Computern bei weitem. Diese Arbeit beschreibt die erste praktikable Methode, um BTF Daten effizient zu komprimieren, zu speichern und für Echtzeitanwendungen zum Visualisieren wieder zu dekomprimieren. Die Methode basiert auf der Principal Component Analysis (PCA), die Daten nach Signifikanz ordnet. Während die PCA die entscheidenen visuellen Aspekte der BTF erhält, können mit ihrer Hilfe Kompressionsraten erzielt werden, die es erlauben mehrere BTF Materialien im Hauptspeicher eines Consumer PC zu verwalten. Dies erlaubt ein High-Quality Rendering. Korrektes Verwenden von komplexen Beleuchtungssituationen spielt eine weitere, wichtige Rolle, um Kleidung realistisch erscheinen zu lassen. Daher wird zudem eine Erweiterung des BTF Kompressions- und Renderingalgorithmuses erläutert, die den Einsatz von High-Dynamic Range (HDR) Beleuchtung erlaubt, die in environment maps gespeichert wird. Um die realistische Erscheinung der Kleidung weiter zu unterstützen, muss die makroskopische Selbstabschattung integriert werden. Für die Visualisierung von Falten und den lebensechten 3D Eindruck ist diese Art von Schatten absolut notwendig. Diese Arbeit beschreibt daher auch zwei Methoden, diese Schatten schnell und effizient zu berechnen. Die erste ist nahtlos in den Beleuchtungspart des obigen BTF Renderingalgorithmuses integriert und für statische Geometrien optimiert. Die zweite Methode behandelt dynamische Objekte. Dazu werden hardwarebeschleunigte Occlusion Queries verwendet, um die Sichtbarkeitsberechnung durchzuführen. Diese Methode ist einerseits simpel und leicht zu implementieren, anderseits ist sie schnell und produziert weniger Artefakte, als vergleichbare Methoden. Zusätzlich ist die Verwendung von veränderbarer, entfernter HDR Beleuchtung integriert. Das menschliche Wahrnehmungssystem ist das eigentliche Ziel jeglicher Anwendung in der Computergrafik und kann daher selbst als Teil einer erweiterten Rendering Pipeline gesehen werden. Daher kann das Rendering selbst optimiert werden, wenn man die menschliche Wahrnehmung verschiedener visueller Aspekte der berechneten Bilder analysiert. Teil der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung eines Experimentes, das menschliche Schattenwahrnehmung untersucht, um das Rendern der Schatten zu beschleunigen. Ein weiteres Teilgebiet der Kleidungsvisualisierung in der Computergrafik ist die Animation der Kleidung und von Avataren für Präsentationen. Diese Arbeit beschreibt zwei neue Methoden auf diesem Teilgebiet. Einmal ein Algorithmus, der für die automatische Generierung neuer Animationssequenzen verwendet werden kann und zum anderen einen Kompressionsalgorithmus für eben diese Sequenzen. Die automatische Generierung von völlig neuen, anpassbaren Animationen basiert auf dem Konzept der Ähnlichkeitssuche. Hierbei werden die einzelnen Schritte von gegebenen Basisanimationen auf Ähnlichkeiten hin untersucht, die zum Beispiel die Geschwindigkeiten einzelner Objektteile sein können. Die Identifizierung dieser Ähnlichkeiten erlaubt dann Sprünge innerhalb der Basissequenz, die dazu benutzt werden können, endlose, neue Sequenzen zu erzeugen. Die Übertragung von animierten 3D Daten über bandbreitenlimitierte Kanäle wie ausgedehnte Netzwerke, Mobilfunk oder zu sogenannten thin clients erfordert eine effiziente Komprimierung. Die zweite, in dieser Arbeit vorgestellte Methode, ist ein Kompressionsschema für Geometriedaten. Ähnlich wie bei der Kompression von BTF Daten wird die PCA in Verbindung mit Clustering benutzt, um die animierte Geometrie zu analysieren und in sich ähnlich bewegende Teile zu segmentieren. Diese erkannten Segmente lassen sich dann hoch komprimieren. Der Algorithmus arbeitet automatisch und erlaubt zudem eine sehr exakte Rekonstruktionsqualität nach der Dekomprimierung