Research on Executable Parser Description Technology for Media Codec Design

Abstract

The MPEG Reconfigurable Media Coding (RMC) framework is a standard framework to facilitate the development and the usage of multimedia codecs, in particular of decoders. The RMC framework is able to configure a decoder from a set of modular algorithms called Functional Unit (FU) s. The codec configuration based on the FUs brings reusability and reconfigurability of codec implementation over different codec standards and applications. This concept al/so alleviates the implementation burden that caused by the increasing diversity of multimedia compression technologies and implementation platforms. The configuration of bitstream parser FU in the MPEG RMC framework has less been discussed in spite of its importance in the codec configuration process. Among the various FUs, the bitstream parser FU is a unique FU that receives encoded multimedia bitstream, parses the bitstream to extract data, and supplies other FUs with the data to perform decoding process. Differently from the other FUs, the bitstream parser FU is hard to be defined in a reusable way because the bitstream syntax is highly dependent on coding standards. Hence, the MPEG RMC framework standards define that the bitstream parser FUs should be derived from a written description called Bitstream Syntax Description (BSD). However, the practical derivation mechanism has been missing in the scope of the standard technologies, significantly decreasing the merit of the RMC framework. In this dissertation, efforts to establish an efficient language to describe BSD and a stable mechanism to derive bitstream parser FU from the language are discussed. We propose three Bitstream Syntax and Parser Description (BSPD) language designs to facilitate the run-time parser configuration. The proposed languages are designed to be directly executable using a virtual machine or an interpreter. An exploratory language design based on Compact Decoder Description Language (CDDL) provides a number of fundamental design principles. Based on the principles, XML-based BSPD language called XML Script-based Parser Description Language (XS-PDL) is designed. Finally, the features of those two languages are harmonized in the proposed revision of Bitstream Syntax Description Language for Reconfigurable Video Coding (RVC-BSDL) and Intermediate Parser Command (IPC) format. This dissertation also discusses the Generic Parser FU (GPFU) as a stable parser configuration mechanism. In this mechanism, bitstream parser is not derived from a BSD but receives a BSD as a secondary input. The bitstream parsing process is controlled by the BSD input in run-time. To enable such mechanism, we propose a “meta-parser” structure similar to virtual machine. The GPFU allows reconfigurable bitstream parser FU while maintaining the reusability of the parser FU implementation. Practical design methodology of GPFU is discussed throughout this dissertation, and the test results using GPFU implementation are also provided. The latest GPFU implementation using RVC-CAL, which is the standard language of the RMC framework, proved the capability of the GPFU to process BSD in run-time and the conformity of the GPFU to the reference implementation of the RMC-based decoder.|MPEG RMC 프레임워크는 멀티미디어 코덱, 특히 디코더의 설계 및 활용을 효율화하기 위한 표준 프레임워크이다. RMC 프레임워크는 기능 유닛 (FU) 이라 불리는 복수의 모듈화된 알고리즘을 연결함으로써 디코더를 구성한다. 이 같은 FU 기반의 코덱 구성 방법은 하나의 코덱 구현이 서로 다른 코덱 표준과 구현 플랫폼에서 재사용 및 재구성될 수 있도록 한다. 이 개념은 또한 압축 기술 및 구현 플랫폼 분야에서 지속적으로 증대되는 복잡도에도 불구하고 코덱 구현 비용을 절감할 수 있도록 한다. 코덱 구성 과정에서의 중요도에 비해, MPEG RMC 프레임워크에서의 비트스트림 파서 FU 구성에 대해서는 많은 연구가 이루어지지 않아 왔다. 비트스트림 파서 FU는 일반적인 FU와 구별되는 특수한 FU로서, 압축된 멀티미디어 비트스트림을 읽어 들이고, 비트스트림으로부터 데이터를 추출하며, 다른 FU들에 추출한 데이터를 공급하여 전체 디코딩 과정을 동작하도록 지원한다. 다른 FU들과 달리, 비트스트림 파서 FU는 코덱 표준에 밀접하게 연계되어 있는 특성 상 재사용 가능한 방법으로 구현되기 어려운 특징이 있다. 그렇기 때문에, MPEG RMC 프레임워크 표준에서는 비트스트림 파서 FU가 비트스트림 구문 서술 (BSD) 이라 불리는 서술 정보로부터 사후 구성되어야만 한다고 명시하고 있다. 그러나, 실질적인 구성 메커니즘이 표준 기술 상에 존재하지 않아 왔으며, 이로 인해 MPEG RMC 프레임워크의 장점이 상당 기간 충분히 발휘되지 못해 왔다. 본 논문은 BSD를 서술하기 위한 효율적인 언어와 안정적인 비트스트림 파서 FU 구성 메커니즘을 개발하기 위한 기술적 노력에 대해 논한다. 보다 구체적으로는 실행 시간에 비트스트림 파서 FU의 구성을 가능하도록 하는 세 가지 비트스트림 구문 및 파서 서술 (BSPD) 언어를 다룬다. 이 언어들은 모두 인터프리터나 버추얼 머신을 통해 직접 실행 가능한 언어라는 공통점을 가진다. 먼저, CDDL 언어에 기반한 실험적 언어 설계를 통해 다수의 핵심 설계 원칙이 확립되었다. 이러한 원칙에 기반하여, XML 기반의 BSPD 언어인 XS-PDL이 설계되었다. 나아가, 전술한 두 언어의 특징을 결부하여 RVC-BSDL의 개선안 및 IPC 포맷이라 불리는 명령어 서식을 설계하였다. 본 논문은 또한 안정적인 파서 구성 메커니즘으로서 범용 파서 FU (GPFU) 에 대해 논한다. 범용 파서를 활용할 경우, 파서는 BSD로부터 생성되는 대신 BSD를 직접 입력으로 받아들여 실행 시간 중에 비트스트림 파싱 과정을 제어하도록 한다. 이러한 메커니즘을 가능토록 하기 위해, 버추얼 머신에 근접한 “메타 파서” 개념을 제안한다. 이를 통해 범용 파서는 FU 구현의 재사용성을 유지하면서도 파싱 과정이 재구성될 수 있도록 허용한다. 실질적인 범용 파서의 설계 방법론이 이 논문에서 다루어지며, 실제 범용 파서 구현을 사용한 실험 결과 또한 제시된다. 가장 최근에 이루어진 범용 파서 구성은 MPEG RMC 프레임워크의 표준 언어인 RVC-CAL로 구성되었으며, 실행 시간 중에 BSD를 읽어 동작하는 범용 파서가 기존의 RMC 기반 레퍼런스 디코더와 오차 없이 연동될 수 있음을 증명하였다.; The MPEG Reconfigurable Media Coding (RMC) framework is a standard framework to facilitate the development and the usage of multimedia codecs, in particular of decoders. The RMC framework is able to configure a decoder from a set of modular algorithms called Functional Unit (FU) s. The codec configuration based on the FUs brings reusability and reconfigurability of codec implementation over different codec standards and applications. This concept al/so alleviates the implementation burden that caused by the increasing diversity of multimedia compression technologies and implementation platforms. The configuration of bitstream parser FU in the MPEG RMC framework has less been discussed in spite of its importance in the codec configuration process. Among the various FUs, the bitstream parser FU is a unique FU that receives encoded multimedia bitstream, parses the bitstream to extract data, and supplies other FUs with the data to perform decoding process. Differently from the other FUs, the bitstream parser FU is hard to be defined in a reusable way because the bitstream syntax is highly dependent on coding standards. Hence, the MPEG RMC framework standards define that the bitstream parser FUs should be derived from a written description called Bitstream Syntax Description (BSD). However, the practical derivation mechanism has been missing in the scope of the standard technologies, significantly decreasing the merit of the RMC framework. In this dissertation, efforts to establish an efficient language to describe BSD and a stable mechanism to derive bitstream parser FU from the language are discussed. We propose three Bitstream Syntax and Parser Description (BSPD) language designs to facilitate the run-time parser configuration. The proposed languages are designed to be directly executable using a virtual machine or an interpreter. An exploratory language design based on Compact Decoder Description Language (CDDL) provides a number of fundamental design principles. Based on the principles, XML-based BSPD language called XML Script-based Parser Description Language (XS-PDL) is designed. Finally, the features of those two languages are harmonized in the proposed revision of Bitstream Syntax Description Language for Reconfigurable Video Coding (RVC-BSDL) and Intermediate Parser Command (IPC) format. This dissertation also discusses the Generic Parser FU (GPFU) as a stable parser configuration mechanism. In this mechanism, bitstream parser is not derived from a BSD but receives a BSD as a secondary input. The bitstream parsing process is controlled by the BSD input in run-time. To enable such mechanism, we propose a “meta-parser” structure similar to virtual machine. The GPFU allows reconfigurable bitstream parser FU while maintaining the reusability of the parser FU implementation. Practical design methodology of GPFU is discussed throughout this dissertation, and the test results using GPFU implementation are also provided. The latest GPFU implementation using RVC-CAL, which is the standard language of the RMC framework, proved the capability of the GPFU to process BSD in run-time and the conformity of the GPFU to the reference implementation of the RMC-based decoder.