本文主要是介绍FFMPEG下利用Intel VPP_QSV插件实现基于GPU的图像缩放和色彩空间转换 （一） - 命令行模式，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
最近做图像预处理的工作有点多。这里记录一下最近做OpenVINO推理的端到端优化时对FFMPEG做图像预处理的一点心得。
这几天碰到的问题是在准备给mobilenet-ssd神经网络推理前需要对视频文件做解码，然后缩放到需要的分辨率再转成RGB格式的数据，这样才能丢进网络里做推理。这个解码，缩放，色彩转换的流程通常是通过FFMPEG来实现的，通常的代码实现流程是
- 先创建硬件设备，因为我是intel集成显卡，所以我指定了QSV来做解码的硬件加速器 ret = av_hwdevice_ctx_create(&decode.hw_device_ref, AV_HWDEVICE_TYPE_QSV, "auto", NULL, 0);
- 指定用hevc_qsv的硬件解码器来解HEVC码流 decoder = avcodec_find_decoder_by_name("hevc_qsv");
- 从视频文件里读一帧数据回来 ret = av_read_frame(input_ctx, &pkt);
- 如果数据是视频码流包，则丢给解码器去解码 ret = avcodec_send_packet(decoder_ctx, pkt);
- 等待一帧视频解码结束，此时解码出的NV12数据在GPU显存里 ret = avcodec_receive_frame(decoder_ctx, frame);
- 将数据从GPU内存中读回到系统内存中 ret = av_hwframe_transfer_data(sw_frame, frame, 0);
- 利用FFMPEG的swscale库来做基于CPU的图像缩放和色彩转换 sws_scale(sws_ctx, sw_frame->data, sw_frame->linesize, 0, sw_frame->height, pFrameRGB->data, pFrameRGB->linesize);
- 将转换好的数据丢给神经网络去推理
- goto step 3
流程示意图
对应的FFMPEG命令行大致等同于
ffmpeg -hwaccel qsv -c:v hevc_qsv -i 1.mp4 -vf hwdownload,format=nv12,scale=w=1920:h=1080 -pix_fmt rgb32 -f sdl -这样的处理会有一些性能上的损失
- 如果原始视频很大的话，比如4K的图像，那么从显存读数据到系统内存的函数av_hwframe_transfer_data的开销会很大
- CPU做缩放和颜色空间转换效率不高，虽然swscale库已经优化的很好了，但是毕竟是用CPU资源做的，对于大量数据的处理，对CPU资源和内存带宽的压力都很大；如果推理是基于CPU的，那么无可避免的会带来不小的性能损失
优化时发现问题
更为高效的办法是将缩放和颜色空间的转换都放在GPU侧去做，由GPU把所有的数据预处理都做好，CPU只需要读回数据，就可以直接丢进推理网络里。
流程示意如下
如果要用GPU做图像缩放和色彩空间转换，网上有很多教程，例如用OpenCL代码来实现。但是对于我这个混子程序员来说，能不写代码就不写代码。经过一番搜索，终于让我得到了答案
在这里https://trac.ffmpeg.org/wiki/Hardware/QuickSync有这么命令
这个命令是利用FFMPEG的filter插件vpp_qsv, 将hevc_qsv解码出来的数据缩放成1920x1080分辨率，rgb32格式， 然后用hwdownload将数据读到系统内存，再送到sdl中显示。
照着这个命令运行一下，发现出错了。换了几个FFMPEG版本，结果都一样
解决问题 - 对FFMPEG源码的改动
什么叫不支持bgra的像素格式？百思不得其解。万般无奈，只能祭出VS2017的debug大法，经过一些跟踪和调试，发现问题出在创建vqq_qsv滤镜的时候， 在滤镜初始化创建directx的surface buffer的时候，会调用到libavutil\hwcontext_dxva2.c里dxva2_init_pool()函数，在line 172行左右会检查传进来的ctx->sw_format是否是dxva2 surface支持的像素格式。
而支持的像素格式在第79行
只支持NV12和P010? 实在不明白为啥，随手加个一行，看看能不能跳过去继续往下走?
编译FFMPEG, 再运行刚才的命令
图像竟然出来，还正常播放结束了！！！
性能数据的比较
下面来比较一下2个命令的CPU/GPU占用率和解码播放的速度有什么不同
#命令1, CPU做缩放和颜色转换
ffmpeg -hwaccel qsv -c:v hevc_qsv -i 1.mp4 -vf hwdownload,format=nv12,scale=w=1920:h=1080 -pix_fmt rgb32 -f sdl -#命令2, GPU做缩放和颜色转换
ffmpeg -hwaccel qsv -c:v hevc_qsv -i 1.mp4 -vf vpp_qsv=w=1920:h=1080:format=rgb32,hwdownload,format=rgb32 -f sdl -
先测试一下1.mp4 这是一个分辨率是640x480 h264编码的文件
CPU做缩放和颜色转换
播放速度2.03x
CPU占用率16%,可以看到有一个核基本是100%占用率。 GPU占用率39%
GPU做缩放和颜色转换
播放速度3.4x
CPU占用率16%,可以看到有一个核基本是70%占用率。 GPU占用率56%
小节
可以看出，
- 基于GPU缩放和颜色转换的版本，播放速度是CPU版本的大约3.4x/2.03x=1.67x左右，速度有明显的提升
- 有一个核的CPU占用率始终很高，但是GPU版本要好于CPU版本。因为有相当一部分CPU开销用在了sdl的显示上了，如果把-f sdl改为-f null, GPU版本的CPU占用率就变得非常低了
再测试一下4k-hevc.mp4 这是一个分辨率是3840x2160 h265编码的文件
CPU做图像缩放和色彩空间转换
有sdl显示 - 播放速度0.661x, CPU占用率18%, GPU占用率30%，
无显示 - 播放速度 0.852x
GPU做图像缩放和色彩空间转换
有sdl显示 - 播放速度1.51x, CPU占用率18%, GPU占用率58%
无显示 - 播放速度4.25x
小节
可以看出
- 在高分辨率视频的情况下，GPU做缩放和颜色控制转换的版本的性能提升巨大
- 在CPU和GPU间拷贝4K的视频数据会消耗大量的资源
最终总结和思考
问题解决了，FFMPEG的基于Intel QSV的一些滤镜用起来还是很方便的，比如vpp_qsv可以做图像分辨率缩放，色彩空间转换，帧率转换以及图像的截取crop以及各种图像效果增强等功能
具体的功能和参数可以用命令来查询
ffmpeg -h filter=vpp_qsv
但是有2个疑点还没有找到答案
- 首先想不明白为什么现在的FFMPEG代码里hwcontext_dxva2部分不支持创建RGB32格式的directx surface buffer, 那个https://trac.ffmpeg.org/wiki/Hardware/QuickSync的命令应该是2018年左右加上的，当时应该是能用的，但是现在已经不能用了。不知道是基于什么原因做了这种改动。（也许是因为大家都喜欢用GPU里面的opencl或者shader language自己来实现颜色空间转换吧，这样更灵活?)
- Intel的Media SDK里管做缩放和颜色空间转换的模块叫VPP （Video Post Process), 在实现上有2条路径来做，一个是走可编程的EU来做，另一条路是走专用的硬件(fixed function block)来做，这样功耗更低。具体可以参考MediaSDK github的说明, 但是这个readme也说的比较模糊，大致意思是如果数据放在系统内存里，会走EU来处理，如果数据放在显存里，会走Fixed Function来处理。我实在搞不清楚怎么看当前数据走的是哪条通道，windows下有什么工具能看GPU里的具体哪个模块在工作?
这几个问题只能留着慢慢以后再解决了...
这篇关于FFMPEG下利用Intel VPP_QSV插件实现基于GPU的图像缩放和色彩空间转换 （一） - 命令行模式的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
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