频解码优化 视

[zz]频解码优化 视 (2008-07-24 18:38)

分类： DVB相关

以下通过剖析一些经验来了解视频解码优化
1. 在嵌入式系统中实现MPEG4的视频解码
有两种方法可行
(1)采用ffmpeg(mplayer 的核心就是采用ffmpeg)，然后对ffmpeg mp4解码优化

1).对IDCT汇编化,并优化VLD的实现   ->inline&汇编化
2).根据ARM9 cache&cache line的大小做MB的分组,使得每次可以同时处理多个MB
  即对多个MB在一个循环内做VLD--->IDCT-->MC--.......  ->耦合
3).优化关键代码段的内存访问(MC)    ->inline&汇编化
4).不要使用FFmpeg内置的img_convert()做yuv2rgb转换  ->inline&汇编化
5).对解码库做ARM指令集优化    ->体系结构优化
  configured ffmpeg with cpu = ARMV4L would give you a better performance
  If you have IPP,you can enable it, you can obtain huge enhancement
  IPP=Intel? Integrated Performance Primitives intel高性能构件库(only for xScale)
 
(2)用xvid来做，ffmpeg包含的解码库太多，如果你只做MPPEG4解码，何必用这么复杂的库.
btw，在嵌入式系统中最好用0.9.2版的xvid。因为1.1.0的版本包含了很多AS的特性，通常在
嵌入式系统中都不需要用，并且也不容易实现。要自己做编码算法的话，不能总想依赖别人
，最好还是需要自己花功夫去实现和优化。因此我觉得从实际出发的话，XVID0.9.2版的比
1.1.0的好。实际上，通常在主频400MHz的平台上，要优化XVID的算法达到CIF实时解码也还
是很容易的，最多就一个多月

2. 视频解码流程对解码带来的影响
视频解码优化一般代码量大，而且源代码往往是从其他地方获取得到的，所以阅读比较困难
，更别说优化了，最近在优化realVideo，有几点心得：
1).阅读代码前必须先熟悉流程，抓住关键的点，比如视频解码不外乎熵解码，反量化，反变
换，插值，重建，滤波，参考帧插入等。把握住这几个点，可以将代码很快分离出来。
2). 分析解码流程，了解解码需要的最小buffer是多大，各个buffer 的位宽多大。
3).根据已经知道的流程，跟踪代码buffer流向，是否存在多余的内存拷贝。想办法将buffer
减少，经验说明，减少buffer带来的速度上的提升远大于局部算法的优化。 ->耦合
4).观察程序结构顺序是否合理，不合理的程序结构会导致buffer增大。
这两天研究视频解码顺序，发现先插值后做反变换要比先做反变换再做插值效率要高许多，
原因是插值后的位宽是8bits，而往往反变换后是9bits，所以在重建之前要保存插值后的值
要比保存反变换后的值要省一半的空间，这样在重建时访问的内存就少很多了。据我了解，
大部分高效率的解码器都是先插值再反变换，而且变换后马上做重建，这样既减少内存使用
，也避免内存访问抖动太厉害，最终减少缓存不命中。 ->修改解码流程 耦合

3. cache机制对解码带来的影响
先看 http://www.hongen.com/pc/diy/know/mantan/cache0.htm
写透（直写式）和写回（回写式）有着截然不同的操作，在不同的场合，不同的内存块使用
不同的回写策略（如果你的系统可以实现的话）要比使用一种策略要高效得多。具体一点，
对于反复存取的内存块置成写回，而把一次写入而很长时间以后再使用的内存置为写透，可
以大大提高cache的效率。
第一点很容易理解，第二点就需要琢磨一下了，由于写透的操作是，当缓存有该地址的数据
时同时更新缓存和主存，当缓存没有该地址数据直接写主存，忽略缓存。当该地址的数据很
长时间后才被使用到，那么在使用的时候该数据肯定不在cache中（被替换了），所以不如直
接写入主存来得直接；
相反，如果使用写回操作，当 cache中有该地址数据，需要更新该数据，设置dirty位，很长
时间后再使用该数据或被替换的时候才将其刷进主存，这有占了茅坑不拉屎的嫌疑；而当
 cache没有该地址数据时，情况更糟糕，首先需要将相应的主存数据（一个cache line）导
 入cache，再更新数据，设置dirty位，再等待被刷回内存，这种情况不仅占用了cache的空
 间，还多一次从主存中导入数据的过程，同样占据总线，开销很大。至于为什么要先从主存
 中导入数据，是因为cache往主存回写数据时是按照一个cache line 单位来写的，但被更新
 的数据可能没有一个cache line这么多，所以为了保证数据一致性，必须先把数据导入
 cache，更新后再刷回来。
对于很多视频解码来说，帧写入过程是一个一次性的动作，只有在下一次作为参考帧时才会
被使用到，所以帧缓冲内存可以设置为写透操作，而下一次使用它的时候很可能是作为参考
帧来使用，而作为参考帧不需要反复的存取，只需一次读操作就可以了，所以效率并不会因
为不经过cache而降低。实验证明该方法可以使 mpeg4 sp解码提高20-30%的效率。
相似的内容cache操作的小技巧还有prefetch操作，prefetch操作是将主存的数据导入cache
而期间cpu不需要等待，继续下一条指令的执行，如果下一条指令也是总线的操作，那么就必
须等待prefetch完成以后再开始。所以，在使用该指令时，在prefetch指令后面插入尽可能
大于一次缓存不命中所需要的clock数对应的指令，那么prefetch与其后面的指令可以并行执
行，从而省去了等待的过程，相当于抵消缓存不命中的损失。当然，如果插入的指令太多而
cache太小，有可能prefetch的数据进入cache 后又被替换掉了，所以，这需要自己去评估。
->cache优化

4. 总结
IDCT是视频解码中关键步骤中的第一步，目前一般采用快速算法来做，如chen-wang 算法，
c语言和汇编的效果差别还是比较大的。
对一个8x8的block做idct做变换，如  
    for (i = 0; i < 8; i++)
         idct_row (block + 8 * i);
    for (i = 0; i < 8; i++)
         idct_col (block + i);
把他汇编后，主要是可以减少存储器带宽，提高存储效率，避免无谓的内存读写。
mplayer 在此方面做了很多努力，针对armv4（s3c2440属于armv4l架构）的相关文件放在
dsputil_arm_s.S文件中。但遗憾的是，它里面有一条指令PLD，cache预取指令2440是不支持
的。PLD指令属于enhanced DSP指令，在armv4E(E 既代表enhanced DSP)才被支持，因此在我
们orchid上跑的代码必须注释掉这条指令，否则编译不过.再把话题转回来，在IDCT之前，视
频压缩流通过VLD(variable lenght decode)变长解码得到DCT数据。这部分工作一般是通过
查表来加速性能，所有的编码表会预先存起来。而取视频比特流的代码通常是宏，通过宏的
扩展来达到和汇编同样的效果。在IDCT后还有关键的运动补偿和色彩空间转换两个步骤。对
运动补偿的加速也是通过汇编化，其代码也同样放在dsputil_arm_s.S 有必要一提的是在这
部分，如果有SIMD指令将会极大的提高它的速度。
color space转换是解码输出后的最重要的一步。在嵌入式系统中，一般都是采用rgb565既
16bit来表示一个像素的色彩。
一个8x8的block，它的yuv(420格式)表示如下，
                   YYYYYYYY
        YYYYYYYY
        YYYYYYYY
        YYYYYYYY
        UUUUUUUU
        VVVVVVVV
注意它的值是8bit的，通过装换方程计算，可以得到像素值。在实现中通常采用查表来加速
计算，对于每一个Y，U，V都有一个对应表。对于1个320x240的video，共76800像素。如果每
个像素在这个转换中节省10个cycle，那save下来的cpu还是相当可观的。
当色彩空间转换完后，就是通过把这个picture copy到framebuffer的内存里，这里存在一大
片的copy时间。有两方面可以注意，一是有人实现过把转换后的内存直接往framebuffer送，
减少最后所需的copy过程，这个idea确实不错，但是需要一些技巧去实现,二是copy这个过程
本省也是可以加速的，在armv5以上的体系结构里，cpu----cache---memory，其中cache和
memory的宽度是32位，但cpu和cache的bus width确是64位，用32位的成本实现了64位的存储
器。如果这个能被使用，那么理论上，copy速度可以加倍。在PC机上，一般我们的应用程序会有
fastmemorycopy这个函数，它们是用simd等特殊指令来实现，在armv5上则是通过它的总
线宽度来加速在s3c2440上不可用:( 它是v4架构。
总的来说:
(1).算法级的优化基本用无可用，ffmpeg/mplayer已经实现的相当不错，除非自己实现一个
新的decoder；
(2).在代码级，主要是通过关键代码的inline(宏，inline函数)和汇编来加速。这部分在
arm平台还是有一些潜力可挖
(3).硬件级，在这一层，cpu的体系结构决定指令集、cache的形式和大小等。如指令集是否
有enhanced DSP指令、SIMD指令，cache是否可配置、cache line大小，这些都会影响代码级
和算法级的优化
(4).系统层优化，之所以把它放在最后一层，是由于它建立在整个系统之上，只有对整个系
统包括硬件和软件有深刻的理解才能做到。
纵观优化，其实质是尽可能的去除冗余计算，最大化的利用系统硬件资源。
对于RISC架构的cpu来讲，先天不足的就是需要比较大的存储器带宽(因为RISC的指令都是基
于寄存器的,必须把操作数都load到内存才能计算)，cpu资源被过多的使用在内存的read和
write。
以下面代码为例，它是解码输出后，把yuv空间装换成rgb空间的一个片断
000111c :      
    111c:       e92d4ff0        stmdb   sp!, {r4, r5, r6, r7, r8, r9, sl, fp, lr}
    1120:       e1a0a000        mov     sl, r0
    1124:       e5900038        ldr     r0, [r0, #56]
    1128:       e1a0c001        mov     ip, r1
    112c:       e3500004        cmp     r0, #4  ; 0x4
    1130:       e24dd034        sub     sp, sp, #52     ; 0x34
    1134:       e1a00002        mov     r0, r2
    1138:       e1a01003        mov     r1, r3
    113c:       0a00055d        beq     157c
    1140:       e59d2058        ldr     r2, [sp, #88]
    1144:       e3520000        cmp     r2, #0  ; 0x0
    1148:       d1a00002        movle   r0, r2
    114c:       da00055b        ble     1574
    1150:       e59d3060        ldr     r3, [sp, #96]
    1154:       e58d1030        str     r1, [sp, #48]
    1158:       e5933000        ldr     r3, [r3]
    115c:       e59f2434        ldr     r2, [pc, #1076] ; 1598 <.text+0x1598>
    1160:       e0213193        mla     r1, r3, r1, r3
    1164:       e58d3018        str     r3, [sp, #24]
    1168:       e59d305c        ldr     r3, [sp, #92]
    116c:       e58d1000        str     r1, [sp]
    1170:       e5933000        ldr     r3, [r3]
    1174:       e79a1002        ldr     r1, [sl, r2]
    1178:       e58d301c        str     r3, [sp, #28]
    117c:       e5903008        ldr     r3, [r0, #8]
    1158:       e5933000        ldr     r3, [r3]
    115c:       e59f2434        ldr     r2, [pc, #1076] ; 1598 <.text+0x1598>
    1160:       e0213193        mla     r1, r3, r1, r3
    1164:       e58d3018        str     r3, [sp, #24]
    1168:       e59d305c        ldr     r3, [sp, #92]
    116c:       e58d1000        str     r1, [sp]
    1170:       e5933000        ldr     r3, [r3]
    1174:       e79a1002        ldr     r1, [sl, r2]
    1178:       e58d301c        str     r3, [sp, #28]
    117c:       e5903008        ldr     r3, [r0, #8]
    1180:       e59c4008        ldr     r4, [ip, #8]
    1184:       e590e000        ldr     lr, [r0]
    1188:       e59c2000        ldr     r2, [ip]
    118c:       e5900004        ldr     r0, [r0, #4]
    1190:       e59cc004        ldr     ip, [ip, #4]
    1194:       e58d3014        str     r3, [sp, #20]
    1198:       e1a011c1        mov     r1, r1, asr #3  ;h_size
    119c:       e3a03000        mov     r3, #0  ; 0x0
    11a0:       e58d4010        str     r4, [sp, #16]
    11a4:       e58d2004        str     r2, [sp, #4]
    11a8:       e58de020        str     lr, [sp, #32]
    11ac:       e58d000c        str     r0, [sp, #12]
    11b0:       e58dc008        str     ip, [sp, #8]
    11b4:       e58d1028        str     r1, [sp, #40]
    11b8:       e58d3024        str     r3, [sp, #36]
    11bc:       e1a08003        mov     r8, r3
    .................................................
    .................................................
我们可以发现在这个片断中有太多的ldr(load, read from memory)和
str(store, wirte to memory),而且过多的load和str还影响了cpu和memory之间的cache的效
率，形成cache抖动。当发生cache miss时，cahce控制器花了大力气把内容从memory搬到
cache，但是没怎么用这个entry马上又被替换掉。如果运气不好，cache就一直这样"抖动"。
在解码过程中，各个模块都各自为战，都各自去占比较大的memory带宽
如何减少这种无用的行为呢？必须让关键代码适应硬件体系结构，把数据流相关的代码耦合
在一起。很多代码通过模块化得到了优秀的可读性和可扩展性。鱼与熊掌不可兼得，耦合在
一起的代码会显得比较晦涩难懂。ffmpeg/mplayer在这方面作了一个比较好的trade-off。
1、2、3的知识摘自网上，要比较好的理解以上内容需要一些视频编、解码的知识。

BTW:http://blog.csdn.net/weixianlin/archive/2008/05/01/2358035.aspx