【视频处理】YV12ToARGB

时间：2023-03-09 18:17:39
【视频处理】YV12ToARGB

前面提到了YV12转RGB的各种实现方法和优化方法，主要是CPU上的实现。本文主要介绍基于GPU的YV12转RGB的实现。

1. 基于OpenGL的实现

利用OpenGL shader实现将YV12转RGB，将Y、U、V分量数据作为纹理数据，并构造YUV转RGB的shader代码，最终纹理数据在shader代码作用下，实现YV12转RGB。该方法适合于将YV12转RGB后直接显示，若YV12转化成RGB后，还需要进行图像处理操作，则利用OpenGL进行纹理数据的图像处理操作不方便。说明：由于本文着重于基于Cuda的实现，因而未验证基于OpenGL的代码实现。

具体资料可参考：

http://blog.****.net/xiaoguaihai/article/details/8672631

http://www.fourcc.org/source/YUV420P-OpenGL-GLSLang.c

2. 基于Cuda的实现

YV12转RGB的过程是逐一获取像素的Y、U、V分量，然后通过转换公式计算得RGB。基于CUDA的实现关键在于两个步骤：Y、U、V分量的获取，RGB的计算。Y、U、V分量的获取与YUV的内存布局有关，RGB的计算公式一般是固定不变。具体的代码实现如下所示，主要参考NV12ToARGB.cu的代码，在该代码的基础上，保持RGB的计算方法不变，修改了Y、U、V分量的获取方法。

#include "cuda.h"

#include "cuda_runtime_api.h"

#define COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE 10

#define COLOR_COMPONENT_MASK     0x3FF

__constant__ float constHueColorSpaceMat[9]={1.1644f,0.0f,1.596f,1.1644f,-0.3918f,-0.813f,1.1644f,2.0172f,0.0f};

__device__ staticvoid YUV2RGB(constint* yuvi,float* red,float* green,float* blue)

{

float luma, chromaCb, chromaCr;

// Prepare for hue adjustment

luma     =(float)yuvi[0];

chromaCb =(float)((int)yuvi[1]-512.0f);

chromaCr =(float)((int)yuvi[2]-512.0f);

// Convert YUV To RGB with hue adjustment

*red   =(luma     * constHueColorSpaceMat[0])+

(chromaCb * constHueColorSpaceMat[1])+

(chromaCr * constHueColorSpaceMat[2]);

*green =(luma     * constHueColorSpaceMat[3])+

(chromaCb * constHueColorSpaceMat[4])+

(chromaCr * constHueColorSpaceMat[5]);

*blue  =(luma     * constHueColorSpaceMat[6])+

(chromaCb * constHueColorSpaceMat[7])+

(chromaCr * constHueColorSpaceMat[8]);

}

__device__ staticint RGBA_pack_10bit(float red,float green,float blue,int alpha)

{

int ARGBpixel =0;

// Clamp final 10 bit results

red   =::fmin(::fmax(red,   0.0f),1023.f);

green =::fmin(::fmax(green,0.0f),1023.f);

blue  =::fmin(::fmax(blue,  0.0f),1023.f);

// Convert to 8 bit unsigned integers per color component

ARGBpixel =(((int)blue  >>2)|

(((int)green >>2)<<8)  |

(((int)red   >>2)<<16)|

(int)alpha);

return ARGBpixel;

}

__global__ void YV12ToARGB_FourPixel(constunsignedchar* pYV12,unsignedint* pARGB,int width,int height)

{

// Pad borders with duplicate pixels, and we multiply by 2 because we process 4 pixels per thread

constint x = blockIdx.x *(blockDim.x <<1)+(threadIdx.x <<1);

constint y = blockIdx.y *(blockDim.y <<1)+(threadIdx.y <<1);

if((x +1)>= width ||(y +1)>= height)

return;

// Read 4 Luma components at a time

int yuv101010Pel[4];

yuv101010Pel[0]=(pYV12[y * width + x    ])<<2;

yuv101010Pel[1]=(pYV12[y * width + x +1])<<2;

yuv101010Pel[2]=(pYV12[(y +1)* width + x    ])<<2;

yuv101010Pel[3]=(pYV12[(y +1)* width + x +1])<<2;

constunsignedint vOffset = width * height;

constunsignedint uOffset = vOffset +(vOffset >>2);

constunsignedint vPitch = width >>1;

constunsignedint uPitch = vPitch;

constint x_chroma = x >>1;

constint y_chroma = y >>1;

int chromaCb = pYV12[uOffset + y_chroma * uPitch + x_chroma];      //U

int chromaCr = pYV12[vOffset + y_chroma * vPitch + x_chroma];      //V

yuv101010Pel[0]|=(chromaCb <<( COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE       +2));

yuv101010Pel[0]|=(chromaCr <<((COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE <<1)+2));

yuv101010Pel[1]|=(chromaCb <<( COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE       +2));

yuv101010Pel[1]|=(chromaCr <<((COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE <<1)+2));

yuv101010Pel[2]|=(chromaCb <<( COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE       +2));

yuv101010Pel[2]|=(chromaCr <<((COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE <<1)+2));

yuv101010Pel[3]|=(chromaCb <<( COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE       +2));

yuv101010Pel[3]|=(chromaCr <<((COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE <<1)+2));

// this steps performs the color conversion

int yuvi[12];

float red[4], green[4], blue[4];

yuvi[0]=(yuv101010Pel[0]&   COLOR_COMPONENT_MASK    );

yuvi[1]=((yuv101010Pel[0]>>  COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE)       & COLOR_COMPONENT_MASK);

yuvi[2]=((yuv101010Pel[0]>>(COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE <<1))& COLOR_COMPONENT_MASK);

yuvi[3]=(yuv101010Pel[1]&   COLOR_COMPONENT_MASK    );

yuvi[4]=((yuv101010Pel[1]>>  COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE)       & COLOR_COMPONENT_MASK);

yuvi[5]=((yuv101010Pel[1]>>(COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE <<1))& COLOR_COMPONENT_MASK);

yuvi[6]=(yuv101010Pel[2]&   COLOR_COMPONENT_MASK    );

yuvi[7]=((yuv101010Pel[2]>>  COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE)       & COLOR_COMPONENT_MASK);

yuvi[8]=((yuv101010Pel[2]>>(COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE <<1))& COLOR_COMPONENT_MASK);

yuvi[9]=(yuv101010Pel[3]&   COLOR_COMPONENT_MASK    );

yuvi[10]=((yuv101010Pel[3]>>  COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE)       & COLOR_COMPONENT_MASK);

yuvi[11]=((yuv101010Pel[3]>>(COLOR_COMPONENT_BIT_SIZE <<1))& COLOR_COMPONENT_MASK);

// YUV to RGB Transformation conversion

YUV2RGB(&yuvi[0],&red[0],&green[0],&blue[0]);

YUV2RGB(&yuvi[3],&red[1],&green[1],&blue[1]);

YUV2RGB(&yuvi[6],&red[2],&green[2],&blue[2]);

YUV2RGB(&yuvi[9],&red[3],&green[3],&blue[3]);

pARGB[y * width + x     ]= RGBA_pack_10bit(red[0], green[0], blue[0],((int)0xff<<24));

pARGB[y * width + x +1]= RGBA_pack_10bit(red[1], green[1], blue[1],((int)0xff<<24));

pARGB[(y +1)* width + x     ]= RGBA_pack_10bit(red[2], green[2], blue[2],((int)0xff<<24));

pARGB[(y +1)* width + x +1]= RGBA_pack_10bit(red[3], green[3], blue[3],((int)0xff<<24));

}

bool YV12ToARGB(unsignedchar* pYV12,unsignedchar* pARGB,int width,int height)

{

unsignedchar* d_src;

unsignedchar* d_dst;

unsignedint srcMemSize =sizeof(unsignedchar)* width * height *3/2;

unsignedint dstMemSize =sizeof(unsignedchar)* width * height *4;

cudaMalloc((void**)&d_src,srcMemSize);

cudaMalloc((void**)*d_dst,dstMemSize);

cudaMemcpy(d_src,pYV12,srcMemSize,cudaMemcpyHostToDevice);

dim3 block(32,8);

int gridx =(width +2*block.x -1)/(2*block.x);

int gridy =(height +2*block.y -1)/(2*block.y);

dim3 grid(gridx,gridy);

YV12ToARGB<<<grid,block>>>(d_src,(unsignedint*)d_dst,width,height);

cudaMemcpy(pARGB,d_dst,dstMemSize,cudaMemcpyDeviceToHost);

returntrue;

}

　　线程内存访问示意图如下所示，每个线程访问4个Y、1个U、1个V，最终转换得到4个ARGB值。由于YV12属于YUV4:2:0采样，每四个Y共用一组UV分量，即Y(0,0)、Y(0,1)、Y(1,0)、Y(1,1)共用V(0,0)和U(0,0)，如红色框标注所示。

【视频处理】YV12ToARGB

3. 基于Cuda的实现优化

优化主要关注于两个方面：单个线程处理像素粒度和数据传输。单个线程处理粒度分为：OnePixelPerThread,TwoPixelPerThread,FourPixelPerThread。数据传输优化主要采用Pageable Memory，Pinned Memory，Mapped Memory(Zero Copy)。经测试，不同实现版本的转换效率如下表所示，测试序列：1920*1080，时间统计包括内核函数执行时间和数据传输时间，单位为ms。

OnePixel

TwoPixel

FourPixel

Pageable

6.91691

6.64319

6.2873

Pinned

5.31999

5.01890

4.71937

Mapped

3.39043

48.5298

23.8327

由上表可知，不使用Mapped Memory(Zero Copy)时，单个线程处理像素的粒度越大，内核函数执行的时间越小，转换效率越好。使用Mapped Memory(Zero Copy)时，单线程处理单像素时，转换效率最好。

单个线程处理四个像素时，内核函数执行时间最少；使用Pinned Memory会减少数据传输时间；使用Mapped Memory消除数据传输过程，但会增加内核函数执行时间，最终优化效果与内核函数访问内存的方式有关。建议使用Pinned Memory+FourPixelPerThread的优化版本。

　　利用NVIDIA提供的性能分析工具，分析Pinned Memory+FourPixelPerThread版本程序，分析结果如下图所示，内核计算时间占1/4左右，数据传输时间占3/4左右，总体而言，内核计算任务过少，导致并行优化的效果无法抵消数据传输的开销。

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