如何使用3D API 进行视频的高质量回放

杨竹青

近期正在制作关于如何使用3D API搭建一个高质量的视频回放后端的项目，目前公司的Backend从开始的支持RGB24,到YUV的支持。随着质量的不断提高，尤其是播放质量被SONY这样苛刻的公司接受以后，总觉得该写一些东西总结一下了。
    其实要在3D 环境播放视频并不是件困难的事情，如果仅仅是想做一个视频纹理，那么完全可以放心的做很多假设,并且让美术提供的视频都必须满足你的假设，可以使用RGB24的格式。并选择让DirectShow来为你完成YUV-RGB的color space的转化。也可以不考虑播放是不是完全流畅的,因为那仅仅是整个项目中的一个小小的部分，没人会关心这个部分的视频是不是流畅。
    但如果你做的是个播放器，一种用来播放视频的专向工具，那么质量问题以及兼容问题显得非常重要：

     1:  需要支持YUV格式，至少要支持一种： YV12。

     2:  必须考虑播放的流畅性.，不能产生Frame drop现象。

     3:  必须适应Decoder出来的frame的步调，除了保证不丢帧以外,还需要保证不会有的帧在屏幕上停留时间太长或者太短。

     4:  最后不得不考虑性能问题，因为有些视频文件是巨大的。HD的视频在1920 x 1080 这样的分辨率水准是非常常见的。Decoder会在解码的动作上耗费掉大量的CPU,留给backend的时间并不多。

        就以上问题，总结起来是两个：YUV格式的支持。并且提供性能,保证播放流畅性能。

   

下面我来说说一些解决方案：

一:YUV格式的支持.

     YUV格式其实有很多种，大类分成两类Packed和plannar。前者是YUV是压缩到一个int32里的(注意压缩)。另外一种是YUV三个分量的数据分开保存，等于三个数组。

     我们知道用3D API中，用来保存图象的资源就是纹理。对于以上两类YUV格式显然是第一种比较自然一些。但是必须注意的是packed的YUV格式通常是交错的。比如排列方式是YUYV这样排列。 因为对视频来说，Y亮度信息明显比UV色差信号要来的重要。所以说在4个字节中压缩进去两个像素的信息，这两个像素公用一个UV值。 这种格式就称为YUYV格式。

    除此之外还有其他很多对一般应用者来说可能是千奇百怪的格式. 因此,事实上packed的YUV.只是看上去比较自然,实现起来却并不是那么简单轻松.即使是比较容易实现的YUYV格式,也很难实现它的平滑滤波.

      相反来说,对于plannar的YUV格式, 我们虽然没办法用一个纹理来模拟它,但是完全可以采用三个纹理的方式来模拟它,这种方式几乎不需要在Pixel Shader做很多特殊处理,无非就是三个纹理采样动作而已.非常幸运的是,现在大部分的解码器都是直接输出YV12格式的,在一个分辨率是MxN大小的YV12格式中,的一块数据是MxN的Y信号.接下来是一块M/2 x N/2大小的U信号,最后是M/2 x N/2的V信号,也就是说,Y信号的分辨率比UV大一倍. 这样我们可以用一个MxN跟两个M/2 x N/2纹理就可以模拟出YV12格式了.并且可以自由的使用各种纹理滤波方式.

    解决了如何把YUV信号输入到3D API中,接下来就可以使用Pixel Shader来对采样的YUV信号进行调整,并转化成RGB信号,这个转化是非常简单的.代码如下:

sampler2D texYPlane;
sampler2D texUPlane;
sampler2D texVPlane;
float4 main( float2 texCoord  : TEXCOORD0 , float4 fColor : COLOR) : COLOR
...{
       float4    matYUV2RGB0 =  float4 (1.0 , 0.0    , 1.14   , 0.0);
       float4    matYUV2RGB1 =  float4 (1.0 , -0.390 , -0.58  , 0.0);
       float4    matYUV2RGB2 =  float4 (1.0 , 2.03   , 0      , 0.0);

       //输入的YUV必须加个偏移量.详细细节参见www.fourcc.org
       float4    deltaYUV = float4 (-0.00   , -0.500 , -0.500 , 0.0);

       float4 yuvColor;

       //对三个纹理进行采样
       float2 newTexCoord = float2(texCoord.x , texCoord.y);
       yuvColor.x   = tex2D( texYPlane, newTexCoord ).x;
       yuvColor.y   = tex2D( texUPlane, newTexCoord ).x;
       yuvColor.z   = tex2D( texVPlane, newTexCoord ).x;
       yuvColor.w = 1.0f;
       yuvColor = yuvColor + deltaYUV;
       //adjust color
       yuvColor = adjustColor(yuvColor);
       float4 imageColor;
       //YUV 到RGB的转换
       imageColor.x =dot(matYUV2RGB0.xyz , yuvColor.xyz);
       imageColor.y =dot(matYUV2RGB1.xyz , yuvColor.xyz);
       imageColor.z =dot(matYUV2RGB2.xyz , yuvColor.xyz);
       imageColor.w = 1.0;
       return imageColor;
}

关于adjustColor函数,主要是用来对对比度,饱和度等进行调节的,具体算法,在数字图象处理中都可以找到.关于详细的YUV资料,可以到www.fourcc.org上去找.
二: 如果提高播放的流畅性

    播放的流畅性,首先要保证性能. 如果说,解码器解码一帧的时间是40ms.那么无论如何你怎么优化,视频都不会流畅.同样的,如果视频解码器解码一帧费时是25ms.那么如果是24fps为正常播放速率,那么表示留给你去绘制的时间有16ms.在这16ms内,你必须把这一帧图象下载到GPU中,并把它绘制出去,绘制其实可以和解码是异步进行的,那么下载的动作呢?在OpenGL里我们可以采用PBO来进行纹理数据异步下载,这能大大的提高纹理更新的速度.

    另外一方面,并不是说你的更新速度足够高就能让视频看起来是流畅的,你还必须保证更新的步调和解码器输出是一致的.也就是说不能更新快,也不能更新慢了.我们可以采用两种方法来进行解码帧和绘制帧两个动作的同步.

    第一种方法,线程锁  + 标记变量. 通常绘制和解码不是在同一个线程中的,我们可以为视频输出纹理加一个锁和标记变量,当纹理正在被解码器写入的时候,我们就lock,并在unlock的时候,设置标记变量的状态为dirty.这就等于通知了绘制线程,告诉它视频帧的数据被更新,需要绘制. 而绘制线程会在进行绘制前检测标记变量,只有标记变量是dirty的时候,才进行绘制,或者可以选择不更新画面或者等待标记变量变成dirty状态.

    第二种方法,采用信号量. 我们可以声明一个HANDLE drawEvent, 当解码器更新完一帧数据才升起这个信号量.具体代码如下:

int drawFrameThreadFunc(int)
    ...{
           initDrawDevice();//分配一个Direct3D/OpenGL的设备

           while(1)
           ...{
                 //其他一些逻辑.........
                 WaitForSingleObject(drawEvent,200);
                 drawYV12VideoTexture();
                 //其他一些逻辑.........
           }
           closeDrawDevice();//关闭设备.
    }

  这两种方法,后一种比较精确,前一种相对比较自由.并且可以和有很多动态效果的GUI结合在一起.
   到此为止,我简单了介绍了高质量播放视频时候需要注意的一些问题,相对来说都是比较大的概括,细节上的问题还会更加的多.比如缩放滤波的质量,视频的反交错等问题都需要费很大的精力去完成.因此,做一个播放器的后端也不是那么简单的。