一套高性能高灵活性的硬编解码推理技术方案

在基于NVIDIA平台上推理时，通常会遇到读取视频进行解码然后输入到GPU进行推理的需求。视频一般以RTMP/RTSP的流媒体，文件等形式出现。解码通常有VideoCapture/FFmpeg/GStreamer等选择，推理一般选择TensorRT。

NVIDIA已经为用户提供了基于GStreamer插件拼装的DeepStream Toolkit来解决上述需求，实现RTMP/RTSP/FileSystem到GStreamer再到TensorRT，从视频数据的输入到高性能解码推理，再到渲染编码，直到最终结果输出。端到端的屏蔽了细节，易于上手使用，用户只需要开发对应GStreamer插件即可轻易实现高性能解码推理。这个方案涵盖了服务端GPU、边缘端嵌入式设备的高性能支持。 由于项目的缘故，面临了大规模（96路）视频文件的同时处理，同时推理的模型种类有6种（Object Detection[Anchor base/Anchor free]、Instance Segmentation、Semantic Segmentation、Keypoint Detection、Classification），处理的模型约96个（分类器36个，检测分割60个）。项目需要极高的灵活度（模型种类和数量增加变化）、稳定性和高性能，考察DeepStream后发现其灵活度无法满足需求，因此针对该需求，使用FFMPEG、NVDEC(CUVID)、CUDA、TensorRT、ThreadPool、Lua等技术实现了一套高性能高灵活性的硬编解码推理技术方案，高扩展性，灵活的性能自动调整，任务调度。

解码器

VideoCapture/FFMPEG/NVDEC

VideoCapture基于FFMPEG，如果单独使用FFMPEG则可以做到更细粒度的性能控制，如果配合NVDEC则需要修改FFMPEG。

其中尤为重要的部分是：

a. 谨慎使用cvtColor，在OpenCV底层，cvtColor函数是一个多线程运行加速的函数，即使仅仅是CV_BGR2RGB这个通道交换的操作也如此。他是一个非常消耗CPU的操作。

通过上面可以观察到，具有64线程的服务器，也只能实时处理3路带有cvtColor的视频文件。没有cvtColor时，指标约为12路。也侧面反映了CPU解码效率其实很感人。 而cvtColor在CPU上运行的替代方案是sws_scale，具有灵活的性能配置选择。不过也仅仅是比cvtColor稍好一点，问题并没有得到解决。 颜色空间转换，第一个使用场景为H264解码后得到的是YUV格式图像，需要转换为BGR（这个过程在VideoCapture中默认存在sws_scale，输出图像为BGR格式）。第二个使用场景是神经网络推理所需要的转换（训练时指定为RGB格式）。 解决方案是： 1) 使用BGR进行训练，尽量避免颜色空间转换； 2) 使用FFMPEG解码，并输出YUV格式，使用CUDA把YUV格式转换为BGR，同时还进行进行标准化、BGRBGRBGR转为BBBGGGRRR等推理常有操作。实现多个步骤合并为一个cuda核，降低数据流转，提升吞吐量。例如yolov5，则可以把Focus也合并到一个cuda核中。如果需要中心对齐等操作，依旧可以把仿射变换矩阵传入到cuda核中，一次完成整个预处理流程。 下图为同时实现归一化、focus、bgr到rgb、bgrbgrbgr转bbbgggrrr共4个操作。

b. 仅考虑CPU解码，使用FFMPEG可以配合nasm编译(--enable_asm)支持CPU的SIMD流指令集(SSE、AVX、MMX)，比默认VideoCapture配置的ffmpeg性能更好。同时还可以根据需要配置解码所使用的线程数，控制sws_scale、decode的消耗。

编码而言，ffmpeg可以使用preset=veryfast实现更高的速度提升于VideoWriter，设置合理的gop_size、bit_rate可以实现更加高效的编码速度、更小的编码后文件、以及更快的解码速度。

c. NVDEC是一个基于CUDA的GPU硬件解码器库，CUVID（NVENC）是编码库。

地址是：https://developer.nvidia.com/nvidia-video-codec-sdk

对于ffmpeg配合NVDEC时，需要修改libavutil/hwcontext_cuda.c:356 对于hwctx->cuda_ctx 的创建不能放到ffmpeg内部进行管理。这对于大规模（例如超过32路同时创建解码器时）是个灾难。硬件解码的一个核心就是CUcontext的管理，CUcontext应该在线程池的一个线程上下文中全局存在一个，而不是重复创建。TensorRT的模型加载时（cudaStreamCreate时），会在上下文中创建CUcontext，直接与其公用一个context即可。

对于没有合理管理CUcontext的，异步获取ffmpeg的输出数据会存在异常并且难以排查。如果大规模同时创建32个解码器，则同时执行的程序，其前后最大时长差为32秒。并且由于占用GPU显存，导致程序稳定性差，极其容易出现OOM。

frames_ctx->format指定为AV_PIX_FMT_CUDA后，解码出的图像数据直接在GPU显存上，格式是YUV_NV12，可以直接在显卡上对接后续的pipline。

在ffmpeg解码流程中，配合硬件解码，需要在avcodec_send_packet/avcodec_decode_video2之前，将codec_ctx_->pix_fmt设置为AV_PIX_FMT_CUDA，该操作每次执行都需要存在，并不是全局设置一次。

基于以上的结论为：

a) CPU编解码，使用配置了nasm的ffmpeg进行，避免使用VideoCapture/VideoWriter；

b) GPU编解码，服务器使用配置了NVDEC的ffmpeg进行，嵌入式使用DeepStream（不支持NVDEC）；

c) 避免使用cvtColor，尽量合并为一个cuda kernel减少数据扭转实现多重功能。

CUDA/TensorRT

关于推理的一些优化

a. 对于图像预处理部分，通常有居中对齐操作：把图像等比缩放后，图像中心移动到目标中心。通常可以使用resize+ROI复制实现，也可以使用copyMakeBorder等CPU操作。

在这里推荐采用GPU的warpAffine来替代resize+坐标运算。原因是warpAffine可以达到一样效果，并且代码逻辑简单，而且更加容易实现框坐标反算回图像尺度。对于反变换，计算warpAffine矩阵的逆矩阵即可（使用invertAffineTransform）。GPU的warpAffine实现，也仅仅只需要实现双线性插值即可。

b. 注意计算的密集性问题。

cudaStream的使用，将图像预处理、模型推理、后处理全部加入到同一个cudaStream中，使得计算密集性增加。实现更好的计算效率，统一的流进行管理。所有的GPU操作均采用Async异步，并尽可能减少主机到显存复制的情况发生。方案是定义MemoryManager类型，实现自动内存管理，在需要GPU内存时检查GPU是否是最新来决定是否发生复制操作。取自caffe的blob类。

c. 检测器通常遇到的sigmoid操作，是一个可以加速的地方。

例如通常onnx导出后会增加一个sigmoid节点，对数据进行sigmoid变为概率后进行后处理得到结果。Yolov5为例，我们有BxHxWx [(num_classes + 5) * num_anchor]个通道需要做sigmoid，假设B=8，H=80，W=80，num_classes=80，num_anchor=3，则我们有8x80x80x255个数字需要进行sigmoid。而真实情况是，我们仅仅只需要保留confidence > threshold的框需要保留。而大于threshold的框一般是很小的比例，例如200个以内。真正需要计算sigmoid的其实只有最多200个。这之间相差65280倍。这个问题适用全部存在类似需求的检测器后处理上。 解决对策为，实现cuda核时，使用desigmoid threshold为阈值过滤掉绝大部分不满足条件的框，仅对满足的少量框进行后续计算。

d. 在cuda核中，避免使用例如1.0，应该使用1.0f。

因为1.0是双精度浮点数，这会导致这个核的计算使用了双精度计算。众所周知，双精度性能远低于单精度，更低于半精度。

线程池Thread Pool

主要利用了c++11提供的condition_variable、promise、 future、mutex、queue、thread实现。线程池是整个系统的基本单元，由于线程池的存在，轻易实现模型推理的高度并行化异步化。

使用线程池后，任务通过 commit提交，推理时序图为：

当线程池配合硬件解码后，时序图为：

此时实现了GPU运算的连续化，异步化。GPU与CPU之间没有等待。

资源管理的RAII机制

Resource Acquisition Is Initialization

在C++中，使用RAII机制封装后，具有头文件干净，依赖简单，管理容易等好处。

其要点在于：第一，资源创建即初始化，创建失败返回空指针；第二，使用shared_ptr自动内存管理，避免丑陋的create、release，new、delete等操作；第三，使用接口模式，hpp声明，cpp实现，隐藏细节。外界只需要看到必要的部分，不需要知道细节。

头文件：interface.hpp

实现文件：interface.cpp

责任编辑：lq