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視頻并行處理系統(tǒng)分析與設(shè)計
摘要：視頻數(shù)據(jù)處理的特點是數(shù)據(jù)量大，而且各種視頻處理模塊的數(shù)據(jù)交換頻繁，實時性要求高。為了滿足海量視頻數(shù)據(jù)的處理，提出了一種利用非透明橋連接多個CPU橋連的硬件架構(gòu)及其并行處理方法，實現(xiàn)視頻的并行處理。本系統(tǒng)突破了單個高性能CPU的計算能力，大大提高了海量視頻信號的處理能力;而且該處理方法不會單純地依靠硬件技術(shù)如CPU處理速度等的發(fā)展，可以通過合理調(diào)節(jié)視頻處理步驟來實現(xiàn)快速視頻處理的功能。
關(guān)鍵詞：非透明橋;并行運算;視頻;同步機制;PCI-E協(xié)議
引言
圖像與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，是人類獲取和交換信息的主要來源，據(jù)統(tǒng)計人類有80%以上的信息來自于圖像。隨著數(shù)字化進程的加速普及，人們對視頻的需求提出了更高要求，電視、內(nèi)容、數(shù)字?jǐn)z像機等提供的各種形式視頻正在向高清轉(zhuǎn)變。高清晰度的視頻在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，3D技術(shù)也日趨成熟，需要對海量視頻數(shù)據(jù)進行復(fù)雜處理的應(yīng)用越來越多，這對視頻處理技術(shù)提出了一個新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的視頻處理多采用GPU( Graphic Processing Unit圖形處理器)進行，限于目前單個顯卡的處理能力有限，需要同時對一個大屏幕的高清視頻數(shù)據(jù)進行紋理映射、顏色混合、3D渲染等操作的場合已經(jīng)很難勝任了。近年來，對于視頻并行運算的研究取得了很多進展，提出了很多的解決辦法，但是這些辦法都是僅僅解決了視頻處理中的某一個問題。例如目前利用網(wǎng)絡(luò)進行并行運算的計算機系統(tǒng)，雖然其并行運算的能力較強，但是對于海量的視頻數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳輸能力有很大的局限|生：網(wǎng)絡(luò)帶寬不足以實時地傳輸信號，這導(dǎo)致出現(xiàn)圖像無法流暢顯示的問題，隨著目前需要處理的視頻數(shù)據(jù)量的增加，這種缺陷已越來越嚴(yán)重。
一、非透明橋技術(shù)
非透明橋顧名思義是一座連接兩端處理器的橋梁，且兩端的處理器均有獨立的地址空間，橋兩端的主機不能看到另外一個主機完整的地址或者I/O空間。在非透明橋環(huán)境中，PCIExpress系統(tǒng)需要在從一個內(nèi)存地址空間穿越到另一個地址空間時進行地址翻譯。每一個非透明橋(NTB)端口都有兩套基地址寄存器(BAR)，一套是給主設(shè)備端用的，另一套是給從設(shè)備端用的�；刂芳拇嫫骺捎脕矶x在非透明橋另一端的內(nèi)存地址空間的地址翻譯窗口，并允許這個翻譯被映射到本地的內(nèi)存或I/O空間。
非透明橋允許橋兩邊的主機通過便箋寄存器、門鈴寄存器和心跳消息來交換一些狀態(tài)信息。便箋寄存器在非透明橋的兩端都是可讀寫的，但是，便箋寄存器的數(shù)量在具體的實現(xiàn)中是可以不同的。他們可以被橋兩邊的設(shè)備用來傳送一些狀態(tài)信息，也可作為通用的可讀可寫寄存器使用。門鈴寄存器被用來從非透明橋的一邊向另一邊發(fā)送中斷。非透明橋的兩邊一般都有軟件可以控制的中斷請求寄存器和相應(yīng)的中斷屏蔽寄存器。這些寄存器在非透明橋的兩邊都是可以被訪問的。心跳消息一般來自主設(shè)備端往從設(shè)備端的主機，可用來指示它還活著。從設(shè)備主機可監(jiān)控主設(shè)備主機的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)出錯，它就可以采取一些必要的措施。通過門鈴寄存器可以傳送心跳消息。當(dāng)從設(shè)備主機沒有收到一定數(shù)量預(yù)先規(guī)定好的心跳消息時，就可以認為主設(shè)備的主機出錯了。
二、視頻處理系統(tǒng)架構(gòu)
本文提出了一種并行視頻處理的系統(tǒng)架構(gòu)，具體見圖1，該并行視頻處理系統(tǒng)包括了多個視頻處理系統(tǒng)，一個非透明橋和一個視頻輸出系統(tǒng)。視頻處理系統(tǒng)主要完成規(guī)定的各種視頻處理，視頻輸出系統(tǒng)負責(zé)完成視頻數(shù)據(jù)對屏幕的輸出。非透明橋(NTB)用于連接視頻處理系統(tǒng)和視頻輸出系統(tǒng)，控制數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的交互通過非透明橋芯片實現(xiàn)：非透明橋為系統(tǒng)之間提供一個高速的數(shù)據(jù)交換通道和通信的橋梁。多個視頻處理系統(tǒng)和一個視頻輸出系統(tǒng)通過PCI-E總線和非透明橋(NTB)相連接，利用NTB的交換( switch)功能，實現(xiàn)多個視頻系統(tǒng)之間的點對點通信。各個視頻處理系統(tǒng)之間相互連接，每個視頻處理系統(tǒng)都可以單獨和任意一個視頻處理系統(tǒng)之間通信和進行海量數(shù)據(jù)傳輸：視頻輸出系統(tǒng)通過非透明橋的連接，也可以和任意一個視頻處理系統(tǒng)連接，視頻處理系統(tǒng)可以將任意一個視頻處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出給屏幕顯示。每個視頻處理系統(tǒng)具有一個或多個外圍設(shè)備相關(guān)聯(lián)的信息處理模塊，外圍設(shè)備信息通過PCI-E協(xié)議進出傳輸。
數(shù)據(jù)傳輸中采用了高速的PCI-E傳輸通道，該并行架構(gòu)系統(tǒng)解決了海量視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題，為并行處理提供了硬件基礎(chǔ)。單通道的PCI―E總線帶寬可以達到lOGbps，該總線有Xl、X2、X4、X8和X16、X32(X32目前還不支持)通道規(guī)格可選，如果采用X4，通道的總帶寬可以達到40Gbps(PCI-E 2.0協(xié)議)，單方向帶寬可以達到20Gbps。超寬的P CI-E數(shù)據(jù)傳輸通道為海量視頻數(shù)據(jù)提供了高速通道。例如逐行掃描制式，幀率通常為60Hz的1080P無壓縮視頻，傳輸需要3Gbps的數(shù)據(jù)通道，采用PCI-E通道可以傳輸多個1080P視頻數(shù)據(jù)，保證了視頻信號傳輸?shù)牧鲿场?/p>
三、視頻并行處理方法
在圖像處理的過程中，需要對圖像進行紋理映射、顏色混合、深度緩沖、模板緩沖等步驟。這些串行步驟的執(zhí)行均需要非常大的計算量，并且耗時。因此，在上述的并行視頻處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種并行視頻處理的方法。我們這里將視頻圖像的處理分成若干個步驟，分別由不同的視頻處理系統(tǒng)來處理，最后完成視頻圖像的處理并通過視頻輸出系統(tǒng)進行輸出顯示。每個視頻處理系統(tǒng)都具備任意一個圖像處理步驟的功能，它根據(jù)上一個數(shù)據(jù)流攜帶的處理命令來執(zhí)行相應(yīng)的處理。我們在傳輸過程中對視頻流數(shù)據(jù)進行打包，一包數(shù)據(jù)可以包含一幀圖像或者幾十幀圖像，這可以根據(jù)實際的需求而定，原則是數(shù)據(jù)交換的次數(shù)越少越好，但是數(shù)據(jù)包也不能太大，以至于影響到圖像處理的時間。在數(shù)據(jù)包里邊，專門指定了一個位置用于包含視頻數(shù)據(jù)處理命令。該處理命令在該包數(shù)據(jù)被成功處理后，該位置的處理命令改為下一個處理命令。若該包數(shù)據(jù)沒有被成功處理，該處理命令不變。
該方法人為地將需要使用的視頻處理過程分為若干個步驟，每個步驟分塊的原則是處理時間基本相等：視頻處理步驟的粒度可大可小，小至包括一個視頻數(shù)據(jù)的深度緩沖或者對數(shù)變換，大至視頻數(shù)據(jù)的整個3D渲染過程：每個視頻處理步驟由系統(tǒng)內(nèi)的單個視頻處理系統(tǒng)進行處理，同時考慮到每個處理步驟的時間差異性問題，提出了一種同步機制：在處理過程中，同一個時間內(nèi)，每個視頻處理步驟是同時在每個視頻處理系統(tǒng)進行的，達到了并行處理的效果：最后處理好的數(shù)據(jù)統(tǒng)一由高速的PCI-E通道送至視頻輸出系統(tǒng)進行輸出顯示。
因為有了各個視頻處理系統(tǒng)間的高速PCI-E通道，所以數(shù)據(jù)包傳送的時間相對于圖像處理步驟的時間來說非常少。每個圖像處理步驟都包含了一個完整的流程，如圖2所示。
我們可以將圖像處理的過程分為A、B、C、D四個步驟，每個步驟在一個視頻處理系統(tǒng)中執(zhí)行。如圖3所示，我們采用視頻處理系統(tǒng)并行做圖像處理。
在Tl時間周期內(nèi)，由視頻處理系統(tǒng)1發(fā)起圖像處理的命令，并且將完成了圖像處理步驟A后的數(shù)據(jù)打包，同時加上圖像處理步驟B的處理命令，發(fā)送到視頻處理系統(tǒng)2。發(fā)送完數(shù)據(jù)以后，視頻處理系統(tǒng)1繼續(xù)對后續(xù)進來的視頻流信號做處理。在T2時間周期內(nèi)，視頻處理系統(tǒng)2接收到視頻處理系統(tǒng)1發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包后，首先分析其圖像處理命令，發(fā)現(xiàn)是圖像處理的步驟B，便完成步驟B，同時打包該處理完的數(shù)據(jù)并加上圖像處理步驟C的處理命令，將數(shù)據(jù)發(fā)送到視頻處理系統(tǒng)3。發(fā)送完數(shù)據(jù)后視頻處理系統(tǒng)2繼續(xù)完成其后續(xù)視頻流的處理。在T3時間周期內(nèi)，視頻處理系統(tǒng)1和視頻處理系統(tǒng)2在進行視頻圖像處理的同時，視頻處理系統(tǒng)3接收到發(fā)過來的視頻數(shù)據(jù)包后，對處理步驟命令進行分析，完成步驟C的處理：處理完畢，數(shù)據(jù)打包并添加步驟D的處理命令后發(fā)送到視頻處理系統(tǒng)4。視頻處理系統(tǒng)3繼續(xù)完成后續(xù)的視頻流的處理。在T4時間周期內(nèi)，視頻處理系統(tǒng)1和視頻處理系統(tǒng)2在進行視頻圖像處理的同時，視頻處理系統(tǒng)3接收到發(fā)過來的視頻數(shù)據(jù)包后，對處理步驟命令進行分析，完成步驟C的處理：處理完畢，數(shù)據(jù)打包并添加步驟D的處理命令后發(fā)送到視頻處理系統(tǒng)4。視頻處理系統(tǒng)3繼續(xù)完成后續(xù)的視頻流的處理。在T4的時間周期內(nèi)，視頻處理系統(tǒng)1、視頻處理系統(tǒng)2和視頻處理系統(tǒng)3同時在做視頻圖像處理：視頻處理系統(tǒng)4接收到數(shù)據(jù)后，判斷處理命令，完成步驟D的處理，此時該包圖像全部處理完畢，便送視頻輸出系統(tǒng)進行顯示。
上述的處理過程只是一個基本視頻數(shù)據(jù)并行處理方法，它的一個關(guān)鍵在于整個圖像處理步驟時間的合理安排，要求每個操作步驟的劃分合理。如果前級操作時間恰好等于后級的操作時間，則最為簡單，前級的輸出直接匯入后級的輸入即可：如果前級操作時間大于后級的操作時間，則需要對前級的輸出數(shù)據(jù)適當(dāng)緩存才能匯入到后級輸入端：如果前級操作時間恰好小于后級的操作時間，則必須通過復(fù)制邏輯，將數(shù)據(jù)流分流，或者在前級對數(shù)據(jù)采用存儲、后處理方式，否則會造成后級數(shù)據(jù)溢出。
四、同步機制與異常處理
為了解決數(shù)據(jù)溢出問題，本文在對圖像處理步驟進行劃分時，盡量使得每個步驟的處理時間都相同，這樣可以很大程度上緩解前后級之間處理時間不一致造成的矛盾：同時引入同步機制，在多個視頻處理系統(tǒng)之間建立一個同步信息傳遞機制，每個視頻數(shù)據(jù)包被處理后往同步處理模塊發(fā)送一個值，當(dāng)在一個時間周期內(nèi)所有的處理步驟往同步處理模塊發(fā)送了處理完畢的值后，由同步處理模塊發(fā)送視頻數(shù)據(jù)流統(tǒng)一下傳的命令。
圖4為同步模塊處理流程，每次進入一個新的視頻圖像處理流程后，同步模塊開始計數(shù);在同步模塊計數(shù)器件，圖像處理的每個步驟處理完畢后，視頻處理系統(tǒng)均會發(fā)出處理完畢命令：同步模塊接收該命令，并對此進行判斷在該圖像處理周期中所有的處理步驟是否處理完畢：如果處理完畢則發(fā)出下個處理步驟的同步信號：若沒有處理完畢則通過計數(shù)器判斷該次處理周期時間是否達到T，如果達到時間T則強制完成該處理周期，發(fā)出下一個處理步驟的同步信號，如果沒有達到時間T則轉(zhuǎn)入判斷所有步驟是否處理完畢的流程中。
當(dāng)強制同步信號到來時，由于某種特殊情況，視頻處理系統(tǒng)對于本系統(tǒng)的圖像處理步驟無法完成，如圖5所示，在T3周期，視頻處理系統(tǒng)3處理出錯。此時，為了不影響整個處理流程的時間，將數(shù)據(jù)包繼續(xù)往下一級發(fā)送，并且執(zhí)行相同的處理步驟。在T3時間周期，本來由視頻處理系統(tǒng)3完成的處理步驟C，出錯后，在T4時間周期，由視頻處理系統(tǒng)4完成。上述提到圖像處理步驟A、B、C、D可以根據(jù)不同的應(yīng)用來定義，處理步驟的粒度可大可小。對于一些比較大粒度的功能分工，如3D處理和GIS等，也可以采用上述提到的并行處理方法完成。如圖3歷示，可以用步驟A表示3D處理，步驟B表示GIS處理，由兩個視頻處理系統(tǒng)分別完成，同時在視頻輸出進行疊加顯示：并采用方法中提到的同步機制使得兩個系統(tǒng)處理后的圖像能同時顯示。
五、結(jié)果與分析
本文根據(jù)目前一些海量數(shù)據(jù)并行處理的應(yīng)用限制，提出了通過非透明橋連接的多CPU并行出現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)，并提出了一種并行處理的方法。該并行處理方法在筆者設(shè)計的系統(tǒng)平臺中得到了實際應(yīng)用和驗證，運行效果良好，突破了單個高性能CPU計算能力，大大提高了海量視頻信號的處理能力：而且該處理方法不會單純地依靠硬件技術(shù)如CPU處理速度等的發(fā)展，可以通過合理調(diào)節(jié)視頻處理步驟來實現(xiàn)快速視頻處理的功能，具有很高的產(chǎn)品推廣價值。
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