# Phase 2 Godot VavCore 최적화 설계 문서

*생성일: 2025-09-28*
*대상: Godot VavCore Demo 성능 최적화*
*기반: Phase 1 멀티스레딩 아키텍처*

## 📋 **목차**

- [프로젝트 개요](#-프로젝트-개요)
- [Phase 2 최적화 목표](#-phase-2-최적화-목표)
- [구현된 최적화 시스템](#-구현된-최적화-시스템)
- [아키텍처 설계](#-아키텍처-설계)
- [성능 향상 예측](#-성능-향상-예측)
- [구현 상세](#-구현-상세)
- [테스트 및 검증](#-테스트-및-검증)

## 🎯 **프로젝트 개요**

### **배경**
Godot VavCore Demo에서 4K AV1 비디오 재생 시 성능 병목점이 발견되었습니다. Phase 1에서 기본적인 최적화(텍스처 재사용, 메모리 복사 최적화)를 완료했으나, 여전히 메인 스레드 블로킹과 메모리 할당 오버헤드 문제가 존재했습니다.

### **현재 상태 (Phase 1 완료)**
- ✅ **멀티스레드 기반**: Background Decoding Thread + Main UI Thread 분리
- ✅ **4K 비디오 재생**: 3840x2160 AV1 비디오 정상 재생 확인
- ✅ **GPU YUV 렌더링**: BT.709 셰이더 기반 하드웨어 가속
- ⚠️ **성능 이슈**: 15-25fps 불안정, 메모리 할당 오버헤드, UI 블로킹

## 🚀 **Phase 2 최적화 목표**

### **주요 목표**
1. **4K AV1 비디오 25-30fps 안정적 재생** 달성
2. **UI 완전 반응성** 확보 (메인 스레드 블로킹 제거)
3. **메모리 효율성 90% 향상** (객체 재사용 시스템)
4. **적응형 품질 조정** 자동화

### **성능 목표 지표**
- **프레임 시간**: 20-25ms → 8-12ms (50-60% 개선)
- **메모리 할당**: 360MB/sec → 36MB/sec (90% 감소)
- **UI 반응성**: 블로킹 → 완전 분리 (∞% 개선)
- **프레임 안정성**: 불규칙 → 일정한 FPS 유지

## ✅ **구현된 최적화 시스템**

### **1. Memory Pool 시스템**
**목적**: Godot Image, ImageTexture, byte[] 배열 재사용으로 GC 압박 해결

**구현 컴포넌트**:
```csharp
private class MemoryPool
{
    private readonly Queue<Image> _imagePool;           // Image 객체 재사용
    private readonly Queue<ImageTexture> _texturePool;  // ImageTexture 재사용
    private readonly Queue<byte[]> _dataBufferPool;     // byte[] 배열 재사용
    private const int MAX_POOL_SIZE = 10;               // Pool 크기 제한
}
```

**핵심 기능**:
- **Hit Rate 추적**: 95%+ 캐시 적중률 달성 목표
- **크기 검증**: 동일한 해상도/포맷만 재사용
- **자동 정리**: 초과 객체 자동 Dispose

### **2. 고급 성능 모니터링 시스템**
**목적**: 실시간 성능 분석 및 적응형 품질 조정

**구현 컴포넌트**:
```csharp
private class AdvancedPerformanceMonitor
{
    private Queue<double> _decodingTimes;    // 디코딩 시간 추적
    private Queue<double> _renderingTimes;   // 렌더링 시간 추적
    private Queue<double> _totalFrameTimes;  // 전체 프레임 시간
    private Queue<int> _queueSizes;          // 프레임 큐 상태
}
```

**핵심 기능**:
- **분리된 측정**: Decode/Render/Total 시간 개별 추적
- **적응형 조정**: 연속 느린 프레임 감지 시 품질 자동 조정
- **프레임 스킵**: 극한 상황에서 부드러운 재생 유지

### **3. Shader Parameter 캐싱**
**목적**: 불필요한 GPU 호출 최소화

**구현 방식**:
```csharp
private struct CachedShaderParams
{
    public int width, height;
    public int y_size, u_size, v_size;
    public int y_offset, u_offset, v_offset;
}
```

**최적화 효과**:
- **변경 감지**: 파라미터가 실제 변경된 경우에만 업데이트
- **8개 호출 → 0개**: 동일 해상도에서 완전 스킵 (99% 케이스)

### **4. 멀티스레드 아키텍처 (Phase 1 기반)**
**목적**: CPU 디코딩과 GPU 렌더링 완전 분리

**아키텍처**:
```
[Background Decode Thread]    [Main UI Thread]
├── VavCore Decode (8-15ms)   ├── Frame Queue Check (0.1ms)
├── Frame Queue Push          ├── GPU Render (3-5ms)
└── Performance Recording     └── UI Events (Responsive)
```

## 🏗️ **아키텍처 설계**

### **전체 시스템 플로우**
```mermaid
graph TD
    A[Background Thread] --> B[VavCore Decode]
    B --> C[Performance Monitor]
    C --> D[Frame Queue]
    D --> E[Main Thread Timer]
    E --> F[Memory Pool]
    F --> G[Cached Shader Params]
    G --> H[GPU Render]
    H --> I[Performance Analysis]
    I --> J[Adaptive Quality]
```

### **메모리 플로우 최적화**
```
Before: [New Image] → [New Texture] → [GC Pressure] → [Performance Drop]
After:  [Pool Hit] → [Reuse Object] → [Zero GC] → [Stable Performance]
```

### **스레드 분리 최적화**
```
Before: [UI Thread]: Decode(8ms) + Render(3ms) + UI(BLOCKED) = 11ms
After:  [Decode Thread]: Decode(8ms) || [UI Thread]: Render(3ms) + UI(0ms) = 3ms
```

## 📊 **성능 향상 예측**

### **구체적 성능 지표**

| **최적화 영역** | **Before** | **After** | **향상률** |
|----------------|------------|-----------|-----------|
| **프레임 시간** | 20-25ms | 8-12ms | **50-60%** |
| **메모리 할당** | 360MB/sec | 36MB/sec | **90%** |
| **UI 반응성** | 블로킹 | 분리 | **∞%** |
| **FPS 안정성** | 15-25fps | 25-30fps | **67%** |

### **최적화 기여도 분석**

| **최적화 요소** | **절약 시간** | **기여도** |
|----------------|--------------|-----------|
| Memory Pool | 3-5.5ms | 35% |
| 멀티스레드 분리 | 5ms | 40% |
| Shader 캐싱 | 0.5-1ms | 8% |
| 기타 최적화 | 1-2ms | 17% |
| **총 개선** | **9.5-13.5ms** | **50-60%** |

### **시나리오별 예측**

#### **4K AV1 재생 (최고 부하)**
```
현재: 16-29ms → 15-25fps (불안정)
예측: 8-12ms → 25-30fps (안정)
향상: +67% FPS, 끊김 현상 제거
```

#### **1080p AV1 재생 (일반적)**
```
현재: 8-15ms → 25-30fps
예측: 4-7ms → 30fps 완전 안정
향상: +20% FPS, 완벽한 부드러움
```

## 🔧 **구현 상세**

### **Memory Pool 구현**

#### **클래스 구조**
```csharp
private class MemoryPool
{
    // Pool 컨테이너
    private readonly Queue<Image> _imagePool = new Queue<Image>();
    private readonly Queue<ImageTexture> _texturePool = new Queue<ImageTexture>();
    private readonly Queue<byte[]> _dataBufferPool = new Queue<byte[]>();

    // 동기화 및 제한
    private readonly object _poolLock = new object();
    private const int MAX_POOL_SIZE = 10;

    // 통계 추적
    private int _imagePoolHits = 0;
    private int _imagePoolMisses = 0;
}
```

#### **핵심 메서드**
```csharp
public Image GetImage(int width, int height, Image.Format format)
{
    lock (_poolLock)
    {
        if (_imagePool.Count > 0)
        {
            var image = _imagePool.Dequeue();
            if (image.GetWidth() == width && image.GetHeight() == height && image.GetFormat() == format)
            {
                _imagePoolHits++;
                return image; // Pool Hit
            }
            else
            {
                image?.Dispose(); // 크기 불일치
            }
        }
        _imagePoolMisses++;
        return Image.CreateEmpty(width, height, false, format); // Pool Miss
    }
}
```

### **고급 성능 모니터링 구현**

#### **적응형 품질 조정 로직**
```csharp
private void CheckForQualityAdjustment(double frameTime)
{
    const double SLOW_THRESHOLD = 40.0; // 25fps (너무 느림)
    const double FAST_THRESHOLD = 25.0; // 40fps (충분히 빠름)

    if (frameTime > SLOW_THRESHOLD)
    {
        _consecutiveSlowFrames++;
        _consecutiveFastFrames = 0;
    }
    else if (frameTime < FAST_THRESHOLD)
    {
        _consecutiveFastFrames++;
        _consecutiveSlowFrames = 0;
    }
}

public bool ShouldReduceQuality()
{
    if (_consecutiveSlowFrames >= SLOW_FRAME_THRESHOLD && !_qualityReductionActive)
    {
        _qualityReductionActive = true;
        return true; // 품질 감소 트리거
    }
    return false;
}
```

### **멀티스레드 통합**

#### **Background Decoding Loop**
```csharp
private void BackgroundDecodingLoop()
{
    while (_isDecodingActive && !token.IsCancellationRequested)
    {
        // Phase 2: 디코딩 시간 측정 시작
        _performanceMonitor.RecordDecodeTime();

        // VavCore 디코딩
        int result = vavcore_decode_next_frame(_vavCorePlayer, out frame);

        if (result == 0) // 성공
        {
            _frameQueue.Enqueue(frame);
            _performanceMonitor.RecordQueueSize(_frameQueue.Count);
        }
    }
}
```

#### **Main Thread Timer Callback**
```csharp
private void OnMultithreadedPlaybackTimer()
{
    // Phase 2: 전체 프레임 시간 측정
    _performanceMonitor.RecordTotalFrameTime();

    // 적응형 품질 체크
    if (_performanceMonitor.ShouldReduceQuality())
    {
        GD.Print("QUALITY REDUCTION triggered");
    }

    // 프레임 스킵 체크
    if (_performanceMonitor.ShouldSkipFrame())
    {
        return; // 프레임 스킵
    }

    // 프레임 렌더링
    if (_frameQueue.TryDequeue(out VavCoreVideoFrame frame))
    {
        _performanceMonitor.RecordRenderTime();
        DisplayFrameGPU(frame); // Memory Pool 사용
    }
}
```

## 🧪 **테스트 및 검증**

### **성능 측정 지표**

#### **실시간 모니터링 (2초마다 출력)**
```log
VavCorePlayer: PERFORMANCE STATS
  FPS: 30.1 | Decode: 8.5ms | Render: 2.3ms
  Total: 33.2ms | Queue: 4.2 | Quality Reduction: False

Memory Pool Stats (2초마다)
  Image: 95.2% hit rate (58/61)
  Texture: 92.1% hit rate (35/38)
  Buffer: 98.7% hit rate (152/154)
```

#### **품질 조정 알림 (필요시)**
```log
VavCorePlayer: QUALITY REDUCTION triggered - FPS: 22.1, Queue: 1.2
VavCorePlayer: QUALITY RESTORATION triggered - FPS: 32.5, Queue: 4.8
VavCorePlayer: FRAME SKIP triggered - FPS: 18.3, Queue: 0.5
```

### **테스트 시나리오**

#### **1. 4K AV1 스트레스 테스트**
- **파일**: 3840x2160 AV1 비디오
- **목표**: 25-30fps 안정적 재생
- **측정**: 프레임 시간, Memory Pool Hit Rate, UI 반응성

#### **2. 장시간 재생 테스트**
- **지속**: 10분 이상 연속 재생
- **목표**: 메모리 누수 없음, 성능 저하 없음
- **측정**: 메모리 사용량, Pool 효율성

#### **3. 적응형 품질 테스트**
- **시나리오**: 의도적 CPU 부하 생성
- **목표**: 자동 품질 조정으로 안정적 재생 유지
- **측정**: 품질 변경 빈도, FPS 안정성

### **검증 기준**

#### **성공 기준**
- ✅ **Memory Pool Hit Rate**: 90% 이상
- ✅ **4K 평균 FPS**: 25fps 이상 안정적 유지
- ✅ **UI 반응성**: 비디오 재생 중 UI 조작 지연 없음
- ✅ **메모리 사용량**: 기존 대비 70% 이하
- ✅ **적응형 조정**: 부하 상황에서 자동 품질 조정

#### **실패 기준**
- ❌ Memory Pool Hit Rate 80% 미만
- ❌ 4K 재생 시 20fps 미만으로 떨어짐
- ❌ UI 블로킹 현상 발생
- ❌ 메모리 누수 감지

## 📈 **향후 확장 계획**

### **Phase 3 계획 (선택적)**
1. **RenderingDevice 직접 활용**: Zero-Copy GPU Pipeline
2. **Godot GDExtension**: 네이티브 C++ 플러그인으로 최대 성능
3. **오디오 통합**: VavCore 오디오 디코딩 추가
4. **네트워크 스트리밍**: 실시간 스트리밍 지원

### **크로스 플랫폼 확장**
1. **Android**: Vulkan API 최적화
2. **iOS**: Metal API 최적화
3. **Linux**: OpenGL 최적화
4. **macOS**: Metal API 통합

## 🎯 **결론**

Phase 2 최적화를 통해 **Godot VavCore Demo의 성능을 50-60% 향상**시키고, **완전한 UI 반응성**과 **메모리 효율성 90% 개선**을 달성할 것으로 예상됩니다.

특히 **Memory Pool 시스템**과 **고급 성능 모니터링**은 Vav2Player에도 적용 가능한 범용적 최적화 기법으로, 전체 VavCore 에코시스템의 성능 향상에 기여할 수 있습니다.

**핵심 달성 목표**:
- 🎯 **4K AV1 비디오 25-30fps 안정적 재생**
- 🎯 **UI 완전 반응성 확보**
- 🎯 **메모리 사용량 90% 감소**
- 🎯 **적응형 품질 조정 자동화**

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*문서 버전: 1.0*
*최종 업데이트: 2025-09-28*
*작성자: Claude Code*