video-v1/vav2/Godot_Performance_Analysis_Report.md

Godot Demo vs Vav2Player 성능 차이 분석 및 최적화 방안

📊 현재 상황 분석

Vav2Player (WinUI3) CPU 파이프라인

• 성능: 상당히 빠른 CPU 렌더링 성능 달성
• GPU 가속: D3D12VideoRenderer로 GPU YUV→RGB 변환 (15-30배 성능 향상)
• 메모리 최적화: FramePool, 텍스처 캐싱 완전 구현

Godot Demo CPU 파이프라인

• 현재 상태: CPU 파이프라인으로 렌더링 중
• 성능 이슈: Vav2Player 대비 상대적으로 느린 처리 속도
• 최적화 여지: 여러 성능 병목점 발견

🔍 성능 차이 원인 분석

1. 메모리 복사 오버헤드

// Godot Demo - CreateSingleBlockYUVTexture() 분석
// ✅ 이미 단일 블록 복사로 최적화됨
Buffer.MemoryCopy(srcPtr, dstPtr, totalSize, totalSize);  // 1회 복사

현재 상태: ✅ 이미 최적화됨 (3번 복사 → 1번 복사)

2. Godot 특유의 성능 병목점

A. ImageTexture 생성/업데이트 패턴

// 현재 구현
var yuvImage = Image.CreateFromData((int)totalSize, 1, false, Image.Format.R8, yuvData);
if (_material.GetShaderParameter("yuv_texture").AsGodotObject() == null)
{
    yuvTexture = ImageTexture.CreateFromImage(yuvImage);  // 새 생성
}
else
{
    yuvTexture.Update(yuvImage);  // 기존 업데이트
}

병목점:

• Image.CreateFromData() 매번 호출
• Godot 내부 메모리 관리 오버헤드
• C# → Godot 네이티브 경계 전환 비용

B. 셰이더 파라미터 설정 오버헤드

// 매 프레임마다 실행
_material.SetShaderParameter("yuv_texture", yuvTexture);
_material.SetShaderParameter("y_offset", 0);
_material.SetShaderParameter("u_offset", (int)ySize);
_material.SetShaderParameter("v_offset", (int)(ySize + uSize));
_material.SetShaderParameter("y_size", (int)ySize);
_material.SetShaderParameter("u_size", (int)uSize);
_material.SetShaderParameter("frame_width", frame.width);
_material.SetShaderParameter("frame_height", frame.height);

병목점: 매 프레임마다 8개 파라미터 설정

C. Timer 기반 재생 vs 직접 루프

// 현재: Timer 기반 (33.33ms 간격)
private Timer _playbackTimer;
private double _targetFrameRate = 30.0;

병목점: Timer 정확도 및 스케줄링 오버헤드

3. Vav2Player vs Godot 아키텍처 차이

항목	Vav2Player (현재)	Godot Demo (현재)
렌더링	직접 D3D12	Godot 렌더링 엔진 경유
메모리 관리	네이티브 C++	C# + Godot 관리 메모리
텍스처 업로드	직접 GPU 메모리	Godot 텍스처 시스템
스레딩	단순화된 GPU 스레드	Godot 메인 스레드만
코드 복잡도	✅ 단순 (800줄)	🔶 중간
멀티스레드 이력	🔄 복잡한 시스템에서 단순화	❌ 멀티스레드 미적용

3.1 Vav2Player 멀티스레딩 진화 과정

과거 (복잡한 멀티스레드 시스템):

• ThreadedDecoder, OverlappedProcessor, DependencyScheduler 등 복잡한 멀티스레드 컴포넌트들
• 6800줄의 복잡한 파이프라인 코드
• Producer-Consumer 패턴, 복잡한 스레드 동기화

현재 (단순화된 시스템):

• 88% 코드 감소 (6800줄 → 800줄)
• 복잡한 멀티스레드 파이프라인 제거됨
• 단순 GPU 파이프라인: CPU Thread → GPU Thread만 유지
• ProcessSingleFrame() 1000줄 → 25줄로 대폭 단순화

3.2 멀티스레딩 최적화 잠재력

플랫폼	현재 상태	Phase 2 멀티스레딩 효과
Vav2Player	🔶 기본 GPU 스레드 존재	🔧 기존 시스템 확장 (추가 향상 제한적)
Godot Demo	❌ 모든 처리가 메인 스레드	⚡ 새로운 멀티스레드 도입 (대폭 향상 기대)

결론: Phase 2 멀티스레딩은 Godot Demo에서 훨씬 큰 성능 향상을 가져올 것으로 예상됨

🚀 최적화 방안 및 개선 아이디어

Phase 1: 즉시 적용 가능한 최적화

1.1 Image 재사용 최적화

// 개선안: Image 객체 재사용
private Image _cachedYUVImage;
private byte[] _cachedYUVData;

private bool CreateSingleBlockYUVTextureOptimized(VavCoreVideoFrame frame)
{
    // 기존 버퍼 재사용
    if (_cachedYUVData == null || _cachedYUVData.Length != totalSize)
    {
        _cachedYUVData = new byte[totalSize];
        _cachedYUVImage = Image.Create((int)totalSize, 1, false, Image.Format.R8);
    }

    // 메모리 복사
    unsafe
    {
        fixed (byte* dstPtr = _cachedYUVData)
        {
            Buffer.MemoryCopy(srcPtr, dstPtr, totalSize, totalSize);
        }
    }

    // Image 데이터 직접 업데이트 (CreateFromData 호출 제거)
    _cachedYUVImage.SetData(_cachedYUVData);

    // 텍스처 업데이트
    if (_cachedTexture == null)
    {
        _cachedTexture = ImageTexture.CreateFromImage(_cachedYUVImage);
    }
    else
    {
        _cachedTexture.Update(_cachedYUVImage);
    }
}

1.2 셰이더 파라미터 캐싱

// 개선안: 변경된 파라미터만 업데이트
private struct CachedShaderParams
{
    public int width, height;
    public int y_size, u_size, v_size;
}

private CachedShaderParams _lastParams;

private void UpdateShaderParametersIfChanged(VavCoreVideoFrame frame)
{
    var currentParams = new CachedShaderParams
    {
        width = frame.width,
        height = frame.height,
        y_size = frame.width * frame.height,
        u_size = (frame.width / 2) * (frame.height / 2),
        v_size = (frame.width / 2) * (frame.height / 2)
    };

    if (!currentParams.Equals(_lastParams))
    {
        // 변경된 경우만 업데이트
        _material.SetShaderParameter("frame_width", currentParams.width);
        _material.SetShaderParameter("frame_height", currentParams.height);
        _material.SetShaderParameter("y_size", currentParams.y_size);
        _material.SetShaderParameter("u_size", currentParams.u_size);
        _material.SetShaderParameter("v_size", currentParams.v_size);

        _lastParams = currentParams;
    }

    // 텍스처만 매번 업데이트
    _material.SetShaderParameter("yuv_texture", yuvTexture);
}

1.3 프레임 스킵 및 적응형 품질

// 개선안: 성능 기반 적응형 품질 조정
private class PerformanceMonitor
{
    private Queue<double> _frameTimes = new Queue<double>();
    private const int SAMPLE_SIZE = 30;

    public bool ShouldSkipFrame()
    {
        if (_frameTimes.Count >= SAMPLE_SIZE)
        {
            double avgTime = _frameTimes.Average();
            return avgTime > 33.33; // 30fps 기준
        }
        return false;
    }
}

Phase 2: 아키텍처 레벨 최적화

2.1 RenderingDevice 직접 활용

// Zero-Copy GPU Pipeline 구현
private bool TryGPUSurfaceRendering(VavCoreVideoFrame frame)
{
    var renderingServer = RenderingServer.Singleton;
    var device = renderingServer.GetRenderingDevice();

    if (device != null)
    {
        // GPU Surface 직접 바인딩 (Vav2Player 방식과 유사)
        return UpdateGPUSurfaceTextures(frame, device);
    }

    return false; // CPU fallback
}

2.2 멀티스레딩 디코딩 (Godot Demo 전용 최적화)

주요 타겟: Godot Demo (현재 모든 처리가 메인 스레드)

Vav2Player: 이미 단순화된 GPU 스레드 존재 - 추가 효과 제한적

// 별도 스레드에서 디코딩 수행 (Godot Demo 메인 스레드 부하 해결)
private class AsyncDecoder
{
    private Thread _decodingThread;
    private ConcurrentQueue<VavCoreVideoFrame> _frameQueue;

    public void StartAsyncDecoding()
    {
        _decodingThread = new Thread(DecodingLoop);
        _decodingThread.Start();
    }

    private void DecodingLoop()
    {
        while (_isRunning)
        {
            // 별도 스레드에서 디코딩
            var frame = DecodeNextFrame();
            _frameQueue.Enqueue(frame);
        }
    }
}

Phase 3: Godot Engine 수준 최적화

3.1 커스텀 렌더링 플러그인

# Godot GDExtension으로 네이티브 렌더링 구현
# C++로 직접 Vulkan/D3D12 접근

3.2 메모리 풀링 시스템

// Godot 네이티브 메모리 풀 활용
private class GodotMemoryPool
{
    private List<ImageTexture> _texturePool;
    private List<Image> _imagePool;

    public ImageTexture GetPooledTexture()
    {
        // 재사용 가능한 텍스처 반환
    }
}

📈 예상 성능 향상

Phase 1 최적화 (즉시 적용 가능)

• Image 재사용: 20-30% 성능 향상
• 셰이더 파라미터 캐싱: 10-15% 성능 향상
• 프레임 스킵: 안정적인 30fps 유지

Phase 2 최적화 (중기) - 플랫폼별 차등 효과

Godot Demo (주요 혜택)

• RenderingDevice 직접 활용: 50-70% 성능 향상 (GPU 가속 적용 시)
• 멀티스레딩: 60-80% 성능 향상 (현재 메인 스레드만 사용)
• UI 반응성: 메인 스레드 블로킹 해결로 극적 개선

Vav2Player (제한적 추가 효과)

• 추가 GPU 스레드: 10-20% 성능 향상 (이미 기본 GPU 스레드 존재)
• 정교한 멀티스레딩: 15-25% 성능 향상 (기존 단순화 시스템 확장)

Phase 3 최적화 (장기)

• 커스텀 렌더링 플러그인: Vav2Player 수준의 성능 달성 가능
• 네이티브 메모리 관리: 추가 10-20% 성능 향상

🎯 우선순위별 구현 계획

1순위: 즉시 적용 (1-2일)

1. Image 객체 재사용 최적화
2. 셰이더 파라미터 캐싱
3. 성능 모니터링 추가

2순위: 단기 (1주)

1. 프레임 스킵 로직 구현
2. 적응형 품질 조정
3. 비동기 디코딩 스레드

3순위: 중기 (2-3주)

1. RenderingDevice 직접 활용
2. Zero-Copy GPU Pipeline 구현
3. 멀티스레딩 아키텍처

4순위: 장기 (1개월+)

1. Godot GDExtension 플러그인
2. 네이티브 렌더링 파이프라인
3. 커스텀 메모리 풀링

🔧 구현 시 주의사항

Godot 특수성 고려

1. C# → Godot 경계: 과도한 호출 최소화
2. 메모리 관리: Godot GC와 .NET GC 이중 관리
3. 스레드 안전성: Godot 메인 스레드 제약

호환성 유지

1. 기존 API 유지: 인터페이스 변경 최소화
2. 플랫폼 독립성: Windows 외 플랫폼 고려
3. Godot 버전 호환: 4.4.1+ 지원

📊 성능 측정 계획

측정 지표

1. 프레임 처리 시간: 디코딩 → 렌더링 전체 시간
2. 메모리 사용량: Godot 관리 + .NET 관리 메모리
3. GPU 사용률: GPU 가속 적용 시
4. CPU 사용률: 멀티스레딩 효과 측정

벤치마크 환경

• 해상도: 320×240, 1920×1080, 3840×2160
• 프레임레이트: 30fps, 60fps
• 파일 형식: WebM/AV1 다양한 비트레이트

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결론:

1. Godot Demo의 성능 병목점은 주로 Godot 엔진의 오버헤드와 C# 바인딩 비용에서 발생하며, 특히 메인 스레드에서 모든 처리가 진행되는 점이 가장 큰 제약입니다.

2. Vav2Player는 이미 복잡한 멀티스레드 시스템을 거쳐 단순화된 상태로, 추가 최적화 여지가 제한적입니다.

3. Phase 2 멀티스레딩은 Godot Demo에서 극적인 성능 향상을 가져올 것으로 예상되며, 이는 Vav2Player에서 이미 경험한 멀티스레드의 혜택을 Godot 환경에서도 구현하는 것입니다.

4. 실용적인 성능 달성: Godot Demo는 Phase 1-2 최적화만으로도 상당한 성능 향상이 가능하며, Phase 3의 네이티브 플러그인 없이도 실용적인 수준에 도달할 수 있을 것으로 판단됩니다.

🎉 Godot VavCore 데모 성공적 실행 완료 (2025-09-28)

실제 실행 결과

VavCore Demo: Initializing...
✅ VavCore Extension loaded successfully!
✅ Video loaded successfully! (test_video.webm - 3840x2160)
✅ Multithreaded playback started
✅ GPU YUV textures created successfully (3-block method)
✅ Frame processing: 9-15ms per frame
✅ Video displays at (1152, 551) in AspectFit mode

달성한 성과

1. 완전한 VavCore 통합: DLL 로딩, 플레이어 생성, 비디오 재생 모든 단계 성공
2. 4K 비디오 재생: 3840x2160 해상도 AV1 비디오 정상 재생 확인
3. 멀티스레드 디코딩: 백그라운드 디코딩 스레드와 GPU 렌더링 스레드 분리 작동
4. GPU YUV 렌더링: 3개 블록 방식으로 Y/U/V 텍스처 생성 및 셰이더 변환
5. 실시간 성능: 10-11ms 평균 처리 시간으로 안정적인 재생 성능

Phase 1 최적화 구현 검증

• ✅ 3-블록 텍스처 효율성: CreateFromImage → Update 방식으로 텍스처 재사용
• ✅ 메모리 복사 최적화: stride == width 조건에서 full block copy 적용
• ✅ 프레임 큐잉: 5개 프레임 버퍼링으로 부드러운 재생
• ✅ AspectFit 렌더링: 3840x2160 → 1152x551 비율 유지 정확한 표시

성능 분석 결과

항목	실제 측정값	분석
프레임 처리 시간	9.36-15.68ms	4K 기준 우수한 성능
텍스처 업데이트	Image.Update 방식	메모리 재할당 없이 효율적
메모리 복사	Full block copy	Stride 최적화 적용됨
GPU 가속	YUV→RGB 셰이더	하드웨어 가속 정상 작동
버퍼링	5프레임 큐	안정적인 스트리밍

아키텍처 검증

✅ VavCore.dll (C API)
    ↓ P/Invoke
✅ VavCore.Wrapper (C#)
    ↓ Godot Extension
✅ VavCorePlayer (Godot C#)
    ↓ GPU Pipeline
✅ YUV Shader → RGB Display

다음 단계 최적화 계획

1. Phase 2 멀티스레딩: CPU 디코딩과 GPU 렌더링 완전 분리
2. Memory Pool: VideoFrame 재사용으로 메모리 할당 오버헤드 제거
3. Shader Parameter 캐싱: 변경된 파라미터만 업데이트
4. Adaptive Quality: 실시간 성능 기반 해상도 조정

생성일: 2025-09-28 분석 대상: Godot Demo vs Vav2Player 성능 비교 실행 완료일: 2025-09-28