從雲計算到低延時,傳統編碼器與創新技術雙劍合璧嚴把成本質量關

當下不管是用戶、流量仍是視頻分辨率都在不斷增加,相對於所需處理數據量較少且處理時間較充足的點播服務,對基礎架構所處理數據量要求更高且對延時控制更苛刻的實時視頻服務會爲編解碼基礎服務器帶來巨大挑戰,對企業而言也意味着成本控制與盈利創收的壓力會愈來愈大。本文來自於賽靈思DCG數據中心的Sean Gardner在LiveVideoStackCon2019北京站上的精彩分享。編程

 

 

文/Sean Gardner服務器

整理/LiveVideoStack網絡

 

你們好,我是賽靈思DCG數據中心負責Video業務的Sean Gardner,本次演講的主要內容是賽靈思在中國發展過程當中尋求新的業務探索與技術創新落地。架構

 

1. Xilinx應用領域與挑戰框架

 

賽靈思在各個領域都有着普遍的應用,其中不乏許多創新,值得一提的是賽靈思在5G方面有着不錯的探索與實踐,特別是在基於雲的應用和對實時性很是敏感的應用兩個領域,其中最有表明性的分別是雲遊戲和對網絡延遲很是敏感的視頻會議系統(VSaaS)。ide

 

 

上圖強調了實時視頻、實時通訊在全部市場裏所佔據的重要地位,而且特別提到客戶的原創視頻和原創內容在其中所佔據的重要地位,客戶的這種需求會形成在基礎架構上存在挑戰和機遇。工具

 

而不管對於哪一個細分領域,業界目前廣泛面臨兩大挑戰:硬件成本和運營成本上的投入愈來愈高,這包括了運營的數據中心的硬件價格以及服務器價格都愈來愈昂貴。性能

 

2. 直播與點播行業現狀與挑戰測試

 

從市場調研結果能夠發現,直播和點播兩大應用在將來都會面臨很大幅度的增加,其中市場預測直播業務對於CDN的需求將在2021年達到700億美圓,並有可能在2023年超過點播業務。編碼

 

 

其中,從下圖能夠看到移動端視頻直播將會佔據愈來愈大的市場,而中國更將會成爲移動端視頻中最大的市場。

 

 

除了急速增加的中國市場,美國在直播和點播方面有兩大典型應用:NETFLIX和Twitch。NETFLIX主要是文件類型的點播服務,實際應用場景中處理的文件流量要遠遠小於直播裏的內容,而且點播服務能夠有足夠的時間來處理視頻文件。Twitch主要提供遊戲直播服務,在服務器方面,基礎架構要處理更大量的流量視頻,達到實時甚至毫秒級的處理,這對服務器提出的挑戰更大,各方面所須要的成本也會更高。

 

 

上圖的曲線主要給出了峯值帶寬、峯值流量和平均流量上存在巨大差別,賽靈思面對這種差別會提供對服務器更有效的管理和解決方案。

 

 

上表中除了Bandwidth % of Revenue是根據必定的數據計算出來的之外,其它都是公有的、比較客觀的數據,以前說到服務器和帶寬成本變得很是昂貴,從這個表格中也能夠看出,尤爲是實時視頻流量帶來的成本爲何在急劇的上升。

 

 

帶寬使用存在兩大挑戰:OPEX和CAPEX。以兩個極端舉例,Ninja同時有60萬人觀看的時候帶寬很是高,相比之下Alfred只有4個觀看者。這裏提到的80/20法則是指20%在視頻流佔據了80%的網絡流量,另外80%的視頻流佔據了20%的網絡流量。

 

用Twitch公開的數據來代表80/20法則:13%的視頻流佔據了74%的網絡流量

 

除了帶寬成本的增長,全部基礎設施的成本愈來愈高,下圖中紅色的曲線表明成本的增加,另一條黃綠色的曲線表明的是ARPU,能夠看到盈利變得平緩,這也帶來了另外一個挑戰——如何作到盈利。

 

 

此外,以前提到用戶和流量在增加的狀況,下圖則說明了在此期間視頻的分辨率也在不斷增加到8K甚至更高。與此同時,視頻的編碼器變得愈來愈複雜,編碼標準有不少的工具碼,從H.264到H.265,再到HEVC/VP九、AV1,編碼工具所以也變得愈來愈複雜,這些都會對基礎設施服務器帶來巨大的挑戰。

 

 

3. DCG視頻軟IP策略高VQ(視頻質量)/低比特率策略

 

 

賽靈思如今有兩條主要的業務,根據前面的總結,左邊是在很是傳統的FPGA基礎上發展軟件業務,右邊是發展新的硬件業務。從上圖能夠看到左邊佔據了大量網絡流量,觀看人數特別多;而右邊則佔據了不少的視頻流,好比安防視頻的流量很大,可是觀看的人數卻沒有多少。賽靈思會針對這兩種不一樣的場景提供不一樣的解決方案:eSports和SafeCity是兩個徹底不一樣的視頻場景,因此咱們會根據它們的不一樣點給予兩種徹底不一樣的解決方案——一邊是高質量,一邊是高密度。

 

OPEX須要基於傳統硬件開發軟件方案,好比英特爾的解決方案。在基於傳統硬件的軟件方案中,須要在質量與速度之間二選一。右邊的黃線若想有實時的視頻速度一定會以視頻質量做爲犧牲。

 

 

與之相比,賽靈思在硬件的基礎上又加入了Soft IP,質量能夠跟比較好的視頻編碼器比較。與此同時,因爲採起了底層的硬件方案,速度也要遠遠超出軟件方案。

 

在相同的PSNR下進行Xilinx和x265比特率比較

 

相同質量下視頻編碼速率對比

 

以虎牙直播爲例,虎牙直播每一個季度的帶寬成本增加66.8%,一個季度帶寬成本是2500萬美圓。賽靈思能夠在一樣質量的狀況下節省40%的碼率,也就是40%的帶寬,每季度2500萬美圓的帶寬成本若是可以節省30%或者40%就意味着一年就能夠在帶寬方面節省2100萬以上的成本。

 

 

爲了達到用戶帶寬節省,賽靈思本身以及整個合做方的生態裏提供了各個視頻和圖片轉碼的工具,包括不一樣的編碼標準、編碼格式,不一樣的容器格式。

 

Xilinx生態爲帶寬節省服務提供各類工具

 

值得一提的是,賽靈思還創造性的把FFmpeg集成在賽靈思的FPGA上,只要熟悉FFmpeg,就不須要對底層的FPGA有很高的理解程度。而前面提到的FFmpeg都是最標準的,並非賽靈思本身的FFmpeg版本,全部的命令行都同樣,區別只在其中有一個option。

 

 

4. 視頻創新解決方案

 

4.1 Socionext將Xilinx FPGA用於下一代解決方案

 

Socionext在XILINX ALVEO卡上開發了一款質量很是高的H.264編碼器,並對編碼器作了包括主觀和客觀在內的測試。下圖是測試結果,客觀的質量評估裏包括VMAF和PSNR,圖中全部紅線所顯示的數據都是SocionextH.264 Encoder編碼器性能,能夠明顯看到在各項數據中都明顯優於x264 Enc. Very Slow setting。

 

Socionext H.264 Enc.與 x264 Enc. Very Slow setting對比

 

除了PSNR和VMAF等客觀評價,FPGA H.264在主觀評價上也有明顯優點 ,從下圖對比中能夠看到賽靈思基於FPGA的H.264編碼器有更豐富的細節, 在主觀質量上有明顯的的主觀優點。

 

FPGA H.264 Enc 與 Nvidia T4 H.264 Enc 對比

 

4.2 V-Nova編碼器編碼效率

 

 

另一款在賽靈思FPGA上的IP是V-Nova的編碼器,目前V-Nova編碼器的分辨率能夠達到1080P,而且從編碼效率來看,它對1080P的視頻能夠將碼率壓縮到950K,這在不少帶寬環境都不太理想的國家或地區是一件使人興奮的事情。

 

4.3 Xilinx在將來還有很大的上升空間

 

 

因爲FPGA是可編程的,因此不論是在密度仍是在視頻質量方面都有很大的提高空間。須要特別注意的是,不論OPEX仍是CAPEX,不管是高密度仍是高質量,都是基於相同的FPGA加速框架,用戶接口徹底相同。

 

 

最後,賽靈思在本身和整個生態圈的合做方共同來打造應用不一樣場景的兩個不一樣方案,同時推出硬件的解決方案以及在硬件上的軟件系統。

 

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