CPU中的特殊指令可以加速編碼效率

依據(jù)客戶真實需求，定制下一代CPU是我們的工作之一，我們選擇做視頻轉碼的另一個原因，是為了設計更好滿足音視頻領域需求的下一代硬件。所以今天還會給大家介紹下一代CPU中關于編解碼的特殊指令，這些特殊指令可以加速編碼效率。

今天，我分享的內(nèi)容分為三個章節(jié)。首先，使用英特爾豐富的工具鏈對視頻轉碼進行分析。我們作為硬件廠商，本身不做音視頻轉碼業(yè)務，但俗話說“弄斧要到班門”，所以我們首先對視頻轉碼的一些典型場景進行了微架構層面的分析，為后面的優(yōu)化做好鋪墊。然后，介紹方案的核心思想，即如何重用一次編碼的信息來提高二次編碼的效率。之前提到，計算復雜度在轉碼里占了很大的成本，所以要從源頭上降低計算復雜度。最后，介紹SIMD指令集。SIMD的全稱是Single Instruction Multiple Data，意思是單指令多數(shù)據(jù)，表明一條指令可以同時操作多個數(shù)據(jù)。

01 視頻轉碼分析

首先，我們對視頻轉碼進行分析。

我們從相關市場獲取了圖中的數(shù)據(jù)。第一張圖表示在2020年，視頻數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)占比70%。到現(xiàn)在，視頻數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)占比已超過80%。第二張圖是PRC Video Cloud Market Forecast，圖中呈增長趨勢。雖然目前共有云市場的增速減緩，但是視頻云的增長仍有很大潛力。回到轉碼本身，第三張圖和第四張圖來自Video Developer report。從第四張圖可以看到，在2019年，H.264仍是主流視頻編碼技術，90%以上仍使用H.264。其次，較多使用的是H.265，然后是VP9和AV1，H.265也在逐漸成為一種趨勢。第三張圖表示視頻編碼器開發(fā)人員計劃在2022年投入的情況。其中，投入最多的是H.265，然后是AV1，再然后是H.266，這三個協(xié)議正在成為主流編碼器協(xié)議，我們后續(xù)將基于這些主流編碼器進行開發(fā)。

接下來進行直播成本分析。這是一張直播的結構圖，主播上傳內(nèi)容到上行CDN，然后再發(fā)送到轉碼中心進行內(nèi)容識別、截屏、錄制和轉碼，接著再分發(fā)到下行CDN。這個過程中，成本最大的是網(wǎng)絡帶寬和轉碼服務器。之前提到，網(wǎng)絡帶寬取決于觀看人數(shù)和碼率。舉個例子，觀看2M的視頻和觀看500K的視頻所需的網(wǎng)絡帶寬不同，1000個人同時觀看視頻和10個人同時觀看視頻所需的網(wǎng)絡帶寬也不同。轉碼服務取決于分辨率、碼率和視頻編碼標準等。

我們對頭部的互聯(lián)網(wǎng)廠商進行了分析。如第一張圖所示，主要有兩個成本，一個是Traffic price，即帶寬成本，另一個是轉碼成本。第二張圖表示直播一小時內(nèi)，轉碼和帶寬的比例，圖的橫軸是觀看人數(shù)，縱軸是轉碼和帶寬費用的比例?？梢钥吹剑斢^眾數(shù)大于等于50時，帶寬成為主要的成本。舉個例子，頂級流量主播的一場直播的帶寬成本要幾百萬，此時轉碼成本只有幾千塊，相對帶寬成本幾乎可以忽略。但對于數(shù)量眾多的小主播來講，觀眾數(shù)可能只有十幾個，此時的帶寬較低，所以轉碼成本成為主要的成本。針對這兩種情況，在帶寬成本較大時，我們以優(yōu)化帶寬為主，在轉碼成本較大時，我們以優(yōu)化轉碼速度/轉碼性能為主。

接下來，介紹幾款好用的英特爾的工具。首先是V-Tune，是一個可以快速發(fā)現(xiàn)應用程序瓶頸的可視化的工具。左下圖展示了一個例子，可以看到，我們可以知道轉碼里每個函數(shù)占用的CPU時間，雙擊就可進入code，精確定位哪行code的占比較高，所以可以清楚地知道熱點函數(shù)在哪里。我們支持CPU、GPU和FPGA，也支持多語言和多操作系統(tǒng)。V-Tune的優(yōu)點是直觀，缺點是會為系統(tǒng)帶來一定的負擔。

另一個工具是Emon，其用于low-level層面的數(shù)據(jù)抓取。Emon的優(yōu)點是可以直接抓取Performance Monitoring Units（PMUs），即寄存器的值，因此功率消耗較少。觀察右上圖，可以知道CPU的利用率、AVX指令集的使用比例，也可以知道該函數(shù)是Backend_Bound還是Frontend_Bound。因此，可以清楚知道系統(tǒng)的問題在哪里。

利用剛才介紹的工具，可以估計轉碼消耗的算力?？梢钥吹?，在某一個轉碼場景里，編碼過程中的運動估計（Motion Estimation）占比超過40%，但不同的場景情況有所不同，舉個例子，將8K的數(shù)據(jù)轉換成360P的數(shù)據(jù)時，解碼消耗的算力大于轉碼消耗的算力。在大部分情況下，若考慮幀決策等，運動估計的占比將超過50%，因此這成為了我們關注的熱點。

02重用運動矢量等信息提高轉碼效率和質(zhì)量

接下來，介紹方案的核心思想。

我們現(xiàn)在考慮轉碼，比如將H.264或H.265轉換成H.266或AV1。在一次編碼時，我們可以獲得slice type、mb qp和mb partition等信息。在現(xiàn)在的編解碼方式中，解碼之后這些信息就會被舍棄。而我們的核心思想是，在二次編碼中重用一次編碼的信息。通過粗略計算，在大部分場景下，重用一次編碼信息可以減少大約67%的運算量。

對于這種思路，大家可能有很多問題。比如，當幀率或分辨率在轉碼前后發(fā)生變化時，會不會出現(xiàn)一些新的問題。因此，雖然方案的原理比較直接，但實際應用時需要解決很多“并發(fā)癥”。特別是，我們要考慮如何一方面提升轉碼速度，另一方面保證轉碼質(zhì)量，否則轉碼質(zhì)量不好，即使轉碼速度很快，也不能投入實用。

舉個例子說明如何重用一次編碼的信息來提高視頻質(zhì)量。JND是一種感知編碼技術，在左上的圖中，四個block中只有左下的block的值為1，其余block的值為0。但對于人眼來說，可以忽略數(shù)值1，即四個block的值可以都為0。這是JND的核心思想：過濾人眼感觸不到的信息。對此，經(jīng)典的方法是使用雙邊濾波器等進行過濾，但這些方法都是無差別的濾波，容易造成“誤傷”。而現(xiàn)在由于掌握一次編碼信息，我們知道哪些信息可以被平滑，哪些信息必須保留，通過設置權重的方式來進行“區(qū)別對待”。這樣做可以帶來兩個好處，一是可以提高主觀視覺的質(zhì)量，二是在限定碼率的情況下，可以將碼率用在刀刃上，大幅度地提高客觀質(zhì)量。比如，將一個原碼率是50Mbps的視頻轉碼為2Mbps的視頻，采用我們的方式就可以較大地提高質(zhì)量。

另一種方式是使用一次編碼的殘差。在H.264和H.265里，有two-path的算法，但這個算法通常不被使用。這是因為，雖然經(jīng)過一次編碼可以掌握大概的信息，并且在此基礎上二次編碼的結果更精準，編碼質(zhì)量更高且碼率更低，但是這會大幅度地增加計算量，推高轉碼成本和延遲。為了解決這個問題，我們直接重用一次編碼的信息來實現(xiàn)類似二次編碼的效果。

03SIMD指令集加速轉碼熱點函數(shù)

最后，介紹如何用SIMD指令集加速轉碼熱點函數(shù)。

至強服務器平臺SIMD指令集經(jīng)迭代了很多代，大家比較熟知的比如AVX2，AVX512等。第二代至強可擴展平臺在AVX512的基礎上支持了INT8數(shù)據(jù)精度，第三代支持BF16指令集，2023年初量產(chǎn)的第四代平臺的AI性能在BF16和INT8上較上一代提升了8倍，其中加入了AMX 指令集，也可以理解為在CPU內(nèi)部有一塊硬件加速器。比如INT8的算力，一顆CPU的性能接近200T，很多以前在CPU上無法完成的運算現(xiàn)在都成為可能。

最后介紹一個例子，說明如何使用SIMD指令集優(yōu)化視頻編碼。在H.264中有一個大小為16×16的宏塊，需要對其求和或平方和，那么如何用avx512對其進行加速呢？需要執(zhí)行以下幾步。首先，將16個int8的數(shù)據(jù)載入到mm128寄存器中。然后，將int8數(shù)據(jù)轉換成int32，這是因為有時候運算結果為負數(shù)，而int8無法表示負數(shù)。接著，將16個int32數(shù)據(jù)水平相加，這需要消耗0.5個指令周期，而手動計算則需要8次計算，因此極大地提高了效率。最后，將16個int32平方后再水平相加。經(jīng)過這樣的處理，性能可提高16倍或8倍（若為一條指令則提高16倍，若為兩條指令則提高8倍）。

審核編輯：劉清