云端虛擬視頻轉碼

　　應用示例：OTT 視頻流 電視回看 OTT 內容傳遞

　　云端視頻轉碼越來越多地被使用，其中一種情況是電視回看或追趕，內容提供商接收來自多個制作者的內容，并將其處理為可供訂閱者在次日觀看。此類提供商每天可接收數(shù)百小時的內容，這些內容需要轉碼為多種不同的格式，以便傳遞到許多設備。結果是需要轉碼數(shù)千小時的視頻。

　　例如，提供商正在從多個制作者那里接收 200 小時的內容。根據(jù)所支持的設備不同，提供商可能會將此內容制作成多達 100 種不同的轉 碼輸出，以解決其允許的任何消費者設備對編解碼器、分辨率、比特率等的不同需求。

　　為了使這個例子更簡單，我們假設，現(xiàn)在提供商將執(zhí)行 10 種不同的 1080p30 H.264 輸出。運行在標準的 1RU 雙 Intel® Xeon® E5-2650V2 處理器服務器上，服務器中每個 CPU 能夠處理大約 60 幀/秒的 X.264 轉碼(在 3.2GHz Intel® Core™ i7-4770R 上以默認 CRF 快速模式 下的33fps 數(shù)據(jù)推斷得出);沒有虛擬化運行時，則每個服務器達到 120 幀/秒。但在云環(huán)境下，轉碼器將在虛擬機中運行，因此，我們 需要將此數(shù)字降低約10%，即每服務器總計約 108 幀/秒。

　　如果以 30 幀/秒轉碼 200 小時的內容，系統(tǒng)需要轉碼 2.16 億幀才能實現(xiàn) 10 種輸出。速率為 108 幀/秒時，雙 Intel® Xeon® E5-2650v2 服務器將需要 556 小時來執(zhí)行此任務。而這對電視回看功能不是真正地有效。使用戴爾 R720T 等雙 E5-2650V2 2RU 服務器時，上述工 作量需要 24 個服務器(>1 機架)以 100% 最快速全天候不間斷運行，才能確保內容能夠在 24 小時內傳遞給消費者。以最快速全天候 不間斷運行肯定會導致數(shù)據(jù)中心故障，因此需要更多的服務器來分攤負荷，以確?？煽啃?。含有 2x Intel® Xeon® E5-2650V2 處理器的戴 爾 R720T 在有/無 4x Artesyn SharpStreamer™ 卡時的比較：

　　另一種方法是在此類系統(tǒng)中使用 Artesyn SharpStreamer™ 卡。 在帶有 4 個 Intel® Core™ i7-4650U CPU 且每個 CPU 節(jié)點分 別能夠傳遞 120-240 幀/秒的 1080p 轉碼的條件下，提供商就可以進一步提高每個服務器的效率。在這種配置下，配合 CPU 內核上的軟件，一臺含有雙 Intel® Xeon® E5-2650V2 和四個 Sharp Streamer 卡的服務器可有效地達到約 4000 幀/秒。為了與 Intel® Xeon® E5-2650V2 軟件解決方案做比較，我們將專注于在 平衡質量模式(Intel MediaSDK 目標使用 = 4)下每節(jié)點 180 幀/ 秒的中間值，因此四張 PCIe 卡以 2880 幀/秒進行處理。這個解 決方案能夠通過單個服務器在 21 小時內將 200 小時的內容處理 為 10 種單獨的輸出，服務器數(shù)量僅需另一方案的 1/24，功率降 低至 1/11，成本更是減少至 1/5 以下。

　　而 10x 1080p30 轉碼可能不是此種部署的真正代表，可以想象得 出，提供商將需要提供更多計算，例如，一個 1080p30 大致相 當于單個 720p60。還應注意，200 小時僅代表許多內容提供商接收的總小時數(shù)的一部分。

　　實時/線性 ABR 廣播轉碼器需求

　　對于消費者而言，一天內的直播電視觀看習慣隨時改變。如今，IPTV 提供商必須做到不僅能傳遞至他們機頂盒中的已知實體，而且需要適應消費者觀看他們內容所使用的大量設備，例如平板電腦、手機、第三方電視(如 Roku™、Apple TV 和亞馬遜的 Fire TV)。廣播電視提供商提供在線電視門戶網(wǎng)站時也面臨類似 的挑戰(zhàn)。結果就是 IPTV 提供商現(xiàn)在需要能夠以最小延遲實時生成大量不同的轉碼格式。

　　為了適應網(wǎng)絡擁塞，大多數(shù)提供商已轉向自適應比特率技術，例 如蘋果的 HLS、Silverlight、PlayReady 等，其允許消費者設備決 定是否需要切換到不同的配置文件，以確保內容能夠連續(xù)播放。在多數(shù)情況下，消費者愿意容忍視頻質量的瞬間降低，但重新緩 沖通常會導致消費者改變頻道或改變提供商。自適應流試圖通過 將視頻切割為某一時間段(例如，2-4 秒)的多個區(qū)塊，并使客 戶端能夠在偽播放列表(稱作清單)中使用這些區(qū)塊，來幫助消 費者設備適應網(wǎng)速和帶寬的變化。

　　此清單為客戶端提供相關數(shù)據(jù)，展示什么配置文件適用于特定時間索引以及要請求的必要文件是什么。消費者設備請求其所需的 配置文件，并監(jiān)控下載時間，如果時間不能滿足維持播放率所需 的時間，設備將請求較低級的配置文件并監(jiān)控，最終可能需要重新緩沖，但是，已經(jīng)配置好的設備將能夠在需要重新緩沖前及時 為播放器獲得下載的配置文件，除非網(wǎng)絡出現(xiàn)嚴重問題。

　　自適應流的缺點是需要創(chuàng)建不同的配置文件。在多數(shù)情況下，提供商不僅需要為其目標設備處理多種自適應流技術，還需要適應各種 設備所支持的不同分辨率、編解碼器配置文件、比特率等。這將導 致單個信道需要很多轉碼。最糟糕的情況是，允許訪問內容的每個設備類型在線且訪問每個信道的內容。信道越多，發(fā)生這種情況的 可能性就越小，但提供商需要在規(guī)劃網(wǎng)絡時知道峰值數(shù)。

　　通常情況下，全天將有一套通用轉碼集，大部分不是所有設備都需要，它們可以根據(jù)需要打包到各種所需的自適應流配置文件中。另 一套轉碼集用于傳遞特定設備所需的特殊呈現(xiàn)形式，但此轉碼集更 加動態(tài)，具體取決于觀看習慣。例如，許多人在醒來時使用帶有機頂盒的電視機或其它設備，然后轉到更加便攜的設備，例如便攜式 計算機、手機等。

　　關于眾多信道間的趨勢：將在一組信道上有波峰，而其它信道上有波谷。使用基于 Intel® XeonTM 的服務器上的虛擬化時，系統(tǒng)能夠根 據(jù)需要帶來更多的在線轉碼器，并配置它們以制作各種目標設備所需的呈現(xiàn)形式，方法是實施多比特率轉碼器，該轉碼器為傳入視頻 解碼、調整到所需分辨率并在發(fā)送到分割器以將流分割為分斷文件 之前編碼為特定格式，然后發(fā)送到包裝程序，按照消費者設備所要求的自適應比特率標準打包到所需包裝。

　　對于高效的多比特率轉碼器，視頻解碼應出現(xiàn)一次，并用作所有編碼輸出的單個參考;而編碼器稍加優(yōu)化即可降低各種輸出分辨 率的縮放費用以及這些分辨率上的動作搜索。

　　來自編碼器的每個輸出都是圖片組 (GOP) 和排列的順序(編碼與 顯示)，這一點很重要。因此，在提交到包裝程序之前，來自分割器的結果片段都是正確排列。

　　此類運行軟件轉碼器的多比特率轉碼器服務器所面臨的挑戰(zhàn)，是 確保所需的所有不同的呈現(xiàn)形式都在單個服務器上生成。如果所 需呈現(xiàn)形式超出服務器能力，系統(tǒng)將需要為傳入視頻復制解碼器，以便原始基帶視頻無需通過系統(tǒng)之間(否則會進一步增加延 遲)，這要求每個流上有相當大的網(wǎng)絡帶寬(對于 1080p30 8bit YUV 內容，約為 500Mbps)。另外，這兩個系統(tǒng)將需要保持同 步，以確保輸出呈現(xiàn)形式為 GOP 和排列的順序，這是成功分割 的關鍵。

　　使用已啟用 Artesyn SharpStreamer 卡的系統(tǒng)時，所提供的密度允許 實現(xiàn)更多呈現(xiàn)形式，而且允許單個服務器上能適應更多信道。戴爾 RT720p Dual Intel® Xeon® E5-2650V2 處理器系統(tǒng)有可能輸出六個單 獨的 1080p30 流，配備四個 SharpStreamer 卡的相同系統(tǒng)能適應多 達 96 個單獨的 1080p30 流，每個服務器的轉碼能力提高 16 倍。

　　在 SharpStreamer 加速的平臺上，功率要求也縮小七倍：以前需要16 個服務器共 7604W，現(xiàn)在只需 1056W 即可處理 96 個流。

　　啟用 SharpStreamer 卡的系統(tǒng)允許提供商快速使網(wǎng)絡適應消費者設備的按需需求。

　　總結：此方案的優(yōu)勢

　　使用上述兩種方案時，通過虛擬網(wǎng)絡中的視頻加速可實現(xiàn)眾多優(yōu)勢。

　　優(yōu)勢一：降低資本設備支出

　　加速方案的優(yōu)勢主要來自服務器在數(shù)據(jù)中心所占用空間的減少和管理這些資源的簡化。網(wǎng)絡功能虛擬化使提供商能夠動態(tài)地改變所需資源 類型和級別，并且這適用于上述使用情況下作為 VNF 的視頻轉碼。

　　優(yōu)勢二：省電并降低間接費用

         優(yōu)勢三：可擴展性

　　當網(wǎng)絡要求增加或減少視頻轉碼時，也能以較低成本擴大或縮小資源，這是因為可通過附加卡達到視頻轉碼數(shù)量，從而減少服務器數(shù)量。如上所述，網(wǎng)絡中服務器的數(shù)量減少，有利于大幅降低運營成本。因此，如同服務提供商通過增加服務來提供優(yōu)質的 OTT 視頻服務，附 加卡能逐漸提高所需的密度級別，但資本設備支出沒有目前的傳統(tǒng)方法那么高昂。

　　優(yōu)勢四：使用簡單，通過云端通用 X86 處理即可實現(xiàn)

　　基于 x86 的方法用來解決云端視頻處理問題，對設備供應商而言具有重要優(yōu)勢，原因在于英特爾技術提供熟悉且簡單易用的 API 來加速 開發(fā)和上市時間。Intel® Media SDK 可實現(xiàn)從純軟件模式到媒體加速模式的轉變，同時具備運行 Windows、Linux、QuickSync video 和 API 庫的能力，甚至能以更高密度的容量為視頻應用傳遞最大的每機架單位流數(shù)。