Xilinx FPGA，“加速”视频质量提升

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本文内容来自Xilinx 张吉帅在LiveVideoStackCon2019深圳站上的精彩分享，他将重点讨论异构计算中非常具有潜力的一部分 —— FPGA，并详细介绍赛灵思以及其技术生态合作伙伴在有关视频加速，图片转码等方面的解决方案。

 

文 / 张吉帅

整理 / LiveVideoStack

1. FPGA的优势

大家好，我是来自Xilinx的张吉帅，随着视频内容的火爆，其在网络上的传输量越来越大，对视频编解码算力也有了更高的需求；此外，视频压缩的标准也在不断提升，对于H.264视频编码压缩，CPU基本可以勉强支持，但对于H.265、VP9、AV1等更高的视频编码标准来说则难以胜任。根据实际数据显示，相较于CPU与GPU在BASE LAN加速卡上的表现，基于FPGA可以实现对H.265 1080P 120帧/秒的视频编码压缩，并且在压缩率、压缩质量以及功耗上都具有更大的优势。除此之外，与ASIC相比，其性价比会高于FPGA。FPGA还占有相当大一部分市场份额的原因主要是因为FPGA从方案设计开发到实际应用，整体流程周期非常短。

 

 

具体地说，赛灵思所提供的各种硬件加速解决方案，架构通常为FPGA+CPU的异构方式。从开发者或者应用的角度，实际CPU端包含一个应用程序，FPGA端则包含一段二进制的FPGA逻辑代码。而从使用的角度来看，只需要考虑图中横线以上部分的使用，与传统软件类似，使用起来相对简单。

 

 

在实际应用中，FPGA部分实现的是编码相关的功能，CPU部分则是通过框架加插件的方式实现FFmpeg的应用，并且插件部分已经集成，无需开发，用户只要简单调用FFmpeg，即可使用赛灵思高性能的H.264编码器。

 

 

图为赛灵思H.264、HEVC、VP9、AV1等FPGA相关IP产品。FPGA异构计算的灵活性体现在我们可以将多种不同IP放入同一芯片，完成多种不同工作。例如GPU或ASIC可以实现编码相关工作，而对于赛灵思FPGA，我们可以在芯片中加入HEVC和ABRScaler的IP，从而实现多种不同码率视频流的生成。除此之外，还有低延迟等更多特性。

 

2. Xilinx Media Accelerator（XMA）

赛灵思提供了一整套的API，即Xilinx Media Accelerator（XMA），用户可以基于API完成一系列的开发。从CPU通过PCIE到赛灵思芯片，0拷贝的XMA，可以支持多线程、多进程，当然还包括刚才提到的到FFmpeg框架的接口API。

 

2.1 FPGA接入VP9编码器

与ASIC不同的是，赛灵思FPGA芯片可用于不同工作。例如接入的是VP9编码器，图中浅蓝色部分为CPU进行的工作，红色部分为FPGA芯片进行的工作。数据进入芯片，通过CPU完成解码，进行音频和视频的解码调试，将解码出的视频发送至ABR的IP，再将结果传递给VP9编码器，最终与音频进行调制，生成VP9编码的音视频媒体流。

 

2.2 HEVC+VP9编码视频流生成

在上述方案的基础上，只需要加载HEVC的IP，即可在同一芯片中实现VP9编码视频流以及生成HEVC编码视频流。

 

2.3 人脸识别

 

除此之外，如果我们希望实现视频中人脸识别的功能，还可以在其中加入Machine Learning的IP。

2.4 同一芯片中可接入多个IP

上述内容中所提到的ABR的IP，H.264的IP，在同一芯片中可以接入多个，并通过CPU进程进行调度。

编码器多路视频流输入、输出的应用

 

3. 赛灵思实时视频转码架构

如上架构图所示，赛灵思实时视频转码包含两种不同的途径，XMA和OpenCL。按照层次结构，向下划分为HAL硬件抽象层，驱动以及最底层的数据通道和管理通道。

 

实现编码器编程所需要了解的XMA的相关API

 

上述XMA相关API事实上是对编码、解码等行为的抽象，因此我们可以看到基本上都是初始化的过程，即发送数据到Lower Edge，再到Video Kernel。

 

Video Kernel与芯片中相关IP接入时的代码

 

文末给出的参考链接，github中的代码可以直接运行

 

如果不需要通过FPGA开发新的功能，只是简单的使用编码器，如图左所示为传统的FFmpeg框架，如图右所示为赛灵思编码器中FFmpeg的调用。

 

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