1. 背景
随着视频采集及传输技术的发展，视频素材的分辨率和帧率在不断提升。分辨率从2K到4K到8K；帧率从30到60到120；新的标准及技术，比如HDR，也不断出现。
素材质量的增长，图像码流量也随之增长。人们需要压缩率更好的压缩算法标准，才能够适应新的图像压缩需求：
- 同样的压缩率得到更好的画质
- 同样的画质得到更好的压缩率
在这个大背景H.265/HEVC出现了。相比于上一代标准H.264，H.265更适合大分辨率、高帧率的图像压缩；有着更好的压缩率和画质结果。
（测试结果引用自论文Comparative Assessment of H.265/MPEG-HEVC, VP9, and H.264/MPEG-AVC Encoders for Low-Delay Video Applications）
H.265/HEVC带来更好性能的同时，也意味着运算量的加大。如何高效、实时的实现H.265编解码成为研究的热点。
2. H.265/HEVC算法简介
H.265/HEVC包括帧内预测（intra prediction）、帧间预测（inter prediction）、转换（transform）、量化（quantization）、去区块滤波器（deblocking filter）、熵编码（entropy coding）等模块。
和H.264类似，帧内预测、帧间预测、滤波运算都需要大量的并行计算。
在H.265/HEVC编码架构中，整体被分为了三个基本单位，分别是编码单位（coding unit, CU）、预测单位（predict unit, PU）和转换单位（transform unit, TU）。更灵活的宏模块划分给压缩率、画质带来了很大的提升。同时也给运算增加了难度，对并行化运算、灵活化运算提出了更高的运算。
3. FPGA H.265/HEVC解码
列举两个H.265/HEVC FPGA IP作为例子。
NGCodec
高画质版本IP特点：
- 等效于x265 Medium或者Slow配置的画质
- 支持I/P/B帧，同等画质下有更低的压缩率
- 可配参数look-ahead – Adaptive Quantization，提高压缩率
- 支持Multi-stream encoding for ABR (Adaptive Bitrate Encoding)，针对不同条件的播放终端，可以生成多种分辨率和码率的压缩结果
- 采用Temporal Motion Vector Prediction (TMVP) ，提高画质和压缩率
- 10bit 4:2:0 (HDR support)
- 最高支持1080p60，4k@30
对应x265的“very slow”配置结果，NGCodec编码器能够达到1080p60（60帧/秒）的处理能力，远大于x265的3帧/秒。
对于相同画质下的压缩率对比如下图，采用“Ducks taking Off”1920x1080素材。可以看到NGCode HEVC编码器在压缩率和画质上均优于x265 Medium 设置下的结果。
IP面积如下表。目前在VU9P上可以放下1套高画质版本的HEVC Encoder，占用资源50%。优化过后可以放下2套。
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描述 |
1080p60 on VU9P |
高质量版本 |
画质相当于x265 Med/Slow |
1 Channels 2 Channels on Q3 |
高密度版本 |
画质相当于x265 Fast |
2 Channels 2-3 Channels on Q3 |
System-On-Chip (SOC) Technologies
IP特点：
- Profile: Main 4:2:2 12
- 最高支持1080@60，4k@30
- 支持I/P帧
- HD信号25ms延时，4k信号50ms延时
- 固定码流／可变码流输出
资源消耗如下表。Xilinx VU9P有1182240个LUT，初步估算可以放下6套标准版本HEVC Encoder。
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Xilinx FPGA |
Altera FPGA |
Standard Version |
150,000 ALMs, 11,000kbits block RAM, 400 DSPs |
100,000 ALMs, 10,000kbits block RAM, 320 DSPs |
I-Frame Version |
60,000 ALMs, 4,500kbits block RAM, 160 DSPs |
30,000 ALMs, 4,000kbits block RAM, 130 DSPs |
Slim Version |
70,000 ALMs, 7,000kbits block RAM, 200 DSPs |
50,000 ALMs, 5,000kbits block RAM, 160 DSPs |
4. GPU H.265/HEVC 编码
GPU 某些型号内部有硬核来支持视频编解码单元。以Nvidia Tesla P4为例，它包括NVENC和NVDEC两个硬加速单元分别给视频压缩的编码、解码提供加速服务。
NVENC硬编码器特性如下：
- 支持4:4:4，4:2:0；4:2:2不支持
- 不支持B帧，压缩率会有负面影响
- 分辨率最大支持到8K
- 支持1-pass, 2-pass模式
- NVENC不支持VP8、VP9，VC1等其他标准，不具备扩展和升级的可能
对于10bit视频，每个NVENC可以编码1路4K@30fps 4:2:0，或者5路1080p30 4:2:0。
Nvidia Tesla P4 有2个NVENC和1个NVDEC，可以编码2路4K@30fps，10路1080p30，换算成1080p60，是5路左右。
相同的画质情况下，Nvidia NVENC压缩完的bitrate是x265的2.5倍
5. Intel QSV H.265/HEVC编码
QSV (Quick Sync Video)是Intel的硬件编解码技术，可以有效降低CPU的负载。ffmpeg提供对QuickSync的完整支持。
下图显示了在单片Intel® Xeon® processor E3-1285L v4 上使用x_qsv能够支持的视频编码的通道数量，输入格式为1080p30。
对于HEVC的编码，采用fast preset，只能支持一个通道1080p30。
对于各个画质preset设置下，帧率和bitrate结果如下图所示：
QSV和x265有相似的平均bitrate，如下图所示。
6. FPGA & GPU & QSV对比
H.265/HEVC在各个场景下推荐的配置如下：
结合上述配置推荐，列出一部分配置比较如下。FPGA 版本可配置参数和功能明显多于GPU版本。
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NGCocec (Xilinx VU9P) |
SoC Tech (Xilinx VU9p) |
Nvidia Tesla P4 |
QSV Xeon E3-1285L v4 |
I/P Frame |
Yes |
Yes |
Yes |
Yes |
B Frame |
Yes |
No |
No |
- |
Adaptive Quantization |
Spatial/Temporal |
- |
Spatial only |
- |
Scene change detection |
Yes |
- |
No |
- |
CTU sizes |
16x16,32,x32,64x64 |
- |
16x16,32,x32 |
- |
其他编码方式（VP9） |
FPGA 可以通过更换IP方便地变换和升级编码方式 |
NVENC不支持，无法升级 |
- |
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在相同画质下，压缩率越大越好，即bitrate越小越好。根据之前章节提到的数据，归总为如下图表。
可以看到FPGA NGCodec处理有最小的bitrate，仅为GPU处理的1/3，意味着存储成本可以下降2/3。
处理能力, 通道数比较。
|
NGCocec (Xilinx VU9P) |
SoC Tech (Xilinx VU9P) |
Nvidia Tesla P4 |
QSV Xeon E3-1285L v4 |
1080p30 |
2-4 |
12 |
10 |
1 |
1080p60 |
1-2 |
6 |
5 |
- |
4K@30 |
1 |
6 |
2 |
- |
7. 总结
对于H.265/HEVC编码处理，FPGA方案有着最完善的功能和preset配置，支持最多的有利于提高画质和降低bitrate的功能，适合各个场景下H265/HEVC的编解码配置。
同时具有灵活部署，易于升级的特点，非常容易就可以在某一个平台上升级IP特性，甚至根据需求，随时更换成其他协议的编解码功能。
FPGA的可扩展性也是GPU不可比拟的，能非常容易的在同一块FPGA上pipeline部署编解码相关的上下游应用；同时，因为FPGA之间的高速互联特性，也可以方便地在不同FPGA、不同FPGA板卡间部署完整的相关应用方案。（参考《Ali Cloud FPGA集群拓扑结构》https://www.atatech.org/articles/104152）
成本方面，高画质IP虽然通道数量上并不占优势，但是带来的bitrate的大幅降低，可以显著降低带宽成本、存储成本，综合成本是降低的；同时，有一些FPGA编解码IP也可以实现不输甚至优于GPU的通道处理能力。
在视频编解码领域，FPGA有着非常大的潜力和广阔的前景。
