面臨挑戰(zhàn)

在直播行業(yè)發(fā)展如火如荼的今天，用戶對視頻體驗的要求也水漲船高。視頻基礎(chǔ)體驗的關(guān)鍵要素包括清晰度、流暢度、低延遲等，而這些要素的“第一性原理”，就是視頻本身的編碼效率，也就是壓縮率。

視頻編碼效率的重要性不言而喻，但進一步地提升也并非易事，尤其在直播場景中，對編碼速度、延遲、碼率控制等方面都有很高的要求。如何在保證畫質(zhì)不變的情況下，顯著提高壓縮率，同時滿足實時性、低延遲的要求，是一個持續(xù)的技術(shù)挑戰(zhàn)。

如何完成挑戰(zhàn)

新一代編碼器的采用

抖音基于BVC編碼器，曾在世界杯中給數(shù)億觀眾帶來了極致的視頻體驗。而本次亞運會中，火山引擎多媒體實驗室自研的新一代BVC編碼器首次得到抖音直播全鏈路支持并在直播中使用。BVC編碼器曾經(jīng)在業(yè)界編碼器大賽MSU中斬獲多項指標(biāo)的第一，具有行業(yè)領(lǐng)先的編碼和計算性能，并還在持續(xù)不斷地優(yōu)化迭代中。新一代BVC編碼器相比上一代，能在畫質(zhì)不變的情況下，顯著降低碼率，提升用戶體驗，降低帶寬成本。

新一代BVC編碼器在直播場景的優(yōu)化

作為新一代編碼器，引入了大量新的編碼工具和算法，在顯著降低碼率的同時，也具有相當(dāng)高的計算復(fù)雜度。而在直播場景中使用最新BVC編碼，首先需要對計算復(fù)雜度進行大幅度的優(yōu)化，才能達到實時性和低延遲的要求。

更極致、簡潔的工程架構(gòu)

首先，新一代BVC編碼器在直播場景下，對所有編碼工具和算法進行了測試，按照性價比篩選出了在直播的編碼速度要求下能夠投入使用的工具和算法集合。而基于這個集合重新設(shè)計輕量級的架構(gòu)，能最大化減少計算流程損耗。新的編碼器架構(gòu)對整個編碼流程進行了重新梳理，去除原先復(fù)雜的情況耦合，為特殊工具單獨設(shè)計流程，實現(xiàn)了編碼流程的最簡化。同時，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也進行了更極致的優(yōu)化，顯著減少了數(shù)據(jù)量，提升了訪存效率。此外，還通過大量的計算結(jié)果緩存及復(fù)用的機制，減少了重復(fù)計算，以及設(shè)計了高效的數(shù)據(jù)交換機制，減少了數(shù)據(jù)拷貝。在計算模塊的優(yōu)化上，挖掘了更多的計算流程整理為SIMD實現(xiàn)，同時對原有的SIMD實現(xiàn)進行了進一步優(yōu)化，從而減少指令數(shù)。基于直播場景的編碼器架構(gòu)優(yōu)化，在算法基本不變的前提下，為新一代BVC編碼器節(jié)省了超過30%的復(fù)雜度。

靈活、精細化的并行框架

為了在計算復(fù)雜度提高的情況下，仍然能實現(xiàn)實時編碼，充分利用多核處理器的能力至關(guān)重要。新一代BVC編碼器針對直播場景進行并行框架的重新設(shè)計。首先將前處理、預(yù)分析、編碼等過程并行起來，并在任務(wù)調(diào)度上分配合適的優(yōu)先級，從而最大降低編碼前的等待。對于編碼過程的線程等待，精確計算等待的條件，并將條件限制降低到最小，從而降低等待時延。此外，基于幀內(nèi)和幀間并行編碼的模型，根據(jù)編碼時依賴關(guān)系準(zhǔn)確分配每個編碼任務(wù)的線程優(yōu)先級權(quán)重，對線程進行靈活而精細化地調(diào)度。經(jīng)過優(yōu)化，新一代BVC編碼器的CPU利用率提升50%以上。

上百個快速算法

除了工程架構(gòu)之外，新一代BVC編碼器還增加了大量的快速算法，從而達到高分辨率、高碼率和高幀率下的實時編碼。新一代BVC編碼器重構(gòu)了編碼塊劃分的框架，根據(jù)周圍塊和歷史劃分信息，自適應(yīng)決策劃分深度的范圍，大幅減少了無效的劃分嘗試，從而降低編碼復(fù)雜度。在模式?jīng)Q策中，為每個模塊設(shè)計大量精細的初選快速算法，從而大幅減少最終嘗試的模式數(shù)量。此外，還對前處理和預(yù)分析模塊也進行了大量的簡化處理。新一代BVC編碼器為直播場景增加的上百個快速算法，在壓縮率的損失較小前提下將整體編碼速度提高了2倍以上。

亞運會的針對性優(yōu)化

除了編碼器內(nèi)核本身的優(yōu)化之外，新一代BVC編碼器還對亞運會進行了專項優(yōu)化。亞運會除了傳統(tǒng)的運動項目之外，還增加了關(guān)注度較高的電競項目。而新一代BVC編碼器也對運動、游戲這兩種場景進行針對性的優(yōu)化。研發(fā)團隊進行了大量的測試，對不同視頻分辨率和復(fù)雜度下進行了編碼檔位的適配，調(diào)整了數(shù)十個編碼參數(shù)來控制不同編碼算法在運動、游戲場景中的性價比，在獲得壓縮率提高的同時實現(xiàn)了編碼加速。此外，還對碼率控制進行了調(diào)優(yōu)，減少了高運動復(fù)雜場景中畫面模糊的情況。

優(yōu)化成果

新一代BVC編碼器在直播場景中實現(xiàn)了1080P 50FPS的實時編碼，在畫質(zhì)不變的情況下，相比上一代編碼器實現(xiàn)了20%左右的碼率節(jié)省。實際效果如下：（對比展示，上面是上一代BVC編碼視頻，下面是新一代BVC編碼視頻）

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和廣泛應(yīng)用的開源編碼器x265(v3.5)對比，新一代BVC編碼器也具有顯著優(yōu)勢，下圖展現(xiàn)了性能對比數(shù)據(jù)。可以看出，在編碼設(shè)置對齊的情況下（幀結(jié)構(gòu)、碼控方式、lookahead長度等），新一代BVC編碼器，對于亞運會中的運動和游戲視頻內(nèi)容，平均能實現(xiàn)40%以上的碼率節(jié)省，同時編碼速度更快。

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