CN114374848A - 一种视频编码优化方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及视频编码技术,公开了一种视频编码优化方法和系统,一种视频编码优化方法应用于NUMA架构中,其方法包括:检测服务器的CPU硬件,并获取CPU的节点总数以及CPU的节点所包括的逻辑核心,其中CPU的节点总数为M;依据检测的CPU节点总数,进行编码内核的创建;依据当前视频帧的gop id,在编码器上对视频进行编码;对于编码后的视频输出视频码流,依据码流中I帧的显示次序从低到高,将码流依次拼接成完整的码流。本发明在提高编码并行度的同时,避免了常规软件编码存在的远程访问内存。同时提高了编码并行度,提升编码速度,同时不会损失编码质量。

Description

一种视频编码优化方法和系统
技术领域
本发明涉及视频编码技术,尤其涉及了应用于NUMA架构中的一种视频编码优化方法和系统。
背景技术
目前,针对超高清视频的软件编码器,都采用多种并行编码策略的组合来实现超高清实时转码。常用的并行编码策略有:
(1)、帧内行级并行编码(利用多线程实现帧内多行同时编码);
(2)、帧级并行编码(利用多线程实现多帧同时编码);
(3)、GOP级并行编码(利用多线程实现多个GOP同时编码)。
通过基于多线程的并行编码,尽可能充分调动多核心CPU的计算资源。与此同时,为满足超高清视频实时编码的计算要求,硬件一般会采用超多核心CPU的服务器。
目前的多核CPU普遍采用的是NUMA架构,即“非一致性内存访问”。NUMA架构解决了多核心CPU上通过传统的北桥访问内存造成的性能瓶颈问题。在NUMA架构中,服务器被分为若干个节点(SOCKET),每个节点上有单独的CPU和内存。CPU通过内存控制器直接访问本地地址,速度快延时短;通过QPI LINK远程访问其他节点物理地址。
在NUMA架构的CPU上运行的多线程软件,应尽可能减少内存远程访问。正常的多线程编码,特别是4K/8K超高清编码,需要访问的内存是很多的,其中,重建帧数据、原始帧数据是内存占用量最大的部分。
原始帧主要在预分析阶段用来计算图像特性和编码复杂度,从而确定编码的量化参数及其他参数;重建帧则主要给帧内、帧间预测提供参考像素。此外,在编码模式选择阶段,需要利用重建图像和原始图像来计算编码失真。因此,存储重建帧和原始帧的内存毫无疑问是编码中访问频率最高的部分。
在NUMA架构的多核CPU上运行4K/8K超高清编码时,由于编码线程之间有相互依赖且依赖条件不是一直成立的,因此线程经常会进入WAIT状态,待条件成立,线程又再次进入RUN状态。CPU调度线程实现线程状态的切换,此过程中,线程有可能从一个NUMA节点切换到另一个NUMA节点。
因此,线程所访问的重建帧内存、原始帧内存与编码线程本身不能时刻保证在同一节点内,不可避免的会存在大量的内存远程访问,导致不能最大限度发挥多核CPU的计算能力。
在视频编码标准中,一般包含三种编码帧:I帧、P帧、B帧。视频编码中常用GOP(Group of picture)来代表视频编码序列中两个I帧之间的一组图像,GOP长度表示GOP内帧的数量,是编码器的重要参数。
GOP并行编码是超高清实时编码的常用手段。采用Close gop帧结构,这样可以保证相邻的GOP之间可以独立编码,并行度可以成倍提升。编码器将GOP码流按照GOP先后次序重新打包,形成最终的完整码流。编码内核是指具备完整编码能力的软件模块;编码内核的输入为原始视频图像序列,输出为编码后的视频码流。
例如现有技术中,专利申请号为:CN202011644043.5201910600394.7;专利名称为,一种用于8K超高清视频的实时编码的方法及系统,专利申请日:2020-12-31。在NUMA架构CPU上,其将编码任务限定在一个节点内部,不能最大限度发挥多节点CPU的计算能力。
发明内容
本发明针对现有技术中的视频编码,在NUMA架构CPU上,其将编码任务限定在一个节点内部,不能最大限度发挥多节点CPU的计算能力的问题,提供了一种视频编码优化方法和系统。
为了解决上述技术问题,本发明通过下述技术方案得以解决:
一种视频编码优化方法,应用于NUMA架构中,其方法包括:
服务器的检测,检测服务器的CPU硬件,并获取CPU的节点总数以及CPU的节点所包括的逻辑核心,其中CPU的节点总数为M;
编码器的创建,依据检测的CPU节点总数,进行编码内核的创建;
视频的编码,依据当前视频帧的gop id,在编码器上对视频进行编码;
码流的合成,对于编码后的视频输出视频码流,依据码流中I帧的显示次序从低到高,将码流依次拼接成完整的码流。
作为优选,编码器的创建方法包括:
步骤1,初始化设置节点索引变量i=0;
步骤2,调用pthread_setaffinity_np设置编码器的线程运行在节点i的逻辑核心上;
步骤3,创建编码内核i,编码内核绑定在了节点i上;
步骤4,对编码内核进行初始化,包括原始帧内存和重建帧内存的分配;
步骤5,节点索引变量加1,即i=i+1,当i小于M则继续步骤2,否则编码器创建完成。
作为优选,视频的编码方法包括:
获取当前视频帧的gop id,并对gop id进行更新,其中gop id初始化为0,最大值为M-1;
对当前gop id为i的视频帧,将当前帧送给节点i上的编码内核,编码内核将原始图像拷贝到自己的原始帧内存中,然后开始编码。
作为优选,gop id更新方式为:第一帧之后,每收到一个I帧或者IDR帧,gop id加1,如果gop id等于M,则gop id赋值为0。
为了解决上述技术问题,本发明还提供了一种视频编码优化系统,应用于NUMA架构中,其包括服务器检测模块、编码器创建模块、视频编码模块和码流合成模块;
服务器检测模块,服务器检测模块检测服务器的CPU硬件,并获取CPU的节点总数以及CPU的节点所包括的逻辑核心,其中CPU的节点总数为M;
编码器创建模块,编码器创建模块依据检测的CPU节点总数,进行编码内核的创建;
视频编码模块,视频编码模块依据当前视频帧的gop id,在编码器上对视频进行编码;
码流合成模块,码流合成模块对于编码后的视频输出视频码流,依据码流中I帧的显示次序从低到高,将码流依次拼接成完整的码流。
作为优选,编码器创建模块包括:节点初始化模块、线程运行设置模块、编码内核创建模块、编码内核初始化模块、索引变量更新模块;
节点初始化模块,初始化设置节点索引变量i=0;
线程运行设置模块,线程运行设置模块调用pthread_setaffinity_np设置编码器的线程运行在节点i的逻辑核心上;
编码内核创建模块,编码内核创建模块用于创建编码内核i,并将编码内核绑定节点i上;
编码内核初始化模块,对编码内核进行初始化,包括原始帧内存和重建帧内存的分配;
索引变量更新模块,节点索引变量加1,即i=i+1。
作为优选,视频编码模块包括:
视频帧获取模块,视频帧获取模块用于获取当前视频帧的gop id,并对gop id进行更新,其中gop id初始化为0,最大值为M-1;
视频帧编码模块,视频帧编码模块用于对当前gop id为i的视频帧,将原始帧图像拷贝至节点i的编码内核的原始帧内存中;调度节点i上的编码内核编码当前视频帧。
为了解决上述技术问题,本发明还提供了一种电子设备,其包括:至少一个处理器和存储器;所述存储器存储计算机执行指令;所述至少一个处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令,使得所述至少一个处理器执行所述的一种视频编码优化方法。
为了解决上述技术问题,本发明还提供了一种计算机可读存储介质,其所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令,当处理器执行所述计算机执行指令时,通过一种视频编码优化方法进行实现。
本发明由于采用了以上技术方案,具有显著的技术效果:
一、本发明在提高编码并行度的同时,避免了常规软件编码存在的远程访问内存。
二、本发明应用到ArcVideo的HEVC和AVS3编码器中,4K/8K等超高清视频的转码速度综合提升幅度达10%左右,对编码质量则完全没有损失。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明的编码器的创建流程图。
图3是本发明的编码框架示意图。
其中:
NUMA是Non-Uniform Memory Access的简称,即非一致性内存访问;
I帧:Intra-coded picture帧内编码图像帧;
P帧:Predictive-codedPicture预测编码图像帧;
B帧:Bidirectionallypredicted picture双向预测编码图像帧;
GOP:Group of picture(图像组),两个I帧之间的一组图像。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种视频编码优化方法,应用于NUMA架构中,其方法包括:
服务器的检测,检测服务器的CPU硬件,并获取CPU的节点总数以及CPU的节点所包括的逻辑核心,其中CPU的节点总数为M;
编码器的创建,依据检测的CPU节点总数,进行编码内核的创建;
视频的编码,依据当前视频帧的gop id,在编码器上对视频进行编码;
码流的合成,对于编码后的视频输出视频码流,依据码流中I帧的显示次序从低到高,将码流依次拼接成完整的码流。
编码器的创建方法包括:
步骤1,初始化设置节点索引变量i=0;
步骤2,调用pthread_setaffinity_np设置编码器的线程运行在节点i的逻辑核心上;
步骤3,创建编码内核i,编码内核绑定在了节点i上;
步骤4,对编码内核进行初始化,包括原始帧内存和重建帧内存的分配;
步骤5,节点索引变量加1,即i=i+1,当i小于M则继续步骤2,否则编码器创建完成。
视频的编码方法包括:
获取当前视频帧的gop id,并对gop id进行更新,其中gop id初始化为0,最大值为M-1;
对当前gop id为i的视频帧,将当前帧送给节点i上的编码内核,编码内核将原始图像拷贝到自己的原始帧内存中,然后开始编码。
gop id更新方式为:第一帧之后,每收到一个I帧或者IDR帧,gop id加1,如果gopid等于M,则gop id赋值为0。
实施例2
在实施例1基础上,对于服务器CPU硬件情况检测,如在Linux系统中,读取/proc/cpuinfo文件中的信息,过滤关键字“processor”和“physical id”,可以获得cpu id及physical id信息。cpu id为逻辑处理器的id,physical id为该逻辑处理器所在的NUMA节点。如在Intel(R)Xeon(R)Gold 6258R CPU上,包含有112个逻辑处理器和2个节点。其中节点0(physical id 0)包含逻辑处理器(0~27,56~83),节点1(physical id 1)包含逻辑处理器(28~55,84~111)。
对于编码器的创建,对于Linux系统和双节点Intel(R)Xeon(R)Gold 6258R CPU(M=2),使用pthread_setaffinity_np函数来设置逻辑处理器的亲和性,则后续软件代码将只运行在这些设定的逻辑处理器之上。先调用pthread_setaffinity_np设置后续软件代码运行在节点0的所有逻辑处理器上,然后创建编码内核0,调用编码内核0的初始化函数完成初始化。由于编码内核是具有完整编码功能的模块,因此包括原始帧内存、重建帧内存及编码内核的其他内存分配等都在初始化函数中完成,这样保证了编码内核0只运行在节点0上,而且其访问的原始帧、重建帧等内存也在节点0的物理地址内。同样的,再调用pthread_setaffinity_np设置后续软件代码运行在节点1的所有逻辑处理器上,创建编码内核1,调用编码内核1的初始化函数完成初始化。
当编码新的一帧时,首先获取当前的gop id;gop id初始化为0,最大值为M-1(M为CPU节点数);gop id更新策略为:第一帧之后,每收到一个I帧或者IDR帧,gop id加1,如果gop id等于M,则gop id赋值为0。如果当前帧的gop id等于i,则将当前帧送给节点i上的编码内核i,编码内核将原始图像拷贝到自己的原始帧内存中,然后正常编码。
实施例3
在上述实施例基础上,本实施例提供了一种视频编码优化系统,应用于NUMA架构中,其包括服务器检测模块、编码器创建模块、视频编码模块和码流合成模块;
服务器检测模块,服务器检测模块检测服务器的CPU硬件,并获取CPU的节点总数以及CPU的节点所包括的逻辑核心,其中CPU的节点总数为M;
编码器创建模块,编码器创建模块依据检测的CPU节点总数,进行编码内核的创建;
视频编码模块,视频编码模块依据当前视频帧的gop id,在编码器上对视频进行编码;
码流合成模块,码流合成模块对于编码后的视频输出视频码流,依据码流中I帧的显示次序从低到高,将码流依次拼接成完整的码流。
编码器创建模块包括:节点初始化模块、线程运行设置模块、编码内核创建模块、编码内核初始化模块、索引变量更新模块;
节点初始化模块,初始化设置节点索引变量i=0;
线程运行设置模块,线程运行设置模块调用pthread_setaffinity_np设置编码器的线程运行在节点i的逻辑核心上;
编码内核创建模块,编码内核创建模块用于创建编码内核i,并将编码内核绑定节点i上;
编码内核初始化模块,对编码内核进行初始化,包括原始帧内存和重建帧内存的分配;
索引变量更新模块,节点索引变量加1,即i=i+1。
视频编码模块包括:
视频帧获取模块,视频帧获取模块用于获取当前视频帧的gop id,并对gop id进行更新,其中gop id初始化为0,最大值为M-1;
视频帧编码模块,视频帧编码模块用于对当前gop id为i的视频帧,将原始帧图像拷贝至节点i的编码内核的原始帧内存中;调度节点i上的编码内核编码当前视频帧。
实施例4
在上述实施例基础上,本实施例提供了一种电子设备,其包括:至少一个处理器和存储器;
所述存储器存储计算机执行指令;所述至少一个处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令,使得所述至少一个处理器执行所述的一种视频编码优化方法。
实施例5
在上述实施例基础上,本实施例提供了一种计算机可读存储介质,其所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令,当处理器执行所述计算机执行指令时,通过一种视频编码优化方法进行实现。

Claims (9)

1.一种视频编码优化方法,应用于NUMA架构中,其特征在于,方法包括:
服务器的检测,检测服务器的CPU硬件,并获取CPU的节点总数以及CPU的节点所包括的逻辑核心,其中CPU的节点总数为M;
编码器的创建,依据检测的CPU节点总数,进行编码内核的创建;
视频的编码,依据当前视频帧的gop id,在编码器上对视频进行编码;
码流的合成,对于编码后的视频输出视频码流,依据码流中I帧的显示次序从低到高,将码流依次拼接成完整的码流。
2.根据权利要求1所述的一种视频编码优化方法,其特征在于,编码器的创建方法包括:
步骤1,初始化设置节点索引变量i=0;
步骤2,调用pthread_setaffinity_np设置编码器的线程运行在节点i的逻辑核心上;
步骤3,创建编码内核i,编码内核绑定在了节点i上;
步骤4,对编码内核进行初始化,包括原始帧内存和重建帧内存的分配;
步骤5,节点索引变量加1,即i=i+1,当i小于M则继续步骤2,否则编码器创建完成。
3.根据权利要求1所述的一种视频编码优化方法,其特征在于,视频的编码方法包括:
获取当前视频帧的gop id,并对gop id进行更新,其中gop id初始化为0,最大值为M-1;
对当前gop id为i的视频帧,将当前帧送给节点i上的编码内核,编码内核将原始图像拷贝到自己的原始帧内存中,然后开始编码。
4.根据权利要求3所述的一种视频编码优化方法,其特征在于,gop id更新方式为:第一帧之后,每收到一个I帧或者IDR帧,gop id加1,如果gop id等于M,则gop id赋值为0。
5.一种视频编码优化系统,应用于NUMA架构中,其特征在于:包括服务器检测模块、编码器创建模块、视频编码模块和码流合成模块;
服务器检测模块,服务器检测模块检测服务器的CPU硬件,并获取CPU的节点总数以及CPU的节点所包括的逻辑核心,其中CPU的节点总数为M;
编码器创建模块,编码器创建模块依据检测的CPU节点总数,进行编码内核的创建;
视频编码模块,视频编码模块依据当前视频帧的gop id,在编码器上对视频进行编码;
码流合成模块,码流合成模块对于编码后的输出视频码流,依据码流中I帧的显示次序从低到高,将码流依次拼接成完整的码流。
6.根据权利要求5所述的一种视频编码优化系统,其特征在于,编码器创建模块包括:节点初始化模块、线程运行设置模块、编码内核创建模块、编码内核初始化模块、索引变量更新模块;
节点初始化模块,初始化设置节点索引变量i=0;
线程运行设置模块,线程运行设置模块调用pthread_setaffinity_np设置编码器的线程运行在节点i的逻辑核心上;
编码内核创建模块,编码内核创建模块用于创建编码内核i,此时编码内核将绑定在节点i上;
编码内核初始化模块,对编码内核进行初始化,包括原始帧内存和重建帧内存的分配;
索引变量更新模块,节点索引变量加1,即i=i+1。
7.根据权利要求5所述的一种视频编码优化系统,其特征在于,视频编码模块包括:
视频帧获取模块,视频帧获取模块用于获取当前视频帧的gop id,并对gop id进行更新,其中gop id初始化为0,最大值为M-1;
视频帧编码模块,视频帧编码模块用于对当前gop id为i的视频帧,将原始帧图像拷贝至节点i的编码内核的原始帧内存中;调度节点i上的编码内核编码当前视频帧。
8.一种电子设备,其特征在于,包括:至少一个处理器和存储器;所述存储器存储计算机执行指令;所述至少一个处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令,使得所述至少一个处理器执行如权利要求1至4任一项所述的一种视频编码优化方法。
9.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令,当处理器执行所述计算机执行指令时,实现如权利要求1至4任一项所述的一种视频编码优化方法。
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