FPGA加速图片和视频转码

1 FPGA加速图片和视频转码 场景描述 解决的问题 场景1：图片转码 通过FPGA云服务器进行高效图片转 码 移动互联网早已进入读图时代，目前的图片都是 JPEG格式，尺寸太大，导致传输占用更多的网络 通过FPGA云服务器进行高效视频转 带宽，花费更多的传输时间并占用更多的存储空 码 间。JPEG图片转码为 WebP/HEIF需要消耗大量的 产品列表 计算能力。使用阿里云 FaaS加速图片转码解决 VPC，ECS，FPGA，OSS， 方案将使客户 TCO降低约 40%。 场景2：视频转码 到2022年，82%的IP流量都将来自于视频的录 制、上传和播放。HEVC/H.265无论从画质还是码 率，都比H.264有明显的优势，但是将视频将 H.264编码为 H.265将消耗巨大的算力。使用阿 里云FaaS加速视频转码将显著降低视频大小， 节省网络流量，降低成本。 文档版本：20190904

2文档模板（手册名称）/Error! Use the Home tab to apply 云服务器 ECS（产品名称） 标题 to the text that you want to appear here. 阿里云 FPGA加速图片和视频转码 文档版本：20150122（发布日期） II

3使用 FPGA云服务器加速图片和视频转码 文档版本信息 文档版本信息 文本信息 属性 内容 文档名称 FPGA加速图片和视频转码 文档编号 090 文档版本 V1.3 版本日期 2021-08-25 文档状态 外部发布 制作人 游士 审阅人 - 文档变更记录 版本编号 日期 作者 审核人 说明 V1.0 2019/08/27 云魁 敬海、行夜 创建 V1.1 2019/09/04 筱晖 - 文档优化 V1.2 2020/12/01 云魁 敬海 视频转码算法 替换为阿里云 达摩院 XGH265算法 V1.3 2021/9/6 游士 使用 CADT创 建资源，文档优 化 文档版本：20210906 I

4使用 FPGA云服务器加速图片和视频转码 前言 前言 概述 本实践基于阿里云 FPGA计算型实例，完整演示如下两个加速场景，帮助使用者快 速理解阿里云 FPGA云服务器： 1. 加速视频转码：视频编码 IP的编译、镜像下载到 FPGA以及将 MP4视频文件 编码为 H.265的全过程； 2. 加速图片转码：使用基于 FPGA的图像格式装换程序，将 JPEG格式的图片转 换为 WebP格式，并进行缩放。 名词解释 FPGA云服务器 是一款提供了现场可编程门阵列(FPGA)的计算实例，基于阿里云弹性计算框 架，用户可以几分钟内轻松创建 FPGA实例，创建自定义的专用硬件加速器。 由于 FPGA硬件的可重配特性，用户可以对已创建的 FPGA硬件加速应用，进 行快速擦写和重配，达到低时延硬件与弹性伸缩最好的结合。 FPGA计算型实例规格族 f3 f3的特点如下： – I/O优化实例 – 仅支持 SSD云盘和高效云盘 – 采用 Xilinx 16nm Virtex UltraScale+ 器件 VU9P – 处理器与内存配比为 1:4 – 处理器：2.5 GHz主频的 Intel ® Xeon ® Platinum 8163（Skylake） – 实例网络性能与计算规格对应（规格越高网络性能越强） 适用场景 – 深度学习推理 – 基因组学研究 文档版本：20210906 III

5使用 FPGA云服务器加速图片和视频转码 前言 – 数据库加速 – 图片转码，例如 JPEG转 WebP – 实时视频处理，例如 H.265视频压缩 – 加解密 – 大数据过滤、大数据分析 FPGA计算型实例规格族 f1 f1的特点如下： – I/O优化实例 – 支持 IPv6 – 仅支持 SSD云盘和高效云盘 – 采用 Intel ® ARRIA ® 10 GX 1150计算卡 – 处理器与内存配比为 1:7.5 – 处理器：2.5 GHz主频的 Intel ® Xeon ® E5-2682 v4（Broadwell） – 实例网络性能与计算规格对应（规格越高网络性能越强） 适用场景： – 深度学习推理 – 基因组学研究 – 金融分析 – 图片转码 IP核，全称知识产权核（英语：intellectual property core） 是在集成电路的可重用设计方法学中，指某一方提供的、形式为逻辑单元、芯 片设计的可重用模组。IP核通常已经通过了设计验证，设计人员以 IP核为基础 进行设计，可以缩短设计所需的周期。IP核可以通过协议由一方提供给另一 方，或由一方独自占有。IP核的概念源于产品设计的专利证书和源代码的版权 文档版本：20210906 IV

6使用 FPGA云服务器加速图片和视频转码 前言 等，设计人员能够以 IP核为基础进行特殊应用积体电路或现场可编程逻辑门阵 列的逻辑设计，以减少设计周期。 HEVC/H.265 高效率视频编码（High Efficiency Video Coding，简称 HEVC），又称为 H.265 和 MPEG-H第 2部分，是一种视频压缩标准，被视为是 ITU-T H.264/MPEG-4 AVC标准的继任者。HEVC被认为不仅提升影像质量，同时也能达到 H.264/MPEG-4 AVC两倍之压缩率（等同于同样画面质量下比特率减少到了 50%）。 WebP（发音：weppy） 是一种同时提供了有损压缩与无损压缩（可逆压缩）的图片文件格式，是由 Google在购买 On2 Technologies后发展出来。目标是减少文件大小，但达到 和 JPEG格式相同的图片质量，希望能够减少图片档在网络上的发送时间。 XGH265 XGH265是基于 FPGA的 HEVC编码器，具有多视频增强功能，由阿里云达摩 院 XG实验室开发。它具有以下特征： 高达 1080p / 60fps的容量，与单个 FPGA并行 4个会话 4X编码通道，支持多线程/多进程编码 视频增强功能 基于 FPGA即服务（FAAS）平台的，并且可在阿里巴巴公共云上使用 文档版本：20210906 V

7使用 FPGA云服务器加速图片和视频转码 目录 目录 文档版本信息 .................................................................... I 法律声明 ....................................................................... II 前言 .......................................................................... III 目录 ........................................................................... VI 最佳实践概述 .................................................................... 1 前置条件 ........................................................................ 2 1. 准备工作 .................................................................... 3 1.1. 云资源访问授权 ....................................................... 3 1.2. 创建RAM子账号并授权 ................................................. 3 2. 场景一：FPGA云服务器加速视频转码 ........................................... 6 2.1. 创建FPGA（f3）云服务器 ............................................... 6 2.1.1. 获取带有视频转码 IP的镜像 ........................................ 6 2.1.2. 使用云速搭 CADT创建网络环境和 FPGA服务器 ......................... 7 2.2. 配置FPGA云服务器运行环境 ............................................ 9 2.3. 启动FPGA进行视频转码任务 ........................................... 11 2.3.1. 准备源文件 ...................................................... 11 2.3.2. 启动 FPGA视频转码任务 ........................................... 12 2.4. 通过截图对比转码前后的视频质量 ...................................... 13 3. 场景二：FPGA云服务器加速图片转码 .......................................... 17 3.1.1. 获取带有图片转码 IPcore的镜像 ................................... 17 3.1.2. 允许外网访问 FPGA云服务器 5000端口 .............................. 17 3.2. 运行FPGA云服务器的图片转码程序 ..................................... 18 3.3. 图片转码测试 ........................................................ 19 文档版本：20210906 VI

8使用 FPGA云服务器加速图片和视频转码 最佳实践概述 最佳实践概述 FaaS解决方案和优势 图片转码 移动互联网早已进入读图时代，目前的图片都是 JPEG格式，尺寸太大，导致传 输占用更多的网络带宽，花费更多的传输时间并占用更多的存储空间。JPEG图 片转码为 WebP/HEIF需要消耗大量的计算能力。使用阿里云 FaaS加速图片转 码解决方案将使客户 TCO降低约 40%。 视频转码 到 2022年，82%的 IP流量都将来自于视频的录制、上传和播放。HEVC/H.265 无论从画质还是码率，都比 H.264有明显的优势，但是将视频将 H.264编码为 H.265将消耗巨大的算力。使用阿里云 FaaS加速视频转码将显著降低视频大 小，节省网络流量，降低成本。 文档版本：20210906 1