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有问有答:现在有哪些显卡硬件编码技术?

超能网 08-06 14:26 关注

显卡硬件编码这个概念,各位或多或少应该都有所耳闻。最早它指的是用GPU的通用计算能力来处理视频编码这种计算量庞大的任务。但随着硬件的发展,现在的显卡硬件编码已经跟十多年前的用CUDA加速编码不一样了,现在的显卡硬件编码已经指的是利用GPU集成的专用硬件单元进行编码操作,因为是专用的电路,其效率相比起用通用计算来加速要高出不少,目前AMD、Intel和NVIDIA都已经在自家的硬件中加入了硬件编码相关的单元,但可能大家并不清楚,本文就简单介绍一下三家的硬件编码技术和目前的情况。

NVIDIA NVENC

首先要讲的是NVIDIA的NVENC,从变革非常大的Kepler架构开始,NVIDIA就在GPU中加入了专门用于编码视频的硬件单元,并引入了NVENC功能。NVIDIA在每次推出新架构的时候都会更新一下这个单元,加入一些新的特性。从Kepler开始到Turing,NVENC单元已经更新了六代之多了,这里罗列几个比较重要的节点:

不过NVENC的支持情况相当复杂,举例来说,同样属于Pascal家族,高端的GTX 1070/1080就可以同时处理两条视频流,而中端的GTX 1060就只支持一条流;再比如说,GTX 1650这款使用小图灵核心的显卡的NVENC模块实际上是Volta版本的(老黄的刀法可不仅限于GPU的规模)。对此,NVIDIA官方提供了一个非常详细的网站供参考:Video Encode and Decode GPU Support Matrix,如果各位想要搞明白自己显卡的硬件编码能力,参照这个网站是肯定没有问题的。NVENC只能够编码AVC和HEVC,但发展到现在,它的编码质量已经非常优秀了,这项功能目前的应用还是比较广的,像NVIDIA自家的GeForce Experience在录屏的时候就默认会调用NVENC。另外,我们最近对NVENC在Premiere Pro中的表现进行了测试,详情可以参考这篇文章:NVIDIA NVENC编码加速器测试。Intel Quick Sync VideoIntel应该是这三家中最早开始捣鼓硬件编码电路的,早在一代经典的Sandy Bridge,也就是第二代酷睿i系列处理器上面,他们就为核显模块加入了Quick Sync Video特性,发展到现在,也是相当成熟稳定了。相比起NVENC只是一项针对视频编码的技术不同的是,QSV中也包含了对视频解码的相关支持(NV那儿解码是NVDEC的东西),从Sandy Bridge开始到Kaby Lake为止,QSV会随着每一代架构的演进而更新,基本和核显的代数是同步的。随着这几年Intel在架构上的停滞,QSV也没有太大的更新。不过Ice Lake和Tiger Lake上面它还是有一定程度的进步的,比如说Tiger Lake就将要引入针对AV1编码的硬件解码能力。在硬件编码方面,除了AVC和HEVC这两个常用的视频编码之外,QSV还支持MPEG-2、MJPEG和VP8、VP9的编码支持。它也是较早被软件所支持的硬件视频编解码技术,比如Adobe Premiere Pro很早就可以利用到它。需要注意的是,要使用QSV,核显必须处于开启状态,也就是说,目前被屏蔽掉核显的F后缀处理器无法使用它。AMD Video Core Next在高清时代刚刚拉开帷幕的时候,AMD或者说,ATI针对硬解高清视频搞出的UVD技术可以说是相当的惊艳,不过在编码方面,他们就落后了一些。AMD最早在初代GCN架构的显卡中引入了Video Coding Engine技术,初始版本只支持YUV420的AVC编码,且不支持B帧。从VCE 3.0版本开始支持HEVC的编码。VCE的最后一个版本是Vega20 GPU中应用的VCE 4.1,在基于RDNA架构的Navi芯片上面,它被Video Core Next所取代了。Video Core Next首次出现是在18年发布的Raven Ridge系列APU上面,它取代掉了原本的VCE和UVD,是一套新的视频编解码解决方案。随后在Navi 1x系列芯片中,集成了VCN 2.0,但特性较1.0没有变化,Renoir APU上面集成了VCN 2.1,未来的Navi 2x系GPU将集成VCN 3.0。如何使用硬件编码技术?早几年软件厂商并不重视利用硬件编码技术,不过如今的PC平台硬件或多或少会支持一种硬件编码技术,如果没法利用的话也算是一种浪费。像是OBS这个常用的录屏软件就支持以上这三项硬件编码技术,在检测到系统硬件支持之后会自动在编码器选项中提供对应的选项;而像Adobe这样在软件优化方面不太上心的公司也在Premiere Pro 14.2版本中加入了对NVENC和AMF(Advanced Media Framework,AMD的多媒体处理框架,可调用硬件编码)的支持。如果想单独调用GPU硬件编码模块去压视频,自己又有一定动手能力的,可以了解一下日本大神rigaya写的NVEnc、VCEEnc和QSVEnc这三款软件,现在的FFmpeg中也整合了QSV和NVENC,各大FFmpeg的图形化前端应该也做了相应的支持。顺带一提的是,利用专用单元对视频进行编解码操作并不是显卡或者说PC硬件的专利,几大移动SoC厂商早已在旗下的产品中加入了相关的单元,像苹果,从A10开始,就在SoC中集成了HEVC编码单元,未来给Mac用的自研SoC中肯定也会有相关的单元。总的来说,硬件编码技术已经普及,并可堪一用。附赠:硬件编码技术质量如何?如果在早几年用过硬件编码的朋友可能会觉得,硬件编码的质量较差,但实际上这个观念放到今天已经有点不正确了。NVIDIA在最近几代的NVENC中着重改良了它的质量表现。之前NVIDIA官方已经提供了他们的测试,我在业余用他们的参数跑了一下 ,并使用Netflix开源的客观视频质量对比框架vmaf对压制后的视频进行评价。这里使用的源视频片段是《你的名字》开场不久后的那段“MV”,源视频是从蓝光原盘文件中切取获得。参数的话,NVENC组使用的是-c:v h264_nvenc -preset medium -b:v BITRATE -bufsize BITRATE*2 -profile:v high -bf 3 -b_ref_mode 2 -rc-lookahead 20,libx264组使用的是-c:v libx264 -preset medium -b:v BITRATE -bufsize BITRATE*2 -profile:v high,这两组参数均参考自官方Blog文章。码率范围这边选择的比官方文章中的更广,从2Mbps到20Mbps,2~10Mbps段以1Mbps为间隔,10Mbps以上则以2Mbps为间隔,最终测试得到的码率-vmaf分数图线如下:有问有答:现在有哪些显卡硬件编码技术?可以看到,Turing片段在中低码率段较Pascal有明显的提升,在这个参数下,两个由NVENC编码得到的片段在绝大部分情况下画质表现均好于libx264的。不过这里需要指出的是,官方采用的编码参数对x264是不利的,实际情况中,压制组会使用更为复杂的控制参数来达到一个码率-画质的平衡。不过对于简单的编码,NVENC确实赢了。


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