CPU+GPU+IO高清標(biāo)清非編系統(tǒng)技術(shù)分析及應(yīng)用
關(guān)鍵詞】 CPU+GPU+IO i-Link IPSAN ImageSAN
隨著電腦硬件性能與軟件技術(shù)水平的提高，基于CPU+GPU+IO為核心的新一代純軟件的非編系統(tǒng)，已經(jīng)日益成熟。它與基于硬件板卡的非編系統(tǒng)相比，純軟非編無須硬件板卡的支持，以主機系統(tǒng)和剪輯軟件實現(xiàn)剪輯功能，具有穩(wěn)定可靠、價格低廉、格式靈活、升級容易等顯著優(yōu)點。在此前提下，國際主流板卡制造商將開發(fā)的重點由支持特性轉(zhuǎn)為支持兼容性，并以10bit無壓縮的視頻采集質(zhì)量代替了原先的8bit壓縮質(zhì)量。當(dāng)高清制作普及時，視頻信號的數(shù)字容量成倍增加，傳統(tǒng)非編視頻卡及其應(yīng)用將意味著整體報廢。因此，用戶都希望在標(biāo)清和高清之間實現(xiàn)平穩(wěn)過渡以及對未來的可升級性。為此，純軟非編環(huán)境的作用被迅速升級，純軟非編系統(tǒng)及其網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成為大勢所趨。
一、CPU+GPU+IO的原本原理
圖1 CPU+GPU+IO非編結(jié)構(gòu)示意圖
如圖1所示，純軟非編由主機、剪輯軟件、I/O視音頻卡、存儲4個部分組成。與傳統(tǒng)非編相比，硬件板卡不再承擔(dān)數(shù)據(jù)流的實時支持性能，改為由主機的CPU+GPU核心來實現(xiàn)，此功能通過新一代剪輯軟件來調(diào)用，硬件板卡只承擔(dān)高質(zhì)量信號的采集和輸出，最新的Blackmagic公司的DeckLink系列卡將視頻信號提高到10bit無壓縮質(zhì)量，即使素材多層特技處理和多代復(fù)制后仍能保持原色。工作流程為：剪輯軟件通過I/O卡將素材采集到存儲設(shè)備，然后通過剪輯軟件使用CPU+GPU性能調(diào)用存儲的素材進(jìn)行常規(guī)的實時剪輯、特技、字幕制作成片，最后將成片通過I/O輸出到磁帶?？梢钥闯觯夭脑谔幚磉^程中保持了10bit無壓縮的制作流程。由于板卡不再承擔(dān)實時支持，并且10bit無壓縮的視頻數(shù)據(jù)量（特別是HD）驚人，所以，對純軟非編主機系統(tǒng)的配置要求增高了。
典型的應(yīng)用軟件是Final Cut Pro 5，它提供高性能、全功能的支持，其RT Extreme可以將實時播放特效、濾鏡、轉(zhuǎn)場和復(fù)合視頻流運用到HD格式上，而不僅限于SD格式。由超過150種的實時特效、轉(zhuǎn)場和濾鏡可提供選擇：不需要渲染和添加昂貴的硬件設(shè)備，使用RT Extreme HD可以選擇全解析度、高畫質(zhì)播放，或是最大同時串流和特效預(yù)覽格式。再擴展性方面，它支持從DV、SD、HD、和膠片的各種視頻格式。即使文件很小，也可以得到高品質(zhì)的畫面，足以用于廣播。這樣就可以避免使用高清要進(jìn)行下變換，從頭到尾都使用1080i和720p HD，而不用管理多重離線格式。
Shake特技合成系統(tǒng)是一款功能全面，并且不受分辨率限制的專業(yè)特效合成軟件，Shake擁有獨特的高性能渲染引擎，可以在不同的分辨率下選擇8、16或32位色彩進(jìn)行合成操作，策略上，在保證高性能的同時，優(yōu)化大量輸入的圖像，獲得更加逼真的合成效果。Shake具有直觀的工作空間，可以輕松解決在制作過程中任何時候碰到的創(chuàng)意和技術(shù)問題?？梢酝ㄟ^由節(jié)點組成的樹狀結(jié)構(gòu)管理復(fù)雜的視覺特效模塊，便于查找、選擇和修改任何元素，并且你可以實時預(yù)覽最終的合成效果。從完全的32位浮動Keylight和Primatte摳像，到OpenGL加速的3D多面合成，Shake為處理高品質(zhì)的大型圖像提供了高效的合成操作。利用Shake內(nèi)類似C的腳本語言和宏，制作自定義特效和功能。
二、組網(wǎng)應(yīng)用
CPU+GPU+IO的組網(wǎng)應(yīng)用是構(gòu)成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它的構(gòu)成要素主要有：
（1）視音頻接口
在當(dāng)前接口標(biāo)準(zhǔn)繁雜的前提下，系統(tǒng)需保持的基本接口應(yīng)包括復(fù)合、分量、SDI、ASI、1394（Firewire，i-Link）、Ethernet等，以保證對現(xiàn)有前期設(shè)備和未來前期設(shè)備的支持能力，并有可能方便地向高清過渡。無論是MAC平臺，還是PC平臺，CPU和GPU的性能越來越強大，以往通過視頻板卡所實現(xiàn)的功能，完全可以通過軟件來達(dá)到目的。例如：蘋果MAC PRO（四核2.8G雙CPU，2GB FBD800內(nèi)存，4T SATA磁盤陣列，ATI2600顯卡）和INTEL XEONPC平臺（Intel 雙路l XEON 5400 CPU，2GB DDR FBD800存，8T SATAI磁盤陣列，NVIDIA Quadro FX 560 PCI-E）就是典型的純軟非編計算機平臺。下表列出DeckLink卡應(yīng)用數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析我們可以看出，它的視頻信號碼流對硬件的處理能力和帶寬的要求都很高。 #p#page_title#e#
DeckLink視頻卡視頻格式及碼率列表
（2）視音頻壓縮格式
視頻壓縮編碼是整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。綜合考慮通用性、兼容性、信號指標(biāo)、壓縮效率等方面技術(shù)指標(biāo)。在本系統(tǒng)中，目前采用DVCPRO 50和DVCPRO HD作為主編輯格式，部分為采用無壓縮標(biāo)清、無壓縮高清格式，同時，系統(tǒng)還可以支持其他各種主流格式，包括DVCPRO25、IMX、HDV源碼流等等格式。音頻編碼需要支持16位及24位44.1KHz/48KHz/88.2KHz/96KHz采樣可選的取樣頻率，為適應(yīng)高清制作，音頻需支持4軌以上的采集能力。
（3）存儲網(wǎng)絡(luò)平臺
在純軟非編的網(wǎng)絡(luò)中，由于視頻應(yīng)用的特性，要求網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須具備高吞吐、大容量、高可靠性并容易擴展這幾個基本要素。因此，在軟非編網(wǎng)絡(luò)中，一般都采取前臺工作站使用純以太網(wǎng)，后臺存儲為SAN的混合架構(gòu)。但以IPSAN最具競爭力，它可以虛擬的體系構(gòu)架，實現(xiàn)無限地域空間的采集、制作、存儲或業(yè)務(wù)拓展。簡單的說IPSAN不但具備FC擴充簡單、高性能、高可用性的特點，又能克服FC高成本高投入，操作管理復(fù)雜，連接距離有限等缺點。
（4）網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議
網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)既需要提供一個存儲平臺，還需要提供一個統(tǒng)一的網(wǎng)管平臺，它不僅包括對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)運行情況監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)配置等管理功能，還包括在應(yīng)用端對存儲及文件級的內(nèi)容共享。通常是以FC+Ethernet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但以iSCSI+IPSAN+MASN最為適用，擴展性和性價比均為最佳。
值得注意的是存儲共享管理軟件基（FSS），在PC平臺上的FSS有Tivoli SANergy、ADIC StorNext FS、Veritas San Point Direct、Rorke Data ImageSAN等等。雖然目前SANergy的實際應(yīng)用量最大，但Tivoli公司于2003年起已不再支持SANergy，這就決定了它的存活期走到了盡頭。而ImageSAN是專門針對廣電行業(yè)音視頻（AV）SAN網(wǎng)絡(luò)存儲應(yīng)用而研發(fā)的，是支持Windows NT/2000/XP、Macintosh OSX以及Linux平臺以及混合環(huán)境的SAN解決方案。在其最新推出的2.0版本中，引入了“Lan Intergration”這個全新特性，完美的整合了SAN與LAN。使網(wǎng)絡(luò)即具備了SAN的高性能、高擴展性，同時，又繼承了LAN的結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉的優(yōu)點，成為純軟非編網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最佳選擇。
圖2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用
如圖2的應(yīng)用系統(tǒng)有效存儲容量應(yīng)達(dá)到400小時（按25Mb/s編碼格式）。系統(tǒng)采用六臺高標(biāo)清兼容非線性編輯工作站，采用目前最先進(jìn)的CPU+GPU技術(shù)，其中兩臺上下載精編工作站，四臺無卡精編工作站，所有后期制作網(wǎng)中的編輯工作站通過FC網(wǎng)絡(luò)訪問光纖存儲設(shè)備中的視音頻數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的管理信息通過以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。編輯碼流標(biāo)清采用DVCPRO 50Mb/s編碼格式，高清為DVCPRO HD 100Mb/s編碼格式。這樣一來，整個系統(tǒng)建設(shè)完成后各個子系統(tǒng)都可以獨立運行，在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺和規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)接口基礎(chǔ)上，進(jìn)行有效、有序、可靠的數(shù)據(jù)傳輸和交換。形成一個集采、編、存、管理功能于互聯(lián)互通的智能化業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)，并為未來儲備共享的內(nèi)容與數(shù)據(jù)資源。
三、應(yīng)用分析
由于上述應(yīng)用是建立在內(nèi)部數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)上，因此，在以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的內(nèi)容整合方面，具有如下的特征：
（1）安全性保障
為滿足非編和生成的流量需要, 啟用ImageSAN 2.0的ImageLAN均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載功能后，以3個ImageSAN點作為SAN服務(wù)器，以18個點的ImageLAN共享一個FC存儲，ImageSAN的ImageLAN機制自動地將所有來自LAN的訪問請求，平均的分布在3個Data Server上，每Data Master各自、自動地承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的1/3。這樣，一旦服務(wù)器死機，ImageLAN將會自動把LAN的請求重定向到其他正常運行的Data Master上，確保應(yīng)用不會中斷。 #p#page_title#e#
（2）多功能的多媒體應(yīng)用
以一組蘋果工作站作為Final Cut Pro的應(yīng)用，另一組PC工作站作為Adobe After Effect，Adobe XGrid還有Premier Pro的應(yīng)用，生成Rendering Farm的機組應(yīng)用。以方便于多媒體應(yīng)用時的靈活運用。
（3）網(wǎng)絡(luò)卷的共享
有些視、音頻軟件不能支持網(wǎng)絡(luò)卷的應(yīng)用，而系統(tǒng)是先等于網(wǎng)絡(luò)卷映射，但經(jīng)過ImageLAN激活每每一個工作站后，能夠共享從ImageSAN Data Master映射的網(wǎng)絡(luò)卷，等于看到了本地硬盤，解決了不能共享網(wǎng)絡(luò)卷的問題。
（4）在線升級的高速存儲網(wǎng)
由于應(yīng)用最佳存儲陣列Galaxy-I的新一代產(chǎn)品，ASIC 266設(shè)計架構(gòu)，單控制器可以支持超高速讀/寫達(dá)350/275（MB/sec），同時支持10bit無壓縮高清流，控制器在多種RAID級時支持本地和全局熱備份盤，支持RAID 0，1（0+1），3，5，10，30，50，NRAID and JBOD，并能以在線添加新硬盤，和在線復(fù)制及升級，當(dāng)在線更換400GB SATA硬盤時，后臺數(shù)據(jù)自動重建，以配置條帶大小和讀寫方式；當(dāng)硬盤智能處理時，RAID的降級模式將在重建過程中跳過壞扇區(qū)，確保最大重建數(shù)據(jù)。
四、結(jié)論
視頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個典型的集SAN、NAS、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡、群集等技術(shù)于一身的應(yīng)用，與之類似的應(yīng)用還有：VOD系統(tǒng)、數(shù)字化圖書館、醫(yī)療系統(tǒng)、數(shù)據(jù)遷移等。CPU+GPU+IO架構(gòu)為此做出了貢獻(xiàn)。它的純軟非編不僅在制作端節(jié)省了大筆開支，在網(wǎng)絡(luò)方面的性價比也得到了體現(xiàn)，純軟系統(tǒng)穩(wěn)定性好的特點使用戶的應(yīng)用在未來也具備了可升級性?；赪INDOWS、MAC、LINUX等任何平臺的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，可將素材共享并統(tǒng)一管理，為未來平滑升級與高清發(fā)展打下了良好基礎(chǔ)
