CPU+GPU+IO高清标清非编系统技术分析及应用
关键词】 CPU+GPU+IO i-Link IPSAN ImageSAN
随着电脑硬件性能与软件技术水平的提高，基于CPU+GPU+IO为核心的新一代纯软件的非编系统，已经日益成熟。它与基于硬件板卡的非编系统相比，纯软非编无须硬件板卡的支持，以主机系统和剪辑软件实现剪辑功能，具有稳定可靠、价格低廉、格式灵活、升级容易等显著优点。在此前提下，国际主流板卡制造商将开发的重点由支持特性转为支持兼容性，并以10bit无压缩的视频采集质量代替了原先的8bit压缩质量。当高清制作普及时，视频信号的数字容量成倍增加，传统非编视频卡及其应用将意味着整体报废。因此，用户都希望在标清和高清之间实现平稳过渡以及对未来的可升级性。为此，纯软非编环境的作用被迅速升级，纯软非编系统及其网络应用成为大势所趋。
一、CPU+GPU+IO的原本原理
图1 CPU+GPU+IO非编结构示意图
如图1所示，纯软非编由主机、剪辑软件、I/O视音频卡、存储4个部分组成。与传统非编相比，硬件板卡不再承担数据流的实时支持性能，改为由主机的CPU+GPU核心来实现，此功能通过新一代剪辑软件来调用，硬件板卡只承担高质量信号的采集和输出，最新的Blackmagic公司的DeckLink系列卡将视频信号提高到10bit无压缩质量，即使素材多层特技处理和多代复制后仍能保持原色。工作流程为：剪辑软件通过I/O卡将素材采集到存储设备，然后通过剪辑软件使用CPU+GPU性能调用存储的素材进行常规的实时剪辑、特技、字幕制作成片，最后将成片通过I/O输出到磁带。可以看出，素材在处理过程中保持了10bit无压缩的制作流程。由于板卡不再承担实时支持，并且10bit无压缩的视频数据量（特别是HD）惊人，所以，对纯软非编主机系统的配置要求增高了。
典型的应用软件是Final Cut Pro 5，它提供高性能、全功能的支持，其RT Extreme可以将实时播放特效、滤镜、转场和复合视频流运用到HD格式上，而不仅限于SD格式。由超过150种的实时特效、转场和滤镜可提供选择：不需要渲染和添加昂贵的硬件设备，使用RT Extreme HD可以选择全解析度、高画质播放，或是最大同时串流和特效预览格式。再扩展性方面，它支持从DV、SD、HD、和胶片的各种视频格式。即使文件很小，也可以得到高品质的画面，足以用于广播。这样就可以避免使用高清要进行下变换，从头到尾都使用1080i和720p HD，而不用管理多重离线格式。
Shake特技合成系统是一款功能全面，并且不受分辨率限制的专业特效合成软件，Shake拥有独特的高性能渲染引擎，可以在不同的分辨率下选择8、16或32位色彩进行合成操作，策略上，在保证高性能的同时，优化大量输入的图像，获得更加逼真的合成效果。Shake具有直观的工作空间，可以轻松解决在制作过程中任何时候碰到的创意和技术问题。可以通过由节点组成的树状结构管理复杂的视觉特效模块，便于查找、选择和修改任何元素，并且你可以实时预览最终的合成效果。从完全的32位浮动Keylight和Primatte抠像，到OpenGL加速的3D多面合成，Shake为处理高品质的大型图像提供了高效的合成操作。利用Shake内类似C的脚本语言和宏，制作自定义特效和功能。
二、组网应用
CPU+GPU+IO的组网应用是构成系统的基础，它的构成要素主要有：
（1）视音频接口
在当前接口标准繁杂的前提下，系统需保持的基本接口应包括复合、分量、SDI、ASI、1394（Firewire，i-Link）、Ethernet等，以保证对现有前期设备和未来前期设备的支持能力，并有可能方便地向高清过渡。无论是MAC平台，还是PC平台，CPU和GPU的性能越来越强大，以往通过视频板卡所实现的功能，完全可以通过软件来达到目的。例如：苹果MAC PRO（四核2.8G双CPU，2GB FBD800内存，4T SATA磁盘阵列，ATI2600显卡）和INTEL XEONPC平台（Intel 双路l XEON 5400 CPU，2GB DDR FBD800存，8T SATAI磁盘阵列，NVIDIA Quadro FX 560 PCI-E）就是典型的纯软非编计算机平台。下表列出DeckLink卡应用数据，经过分析我们可以看出，它的视频信号码流对硬件的处理能力和带宽的要求都很高。 #p#page_title#e#
DeckLink视频卡视频格式及码率列表
（2）视音频压缩格式
视频压缩编码是整个网络系统的基础。综合考虑通用性、兼容性、信号指标、压缩效率等方面技术指标。在本系统中，目前采用DVCPRO 50和DVCPRO HD作为主编辑格式，部分为采用无压缩标清、无压缩高清格式，同时，系统还可以支持其他各种主流格式，包括DVCPRO25、IMX、HDV源码流等等格式。音频编码需要支持16位及24位44.1KHz/48KHz/88.2KHz/96KHz采样可选的取样频率，为适应高清制作，音频需支持4轨以上的采集能力。
（3）存储网络平台
在纯软非编的网络中，由于视频应用的特性，要求网络架构必须具备高吞吐、大容量、高可靠性并容易扩展这几个基本要素。因此，在软非编网络中，一般都采取前台工作站使用纯以太网，后台存储为SAN的混合架构。但以IPSAN最具竞争力，它可以虚拟的体系构架，实现无限地域空间的采集、制作、存储或业务拓展。简单的说IPSAN不但具备FC扩充简单、高性能、高可用性的特点，又能克服FC高成本高投入，操作管理复杂，连接距离有限等缺点。
（4）网络管理协议
网络系统既需要提供一个存储平台，还需要提供一个统一的网管平台，它不仅包括对网络拓扑、网络运行情况监控、网络配置等管理功能，还包括在应用端对存储及文件级的内容共享。通常是以FC+Ethernet的网络结构，但以iSCSI+IPSAN+MASN最为适用，扩展性和性价比均为最佳。
值得注意的是存储共享管理软件基（FSS），在PC平台上的FSS有Tivoli SANergy、ADIC StorNext FS、Veritas San Point Direct、Rorke Data ImageSAN等等。虽然目前SANergy的实际应用量最大，但Tivoli公司于2003年起已不再支持SANergy，这就决定了它的存活期走到了尽头。而ImageSAN是专门针对广电行业音视频（AV）SAN网络存储应用而研发的，是支持Windows NT/2000/XP、Macintosh OSX以及Linux平台以及混合环境的SAN解决方案。在其最新推出的2.0版本中，引入了“Lan Intergration”这个全新特性，完美的整合了SAN与LAN。使网络即具备了SAN的高性能、高扩展性，同时，又继承了LAN的结构简单、造价低廉的优点，成为纯软非编网络系统的最佳选择。
图2 网络系统应用
如图2的应用系统有效存储容量应达到400小时（按25Mb/s编码格式）。系统采用六台高标清兼容非线性编辑工作站，采用目前最先进的CPU+GPU技术，其中两台上下载精编工作站，四台无卡精编工作站，所有后期制作网中的编辑工作站通过FC网络访问光纤存储设备中的视音频数据。系统的管理信息通过以太网进行传输。编辑码流标清采用DVCPRO 50Mb/s编码格式，高清为DVCPRO HD 100Mb/s编码格式。这样一来，整个系统建设完成后各个子系统都可以独立运行，在统一的网络平台和规范的网络接口基础上，进行有效、有序、可靠的数据传输和交换。形成一个集采、编、存、管理功能于互联互通的智能化业务处理系统，并为未来储备共享的内容与数据资源。
三、应用分析
由于上述应用是建立在内部数据共享的基础上，因此，在以数据为基础的内容整合方面，具有如下的特征：
（1）安全性保障
为满足非编和生成的流量需要, 启用ImageSAN 2.0的ImageLAN均衡网络负载功能后，以3个ImageSAN点作为SAN服务器，以18个点的ImageLAN共享一个FC存储，ImageSAN的ImageLAN机制自动地将所有来自LAN的访问请求，平均的分布在3个Data Server上，每Data Master各自、自动地承担网络负载的1/3。这样，一旦服务器死机，ImageLAN将会自动把LAN的请求重定向到其他正常运行的Data Master上，确保应用不会中断。 #p#page_title#e#
（2）多功能的多媒体应用
以一组苹果工作站作为Final Cut Pro的应用，另一组PC工作站作为Adobe After Effect，Adobe XGrid还有Premier Pro的应用，生成Rendering Farm的机组应用。以方便于多媒体应用时的灵活运用。
（3）网络卷的共享
有些视、音频软件不能支持网络卷的应用，而系统是先等于网络卷映射，但经过ImageLAN激活每每一个工作站后，能够共享从ImageSAN Data Master映射的网络卷，等于看到了本地硬盘，解决了不能共享网络卷的问题。
（4）在线升级的高速存储网
由于应用最佳存储阵列Galaxy-I的新一代产品，ASIC 266设计架构，单控制器可以支持超高速读/写达350/275（MB/sec），同时支持10bit无压缩高清流，控制器在多种RAID级时支持本地和全局热备份盘，支持RAID 0，1（0+1），3，5，10，30，50，NRAID and JBOD，并能以在线添加新硬盘，和在线复制及升级，当在线更换400GB SATA硬盘时，后台数据自动重建，以配置条带大小和读写方式；当硬盘智能处理时，RAID的降级模式将在重建过程中跳过坏扇区，确保最大重建数据。
四、结论
视频网络系统是一个典型的集SAN、NAS、网络负载均衡、群集等技术于一身的应用，与之类似的应用还有：VOD系统、数字化图书馆、医疗系统、数据迁移等。CPU+GPU+IO架构为此做出了贡献。它的纯软非编不仅在制作端节省了大笔开支，在网络方面的性价比也得到了体现，纯软系统稳定性好的特点使用户的应用在未来也具备了可升级性。基于WINDOWS、MAC、LINUX等任何平台的网络应用，可将素材共享并统一管理，为未来平滑升级与高清发展打下了良好基础
