H.264轉碼加速：NVENC大戰Quick Sync

ARIESS

　　在GPU通用計算剛剛進入桌面平台時，NVIDIA以及AMD都把視訊轉碼加速功能當作重點，因為這幾乎是GPU計算帶給普通消費者最直接、最有感觸的功能了，比如MediaCoder、BadaBoom、MediaEspresso等軟體都支援NVIDIA的CUDA加速以及AMD的Stream加速。 　　GPU轉碼加速的好處是速度快，但是畫質也低了，無法與單純的CPU轉碼相媲美，隨着技術的進步，GPU轉碼的畫質才慢慢提升上來。再往後Intel也加入戰場，SNB架構的GPU部分增加了專用的Quick Sync單元，無論轉碼速度還是畫質都要比A/N兩家的GPU加速效果要好。
　　AMD在最新一代的GCN架構中增加了專用的VCE(Video Encodec Enigine)引擎，支援1080P 60fps視訊轉碼，而且支援完整的H.264規範(前一代轉碼只支援H.264 Baseline)，唯一的問題是軟體支援度不夠好，發布5個多月了才有MediaEspresso支援。

AMD的VCE引擎

　　Ivy Bridge處理器中，Intel也將轉碼單元Quick Sync做了升級，雖然Intel官方資料中並沒有提及實際的變化，但是我們之前也做過測試，發現轉碼速度變快了。此外，IVB的Quick Sync也統一到了Media SDK API下。

　　再有一個新選手就是NVIDIA的NVENC編碼引擎了，它是Kepler架構新增的功能，按照NVIDIA給出的資料來看，NVENC比自家的CUDA編碼還要優秀，因為它跟Quick Sync一樣屬於是專用的編碼加速單元，而CUDA加速則是比較通用的，速度上不如專用單元快。

NVENC編碼加速功能

　　稍早我們也打算把NVENC編碼加速專門測試一下，只是一直沒能成行，不過首發測試中也做了MediaEspresso轉碼加速測試，GTX 680轉碼一段視訊需要32秒，GTX 580和HD 7970分別需要40、45秒，也就是在GPU計算性能更差的情況下，GTX 680的轉碼速度依然要高於GTX 580、HD 7970，NVENC功不可沒。
　　法國Hardware.fr網站最近做了詳細的NVENC編碼加速測試，並與Intel Quick Sync做了對比，雖然沒能對比AMD的VCE編碼引擎(軟體支援是AMD的軟肋啊)，但是本文的測試方法和結果依然值得推薦，特別是畫質對比方面專業得多，小編受益匪淺啊。
測試軟體及方法：

MediaEspresso也有bug和限制，比如GOP 固定限制，對比測試並非以其為主要手段

　　訊連科技的MediaEspresso 6.5軟體支援Quick Sync以及NVENC加速。CPU為Core i5-3570K(HD 4000顯示卡)，主機板為華碩P8Z77 Pro-V。對比的顯示卡主要是GTX 670、GTX 680、GTX 480，雖然GTX 480是上上代的顯示卡了，不過CUDA編碼加速實際上對顯示卡要求並不高，即便是GTX 450與高級顯示卡的差距也非常小。
　　另外，軟體編碼使用的是Build 2197版本的H.264，分別測試了1-past和2-past。
畫質對比
　　畫質對比值得着重說一下。平時我們做畫質對比主要是用肉眼看，這種方法雖然直觀一些，但是誤差太大，而且不同的截圖差別也不一樣，不夠有說服力。
　　Hardware.fr用的是PSNR和SSIM數值，PSNR(Peak signal-to-noise ratio，峰值信號噪點比例)是信號強度與噪點強度的比值，可以用來衡量有損壓縮編碼過程中的失真度。而SSIM(structural similarity index，結構相似指數)也是用來衡量兩張圖片之間的相似度。
　　有興趣的可以參考上面的維基百科解釋研究一下，總之，PSNR和SSIM是科學的測量方法，要比肉眼查看可靠得多，說服力也足夠強。

　　上面就是幾種編碼方案的PSNR和SSIM結果。
　　雖然速度更快，但是NVENC引擎的轉碼畫質與CUDA轉碼是一樣的，絲毫沒有降低。
　　上面的計算只是基於平均狀況，並不是全部內容，再來看一下500張逐幀截圖中的SSIM指數吧。

　　這裡只是一張圖片，推薦去原文看對比，因為他們做的是網頁特效，下面的六個選項是可以點擊選中或者取消的，方便對比任意幾種編碼方案的結果，滑鼠指上去還會顯示各個方案的實際SSIM數值，這是單一截圖展示不了的。
　　由於軟體的Bug和限制，N卡和Quick Sync轉碼的截圖中每隔30幀就會出現一次劇烈波動(場景太複雜)，0到187幀之間的場景容易壓縮，因此SSIM比較穩定，188到243幀以及244到350幀之間波動就非常大，SSIM指下降的厲害。
　　雖然Quick Sync在複雜場景中SSIM有所下降，但是依然要領先與NVIDIA顯示卡，H.264 1-pass編碼依然有明顯優勢。
　　那麼實際畫質是如何呢？來看一下317張截圖的真實截圖對比吧。

　　這裡依然去原文查看，因為他們作出了動態效果，最下面是各種編碼方案的畫質選擇，點擊左側部分，轉碼後的截圖就會出現在網頁左邊，右邊則是另一種方案的畫質截圖，比如上圖中我選擇了原圖與GTX 670(NVENC)編碼，效果就是這個樣子。
(ps，這裡有點瑕疵，出現了兩個GTX 670選項，實際上應該是一個GTX 670和一個GTX 680)
　　結果是：NVIDIA GPU加速編碼的畫質損失依然是最嚴重的，而最新的H.264編碼做的比較好，特別是2-pass畫質十分接近原始畫質。
轉碼速度及功耗
　　使用的影片是720P解析度的《阿凡達》，結果如下：

(說下表格的數據，第一列是轉碼時間，之後是待機功耗，第三列是轉碼時的功耗，最後一列是功耗差值)
　　來看NVENC，其轉碼速度明顯優於GTX 480，性能高了133%之多。功耗方面，固定轉碼單元的GTX 680比GTX 480隻低了21W，從差值上看也只有11W，並沒有表現出比預期更明顯的優勢。
　　總的來看，Quick Sync依然是最好的編碼加速方案，功耗和轉碼性能上都排名第一。另外，H.264 1-pass編碼速度要比CPU還快，畫質也高一些，而2-pass編碼的速度不出意外地倒數第一，但是畫質上傲視群雄。

　　如果以W(功耗)/H(時間，小時)為基礎來看(轉碼功耗乘以時間(s)再除以3600，上圖中的法文符號"，"在英文中是"."，也就是說上圖中的數值是6.87、8.95這樣的小數而非整數)，Quick Sync轉碼每小時消耗了0.83W電力，而GTX 670、GTX 680消耗的電力在3.10、3.24左右，其他方案消耗的就更高了，GTX 480效費比最差。
總結：
　　原文的總結有三段，其實意思可以歸納為三句話：
　　無論轉碼速度還是轉碼效率，Quick Sync依然是最佳的方案，NVIDIA的NVENC要勝過前代的CUDA方案，但還是比不過Intel。
　　H.264軟體轉碼中1-pass速度要超過CPU轉碼，2-pass雖然速度最慢，但是畫質是最好的，適合對畫質有較高要求的場合。
　　至於AMD，技術上是好的，軟體支援是杯具的。