云桌面3D視頻處理技術(shù)研究與優(yōu)化

彭高賢

（湖南工程學(xué)院 湖南省湘潭市 411101）

1 云桌面概述

云桌面也稱(chēng)桌面虛擬化，它是一種將訪(fǎng)問(wèn)桌面系統(tǒng)的物理客戶(hù)端與桌面環(huán)境和相關(guān)的應(yīng)用軟件相分離的軟件技術(shù)。云桌面是一系列技術(shù)的集合，其架構(gòu)是Client/Server 結(jié)構(gòu)。云端服務(wù)器通過(guò)虛擬化技術(shù)生成一定數(shù)量的獨(dú)立桌面操作系統(tǒng)（虛擬桌面），然后通過(guò)遠(yuǎn)程桌面協(xié)議將虛擬的面操作系統(tǒng)發(fā)送給終端，用戶(hù)在終端上通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)自己的桌面系統(tǒng)。在云桌面系統(tǒng)中，應(yīng)用程序和相關(guān)數(shù)據(jù)信息全部保存在云端服務(wù)器中，應(yīng)用程序在云端服務(wù)器上執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果通過(guò)遠(yuǎn)程桌面協(xié)議發(fā)送到終端，終端僅用于顯示桌面圖像，并接收鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等外設(shè)的輸入，這些輸入通過(guò)遠(yuǎn)程桌面協(xié)議回傳到遠(yuǎn)端服務(wù)器進(jìn)行處理。

云桌面是一項(xiàng)涉及虛擬化技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、音視頻處理技術(shù)等多種技術(shù)的信息系統(tǒng)解決方案。云桌面和個(gè)人PC 對(duì)比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）成本低。云桌面終端只需要一般配置便可使用云桌面系統(tǒng)提供的計(jì)算資源。

（2）資源利用率高?？梢詫⒍嗯_(tái)服務(wù)器資源虛擬成資源池分配給用戶(hù)按需取用。

（3）使用方便。云桌面的操作系統(tǒng)由管理員統(tǒng)一管理，將安裝好的系統(tǒng)發(fā)布成系統(tǒng)模板，用戶(hù)只需選用這個(gè)模板就能使用標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)和軟件。

（4）便于管理。管理員可以在管理系統(tǒng)中監(jiān)控各臺(tái)終端的在線(xiàn)狀態(tài)，可以通過(guò)負(fù)載均衡添加或替換硬件資源，再池化分享[1]。

云桌面在CPU、內(nèi)存、網(wǎng)卡等資源的虛擬化做得相當(dāng)穩(wěn)定，但是在顯卡虛擬化方面卻顯得技術(shù)不夠完善，從而導(dǎo)致云桌面播放3D 視頻效果不佳。因此云桌面僅限于瀏覽網(wǎng)頁(yè)和編輯文檔等對(duì)顯卡需求不高的任務(wù)，如果有3D 視頻需求的用戶(hù)，云桌面顯然不是最好的選擇。

2 云桌面3D處理技術(shù)研究

2.1 通過(guò)VDI架構(gòu)的顯卡虛擬化支持3D視頻播放。

VDI 架構(gòu)是基于Linux 底層采用KVM 虛擬化技術(shù)，通過(guò)在服務(wù)器上運(yùn)行操作系統(tǒng)，根據(jù)不同用戶(hù)需求對(duì)桌面進(jìn)行虛擬化配置，是目前主流的云桌面虛擬化架構(gòu)。所有用戶(hù)的桌面數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在服務(wù)器上，具有“集中計(jì)算，集中管理”的特點(diǎn)。云桌面VDI 架構(gòu)如圖1所示。

服務(wù)器端是多臺(tái)服務(wù)器組成集群，具有強(qiáng)擴(kuò)展性，通過(guò)虛擬化技術(shù)將服務(wù)器的各種物理資源，如處理器、內(nèi)存、顯卡、存儲(chǔ)等虛擬化成各種虛擬的物理資源池，實(shí)現(xiàn)按需取用，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)映射到終端設(shè)備，供終端設(shè)備使用[2]。終端可以是筆記本、PC 機(jī)、手機(jī)等，安裝好客戶(hù)端軟件，遠(yuǎn)程連接到服務(wù)器，即可運(yùn)行自己的邏輯計(jì)算機(jī)，所有資源和數(shù)據(jù)都由服務(wù)器提供，移動(dòng)性強(qiáng)。

基于VDI 架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)3D 視頻播放的原理很容易理解，系統(tǒng)將播放3D 視頻需要的硬件設(shè)備虛擬化后，由終端控制播放3D 視頻，服務(wù)器將3D 視頻資源解碼后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端設(shè)備，終端接收到數(shù)據(jù)之后即可直接播放。由于3D 視頻資源解碼后數(shù)據(jù)量非常大，常常受限于網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致3D 視頻播放卡頓。

圖1：VDI 架構(gòu)

2.2 通過(guò)IDV架構(gòu)的終端支持云桌面3D視頻播放。

IDV 架構(gòu)是強(qiáng)調(diào)充分利用云終端的資源來(lái)進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)，各桌面運(yùn)行系統(tǒng)分布在各個(gè)云終端，服務(wù)器只是對(duì)各個(gè)桌面進(jìn)行托管來(lái)加強(qiáng)管理，服務(wù)器只管理IDV 的云桌面的模式，而存儲(chǔ)和運(yùn)行則在云終端進(jìn)行，具有“分布式計(jì)算，集中管理”的特點(diǎn)[3]。采取分布式計(jì)算，并集中和簡(jiǎn)化管理、部署功能。虛擬桌面充分利用終端的硬件資源，每個(gè)終端都是虛擬桌面節(jié)點(diǎn)，云桌面在斷網(wǎng)時(shí)也可運(yùn)行，重新連上服務(wù)器后會(huì)同步管理數(shù)據(jù)到服務(wù)器。相對(duì)于VDI架構(gòu)而言，體驗(yàn)更佳，更接近真實(shí)物理設(shè)備，IDV 架構(gòu)是目前實(shí)現(xiàn)3D 視頻功能的主流云桌面架構(gòu)。

由于IDV 架構(gòu)的云桌面是分布式計(jì)算，所以終端如果要播放3D 視頻，終端必須具有支持3D 視頻播放的硬件設(shè)備。其播放原理與一臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)無(wú)異，由終端設(shè)備本地對(duì)3D 視頻資源進(jìn)行解碼播放。

3 云桌面3D視頻處理技術(shù)優(yōu)化

由于VDI 架構(gòu)對(duì)3D 視頻播放效果不佳，根據(jù)企業(yè)對(duì)VDI 架構(gòu)云桌面的實(shí)際應(yīng)用需求，提出基于VDI 架構(gòu)的3D 視頻處理的優(yōu)化方案。企業(yè)在使用云桌面的過(guò)程中，考慮設(shè)備成本的同時(shí)，也有部分對(duì)用戶(hù)體驗(yàn)要求高的需求。為此，針對(duì)用戶(hù)體驗(yàn)要求不高的，可以采用瘦客戶(hù)機(jī)節(jié)約成本；針對(duì)用戶(hù)體驗(yàn)要求高的，可以采用胖客戶(hù)機(jī)來(lái)提升性能。胖客戶(hù)機(jī)本地自帶顯卡可以對(duì)3D 視頻進(jìn)行計(jì)算解碼，而瘦客戶(hù)機(jī)本地沒(méi)有顯卡，不具備對(duì)3D 視頻進(jìn)行本地解碼的功能。

基于SPICE 協(xié)議的視頻重定向是一個(gè)建立在云桌面技術(shù)基礎(chǔ)上的一個(gè)高清視頻播放方案[4]。在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中需要針對(duì)SPICE 協(xié)議代碼做相應(yīng)的改進(jìn)，加入相應(yīng)的功能模塊：視頻劫持模塊（FFMPEG HOOK）、文件傳送模塊（FILE Share）、視頻播放模塊（FFMPEG Player），此三個(gè)模塊分別在基于SPICE 協(xié)議的Guest OS、Client OS、QEMU 模塊下實(shí)現(xiàn)。如圖2所示。

圖2：SPICE 協(xié)議的視頻重定向架構(gòu)

圖3：視頻播放流程

從圖2 可以看出Guest OS 的File Share 模塊和Client OS 的FFMPEG Player 模塊之間增加文件傳輸通道，虛擬機(jī)的視頻文件可以繞過(guò)QEMU 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，直接把視頻數(shù)據(jù)傳送給Client 端[5]。標(biāo)準(zhǔn)SPICE 協(xié)議在進(jìn)行視頻傳輸時(shí)主要通過(guò)QEMU 的QXL 虛擬設(shè)備來(lái)進(jìn)行視頻的解碼，然后把解碼后的數(shù)據(jù)傳送到Client 端進(jìn)行視頻播放。經(jīng)過(guò)視頻重定向的SPICE 協(xié)議減少了在QEMU 端的視頻解碼，減輕服務(wù)器的運(yùn)行，把視頻解碼放在了客戶(hù)端上完成。

服務(wù)器端和客戶(hù)端分別實(shí)現(xiàn)一個(gè)播放器，在服務(wù)器端分析視頻文件的組織方式，分析視頻播放區(qū)域，截獲未解碼的視頻流。服務(wù)器端捕獲播放器播放的3D 視頻編碼流，直接將視頻編碼流發(fā)送到客戶(hù)端進(jìn)行解碼播放顯示，使用客戶(hù)端的CPU/GPU 進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)視頻文件的高清、高性能播放。這樣就解決了服務(wù)器端視頻播放耗費(fèi)的服務(wù)器性能、同時(shí)解決了網(wǎng)絡(luò)流量大導(dǎo)致視頻播放不流暢的問(wèn)題。視頻播放流程如圖3所示。

在客戶(hù)端打開(kāi)視頻文件，播放視頻文件時(shí)會(huì)調(diào)用相應(yīng)的FFMPEG 庫(kù)函數(shù)，F(xiàn)FMPEG 庫(kù)函數(shù)中可以實(shí)現(xiàn)劫持播放器，分析本地視頻類(lèi)型和判斷客戶(hù)端類(lèi)型的功能，重新編譯成新的動(dòng)態(tài)庫(kù)替換原有的FFMPEG 動(dòng)態(tài)庫(kù)[6]。FFMPEG 相應(yīng)庫(kù)函數(shù)中增加判斷視頻類(lèi)型和判斷客戶(hù)端類(lèi)型的功能代碼，如果視頻類(lèi)型為3D 視頻，客戶(hù)端是瘦客戶(hù)機(jī)，則按照原有的傳輸路徑把視頻數(shù)據(jù)和視頻控制信息通過(guò)SPICE 協(xié)議的QXL 設(shè)備，解碼后傳送到客戶(hù)端。如果視頻類(lèi)型為3D 視頻，且客戶(hù)端是胖客戶(hù)機(jī)，則把視頻數(shù)據(jù)和視頻控制信息轉(zhuǎn)給FFMPEG 底層庫(kù)，底層庫(kù)會(huì)通知文件傳送模塊把視頻文件加入到文件共享池，等待客戶(hù)端對(duì)此視頻文件的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。播放模塊隨時(shí)準(zhǔn)備響應(yīng)客戶(hù)端的視頻請(qǐng)求，一旦接收到客戶(hù)端的播放請(qǐng)求信息后，會(huì)和文件傳送模塊通信請(qǐng)求視頻文件，然后通過(guò)視頻流的方式將視頻傳送給客戶(hù)端，由客戶(hù)端上的設(shè)備進(jìn)行解碼播放。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于現(xiàn)在顯卡虛擬化技術(shù)還不夠完善，虛擬顯卡對(duì)3D 視頻的處理往往不如物理顯卡性能好，且受限于網(wǎng)絡(luò)帶寬，導(dǎo)致VDI 架構(gòu)的客戶(hù)端3D 視頻播放體驗(yàn)不佳。通過(guò)視頻重定向的方案能解決企業(yè)使用云桌面的大部分難題，相比傳統(tǒng)3D 視頻解決方案的IDV架構(gòu)而言，既可以降低設(shè)備成本提高資源利用率，也能根據(jù)特定需求實(shí)現(xiàn)3D 視頻播放的良好用戶(hù)體驗(yàn)。