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云渲染能够解放本地计算需要，这意味着生产力的大幅晋升。
云渲染的基本原理是将 3D 渲染利用部署到云端，接管本地的控制指令发送到云端，云端启动游戏引擎并进行画面渲染，编码成视频流传输到本地。
不难看出，云渲染技术的外围在于将 计算搬到云端 ，对渲染出的画面进行 流化的传输。而过程中渲染画面的抓取、编码、传输、显示等流程被称为串流。
串流是云渲染业务用户体验的外围，串流延时、画质、卡顿等都会间接影响到用户体验。
云渲染串流技术框架次要分为两局部：云端串流引擎 和串流客户端。
云端串流引擎：在云端 GPU 上，响应客户端发送过去的控制指令，启动渲染利用并进行串流视频的解决与发送。引擎往下适配各种 OS 和硬件，往上对接调度和业务零碎。
串流客户端：串流客户端相似一个播放器，进行串流视频的接管和编码，同时发送控制指令来操作云端渲染引擎。云端串流引擎和串流客户端通常是一对一的。
基于云渲染串流技术可能大幅度弱化本地 GPU 渲染利用压力，将简单资源处理过程迁徙至云端进行，本地计算需要进化为一个播放器。
01 云渲染串流的三大技术挑战
云渲染的外围技术指标与挑战次要有以下三方面：延时 、 画质与晦涩度 、 老本（包含 GPU 计算成本和传输带宽老本）。
首先，延时是云渲染串流技术体验的根底，超低延时的需要则带来了微小的技术挑战。云渲染串流过程中的延时次要分为两方面：
端到端的延时：音视频通话 250ms 以下延时曾经难度很大，对于云渲染串流技术而言，想要将端到端延时管制在 100ms 内更是难上加难。
Motion to Photo 的延时：比方在 VR 云游戏场景下，应用头盔进行头部转动动作时，画面上的延时称作 Motion to Photo 的延时，为保障用户体验须要将该延时管制在 20ms 以内。
对于 画质和晦涩度 来说，云渲染须要输入视频流，画质与晦涩度作为用户直观的体验，其技术带来的挑战次要在以下三方面：
1. 面临简单网络环境与不稳固的带宽，是否保障画面清晰度与晦涩度；
2. 画质、码率、计算成本三角关系的均衡；
3. 技术先进性和兼容性的均衡，如：更先进的编码技术 H265 尽管可能晋升画质，但其解码性能和兼容性如何保障？
在老本方面，目前来看，云游戏、云渲染正在蓬勃发展，但离实现商业化盈利依然路途遥远。首先，云渲染 GPU 资源存在 一对一独占资源 的特点，单用户耗费的计算资源较高。其次，云游戏存在显著的 业务顶峰 ，通常集中在晚间，其余闲时资源如何利用成为了一大问题。最初，如前文提到，云渲染对 画质和帧率 有较高要求，如何在保障用户体验的同时升高每个渲染过程的资源耗费。
02 多维度优化云渲染策略
延时优化
下图对全链路延时进行拆解，其中如指令传输、音视频流控 &QoS 等环节的延时稳定较小，优化工作次要针对 传输、编解码 的延时进行。
传输延时优化
因为云渲染服务与理间隔来缩小延时，基于高笼罩的 ENS 边缘节点集群进行就近解决与传输，通过调度将工作下发至离用户最近的 GPU 节点进行解决与串流工作。
其次能够通过 传输协定上的优化 来缩小延时。取代传统的 RTMP、HLS 协定，转向采纳 RTC 协定进行传输，同时针对云渲染的场景特点来制订 QoS 策略，如带宽预计、拥塞管制等来实现优化成果。
编 / 解码延时优化
影响编码延时的次要因素是 帧级的线程缓存、lookahead 缓存、B 帧。优化编解码延时的外围思路是“进一帧，编一帧，出一帧”，不进行任何缓存，用 slice thread 代替 frame threads，敞开 lookahead 与敞开 B 帧(在 HEVC 规范下，可采纳 GPB 编码方式，将一般 B 帧用低延时 B 帧进行代替，既能晋升画质又能升高延时)。
画质与晦涩度优化
画质与晦涩度出现的关系如同跷跷板，为了保障用户体验往往须要在两者之间进行均衡。
在云渲染场景下，编码须要与网络进行联动，通过实现网络自适应传输与编码来优化晦涩度：
带宽预计：依据网络状况动静调整编码器码率等参数；
拥塞管制：采纳 BBR 或是 GCC 进行拥塞管制，如被动丢帧。BBR 策略收敛更快，通常更适宜云游戏场景；
丢包重传：如前文所述云渲染采取就近传输方式，能够依据这个特点实现疾速重传策略；
抗 I 帧风暴：因为 I 帧占用带宽较大，在 I 帧过多的状况下对于清晰度与晦涩度造成较大影响；
管制 I 帧数量和大小
视频帧的类型分为 I 帧、P 帧、B 帧，其中 I 帧大小远大于 P 帧与 B 帧，I 帧密集容易引起卡顿，Intra refresh 策略可能无效解决此类问题。
通过将 I 帧拆分为多个 I slice 并按程序平铺到间断的帧中，无效管制 I 帧的梳理。呈现丢帧后可顺次排序组合复原出残缺的一帧。
VBR+VBV 码率控制策略
CBR 码控策略能够使得码率安稳，保障晦涩度。但思考到云游戏场景画面静止激烈，因而固定码率会造成局部帧画质较差的问题。须要在画质与晦涩度间获得均衡，举荐采纳 VBR 算法 +VBV 参数的形式管制码率稳定，使得码率可能在肯定范畴内实现“安稳”地稳定。
云端协同的 CodeC 抉择
在以后环境下，手机终端大多曾经反对 H265 解码，云端 GPU 也大多反对 H265 编码。如果云和端都反对 H265 解码，通过云与端的协商，在云端优先进行 H265 编码，可能在等同清晰度下使码率升高 20%~40%。
CPU+GPU 混合的窄带高清编码
独自应用 CPU 编码老本高、提早大；独自应用 GPU 编码灵活性差、画质差。可交融 CPU 与 GPU 编码能力，采纳 GPU 为主、CPU 为辅的 混合编码策略。
阿里云窄带高清编码技术，通过视频加强解决和编码的联结优化，可能在码率雷同时显著晋升画质。或者使码率在升高 30%～60% 的状况下，视频画质依然持平甚至有所晋升。
但云渲染场景与一般的视频特点差异较大，且通常须要采纳硬件编码。须要思考如何在低延时、场景疾速切换、静止激烈的状况下优化 GPU 编码的画质与晦涩度。后文将联合三星堆云渲染场景，介绍阿里云在云游戏场景的 窄带高清 成果。
老本优化
解决根底体验问题后，老本问题成为云渲染、云游戏商业化面临的最为突出的挑战。
云渲染老本次要能够分为三条线：单任务理论 GPU 资源耗费，单机资源利用率，总资源池利用率。老本优化策略须要围绕如图所示的三条线开展。而在理论场景中云渲染老本优化还存在以下四方面的问题：
1. 单过程资源耗费大
2.CPU<-> GPU 内存拷贝效率低
3. 单机资源利用率低
4. 业务并发工夫集中
从以上四个角度登程，接下来将具体介绍如何实现 云渲染老本优化。
单任务资源耗费优化
GPU 硬编码：GPU 渲染单元与编解码单元独立，在渲染的同时能够利用 GPU 进行编码工作，无效升高 CPU 耗费；
CPU<-> GPU memory zero copy：因为 CPU 与 GPU 的排列形式，解决图像帧的格局、内存的 layout 存在差别，因而须要构建全 GPU 解决的 pipeline，缩小 CPU 在过程中的参与度，可显著晋升性能，升高延时；
CUDA 减速：图像缩放 / 色彩空间转换等可用 CUDA 减速；
单机资源利用率 - 虚拟化与多开
当升高了单过程资源耗费后，通过采纳虚拟化与多开技术可能无效进步单机资源利用率，一张卡上同时运行多个渲染过程。实际上，GPU 的虚拟化技术为云游戏、云渲染的大规模商业化落地奠定了根底。
集群资源利用率 - 业务混跑
理论状况下，仅通过上诉两种办法仍然难以解决老本问题。实现业务混跑，进步集群资源利用率，是云游戏、云渲染技术真正实现普惠的要害。其外围在于利用不同的视频解决顶峰期间，对 GPU 集群进行分时复用。如在白天时段利用 GPU 集群实现离线 AI 解决工作，早晨 6～8 时进行直播转码解决工作，在 9～11 时进行云渲染、云游戏利用解决工作。基于业务的多样性，充分利用总 GPU 资源池，无效升高云渲染老本。所以视频云业务的多样性也是降低成本的重要劣势。
03 云渲染实际案例一键开启三星堆奇幻之旅
CCTV《三星堆奇幻之旅》 采纳了阿里云的大规模即时云渲染技术，将大型沉迷式体验须要的图形算力、存储需要放在云端，观众看到和交互的画面都是由云端即时渲染计算出来，从而让观众解脱本地硬件限度，仅通过一个 H5 页面，便可低成本地享受高质量的沉迷式体验。作为高热度、高并发的云渲染利用，该实际案例反对 5K 的并发，准备万路弹性，最终登上微博热搜 TOP 3，播种了 3300 万播放量。
这样热度和规模的流动，要保障每个用户的高体验，对技术上的要求和挑战都是微小的，阿里云构建了多个维度的技术体系来晋升用户体验。
阿里云视频云的GRTN（Global Realtime Transport Network）低延时网实现边缘传输，无效升高传输方面的延时。GRTN 是阿里云各个音视频通信业务方合力打造的传输网，反对 HTML5 的信令接入。GRTN 采纳层级网和对等网相结合的混合网络架构，媒体传输链路更短，全链路采纳延时更低的基于 UDP 的 RTC 协定，并利用深度定制的动静路由、传输管制、边缘计算、双向实时信令网等机制。视频云云考古机制是基于 GRTN 设计，可接入视频云直播、点播和 RTC 等业务，便于寰球实时传输，实现业务扩大。
RMS 云渲染引擎也为三星堆我的项目体验施展了十分重要的作用。RMS 负责渲染视频的采集、解决、编码和传输。RMS 的解决性能和延时、编码画质、QOS 的传输体验都间接影响三星堆我的项目的用户体验。
游戏 / 渲染引擎输入的图像帧个别都是显存中，如果采纳 CPU 软编或者 ASIC 异构编码的形式，会存在拷贝提早。因而 RMS 采纳 GPU 硬件解决为主、CPU 解决为辅的形式，达到视频帧 zero-copy 的极致提早体验，在满足画质、晦涩度需要的前提下，充沛升高性能耗费和计算成本。
同时，RMS 在 QOS 策略上也做了大量的优化。本次云考古面向的是全国各地的观众，为应答复杂多变的网络环境，咱们在 RTC 网络的传输 Qos 保障的根底上，对 Jitter Buffer/NetEQ/ 带宽预计 / 牢靠传输(丢包重传、乱序重组)，以及 Qos 模块和编码模块的配合上做了专门的调整，包含智能策略组合、智能码控、丢帧逻辑和 FIR 解决等方面。同时，在 QOS 的码率调配上，咱们也做了大量优化，能够在保障抗弱网能力的同时，将无限的带宽更多地调配到编码器的码率上，晋升视频清晰度。
在视频编码算法方面，咱们利用 云渲染场景深度优化的窄带高清技术 来晋升清晰度。通过云端 GPU 与客户端 CPU 的联动，进行内容自适应的纹理和色调加强解决，无效晋升了视频画质，且算法的性能和老本都大幅升高，对全链路延时和客户端功耗的减少都达到能够疏忽的水平。而图像处理算法与编码算法的有机联合优化，可在保障画质的同时，显著升高了视频码率大小和码率稳定。
最终的成果出现如上图所示，左侧仅仅采纳 GPU 进行编码，色调绝对黯淡、文字绝对含糊，画面饱和度、对比度绝对较差；右侧通过咱们的 GPU+CPU 联结优化的窄带高清解决，在码率升高 35% 的状况下，VMAF 进步 10%，主观的画面纹理细节和色调成果也有晋升。
面向未来，云渲染串流技术倒退方向曾经清晰，一方面通过与 AR、VR、XR 进行联合，打造 沉迷式的云渲染体验。而其中要害的 20ms 以下的 Motion to Photo 延时，则是突出的技术挑战，能够思考采纳异步渲染的形式进行延时优化。
另一方面通过与虚构社交、音视频通话与直播进行联合，向 交互式、综合式 的利用方向倒退。云渲染串流与 AI 算法、直播技术、RTC 音视频通话技术的联合，是将来技术的演进方向。咱们的 RMS 云渲染引擎反对多种 AI 特效、直播旁路直播与 RTC 云合流，为将来云渲染的技术综合性要求打下了根底。
