压缩技术对于图像、视频应用十分重要。在保证同样主观质量的前提下，如何将图像压缩到更小体积，以便于互联网信息传输，火山引擎视频云团队不断突破压缩技术“天花板”。
字节跳动在公司成立之初便建设了图像处理平台，起初主要服务于今日头条APP的图文资源。随着业务扩展，后逐步服务于抖音图集、短视频封面、图虫等用户几乎能看到的所有图片展示场景。火山引擎视频云团队将字节跳动图像处理的实践，整理为《 veImageX 演进之路》系列，将从产品应用、后端技术、前端技术、算法、客户端 SDK 详细解读字节跳动背后的图像技术。
veImageX是火山引擎基于字节跳动内部服务实践，推出的图像一站式解决方案 ，覆盖上传、存储、处理、分发、展示、质量监控全链路应用。
背景
互联网内容的展示离不开图片，通过 CDN 展示分发图片可以提升图片访问速度，但是也需要为带宽付费。HEIF 图片格式有着卓越的压缩性能，相比 WebP 可节省 30% 的图片码率，由此能够为业务节省相当规模的带宽成本。
但 HEIF 格式是一把双刃剑，相比其他格式，在提升压缩率的同时，也需要消耗更多 CPU 计算资源。为了降低 HEIF 格式的编码计算成本，veImageX 采用了FPGA异构架构，逐步将 HEIF 编码的流量从 CPU 计算集群迁移到 FPGA 计算集群。
在流量迁移过程中，最初整体流量较小，FPGA 编码服务看起来很稳定。但随着迁移过程递进，当 FPGA 的单卡 QPS 上涨到一定阈值后，FPGA 卡所在宿主机的性能瓶颈逐渐暴露出来，从而影响整体的迁移工作。
本文会对迁移过程中遇到的性能瓶颈进行分析，并给出优化解决方案。经过一系列的优化措施，veImageX 整体 CPU 负载从80%降低至30%，相应的服务延时从140ms降低为4ms。
架构
首先，我们看一下 FPGA HEIF 静图分发链路的整体架构。
链路分为三块：
- 业务 App：一般会集成 veImageX 的图片 SDK。既可以兼容各类图片格式（自然也包括 HEIF），提供图片的下载、解码、展示功能。也支持将访问图片过程中产生的指标数据上报，以便于在控制台查看这些性能指标，比如解码耗时、图片加载成功率等。
- veImageX 分发基础链路：主要解决图片分发问题，提供基础的图片实时处理能力。其中 CDN 缓存了图片请求，提供加速访问的能力；veImageX 源站服务主要负责访问权限的校验、流量控制、图片资源下载以及静态图片的主体处理流程。对于 HEIF 静图编码场景，veImageX 源站服务则需要和 FPGA HEIF 编码服务互动，协作完成。
- FPGA HEIF 编码服务：自上而下可分为编码服务层、编码驱动层、编码硬件层。
为了解决计算资源异构引入的耦合问题，FPGA HEIF 编码能力通过 HTTP 服务化的方式提供出来。所有的 FPGA 卡部署于字节跳动自研的Lambda计算平台。通过 Lambda 函数+资源虚拟化的方式，将 HEIF 编码功能抽象为上游可直接调用的服务，并且能够确保将编码请求均衡地调度到各个 FPGA 卡上。物理机上的每一张 FPGA 卡和对应的主机 CPU 以及内存资源都被打包，经由 Executor 管理。此外，为了防止 FPGA 卡被突发流量打挂，Executor 内置了一个执行队列，用于控制 FPGA 卡的并发吞吐。
编码服务层主要负责解析 HTTP 请求，获取待编码的图片数据。待编码的图片数据一般通过 JPEG 格式传入，因此其中内嵌了一个 JPEG 解码器。此外，veImageX HEIF 支持自适应编码选项，通过服务层内的自适应模型预测编码所用到的质量参数。服务层中的 HEIF 编码器是一个适配层，屏蔽了底层计算架构的差异，对于 CPU 和 FPGA 都可以提供相同的编码接口，将传入的 RGBA 像素矩阵编码为 HEIF 码流。
编码驱动层中的 FBVC1 编码器可以将图片像素序列编码为二进制码流，上层的 HEIF 编码器拿到这个码流后，按照 HEIF 标准格式封装即可。FBVC1 编码过程中，依赖了 FPGA 驱动库和编码硬件层打交道，发送指令，读写 FPGA 设备。
优化方向
▶ 降低线程数
在迁移测试FPGA编码服务过程中，我们也遇到了一些性能瓶颈的问题。首当其冲的是，当单机 QPS 达到 2K 时，CPU 负载高达到 60%。通过分析热点，我们可以看到问题出现在 onnxruntime 这个库上。
从调用的 API 很容易联想到，这是一个线程相关问题。我们都知道，如果没有手动设置线程数的话，默认会使用物理机核数作为线程数，导致整体的调度开销较为严重。
因此，需要根据宿主机的CPU配置情况，手动配置线程数，不要使用默认配置，最终将 CPU 负载从 57% 降低到 7%。
▶ 调优 GOMAXPROCS
HEIF 的编码服务层是使用 Golang 实现的。而 Golang 中使用了 GOMAXPROCS 这个环境编码来控制底层并发度。默认情况下，GOMAXPROCS 与物理机核数相关。所以这里也遇到了和上一个问题相同的根因，需要限制整体的并发度。
针对 GOMAXPROCS 进行调优，在单机 QPS 达到 8K 时，CPU 负载下降 6% 。
▶ 限制磁盘 IO
首先通过 statio 查看磁盘情况：
再结合下面的火焰图（黑框内有明显的磁盘 IO 操作）：
这里能够很容易想到，这些磁盘 IO 操作导致了整体延迟的升高。但从结果来看，平均 8ms 还在预期范围内。但 HEIF 编码服务对处理的延迟要求较为严格，请求处理过慢会导致请求堆积，此时 FPGA 的计算潜力无法做到完全释放。
针对这部分定向优化，相关延时下降至 0.5ms，CPU 负载下降 3%。
另外，我们观察到磁盘和 cached memory 较高，这显然不太正常。
进一步定位后，确定是编码服务造成的。详细排查后发现，编码驱动层中的 FPGA 驱动程序，部分调试日志未关闭，导致大量的日志写磁盘。当关闭驱动的调试日志后，CPU 负载下降 5% 。
▶ 合并 CGO 调用
编码服务包括两部分的 CGO 调用：
- 自适应编码模型预测：每个请求会有最多 5 次的推理，合并为 Batch，减少为 1 次调用；
- FPGA 编码：直接调用 SDK 需要 6 次 CGO 调用，对这部分实现 C 的封装，减少为 2 次调用。
这部分优化影响较小，在延迟数据层面不是很明显，模型预测部分可能有几百 us 的优化。
▶ 减少 GC
编码服务每次处理请求都需要获取图像 raw data，因此服务会多次创建 []byte 的图像数据对象，容易导致频繁 GC。
一个解决问题的思路是在服务启动前，预分配一个固定的对象池，每次请求需要的 []byte 对象直接从对象池里中选取。此外，也曾尝试过使用 Golang 标准库中的 sync.Pool，但效果不好，可能是因为 sync.Pool 中依然有一些 GC 相关的策略，不符合我们这个场景。
这部分优化后，CPU 负载下降6% 。
▶ 均衡中断
从系统的监控中，我们观察到各 CPU 负载不是很均匀。
编码过程中发生的中断情况
我们可以得出结论，FPGA 的相关中断被只绑定到了特定的 CPU 上，没有分布均匀。这个在当时并没有成为瓶颈，所以优化后没有明显提升。
▶ 加速图片解码
我们从火焰图可以看到解码时间占服务延时的较大部分。
对火焰图中黑框内调用栈分析后，观察到有相当部分时间消耗在了 JPEG 解码上。调查后，发现底层 SDK 解码使用了 libjpeg，整体性能不佳。这里我们替换为使用 SIMD 实现的 libjpeg-turbo 解码库后，CPU 负载降低了 10%，耗时减少 2ms。
优化总结
基于优化后的版本再次做性能压测，使用 300x400 分辨率的测试图片，当单机 QPS 达到 10K 时，编码服务整体性能指标变化如下：
- CPU 负载从 80% 降低为 30%；
- 服务延时从 140ms 降低为 4ms。
可以看到，经过我们一套“组合拳”优化后，整体编码服务的性能有了明显提升。
写在最后
目前火山引擎 veImageX已经基于上述实践，形成端到端的解决方案对外输出，帮助每一个互联网企业用更低的成本达到更好的图片加载效果。除商务降本之外，也可以用更“绿色”的算法降本，为行业降本增效提供了一种全新可能。
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