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百家号基于AE的视频渲染技术探索

2022-07-12 14:00 https://my.oschina.net/u/4939618/blog/5552550 百度Geek说 次阅读 条评论

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作者 | 金展

导读：百家号作为百度为创作者打造的集创作、发布、变现于一体的内容创作平台，在图文、短视频方面已经深耕多年，基于百度基础AI能力，通过视觉、语音、 NLP等技术将图文内容智能合成视频是目前主要的探索方向，目前每天帮助创作者制作数千条接近于真人制作水平的视频。视频渲染合成作为内容视频化的最后一个制作环节，决定着视频内容质量、时效性等关键指标，本文将带你了解百家号视频渲染合成的技术实现，详细介绍AE在视频渲染方面的独特优势。。

全文8634字，预计阅读时间22分钟。

01 背景

短视频作为近年来移动互联网兴起的重要内容形式，市场规模持续增长，根据2021年12月CNNIC的数据报告，短视频用户规模就已达9.34亿，占互联网用户的90.5%。如何高效智能地进行短视频合成来满足用户的视频内容消费，越来越成为内容创作者的一个挑战。百家号作为百度为创作者打造的集创作、发布、变现于一体的内容创作平台，在图文、短视频方面已经深耕多年，如何基于百度基础AI能力，通过视觉、语音、 NLP等技术将图文内容智能合成视频是目前主要的探索方向。

早期，百家号是基于VidPress（https://ai.baidu.com/creativity/index） ，通过五大步骤实现图文自动转视频；VidPress的工作原理和剪辑师制作视频的步骤类似：先准备文字脚本，然后收集媒体素材，再将素材处理成视频片段，将脚本配音和视频进行对齐，最后进行编辑和检查。通过 AI 技术，VidPress 可以实现文字分析和摘要、视频内容搜索、素材智能化处理、音视频对齐，以及智能剪辑等5个步骤的自动化。这不仅保证了视频生成质量接近于真人制作水平，同时也大幅提升视频创作的效率。

基于该技术，百家号已服务数十家媒体，在热点资讯、媒体报道等多个领域开展了多次应用，每天帮助创作者自动生产数千条视频内容。整体的业务功能如下：

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而随着百家号的业务迭代，更多的个性化需求为智能合成视频带来了一些挑战，例如：度晓晓播报天气，在视频中添加虚拟人等，在完成了文字分析和摘要提取、视频素材智能化处理、音视频合成之后，视频的呈现效果是百家号业务要解决的核心问题之一，视频创作不仅需要AI的加持，同样离不开视频合成这个关键环节；视频渲染合成作为内容视频化的最后一个制作环节，决定着视频内容质量、时效性等关键指标。

所以，百家号从今年3月份开始致力于渲染部分的优化工作，本文我们将重点聊聊视频渲染合成这个环节。

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△度晓晓播报天气视频效果

02 为什么选择AE

谈到视频合成，我们会想到 FFmpeg、OpenGL、Shader 这些基础库，以及建立在这些基础库之上的Adobe After Effects（简称 AE） 、UE4、Unity 3d等视频处理软件和渲染引擎。

FFmpeg 在视频处理方面功能十分强大，被誉为多媒体领域的瑞士军刀，在视频合成方面（https://ffmpeg.org/ffmpeg.html）和转场效果（一个例子：https://trac.ffmpeg.org/wiki/Xfade） 方面都有着出色的表现，FFmpeg 的命令比较强大，可以实现视频转码，视频拼接、图片合成、音频合成，也是我们业务中视频合成的基础依赖之一。

例如：你只需要准备 img01.png，img02.png两张尺寸相同的图片，在安装FFmpeg以后，执行以下代码就能生成一个带有过渡效果的视频。

ffmpeg -loop 1 -t 5 -i img01.png -loop 1 -t 5 -i img02.png -filter_complex "[0][1]xfade=transition=fade:duration=1:offset=4,format=yuv420p" output.mp4
  • OpenGL方案

OpenGL是著名的图形库，支持各种丰富的图形动画，在转场动画方面也能实现非常酷炫的效果（https://gl-transitions.com/），而且是跨平台的。但是要定制个性化效果，有一定的学习成本和开发成本。

  • AE 的视频合成

设计师使用 Adobe After Effects（AE） 做好一个模板，开发者使用Adobe Extension Scripts（AES）脚本方式替换掉模板中占位的内容（包括视频、图片和文本），基于内容数据驱动和AE模板来创建视频。

当时在百度内部也有一些团队在使用这个方案，在我们看来，基于AE合成视频，能以较低的研发成本提升视频效果的丰富度，保证视频合成的质量。在百家号目前业务场景，我们觉得 AE 是一个值得选择的方案之一，也是目前主要的渲染方案。基于 AE 作为视频渲染引擎有 3 大优势，分别是丰富的特效插件生态、强大的脚本能力、设计师的效果无损还原。

2.1 丰富的特效插件

AE 作为强大的视频后期制作软件，AE的三大功能，视频合成、特效制作、图形动画，能帮助创作者快速实现一些多样化的视觉效果。从广告短片到网页动画再到电影特效，都有它的身影。AE 有着丰富的插件生态，我们来看一些简单例子：

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△使用 aeinfographics 插件生成的图表动画，几乎能媲美我们熟悉的 echarts 的常用效果

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△particular 插件提供的酷炫的光剑效果

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△motionbro 插件提供的运镜效果

不过值得注意的是，AE的插件只是针对于AE的软件，在命令行模式下（详见下文）运行则需要一些额外的开发工作。

2.2 强大的脚本能力

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△AE脚本对象的层次结构图

AE脚本是基于ECMA262标准的第三版JavaScript语言（即ES3），同时它提供了project、item、compositions（合成）, layers和renderQueue（渲染队列）等对象模型；熟悉这些对象模型是写好脚本的关键，就像写Web端的JS脚本要了解DOM和BOM一样；AE脚本能实现AE软件可以实现的大部分功能，让开发者能够实现精细化效果控制，例如：不定长的文本内容的垂直居中、视频长度的灵活处理等这些AE软件不太好动态调整的工作；AE脚本提供的 File 对象，能方便的读取到系统的其它文件，比如Adobe全家桶之一的 PhotoShop 文件制作的 .psd 文件，也可以将其它AE文件作为素材导入到项目中。同时，AE 以及与之集成的其它 Adobe 软件为自动化各种过程提供了许多途径，例如：我们可以使用 AE 提供的命令行工具 aerender、网络渲染和渲染后动作来自动化渲染，可以在 Adobe Bridge 中使用工作流脚本自动化一些任务，AE 完全可以充当一个渲染引擎来支持基于 .aep 文件的视频合成。

另一方面，我们可以使用AE的表达式，当我们创建复杂的动画，但想避免手动创建数十乃至数百个关键帧时，表达式能让我们通过代码来控制效果；脚本告诉应用程序要做什么，而表达式则是说一个属性包含了什么效果。例如，您在屏幕上从左到右移动了一个形状，AE内置了大量的表达式，比如：摆动、淡入、淡出等。值得注意的是，虽然AE的表达式语言和AE脚本语言都是基于JavaScript的，但二者功能上是分开的，表达式无法访问脚本的信变量和函数。

2.3 设计师的效果无损还原

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△很流行的张表情图，懂的人都会会心一笑

在Web、App的开发过程中，设计师无论是用Sketch、PhotoShop还是其它设计软件，我们最终都需要把设计稿转化为Web或Native上实现的效果，而AE文件，在通过规范化以后（通常只需要修改图层的命名），即可直接用于生产环境，基本上 100% 还原设计师效果。我们几乎可以省掉视觉效果review的环节。

03 基于AE的图文转视频技术方案

我们已经了解到AE具备强大的渲染能力，脚本能力，能为研发提效，但是具体如何真正落地到生产环境中呢，毕竟在项目开发过程中，需要模板设计、脚本开发、内容编排、视频渲染等多个角色的配合。百家号基于AE的图文转视频渲染技术方案如下：

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我们将AE渲染技术方案分为3个方面的工作：

3.1 模板的标准化

脚本要操作模板，我们希望更简单、更高效地操作模板，负责脚本开发的工程师无需打开AE文件，就能实现模板的修改，这样就要保证AE文件中需要被动态修改的图层名和项目中资源名保持一致，另外，图层不能被锁定。

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我们通过对模板的解构，定义了以下模板图层规范：

1、文本层：Text前缀命名，按照出场顺序命名为：Text1、Text2、Text3；

2、图片层：Photo前缀命名，按照出场顺序命名为：Photo1、Photo2、Photo3；

3、背景层：统一命名为Background，只能有一个；

4、前景层：统一命名为Foreground，只能有一个；

5、效果层：统一命名为Effect，只能有一个。

这里，大家一定会想，为什么模板的背景层，前景层，效果层只能有一个呢，视频过程中切换背景是怎么实现的呢？这里就涉及到一个「微模板」的概念。把一个图文转化为视频，需要考虑合成效率和模板成本。我们的视频其实是由多个视频片段组成的。

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一个完整视频的背后其实对应着多个AE模板文件，这样我们就可以按照需要去组合，实现多种不同的效果。甚至，可以这么组合：

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除了模板本身的规范以外，我们还要对模板的效果进行描述，否则，对于视频合成pipeline来说，它无法判断应该使用哪个AE模板。因此，我们需要对模板的风格，以及模板所需要的素材视频和图片素材进行尺寸上的标注。

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模板的标注和模板的规范化命名是一件非常繁琐的事情，而且一旦出错，整个视频合成就会出现问题。因此，我们需要通过工具去做一个检查。首先将AE文件转化为JSON格式的文件，再去验证图层命名的正确性，AE转换后的JSON文件非常庞大，这里面需要做一些裁剪。将AE文件转化为结构化的JSON数据是一件很麻烦的事情，这里社区推荐了一种方案（https://github.com/Jam3/ae-to-json） ，虽然代码没怎么更新，但思路值得借鉴。

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△AE转换为JSON后的代码片段

3.2 自动化渲染

要实现自动化渲染，我们就不能再用AE的软件界面了，AE 提供的可执行文件 aerender（Windows 下是 aerender.exe） 是具有命令行接口的程序，可用于自动执行渲染。该可执行文件与主应用程序位于同一文件夹中，无需购买 AE 软件，就能直接免费使用（详细说明见Adobe官网，https://helpx.adobe.com/after-effects/using/automated-rendering-network-rendering.html）。

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我们来看一些使用命令行，来执行渲染的示例：

将Composition_1渲染到指定文件：

aerender -project c:\projects\project_1.aep -comp "Composition_1" -output c :\output\project_1\project_1.avi

使用多计算机渲染模式，将 project_1.aep 中的 Composition_1 的第 1 到第 10 帧进行渲染，并保存到带编号的 Photoshop 文件序列中：

aerender -project c:\projects\project_1.aep -comp "Composition_1" -s 1 -e 10 
-RStemplate "Multi-Machine Settings" -OMtemplate "Multi-Machine Sequence" 
-output c:\output\project_1\frames[####].psd

以上脚本展示了AE命令行的基本用法，要让AE命令行具备更强大的功能离不开我们上文中提到的 AE 脚本，aerender 默认并不支持直接调用 AE脚本，要使用脚本则需要一些额外的工作。

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在AE程序的的根目录Scripts 文件夹下的 Startup目录和Shutdown目录，为用户提供了2类钩子方法，即在AE程序启动后和关闭前要执行的方法，aerender能在命令行实现渲染工作就离不开AE为我们默认提供的 commadLineRenderer.jsx 文件。

所以，我们只需要在 Startup 目录，通过脚本获取命令行中AE脚本文件的地址，然后执行脚本文件，这样一来，aerender命令行的渲染能力就能媲美GUI界面了。

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3.3 AE脚本建设

在前面的章节中，我们提到了AE脚本强大的能力，因此我们就围绕着AE进行一系列的脚本库和素材的建设 场、前景效果等效果元素。

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  • 通过脚本实现背景替换

下面的代码演示了如何进行背景的素材替换，这里限于篇幅省掉了各种异常的处理，以及背景（图片、视频）针对不同模板尺寸的缩放，对于gif形式的动画图片，或者过短的视频还需要进行循环播放的逻辑代码。

var newBackgroundPath = '...';
var item = findCompByName('Background');
replaceAVLayerSource(item.layer(1), newBackgroundPath);

function findCompByName(name) {
    var project = app.project;
    var numItems = project.numItems;
    for (var i = 1; i <= numItems; i++) {
        var item = project.item(i);
        if (item instanceof CompItem && item.name === name) {
            return item;
        }
    }
}

function replaceAVLayerSource(curLayer, newFilePath) {
    var importOptions = new ImportOptions();
    importOptions.file = new File(newFilePath);
    var newItem = app.project.importFile(importOptions);
    curLayer.replaceSource(newItem, false);
}  
  • 通过脚本实现文字渐入的效果：

下面的代码演示了如何利用图层的透明度属性，实现一个文字渐入动画。

var config = [
    {
        name: 'Opacity',
        setType: 'keyValue',
        values: [
            {
                time: '0:00:00:00',
                value: 0
            },
            {
                time: '0:00:00:14',
                value: 100
            }
        ]
    }
];

var layer = findCompByName('Text1');
setProperties(layer, config);

function setKeyframes(propertySpec, keyframes) {
    keyframes.forEach(function(keyframe, index) {
        var time = keyframe.time;
        if (typeof time === 'string') {
            time = currentFormatToTime(keyframe.time, keyframe.fps);
        }
        propertySpec.setValueAtTime(keyframe.time, keyframe.value);
    });
}

function setProperties(layer, config) {
    var propertyGroup = layer.property('Text').property('Animators');
    layer.selected = true;
    traverseProperties(propertyGroup, config);
    layer.selected = false;
}

function findCompByName {
    // ...同上
}

通过脚本在AE中实现转场效果则略微复杂，大概思路是通过AES脚本载入另外一个插件AE文件，将插件中定义的效果层复制并应用在当前AE文件相应的图层中。限于篇幅，这里就不在赘述了。

当我们有了足够的背景素材，文本样式，文本动画，转场效果以及氛围素材的积累，我们就可以极大的丰富模板效果，而且我们可以指数级降低模板文件的数量。

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GEEK TALK

04

AE的渲染速度优化

在生产环境下，AE 的合成速度是一个需要重点关注的问题，在不经过任何优化的情况下，视频的时长和渲染合成时间比甚至能达到惊人的 1:10。这个显然在一些对时效性要求比较高的场景下是不能接受的。要让AE实现FFMpeg的视频渲染速度，我们需要做一些优化处理，目前主要的手段有窗口复用、多帧渲染、网络渲染等手段。

4.1 窗口重复使用

AE在启动程序时，是一个比较耗时的操作，在 renderonly模式下，经测试平均70%的时间资源消耗在 AE 应用程序初始化上。渲染可以由已经运行的AE实例或新启动的实例执行。默认情况下，aerender会启动AE的新实例，即使其中一个实例已经在运行。通过窗口复用可以实现AE渲染速度的大幅提升，只需要在命令行中提供"-reuse "参数，aerender将要求已经在运行的AE实例来执行渲染。

aerender -project c:\projects\project_1.aep -reuse

4.2 多帧渲染

多帧渲染是 After Effects 2022版本中的新增功能，可并行利用 CPU 中的所有内核。通过运行多个 After Effects 实例来加快某些流程。多帧渲染提升了 After Effects 的运行速度。 多帧渲染会提升您的项目在计算机上的渲染速度，具体取决于 CPU 内核数、可用内存和显卡计算能力。After Effects 2022 渲染合成的速度提升如下表所示：

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4.3 网络渲染

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A. 安装有 After Effects 完整版的计算机

B. 将一个项目和所有源文件保存到服务器上的一个文件夹

C. 安装有渲染引擎的计算机

D. 打开项目，将静止帧序列渲染到服务器上的指定输出文件夹

开发者可以使用任意数量的计算机进行渲染；通常，计算机越多，渲染速度越快。不过，如果跨繁忙的网络使用太多计算机，网络通信可能会降低整个进程的速度。

4.4 异常处理

基于AE命令行模式实现渲染的过程中，经常会出现一些卡死的情况，这是困扰我们工程师好几天的问题，最后我们不得不通过GUI下的AE来模拟整个渲染链路。最终定位到的原因是AE命令行中出现了我们看不到的弹窗，它阻塞后续一切脚本的执行，故无法执行渲染任务。解决的方案是通过检查AE窗口，如果有异常弹窗，就关闭异常弹窗保留主窗口，基于Python核心的代码如下。

# AE主进程窗口title和class
mainClass = "AE_CApplication_22.2"

# 窗口名称
targetTitle = "After Effects"
hWndList = []
win32gui.EnumWindows(lambda hWnd, param: param.append(hWnd), hWndList)
for hd in hWndList:
    title = win32gui.GetWindowText(hd)
    clsname = win32gui.GetClassName(hd)
    if -1 != str(title).find(targetTitle) and mainClass != clsname:
        win32gui.PostMessage(hd, win32con.WM_CLOSE, 0, 0)

最终，纯渲染耗时和视频时长比在1:1左右，视频时长越长，这个比值数据就越小。

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04 AE的不足

AE在视频渲染方面有着独特的优势，基于脚本也有着比较强大的扩展能力。但基于AE渲染也存在难以解决的缺陷：

  1. 相较于 FFmpeg 和 OpenGL 都提供了 Web 端的解决方案，AE 的模板无法直接在浏览器端实现模板的渲染合成，这意味着，当我们在 Web 端编辑视频素材的时候，用户无法实时预览效果；

  2. AE 只支持下在 Mac OS 和 Windows 上运行，因此我们需要搭建 Window 运行环境，这使得我们不能使用 GDP（Go Develop Platform，百度 Go 业务开发平台）等面向全业务线的基础设施。虽然上文也介绍了网络渲染方案，但这对硬件又有了一定的要求。

06 小结

本文我们详细讲解了百家号图文转视频的基于AE的渲染方案，相较于FFmepg、OpenGL、Canvas2Video等实现方案，AE渲染方案在自动合成方面有较明显的优势，它模板效果丰富，开发新的特效研发成本低；但由于无法做到实时预览，AE渲染方案在C端用户产品上又存在一定的短板。随着百家号业务的发展，我们的渲染引擎会进一步完善，目前基于OpenGL、Unity 3D的渲染引擎也在探索中，但毫无疑问，AE渲染方案会有一席之地。

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