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4K向8K转型的关键:解密新一代视频编码标准VVC

发表时间:2019-08-08 09:33:39 ???? 来源:中广互联 ????点击率:35

  做为图像/视频编码领域的顶级会议之一,第33届图像编码研讨会(PCS,Picture Coding Symposium)于2018年6月24号至6月27号在加州旧金山召开。该会议旨在为视觉压缩领域提供一些突破性的先进技术以及提供高水平的学术报告。在会上,JVET的两位联合主席Jens-Rainer Ohm和Gary J. Sullivan做了关于下一代视频编码标准VVC的主题报告,介绍了上一轮提案征集结束后的测试结果、当前VVC测试软件的情况以及后续的工作计划。

  主要目标是改进现有HEVC(High Efficiency Video Coding,一种视频压缩标准),提供更高的压缩性能,同时会针对新兴应用(360°全景视频和HDR)进行优化。VVC预计在2020年之前完成标准化,目前提出的方案相对于HEVC提高已经达到40%以上。

  视频数据输入至编码系统首先会进行预处理工作,预处理后进行编码。编码完成后的数据会传输至解码模块并在完成解码之后进行预处理,最后输出目标视频。

  我们对视频编码标准的定义是对其中解码部分的定义,也就是定义码流的语法语义和解析解码过程。我们需要在制定标准的过程中通过技术筛选出先进技术加入标准中,从而避免解码过程的冗杂与低效,降低解码过程的复杂程度。也就是说,可以在编码流程等其他环节完成的工作就不应当被加入解码流程中,如滤波等作为后处理可提高主客观性能水平。标准制定是一个技术协调统一优化的过程,无论是国际标准的制定还是以学术为目的的讨论都会引入一种技术竞争机制,选择最好的技术放入标准之中。

  广播的下一个里程碑:8K传输

  随着业界把目光由4K转移到8K,Adrian Pennington开始关注VVC(Versatile Video Coding)能否为实现8K流媒体提供捷径。此次IBC展会现场展示的产品是实现8G最新必备配件,其中包括索尼、Cinegy、SGO和Red的产品。

  虽然一些人认为8K还不成熟,但业界的确正在将注意力转向4K以外的未来上面,其中包括DVB项目,该项目已完成对8K广播标准的后续步骤的研究。

  IP软件供应商Mediaproxy的首席执行官Erik Otto认为,「广播的下一个里程碑将是8K传输,HD和4K发展的下个阶段也将是8K传输。」

  从内容制作成本和商业模式的角度来看,这个过程中还有许多难题需要解决,尤其是在电视屏幕尺寸不变的情况下,消费者比较关心能否看出更高分辨率所带来的视觉差异。

  8K所面临的挑战

  8K会在消费者市场中取得成功吗?

  目前来看,高清视频所需的屏幕尺寸比较小,但一般来说,观众若想观看4K甚至8K视频内容则需要一个更大的屏幕,这会改变人们从「观看」电视到「探索」屏幕的体验。更高的分辨率,特别是8K趋向于一面屏幕墙。

  夏普展示了许多精美的8K显示器,其中包括一台80英寸的电视机,它具有非常明亮和清晰的图像。演示者还展示了如何在艺术画廊中使用它,人们可以使用该显示器放大选定的作品,同时保持很高的分辨率、清晰度,从而使人们在不触碰、破坏艺术品的情况下,欣赏艺术品的每个细节。

  另外,夏普有一个经典的微型四分之三的8KCMOS相机,报价低于5万美元。虽然极其微小的像素会产生一定负面影响,物理学家认为它在低光照条件下会产生噪音并且动态范围会缩小,但凭借它精美的外形和消费者可承受的价格,就实现了8K视频制作,实属不易。

  然而8K最大的绊脚石在于营销。

  Insight TV首席执行官Rian Bester表示,「实体媒介正在走下坡路,人们不像以前那样购买蓝光,他们想要流式传输或下载内容,8K需要更多的带宽,这带来了更大的挑战,这才是真正阻碍8K发展的关键。」

  视频 / 8K拍摄高清视频测试

  多功能视频编码(VVC)

  目前业界正在为当前标准HEVC设计更有效的压缩方案,该方案将提供沉浸式媒体形式,如VR和AR,其中8K源被认为是必不可少的。

  而实现其的关键,是联合视频专家组和MPEG共同提出的多功能视频编码器(VVC),在目前的开发阶段,它旨在与HEVC相比实现高达50%的压缩效率,同时保持视频质量。现阶段的发展势头良好,在最近的测试中,BBC R&D发现多功能视频编码(VVC)在处理HD时比HEVC好27%,比用于4K UHD的HEVC好35%。

  卫星运营商SES视频业务部新技术和标准副总裁Thomas Wrede表示:

  「对于8K电视的经济广播,业界需要新的VVC,无论8K还是4K,多功能视频解码器(VVC)都是关键所在,因为它能解决CDN成本和交付带宽等瓶颈问题。如果它可以做到这一点而不会降低质量,那么这正是我们想要的。」

  然而在采用先进的传输格式后,高质量的视频也需要更大的存储处理空间,并提供多个高比特率文件流。这需要一种新的服务器设计方法。

  在传统服务器中,人们需要添加更多磁盘驱动器来增加存储空间。但这会在管理驱动器数据时产生处理瓶颈。传统的办法是添加更多的驱动器,但这种过度配置并不是为了增加存储容量,而是为了在用户使用4K和8K时,获得实时分级和多层编辑所需的吞吐量,这个问题目前难以解决。

  NHK的商用8K服务使用100Mbps,但最近的试验表明,实时体育内容为85Mbps,VoD为65Mbps。内容感知编码是一种检查视频源并在回放时优化编码的系统,可以将OTT传送的比特率降低到30Mbps到35Mbps之间。这些是在法国公开赛上由法国电视台,Orange和包括Harmonic在内的供应商组织的一次演示中公开测量和演示的比特率。

  Harmonic视频战略副总裁Thierry Fautier说,「像多功能视频编码(VVC)这样的新编解码器会将比特率降低一半,但我们必须等到2020年MPEG规范最终确定,才能在2022年看到它在第一批设备中实现。」

  MediaKind SVP技术专员Matthew Goldman还指出,更好的视频编码效率可以减少所需的分配带宽。「它可能需要压缩4K的两到三倍,而后者已经是HD的两到三倍了。」

  假设VVC能够达到目标,相比HEVC目标提高了50%,然而将它投入到社区使用的成本仍然是个未知数。

  由于VVC是HEVC和其他编解码器中已经使用的标准和技术的演变,因此它不会免费提供。有人担心VVC将和HEVC一样,受到特许权使用费和专利池不透明的负担。

  更为重要的是,UHD-2(国际电联8K规范)几乎不可能被视为更高分辨率的格式。

  对于大多数专家而言,更重要的是混合属性,其中分辨率是专为沉浸式体验设计的,例如向移动设备进行个性化广播(用户可以在8K内容内平移和扫描)和自由视口(如Intel TrueView) 。

  高动态范围最为重要,但这也包括更高的帧速率(高达120p),所有这些都会提高带宽要求。显示设备也需要通过HDMI 2.1进行升级,这是从播放器设备向屏幕播放8K 120p内容的先决条件。目前只有像三星的2019年旗舰电视才能够支持这一点。

  8K的新标准

  8K将开始使用DVB S2X标准来优化转发器吞吐量,然后将迅速转向IP传输到互联电视,其中OTT提供商将格式视为市场差异化因素。

  Harmonic视频战略副总裁Thierrry Faultier认为,「我们需要就8K的标准达成一致,日本已经为广播应用(通过NHK的Super Hi-Vision)做到了这一点,但是需要一个标准,包括支持所有类型的网络(包括5G)在包括电视、智能手机和平板电脑在内的所有设备上进行IP传输(VoD和实时)。」

  整个端到端生态系统需要在技术上提高8K才能成为可行的整体。而这一切技术演变,将会在IBC2019年会上得到充分的展示。

  V-Nova产品和营销高级副总裁Fabio Murra表示,在考虑使用编码和解码技术时,广播公司现在有多项重要决策。他说:「在当今这个支离破碎,纷繁复杂的媒体世界中,为内容选择合适的工具非常重要,我认为这就是为什么我们看到在编译解码器发展的历程中,不同工具会提供给用户不同的内容。」

  随着流媒体的发展、4K与8K的更新换代,Murra认为编译解码器基础设施不会发生剧变。他说:「毫无疑问,不同的设备需要不同的编译解码器,毕竟在服务质量和交付成本方面,它们的目标是明显不同的。」

  结语

  视频编码和播放器制造商Spin Digital的CEO Mauricio Mesa表示,向消费者提供原生8K内容的一个主要挑战是,需要一种更为高效的压缩编码方式,来取代目前广泛使用的HEVC编码。

  视频压缩编码是一个十分活跃的研究领域,尽管最新的编码标准HEVC相比于上一代编码标准已经显示出了极大的性能提升,JVET的前期探索工作证明了研究性能超过HEVC的压缩编码方法是可能的。当前一系列用于探究编码性能、编码复杂度等的核心实验(Core Experiments)正在开展,还有一些新兴的技术比如深度学习也开始应用到视频编码领域。因此,在保证与HEVC相同的主观质量的情况下,节省50%码率的下一代视频编码标准是可能完成的。

  现在我们需要更加高效地压缩标准吗?答案是毋庸置疑的。

  我们需要更高效压缩标准原因可以通过Jevons悖论来解释:业界对节约煤炭研究不会降低煤炭需求,反而会因为提升了煤炭使用效率而加大对煤炭的需求。我们将这个理论过渡到压缩标准上来说,虽然我们尝试通过更好的压缩标准提高压缩效率降低带宽压力,实际上压缩效率的提高会进一步刺激视频用的需求不断增长,整体来看就是更高效的压缩标准推动了视频行业的持续发展。


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