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      AVS3 新一代視頻編解碼技術

      AVS3視頻編解碼技術

      為8K應用而生!
      AVS3 新一代視頻編解碼技術

      視頻是智能時代信息獲取的重要來源

      視頻是傳遞信息的有效載體也是智能時代數據獲取的重要來源,伴隨移動互聯網技術的蓬勃發展,視頻已無處不在。視頻直播、視頻點播、短視頻、視頻聊天,已經完全融入了每個人的生活。未來大眾網絡流量80%以上和行業應用數據70%以上都將是視頻數據。

      視頻技術的發展從標清到高清到超高清,超高清視頻是新媒體、VR、光場、裸眼全息等新興產業發展的重要基礎支撐,也是智慧醫療、無人駕駛等人工智能領域的重要內容支撐。這些新應用場景和商業模式重構為用戶提供極致體驗的同時,也帶來了分辨率、幀率、色域、視場范圍等成倍擴展,視頻數據量到了井噴時代,視頻的傳輸、存儲面臨著巨大的挑戰。

      視頻是智能時代信息獲取的重要來源

      數據存儲及傳輸是視頻井噴時代亟待解決的問題

      數據量巨大

      56 Gb

      未經壓縮的視頻
      數據量巨大

      存儲及傳輸困難

      16小時

      未經壓縮的視頻對存儲及傳輸提出極大挑戰

      編解碼是保證用戶視頻體驗的核心技術

      編解碼是保證用戶視頻體驗的核心技術

      如何在一定的帶寬占用下,盡可能地提高視頻的質量,或者在保持質量情況下,盡可能地減少帶寬利用率?視頻編解碼技術應運而生。視頻編解碼是在攝像頭采集畫面和前處理后,采用算法將視頻數據的冗余信息去除,對圖像進行壓縮、存儲及傳輸, 再將視頻進行解碼及格式轉換, 追求在可用的計算資源內,盡可能高的視頻重建質量和盡可能高的壓縮比,以達到帶寬和存儲容量要求的視頻處理技術。持續為用戶提供更高品質的視頻體驗。

      編解碼技術讓8K超高清商用成為可能

      重大事件直播體驗 精品節目點播體驗 改變在線教育交互方式
      家庭巨幕觀影體驗 沉浸式游戲體驗 改變SOHO工作方式
      重大事件直播體驗
      精品節目點播體驗
      改變在線教育交互方式
      家庭巨幕觀影體驗
      沉浸式游戲體驗
      改變SOHO工作方式

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      通信能力的不斷提高為超高清顯示應用提供了基礎支持,8K逐漸成為體育賽事、大型直播、電影等眾多視聽享受的主流場景。高分辨率、高幀率不僅帶來了更好的視覺體驗,更有助于傳遞更豐富的數據信息。而視頻編解碼技術的出現極大平衡了視頻高畫質視頻重建及高效率視頻壓縮, 讓8K商用場景落地成為可能。

      編解碼技術發展歷程

      編解碼技術發展歷程

      SD

      HD

      4K UHD

      8K VR/AR

      SD
      編解碼技術發展歷程

      標清階段:標清數碼電視及DVD機階段

      90年代初期, ISO/IEC制訂了MPEG-1視頻標準用于低分辨率的視頻會議; MPEG2為用于標清數字電視和標清DVD領域

      HD
      編解碼技術發展歷程

      高清階段:衛視頻道視頻標準提高

      ? 90年代后期,流媒體領域誕生了MPEG-4、H.263的標準
      ? 為了滿足人們對高清視頻畫質更高的要求,ITU-T及ISO/IEC制訂了H.264/MPEG AVC視頻標準
      ? AVS工作組發布了第一代音視頻編解碼技術標準AVS+,對標同期H.264/MPEG AVC

      4K UHD
      編解碼技術發展歷程

      4K超高清階段

      ? 2013年,為人們對于4K超高清畫質的追捧,ITU-T及ISO/IEC于制定了HEVC/H.265標準
      ? 2016年,AVS工作組于制定了第二代面向超高清音視頻編輯碼技術標準AVS2,性能比AVS1提升近一倍, 壓縮效率與國際標準H.265/HEVC相當,在全幀編碼以及監控場景編碼中性能優于HEVC

      8K, VR/AR
      編解碼技術發展歷程

      8K超高清階段

      ? 2017年,國際標準組織開始制定下一代視頻壓縮標準VVC
      ? AVS工作組發布第三代面向8K的音視頻編解碼技術標準

      編解碼技術發展歷程

      標清階段:標清數碼電視及DVD機階段

      • 90年代初期, ISO/IEC制訂了MPEG-1視頻標準用于低分辨率的視頻會議; MPEG2為用于標清數字電視和標清DVD領域
      編解碼技術發展歷程

      高清階段:衛視頻道視頻標準提高

      • 90年代后期,流媒體領域誕生了MPEG-4、H.263的標準
      • 為了滿足人們對高清視頻畫質更高的要求,ITU-T及ISO/IEC制訂了H.264/MPEG AVC視頻標準
      • AVS工作組發布了第一代音視頻編解碼技術標準AVS+,對標同期H.264/MPEG AVC
      編解碼技術發展歷程

      4K超高清階段

      • 2013年,為人們對于4K超高清畫質的追捧,ITU-T及ISO/IEC于制定了HEVC/H.265標準
      • 2016年,AVS工作組于制定了第二代面向超高清音視頻編輯碼技術標準AVS2,性能比AVS1提升近一倍, 壓縮效率與國際標準H.265/HEVC相當,在全幀編碼以及監控場景編碼中性能優于HEVC
      編解碼技術發展歷程

      8K超高清階段

      • 2017年,國際標準組織開始制定下一代視頻壓縮標準VVC
      • AVS工作組發布第三代面向8K的音視頻編解碼技術標準

      什么是AVS3?

      AVS由數字音視頻編解碼技術標準工作組(簡稱AVS工作組)制定的一系列音視頻編解碼技術標準,包括系統、視頻、音頻、數字版權管理等四個主要技術標準和符合性測試支撐標準。AVS3是其第三代音視頻編解碼技術標準,適應多種位率、分辨率和質量要求的高效視頻壓縮方法的解碼過程,在解碼效率上優勢明顯,可廣泛適用于電視廣播、數字電影、網絡電視、網絡視頻、視頻監控、實時通信、即時通信、數字存儲媒體、靜止圖像等應用。同時該標準是全球首個面向8K超高清產業及虛擬現實(VR)視頻產業產業應用“量身定制的”的,具有“智能化基因”的音視頻編碼技術標準。

      源于AVS,面向8K超高清應用而生

      源于AVS,面向8K超高清應用而生

      AVS面向智能編碼技術持續演進

      AVS面向智能編碼技術持續演進

      AVS3關鍵技術解析

      塊劃分技術

      幀內預測

      幀間預測

      變換

      塊劃分技術

      塊劃分: 縮短預測距離、提高圖像預測精度

      塊劃分: 縮短預測距離、提高圖像預測精度

      ? 編碼塊劃分技術,是把復雜多樣的圖像劃分成多個矩形塊,有針對性的以塊為單位的圖像進行有效的編碼,最后再以塊為單位去解碼圖像的過程。通常一個物體有多個組成部分,通常需要把它劃分為多個部分,每個部分采用不同的預測模式,針對性的進行預測。

      ? AVS3中的塊劃分關鍵技術中包含了四叉及二叉樹劃分(QTBT)、擴展四叉樹(EQT)和衍生模式樹(DT)。可根據圖像場景, 靈活分為“片劃分”及“編碼樹單元”,DT模式中的非對稱預測單元有效地縮短平均預測距離,大幅提高預測精度。

      幀內預測

      幀內預測:增加預測單元關聯性,
      提升預測效率

      幀內預測是利用視頻空間域的相關性,使用同一幀圖像內鄰近已編碼像素預測當前的像素,以達到有效去除視頻時域冗余的目的。

      幀內預測:增加預測單元關聯性,提升預測效率

      IPF

      IPF(幀內預測濾波 Intra Prediction Filter)對預測完的預測塊邊界的像素再次濾波,用于優化幀內預測塊的邊界,增加周圍參考像素與當前預測單元之間的空間關聯性,提升預測精度。

      幀間預測:提升運動矢量預測精度

      TSCPM

      TSCPM(兩步色度幀內預測Two-Step Cross-component Prediction)利用了亮度與色度之間的強相關性,去除分量間的線性關系冗余。
      第一步:由亮度塊進行線性縮放得到對應色度預測塊的值 Pc′ (x,y)。其中,系數α和β與亮度塊鄰近的四個樣本點有關。
      第二步:對色度預測塊進行下采樣得到最終色度預測塊的值 Pc。

      幀間預測

      幀間預測:提升運動矢量預測精度

      幀間預測是利用視頻時間域的相關性,使用鄰近已編碼圖像像素預測當前圖像的像素,以達到有效去除視頻時域冗余的目的。

      AMVR自適應運動矢量精度

      AMVR

      AMVR(自適應運動矢量精度Adaptive Motion Vector Resolution) 在編碼端根據圖像內容屬性自適應選擇1/4像素、1/2像素、1像素、2像素和4像素的運動矢量精度,
      相比固定精度,減少了運動矢量差編碼造成的數據。

      HMVP基于歷史信息的運動矢量預測

      HMVP

      HMVP(基于歷史信息的運動矢量預測History-based Motion Vector Prediction)在運動矢量候選列表中,除了時域和空域的候選列表外,還新增最近使用過的8個運動矢量組成一個基于歷史信息的候選列表。這些運動矢量采用FIFO(First Input First Output)式排列,每增加一個新的候選項前先檢查是否存在相同MVP。HMVP讓順序上靠近當前塊(非相鄰的塊)且已被解碼的塊,也能加入候選列表,增加了運動矢量預測的效率。

      UMVE高級運動矢量表達

      UMVE

      UMVE(高級運動矢量表達Ultimate Motion Vector Expression)對跳過模式/直接模式的基礎運動矢量進行步長和方向上的精細調整,在節省碼率的同時提高了編碼質量。UMVE在L0和L1上以basemv對應位置為起始點進行四個方向、五種距離的搜索。

      AFFINE仿射運動補償

      4參數AFFINE

      AFFINE仿射運動補償(Affine Motion Compensation)分為四參數和六參數兩類仿射模型,分別編碼2或者3個控制點的運動矢量/運動矢量差。其他點的運動矢量/運動矢量差由計算等到??梢愿咝У乇硎局T如縮放、旋轉等復雜運動。運動矢量精度為1/16像素,對于大于16x16的CU進行基于8x8 (單向,雙向) 或 4x4 (單向)小塊的運動補償,固定大小有利于硬件實現。

      變換

      變換:提高幀間預測塊殘差編碼效率

      DCT8或者DST7變換

      DCT8或者DST7變換

      PBT基于位置的變換

      一種PBT劃分方式

      PBT(基于位置的變換 Position Based Transform)可根據幀間預測殘差塊的子塊位置選擇進行相應的DCT8或者DST7變換,每個子塊根據其位置使用預先設計的變換集,用于更高效地擬合幀間殘差特性。

      塊劃分: 縮短預測距離、提高圖像預測精度

      塊劃分: 縮短預測距離、提高圖像預測精度 塊劃分: 縮短預測距離、提高圖像預測精度
      • ? 編碼塊劃分技術,是把復雜多樣的圖像劃分成多個矩形塊,有針對性的以塊為單位的圖像進行有效的編碼,最后再以塊為單位去解碼圖像的過程。通常一個物體有多個組成部分,通常需要把它劃分為多個部分,每個部分采用不同的預測模式,針對性的進行預測。
      • ? AVS3中的塊劃分關鍵技術中包含了四叉及二叉樹劃分(QTBT)、擴展四叉樹(EQT)和衍生模式樹(DT)。
        可根據圖像場景,靈活分為“片劃分”及“編碼樹單元”,DT模式中的非對稱預測單元有效地縮短平均預測距離,大幅提高預測精度。

      幀內預測:增加預測單元關聯性,提升預測效率

      幀內預測是利用視頻空間域的相關性,使用同一幀圖像內鄰近已編碼像素預測當前的像素,以達到有效去除視頻時域冗余的目的。

      幀內預測:增加預測單元關聯性,提升預測效率
幀內預測:增加預測單元關聯性,提升預測效率

      IPF

      IPF(幀內預測濾波 Intra Prediction Filter)對預測完的預測塊邊界的像素再次濾波,用于優化幀內預測塊的邊界,增加周圍參考像素與當前預測單元之間的空間關聯性,提升預測精度。

      TSCPM

      TSCPM(兩步色度幀內預測Two-Step Cross-component Prediction)利用了亮度與色度之間的強相關性,去除分量間的線性關系冗余。
      第一步:由亮度塊進行線性縮放得到對應色度預測塊的值 Pc′ (x,y)。其中,系數α和β與亮度塊鄰近的四個樣本點有關。
      第二步:對色度預測塊進行下采樣得到最終色度預測塊的值 Pc。

      幀間預測:提升運動矢量預測精度

      幀間預測是利用視頻時間域的相關性,使用鄰近已編碼圖像像素預測當前圖像的像素,以達到有效去除視頻時域冗余的目的。

      幀間預測:提升運動矢量預測精度 幀間預測:提升運動矢量預測精度

      AMVR

      AMVR(自適應運動矢量精度Adaptive Motion Vector Resolution) 在編碼端根據圖像內容屬性自適應選擇1/4像素、1/2像素、1像素、2像素和4像素的運動矢量精度, 相比固定精度,減少了運動矢量差編碼造成的數據。

      HMVP

      HMVP(基于歷史信息的運動矢量預測History-based Motion Vector Prediction)在運動矢量候選列表中,除了時域和空域的候選列表外,還新增最近使用過的8個運動矢量組成一個基于歷史信息的候選列表。這些運動矢量采用FIFO(First Input First Output)式排列,每增加一個新的候選項前先檢查是否存在相同MVP。HMVP讓順序上靠近當前塊(非相鄰的塊)且已被解碼的塊,也能加入候選列表,增加了運動矢量預測的效率。

      UMVE 4參數AFFINE

      UMVE

      UMVE(高級運動矢量表達Ultimate Motion Vector Expression)對跳過模式/直接模式的基礎運動矢量進行步長和方向上的精細調整,在節省碼率的同時提高了編碼質量。UMVE在L0和L1上以basemv對應位置為起始點進行四個方向、五種距離的搜索。

      4參數AFFINE

      AFFINE仿射運動補償(Affine Motion Compensation)分為四參數和六參數兩類仿射模型,分別編碼2或者3個控制點的運動矢量/運動矢量差。其他點的運動矢量/運動矢量差由計算等到??梢愿咝У乇硎局T如縮放、旋轉等復雜運動。運動矢量精度為1/16像素,對于大于16x16的CU進行基于8x8 (單向,雙向) 或 4x4 (單向)小塊的運動補償,固定大小有利于硬件實現。

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      變換:提高幀間預測塊殘差編碼效率

      DCT8或者DST7變換
      一種PBT劃分方式
      變換:提高幀間預測塊殘差編碼效率 變換:提高幀間預測塊殘差編碼效率

      PBT(基于位置的變換 Position Based Transform)可根據幀間預測殘差塊的子塊位置選擇進行相應的DCT8或者DST7變換,每個子塊根據其位置使用預先設計的變換集,用于更高效地擬合幀間殘差特性。

      AVS3技術價值

      AVS技術體系中每代標準都會比上一代標準壓縮效率提升50%左右
      AVS3超高清應用場景
      專利授權政策清晰

      編碼壓縮效率提升50%

      超高清應用場景, AVS3優勢顯著

      一站式專利池方案,授權政策清晰

      編碼壓縮效率提升50%

      寬帶減半

      傳輸同等畫質
      只需要一半的寬帶

      儲存減半

      同等畫質
      存儲空間節省一半

      畫質提升

      同等條件下
      畫質更加細膩

      AVS技術體系中每代標準都會
      比上一代標準壓縮效率提升50%左右

      超高清應用場景, AVS3優勢顯著

      AVS3 HPM4.0 vs AVS2 RD19.5

      AVS3 HPM4.0 vs AVS2 RD19.5

      • 超高清視頻場景, AVS3性能提升了約24.3% 在1080P/720P等視頻場景, AVS3性能提升超23%
      • 同等主觀性能質量下,AVS3較AVS2節省了23%碼率
      AVS3 HPM10.1 vs HEVC HM16.20

      注:數據來源于AVS數字音視頻編解碼技術工作組數據

      AVS3 HPM10.1 vs HEVC HM16.20

      • 4K超高清場景,AVS3比HEVC碼率提升35%
      • 1080P高清場景,AVS3碼率提升約30%左右
      • 同等主觀性能質量下,AVS3較HEVC節省了40%碼率
      一站式專利池方案,授權政策清晰

      AVS授權模式的一大創新是在標準制定之前先確立許可模式,提前規避了產業化過程中存在的潛在苛刻、操作復雜的專利許可問題。

      一站式專利池方案,授權政策清晰
      技術研發活動R&D知識產權管理IPR產品開發與產業應用Industry

      專利授權政策清晰

      凡是向AVS工作組提交技術和提案的單位
      都需要對其專利許可意向做出承諾,允許
      免費使用”或者“加入AVS專利池

      從授權源頭做出規范, 授權機制簡潔高效

      專利授權費用低

      只對設備收費
      不對內容收費
      不對運營商收費
      對互聯網軟件服務免收專利費

      專利可用可控

      選用會員單位技術,極大程度降低專利風險

      從源頭保證專利可用性,規避重復申明問題、
      保證專利池的唯一性、極大程度規避專利權
      人“放水養魚”等風險, 確保專利可控

      寬帶減半

      傳輸同等畫質
      只需要一半的寬帶

      儲存減半

      同等畫質
      存儲空間節省一半

      畫質提升

      同等條件下
      畫質更加細膩

      AVS技術體系中每代標準都會比上一代標準壓縮效率提升50%左右

      AVS3 HPM4.0 vs AVS2 RD19.5

       

      AVS3 HPM4.0 vs AVS2 RD19.5

      ? 超高清視頻場景, AVS3性能提升了約24.3%
      ? 在1080P/720P等視頻場景, AVS3性能提升超23%
      ? 同等主觀性能質量下,AVS3較AVS2節省了23%碼率

      AVS3 HPM10.1 vs HEVC HM16.20

      注:數據來源于AVS數字音視頻編解碼技術工作組數據

      AVS3 HPM10.1 vs HEVC HM16.20

      ? 4K超高清場景,AVS3比HEVC碼率提升35%
      ? 1080P高清場景,AVS3碼率提升約30%左右
      ? 同等主觀性能質量下,AVS3較HEVC節省了40%碼率

      AVS授權模式的一大創新是在標準制定之前先確立許可模式,提前規避了產業化過程中存在的潛在苛刻、操作復雜的專利許可問題。

      一站式專利池方案,授權政策清晰

      專利授權政策清晰

      • 凡是向AVS工作組提交技術和提案的單位
        都需要對其專利許可意向做出承諾,允許
        免費使用”或者“加入AVS專利池
      • 從授權源頭做出規范, 授權機制簡潔高效

      專利授權費用低

      • 只對設備收費
      • 不對內容收費
      • 不對運營商收費
      • 對互聯網軟件服務免收專利費

      專利可用可控

      • 選用會員單位技術,極大程度降低專利風險
      • 從源頭保證專利可用性,規避重復申明問題、
        保證專利池的唯一性、極大程度規避專利權
        人“放水養魚”等風險, 確保專利可控
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      行業應用

      蘇州中超端到端的8K超高清直播試驗

      蘇州中超端到端的8K超高清直播試驗

      海思聯合江蘇有線、國家廣電總局超高清電視技術研究和應用實驗室、體奧動力、當虹科技、京東方聯合在蘇州奧體中心成功完成中超冠亞軍決賽AVS3 8K超高清直播試驗。這是國內首次大型體育賽事端到端的8K超高清直播試驗,成功打通了基于AVS3 8K超高清直播信號的采集、制作、編碼、調制、傳輸、入戶接收、終端解碼及大屏顯示等全流程。

      央視8K超高清頻道試播

      央視8K超高清頻道試播

      春晚是每個中國百姓心中的傳統“佳肴”,牛年將至,這道佳肴將全面升級為8K超高清視盛宴,從央視演播廳“飛落”我們身邊。今天中央廣播電視總臺8K超高清電視實驗頻道首次試播成功,上海海思助力央視、鵬城實驗室、廣東博華超高清創新中心等產業伙伴共同完成了本次8K超高清頻道實驗的播出。這是業界首次圍繞8K超高清采集、制作、傳輸、以及面向公眾進行電視直播,本次試驗的成功意味著今年春節大家將有機會第一次在大屏上欣賞到8K超高清春晚直播,在超高清視頻產業發展史上具有里程碑意義。8K超高清視頻是繼視頻數字化、高清化之后的新一輪重大技術革新。上海海思助力中央廣播電視總臺構建了端到端8K超高清直播試驗系統,支撐總臺開播國內首個8K超高清電視試驗頻道。

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      *AVS3對比測試數據來源自AVS數字音視頻編解碼技術工作組AVS M6296: 2021年03月數據

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