面向8K应用的AVS3——超高清视频编码的开拓与创新
原创 马思伟
自从摄影技术诞生以来，人们从未停止过对更真实影像的追求。彩色电视让电视呈现的画面从黑白变为彩色，让人们感受到了更真实的世界。而视频的呈现需要视频编码技术的支持。2002年还是DVD流行的时代——视频领域专业的说法属于标清，标准清晰度视频。
2002年初发生了DVD专利收费事件，每台DVD机出口时面临每台十几美元的专利追索，导致很多DVD机被国外海关扣押，当时一个问题是我们国家能否有自己自主的视频编解码技术、标准，这时计算机专家高文（现北京大学教授，中国工程院院士）站出来带头做了这件事情，就是发起成立AVS工作组（数字音视频编解码技术标准工作组），牵头制定自己的国家标准。那时我是高老师的博士生，非常幸运能跟随高老师一起做这样有意义的事情，到现在已经整整20年了。
起初，我国在这一领域技术非常落后、人才力量薄弱，AVS工作组带动我国在视频编解码领域快速发展，培养了一大批人才，形成了自主的技术标准体系以及生态系统，实现了从落后到领先的根本性变化。在这20年间，AVS1，AVS+，AVS2，以及AVS3等视频编码国家标准在AVS工作组的努力下相继制定，我国构建了技术创新、专利许可、标准制定、芯片研制、系统开发和应用推广的生态圈，并从技术源头上掌握了视频产业发展的主动权。
简单来说，AVS1、AVS+主要是面向高清数字电视广播的编解码技术标准，AVS+是AVS1的优化和演进。而随着技术进步，电视尺寸越来越大，视频画面越来越清晰，进入超高清的时代，帧率、色彩精度等视频质量参数越来越高，但这也意味着视频的数据量变得越来越大。例如，1秒50帧的4K超高清视频原始数据量约为12G比特，如此大的数据量让存储卡很快就存满了。因此，数据压缩是视频存储、传输非常重要的需求之一。AVS2主要面向4K超高清视频的压缩。压缩效率可达到300倍，更直观地说，使用AVS2技术进行压缩的视频所占用的存储容量，比上一代技术减少了50%。
而当下的AVS3面向8K超高清电视广播，是最新一代的编码标准，AVS3视频标准基准档次是AVS标准第一次领先国外标准制定完成，芯片和编码器的研发都要领先于国外标准推出，这是AVS标准发展上的一个里程碑，它的应用将使我国的AVS3+5G+8K产业部署与发展走向全球领先。基于AVS3可以让观众在更低的带宽代价下享受同样的视觉质量。
AVS3编解码标准也应用在北京2022年冬奥会赛事直播中。在AVS3编解码技术的赋能下，8K超高清相比之前的高清、4K超高清更清晰、更具沉浸感，特别是对体育赛事这样的视频节目，能够提供更好的视觉效果。另外，除了传统8K直播，还有全景视频、多视角等呈现形式，观众可以选择角度观看，通过交互更进一步提升了用户的参与感。
对观众来说，技术的驱动还带来了一些变化，虽然这些变化和AVS3这个具体标准可能没有非常紧密的关系，但总体上确实是技术驱动带来了很多变化，技术驱动发展提供了更多形式的内容和观看渠道、方式，如观众观看形式多样化，有在电视上、手机上，像冬奥会开幕式那样的重大直播活动有的影院开通了直播，观众能到影院观看；还有AR（增强现实）、人工智能等技术手段生产出更吸引人的比赛内容，给观众带来更丰富、优质的观赛感受。
冬奥会要为观众呈现体育盛宴，尤其是在主观质量、延时等细节方面有着非常高的要求。基于此，我们对技术和软件都进行了反复的测试，不断完善，也和咪咕的技术团队进行了深入的探讨，最终给观众带来了很好的观看效果。
具体而言，为了“备战”北京2022年冬奥会，做好AVS3 8K直播系统，团队在编解码算法上做了优化，提升编解码效率，降低编解码功耗。此外，团队还进行了传输上的优化，能够保证码流的流畅传输、不卡顿等。然而，AVS3编码在显著提升性能的同时，复杂度也明显提升，因此我们基于AVS3编码的特点在块划分、参考帧决策等各个编码工具上都进行了深度的优化，最终实现了8K超过60fps的实时编码。
在此次冬奥会中，AVS3标准也是首次在移动端直播场景应用及落地。在解码方面，这次主要是针对移动端的应用进行针对性的设计。移动端的算力很宝贵，因此我们对解码架构进行了针对性的设计，可以更好地利用移动终端的计算资源，从而获得更好的解码效率。
在冬奥会上的应用实例也更加坚定了我们对自主标准的信心，相信随着科研水平的不断提升，越来越多的自主技术会成为社会发展的核心力量。此外，超高清技术在未来不仅能服务于传统广电领域，还将会在智慧医疗、安防、深空探索等领域产生重要影响。主要面向广播影视应用、关注视频压缩效率的传统视频编码，正在向新兴视频应用领域扩展。新兴视频应用如智慧城市、无人驾驶等强调对于视频内容的智能分析与理解，需要更智能的视觉内容表示形式，这些应用需求正在推动视频编码从基于像素的编码到基于视觉特征的编码形式演变。目前，团队正在积极推动技术标准的制定和推广应用，预计近期会取得重要进展。
- 作者信息 -
马思伟 北京图象图形学学会常务理事，北京大学信息科学技术学院教授，主要研究方向为视频处理、视频编码。AVS视频组联合组长，从2002年起陆续参与AVS1，AVS+，AVS2，以及AVS3国家标准的制定。
