精准的编码码控和精致的图像前处理

编码时采用精准码控，在码率受限的情况下，将有限的资源合理分配，提高整体画质；编码前，对图像进行精致的前处理，营造更加极致的视觉效果，提升画质。

大家好，我是来自腾讯视频的汪亮，主要负责腾讯视频业务的视频编解码，以及图像前处理的工作。今天的分享内容主要分为两个方面：精准的编码码控和精致的图像前处理。其主要目的是为了使终端用户在看视频时有最好的画质体验。此外，在文后简单介绍了我们的下一步工作方向和内容。

1、转码框架

如上图所示， 我们所有的直播和点播都是使用同一套逻辑框架来进行处理，包括NBA、101等节目直播流和点播文件的源介质，通过就近接入，进入转码系统。

在转码系统中，进行前处理后，执行H.264或HEVC的视频编码以及AAC或Dolby的音频编码，然后将编码后的音、视频流封装成MP4、TS、FMP4的文件，进行DRM加密处理，最后把它上传到FS文件系统保存，并分发到CDN，全平台的终端也以就近接入的方式，下载文件进行播放。

在播放的过程中，我们会加入P2P的SDK来节约带宽。本次分享的内容主要集中在上图中前处理这部分逻辑。

2、画质评测

我们对视频进行前处理和编码优化，但如何评价优化效果的好坏，是否达到预期，就涉及对画质评定规则的约定。希望找到一个简单又通用的方法来评定画质，但实施的难点在于画质和人的主观感觉强相关，就更加增加了画质评测的复杂度。

我们尝试了四种评定方式psnr、ssim、vmaf和主观评测。传统的PSNR和SSIM，缺点在于评测是相对质量而不是绝对质量，得出的值不能很好的代表主观结果，在发现这个缺点之后，业界提出了VMAF，也是目前较为通用的一种方式，包括在MSU编码器的比赛过程中也采用VMAF作为参考指标之一，但它是基于一种传统的方法且和训练样本相关，可能不能很好适配所有类型的视频；最后一种方式就是主观评测，通过两台电视机，或者两个手机对比，找不同背景的同事来看，然后进行MOS评分。

为了得到更为准确的评分，我们开发了一套web评测系统，对上述4项指标均进行评测和统计，在新算法全量发布前，测评结果作为不断改进和优化的参考指标。

3、编码-内核优化

点播和直播的流进来后，首先会将其解码成YUV的数据，再进行前处理与编码，得到编码压缩NAL包。

视频编码的经典框架没有大的更新，包括预测，变换，量化，扫描，熵变换，依旧是这几个步骤。由于内核的优化是一个周期较久，比较耗时的过程，在没有好的结果出来之前，会基于编码器不变的情况下，进行类似参数调优等操作，比如，进行场景的识别，让其自适应的进行量化和参数的设定，达到在最低码流情况下获得最好视频效果的目的。

4、编码-分类别编码

不同的视频内容，由于其复杂度不一样，可以为其分配不同的参数，在目标码率不一样的情况下，也能达到很好的画质效果；分类别编码的目的是在总码率一定的情况下，能够让码率在不同类型的视频间进行很好的分配和转移，物尽其用。对片源进行分类，例如分类为四个：2D动画、3D动画、普通电影、以及体育视频（如足球赛，篮球赛等）。在分类之前，所有视频的目标码率是同样对待处理的，分类之后，为不同的类别的内容分配一个更为合适的目标码率，测试发现，2D动画的视频，即使减少30%的码率，也能够达到同样的画质效果，此时，将节约出来的码率转给体育视频，使之达到更好的画质效果。

5、编码-动态码率

在一个视频中，场景是动态变化的，有时比较平缓，有时比较复杂，码率曲线可以很好的展示它的变换情况。片源分类是针对片源对象来说的，动态码率则是对该片源按时间轴进行细致的划分，区分平缓和复杂的区间，并为其分配不同的目标码率。

点播中，编码的过程一般会采用2-Pass的方式，首先进行720P格式进行1-Pass的编码，得到每一帧的参考帧的一些信息，这些信息可以为第二次编码进行指引。在第二次编码时，参考该pass1的信息，并生成多个不同的目标格式的清晰度，例如480P、540P、1080P等。得到两个好处，其一节约时间，只用生成一次passlog信息；其二是各个格式的I帧是对齐的，能进行无缝切换的播放。

6、编码-ROI编码

在演唱会等娱乐节目中，人物背后的霓光灯对画质的影响非常大，由于灯光相对平滑且颜色信息非常多，如果按普通的方式处理，会占用大量的码率，导致终端用户即使有4M或5M的带宽也会觉得画质不清晰。

ROI编码的核心思想是，基于深度学习，识别出感兴趣的区域，例如人脸或人体部分，然后在编码时，对这部分区域进行码率增强的处理。例如我们观看一个跳舞的视频，人眼更关注的人体，通过把这个人体区域找出来，并将区域的信息传递给编码器，分配更多的码率，从而让人脸显得更加清晰。上图展示的是传统处理方法与应用ROI编码技术后的效果对比。

7、图像-前处理框架

由于图像前处理算法需要应用于点播和直播两个系统，因此我们自研了一套框架。从图中可以看到，来自点播和直播的输入帧，进入一个前处理Filter，再进行编码得到码流，优点就是开发的任何一个算法，类似模块，可以直接插入，应用于点播和直播中。该框架的使用，使得自研算法的集成和应用非常方便。

8、图像-TIE增强

上图展示的是自研的TIE（Tencent Image Enhance）即腾讯视频画质增强技术，通过对视频进行特定的分析处理使得画面能够更加的通透，层次感更加突出，为用户营造一个更加逼真的视频效果。在大部分的点播和直播视频中都启用了TIE增强处理。

9、图像-数字水印

加上数字水印的主要目标就是为了加强版权保护，在视频帧中嵌入数字水印，方法是在高频和中频的信息里面加入自己的私有信息。如果视频被盗，可以分析被盗的视频流，进行解码，用相应的工具进行分析，如果提取的信息包含植入的加密信息，就说明视频流是从我们这里被盗走的。 在视频中添加数字水印可能会导致画面出现瑕疵，在加入强度和策略上会进行一个控制，尽量减少对画质的影响。

10、图像-超分（老片翻新）

超分目前我们主要是应用于老片翻新和视频分辨率清晰度提升中，因为很多老片子很有可能是从普通的VCD里传出来的，它的画质是比较差的，不满足我们对画质的需求。用深度学习的方法，通过构建不同的训练集，构建起较为完备模型，避免图像中的噪声的增强，同时得到较好的效果。为了解决后端服务器处理耗时的问题，在分布式框架中启用超分算法，并发加速。目前我们也准备在手机等终端上加入超分的特性，540P的码流，终端可以超分到1080P，在提升画质的同时，节约大量码率，当然为了达到实时性，在模型选择上，进行了一些缩减。

11、图像-HDR10视频

很多终端设备已经支持hdr视频的显示，即支持更高的亮度范围和更多的颜色信息，目前常用的有hdr10、dolbyvision等标准，在支持的终端上播放，有着无与伦比的效果。但受限于片源介质的数量较少，就自研究了sdr转hdr10的技术。主要进行2个步骤的操作，第一个就是亮度的扩展，第二个就是要对色域的扩展，要把原先亮度的BT709的色域扩展到BT2020色域上。有两种方式进行，第一个就是普通算法的方式，建立一个空间映射，将亮度和色度从一个空间映射到另外一个空间，但这个映射有时会导致亮度不是很均匀，需要一个调优的过程。第二个方式是采用hdrnet进行训练，生成一个映射模型，基于普通的sdr介质生成hdr介质。

12、持续探索/完善的技术

最后简单介绍我们正在探索和即将展开的一些工作，例如，多模态内容的理解，包括对场景的识别，在视频内容中植入不同的应景的广告，实现千人千面的广告；内容的搜索，希望在片源量非常大的媒资库中，能快速找到想要的内容；音视频编解码技术，在不断的在做更新和优化迭代，并在环绕声、VR等方向上也在不断的探索。希望音视频技术的不断演进，能为终端用户提供更美妙的体验。