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下一代编解码标准的抉择(上)

2018-2-6 15:51

018年的第一个月对于编辑码标准生态而言很不平静,Apple加入AOM联盟支持AV1,国产的AVS2宣布开源,MPEG创始人、主席Leonardo Chiariglione发文表示“MPEG商业模式已经破裂” 。尽管AV1和AVS2走向成熟还需时日,但至少让用户有了更多选择。Hulu全球高级研发经理傅德良撰文分析了各主流编解码器的优势与不足,并对编解码器的选择给出了自己的建议。


文 / 傅德良


时光飞逝,转眼间已经来到了2018年。在过去的几年中,整个音视频行业随着互联网的大潮迅速发展,已经使得全球的用户得以通过视频的这种高密度信息载体与整个世界有机连接在了一起。


然而让整个业界多少有些没有预料到的是,在线音视频行业存在与发展的重要基石——视频编解码标准的“权力交接”直到今日仍扑朔迷离。2018年已经是H.264发布的第15个年头,H.264的官方继任者HEVC也已经在不知不觉中正式发布5年了。然而, 虽然目前整个工业界对于下一代音视频编解码标准带来的压缩效率的提升需求非常迫切,但是究竟哪一个标准、哪一款编解码器才是继承H.264 天下的真龙天子,目前仍是未知数。


H.264:一统江湖


H.264 / AVC是迄今为止业界最为成功的音视频编解码标准。在过去的十数年间,H.264标准出现在了各种视频应用的场景中。在编码器端,基于H.264标准的开源编解码器x264几乎成为了各大小流媒体服务公司的标配;在解码器端,H.264的解码支持涵盖了各类专用与通用设备,例如桌面浏览器、各类手机、计算机、摄像摄影设备、游戏主机、智能电视、各类盒子等等。


统一的编码标准使得参与整个视频行业各个环节的公司可以各司其职,分别关心自己专注的业务与模块。只要保证自己的产品能够符合H.264标准,就可以在视频的行业中畅行无阻,而无需担心与上下游直接的衔接和配合出现问题。这种统一的局面使得整个业界避免了大量的重复开发和调试,在客观上显著提升了整个视频行业的发展速度。


H.264之所以能够获得空前的成功,最重要的原因是其技术先进,压缩效率比上一代编解码标准显著提高。另一方面,H.264相对开明的专利授权机制和费率也是一大助力。尤其是H.264对于在线视频制作和传输端免费,大幅提升了H.264在互联网上的采用率。


HEVC:负重的继任者


H.264官方的继任者是由ITU-T和MPEG联合提出和发布的H.265 / HEVC。作为与H.264同根同源的下一代标准,HEVC从立项起,其目标就是有朝一日替代H.264。为了达到这一目的, ITU-T和MPEG在标准制定初期就建立了联合工作组,集结了全世界最优秀的视频专家进行了刻苦攻关。在此基础之上,工作组还在制定HEVC的过程中汲取了H.264标准在工业化和实践中的经验教训:HEVC标准充分考虑了解码器端的复杂度和硬件实现的复杂度,使得整个标准的实现成本得到了合理控制。


可以说,HEVC在技术上是一代集大成的编解码标准。然而,正如历代伟大君王的子嗣一样,HEVC从诞生起也承担了额外的压力。一方面为了达到尽量高的性能,在编码工具的选择上,HEVC 以性能和速度为主要衡量标准,采纳了各路技术。另一方面,H.264的巨大成功也让业界各公司意识到了音视频编码标准的重要性和重大潜力,因此希望通过参与标准化工作获得较高的经济回报。这些因素综合造成了目前HEVC 专利授权上的复杂局面,而潜在的高昂专利费用是目前HEVC全面应用的最大阻碍。


时至今日,HEVC凭借着先发优势、过硬的技术性能和在学界、标准化组织中深刻的影响力,仍然是工业界下一代视频编解码标准的有力竞争者。 然而其进一步的工业化目前受到了专利授权费用的显著影响,未来仍不明朗。


VP9:不可忽视的诸侯


早在H.264的时代,VP系列标准就是市场上一个勤奋的追赶者。在被Google收购、开源并发展数年后,VP系列的最新标准VP9已经成长为HEVC的一个不可忽视的竞争对手。VP9完全开源免费的政策是其重要的优势,在浏览器和安卓系统中的良好解码支持也为其应用打下了良好的基础。目前Google旗下的Youtube全面使用了VP9作为视频编解码标准,Netflix也在移动端部分使用了VP9。 VP9虽然声名不显,但是凭借Google的影响力,在OTT市场的占有率上并没有落后于HEVC。


VP9存在的问题主要在于人气不够高,没有丰富、高效的编码器选择和广泛的解码器支持,这都使得其广泛应用的前景蒙上阴影。此外,VP9的性能也并没有受到业界的广泛认可,业界对于其压缩效率是否能够达到与HEVC相当的水平仍然持保留态度。随着Google将工作的重心逐渐转移到AV1上,在下一代编解码标准的竞争中,VP9扮演的更像是一个保底方案的角色。然而如果HEVC的专利费用问题持续发酵,AV1又迟迟不能广泛部署,则VP9仍有希望上演以下克上的翻盘好戏。


AV1:新贵的挑战


针对HEVC的专利问题,Google为首的多家公司成立了AOM(Alliance of Open Media,http://aomedia.org/)组织,专门研发相关的替代技术。AOM的目标是研发一套替代HEVC的免费开放视频编解码标准,这一标准被命名为AV1 (AOMedia Video 1)。AV1是基于Google的VP10开发的,并且融合了Xiph's/Mozilla的Daala 和Cisco的 Thor编码器 / 标准的相关技术。


目前AOM组织的会员已经包括了浏览器相关主要厂商如Google,Mozilla和Microsoft;内容提供商如Google / Youtube, Netflix, Amazon 和hulu;硬件厂商如Intel,AMD,ARM和Nvidia。这一阵容已经基本涵盖了在线视频的整个产业链,可见AV1虽然起步较晚,但是整个工业界的布局也已基本成熟。近日Apple的加盟更是给AV1又注入一股强劲的力量。AV1代表的是朝气蓬勃的互联网行业,这个行业有充沛的资金和人才,并且具有更为开放和包容的心态,敢于提出免费、自由的新标准。AV1的横空出世必将会对整个视频标准化行业带来有力的冲击。


然而AV1也并非完美。一方面,AOM组织相比于ITU-T和MPEG还很年轻,对于标准化工作的协调组织上还有一定的差距,这一定程度上会影响整个标准制定的进度;另一方面,为了达到开源免费的目的,AV1在技术的选择上有所限制,从而影响最终性能;最后,AV1相比于HEVC起步较晚,在硬件解码、对于各种视频封装的支持、学界相应的优化研究等方面在一段时间内会相对落后。因此,AV1虽然具有较光明的前景,但是如要彻底击败HEVC也颇有难度。


其他选择


目前除了HEVC和AV1,业界还有其他一些视频编解码标准可能在将来成为业界主流。例如ITU和MPEG在HEVC基础之上提出的H.266 / FVC(Future Video Coding),国内自有知识产权的 AVS2、AVS3等。不论是哪一种标准,想要在将来的业界达到广泛的采纳,必须要在压缩效率、授权费用和结构、软硬件解码支持覆盖率、各类新特性的支持情况、可用编解码器的成熟度等方面达到较好的综合表现。


编码标准的抉择


在下一视频编码标准之争风起云涌,赢家尚未成为定局之际,在线视频的新功能和不断增长的用户对于高清流畅视频的需求不断增长的今天,如何在各种标准和编码器之间进行选择成为了各个流媒体服务提供商关心的重要问题。选择正确的技术方案对于控制成本、提高系统稳定性、保证用户体验等方面都有重要作用,值得深入调研。在考察各标准时,主要需要考量的方面有如下几个方面:


  • 解码器的支持情况


解码器的支持情况是选择视频编码标准时首先需要考察的。视频解码器结构复杂,开发周期长,对性能要求高。较为成熟的解码器支持可大幅度降低OTT在线视频公司研发成本并缩短服务上线周期。选择一款解码器覆盖广泛,解码器支持成熟的视频编码标准是业内公司的共识。


在下一代视频编码标准中,HEVC由于起步较早并且有较多公司的支持,因此目前在硬件解码器的支持方面相对较好。近两年推出的大部分多媒体设备均内置了HEVC的硬件解码器。在2017年,Apple设备也加入了HEVC解码支持的阵营,至此HEVC已经完成了客厅设备、机顶盒与移动设备端的全面覆盖。VP9的硬件解码支持相对于HEVC较少,但也已经覆盖了相当数量的安卓设备与机顶盒。AV1由于标准尚未定稿,因此硬件解码的广泛推广尚需时日。


在浏览器端的解码支持情况则大不相同。HEVC在桌面浏览器端的支持非常有限,目前只有Safari 和Edge浏览器支持HEVC解码。VP9解码则已经在除IE和Safari之外所有的主流浏览器上得到了支持。AV1标准虽未定稿,但目前从加入AOM组织的公司阵容看来,AV1将来在浏览器上的支持前景是值得期待的。


  • 编码器的成熟度


编码器的质量和效率很大程度上决定了视频编码的效率。拥有丰富而强大的编码器阵容会使得相关标准的生产部署速度和线上压缩效率等得到极大的保证,因此在选取编码标准时,市面上编码器的成熟度和多样性也是重要的考量因素。


编码器从实现架构上讲可以分为硬件编码器和软件编码器,从商业模型上说可以分为开源编码器,商用编码器和私有编码器。在下一代编码标准中,HEVC目前在编码器的选择上是最为丰富的,例如开源的软件编码器如x265;多种商用的软件解码器;Intel、Nvidia等公司推出的硬件编码器等。HEVC较为完善和规范的文档也为各个厂商依据标准进行私有编码器的开发打下了良好基础。VP9在编码器的支持方面相对较差。匮乏的文档阻碍了编码器的开发,目前市面上常见的VP9编码器仅有开源软件编码器libvpx和少数几款商用编码器。AV1标准计划在发布的同时提供一款参考编码器,与HEVC、H.264以及其他很多标准参考软件不同的是,AV1的参考编码器致力于商业应用,因此其表现目前也受到了业界的广泛关注。除此之外,一些编码器厂商也已经紧锣密鼓地开始了AV1编码器的研发工作,相信不久的将来市面上也会出现多种AV1编码器供各个厂商选择。


  • 新特性的支持


在视频行业日新月异的今天,新特性的支持情况也需要在编码标准选择时予以考虑。各个标准由于推出时间和来源不同,在新特性和整个视频传输标准链上的支持程度也各不相同。在选取视频编码标准时应当充分考虑潜在的新特性支持情况,从而避免重复和浪费的投资。


一些典型的新特性包括HDR视频、360度及 VR视频等。以HDR为例,目前业界的主流HDR格式都是以HEVC编码为基础的。因此若近期有HDR特性支持的需求,则HEVC的编码能力是不可缺少的。

来自: LiveVideoStack
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