解锁视频编码的前世今生:流媒体产业的隐藏剧情

本文经授权转载自公众号: 脑极体(ID:unity007),作者:藏狐

这个初夏最火的造型是什么?不少人可能会脱口而出——“淡黄的长裙,蓬松的头发。。。”

就连我这个上古时期的老年人,都开始每周四和周六准时点开爱奇艺首页,吸一口青春美少女们。原因无他,后疫情灰色时期,还有什么能比漂亮小姐姐的灿烂笑容更能让人感觉到人间值得呢?而我上一次真情实感追完的的女团选秀,可能要追溯到……《超级女声》。

不管自己pick的姐姐妹妹能不能顺利出道,至少今天在屏幕上欣赏她们的颜,绝对是一件超幸福的事儿。既不用忍受电视的“马赛克画质”,还能随时随地掏出手机来欣赏妹妹们今日份的可爱。

不知道大家有没有同一种快乐,那就是用4G网络看蓝光1080P,已经没有“流量焦虑”了,出现缓冲旋转“小菊花”的情况的几率也在悄然减少。这种观看体验的优化,除了通信网络环境的改变之外,缔造这种视觉快乐的一项关键技术——视频编码,就像是宇宙中的暗物质——鲜为人知,但十分重要。

简单来说,视频编码技术的升级,能够让你用更少的流量、更低的带宽、更快的速度,看更高清晰度的视频画面。比如《青春有你2》溢出屏幕的元气少女感,是不是比2005年的朦胧美更令人心动呢?

习惯了1080P高清的用户,绝对不愿意再回到480P的自动马赛克时代了。那么,视频编码到底在高清视频的烹制中,发挥了怎样神奇的化学反应?搞秀之余,不妨来了解一下视频编码的前世今生,看看无数科技巨头如何围绕它撕得花红柳绿。

巨头们争相“入股”,

视频编码标准有何诱人之处?

思科、微软、苹果、谷歌、奈飞、爱奇艺等这些大名鼎鼎的巨头,为什么都觉得视频编码技术这波“入股不亏”,非要pick助其出道?

回答这个问题之前,有必要先简单解释一下,视频编码技术究竟是干什么的?简单来说,就是将视频压缩成一定的格式,去除掉其中的空间冗余和时间冗余,形成更适合存储和传输的码流。之所以需要被编码压缩,最主要原因就是原始视频的数据量过于庞大。高清视频文件往往高达1G以上,如果本地播放也就算了,一旦需要将其上传、分享给他人,传输网络和存储设备都扛不住那么巨大的数据量。

所以视频平台就需要对所播放的文件进行重构,通过压缩编码将数据量变小,以方便传输;再依靠解压缩在用户端解码,将视频图像还原出来。简单总结就是,编码效率决定了你的手机能下载多少部高清视频。

如果你经历过一晚上不关机终于下好一部2G大小的视频,却发现播放器弹出一行大字——“该视频无法播放”的绝望,那一定会鼓掌欢迎编解码技术的更新。

当然,一些“有流量任性”的小伙伴也会选择直接用4G网络在线观看视频,这时候视频大小可就没什么影响了吧?这么想可就太天真了。视频编码技术越强,传输需要占用的带宽也就更小,就像堤坝没有加固,但冲击河道的流水变小了,自然也就不会出现出水口淤塞的问题,看视频卡顿、掉帧的事故也就不会上演了。

比如此次疫情期间,网络流量比例不断增加,为互联网服务商带来极大的挑战,传统的解决方案就是在网络带宽有限的前提下,降低视频的清晰度。如,YouTube、亚马逊旗下Prime Video、Netflix等一众互联网视频提供商都在欧洲、印度、澳大利亚等国家降低了视频画质,用户只能默认收看标清视频。

可是,吃惯了高清这盘珍馐,哪个用户还愿意忍受低画质的粗茶淡饭呢?为了留住挑剔的内容食客们,平台们不得不想尽办法,提升对视频的烹饪技艺。

那么,让我们得以随时随地追剧追综的视频编解码技术,到底有哪些呢?

目前,国际上主要有几种主流的视频编解码标准(国际上音视频编码技术的标准化),包括VPx(VP8,VP9),H.26x(H.264,H.265),AVS(AVS1,AVS2),AVx(AV1)等等。视频平台们用某一种通用编码格式标准,自己开发编码器,就可以用更厉害的标准批量生产视频了。

这些标准都是什么?到底哪个更厉害?为什么每个字符我都认识但完全不知道是干什么的?甚至还有种被张含韵张韶涵张涵予张予曦张馨予等支配的恐惧,傻傻分不清楚……别急,其实就算是流媒体从业者,也很少有人将它们搞清楚。其实吧,只需要了解三个关键点,你就能轻松变成“技术派”碾压不少业内人士了。

简单来说,不同的视频编码标准,就是围绕三个要素所展开的“量子纠缠”:

要素一:高清

上世纪90年代,第一代视频编码标准H.261和MPEG-1就开始出现,其后几乎每十年就有一次迭代更新。

启动视频编码技术不断演进的核心要素,还是人们对于高清、更高清的不断追求。视频编码技术每进化一代,视频压缩效率都至少提高了一倍。比如十几年前第二代视频编码标准VP8 和 H.264,只能应用在低于HD的中小分辨率视频上,稍微兼顾一点1080P分辨率。而2012年爱立信公司推出了首款H.265编解码器,所引领的第三代视频编码HEVC标准就只需H.264一半带宽,即可播放相同质量的视频。

啥意思的?如果你是一个拥有过MP4设备的互联网早期弄潮儿,同样大的存储空间,你可以多下载一倍大小的视频,告别四处借硬盘的苦日子。

在线看视频则更爽了,基于编解码标准,智能手机、平板等移动设备也能够直接在线播放 1080P 的全高清视频,还支持4K 和 8K 超高清。也就是说,只要有内容方愿意生产8K视频,平台就能给你100%还原出画面来,而不用受最高清晰度720P这样的限制。

那么,为什么HEVC标准推出2年后,采用AV1格式的消费类设备又开始出现呢?因为移动互联网的爆发,原有的编码标准依然不能完全解决带宽消耗的问题。所以更高效的视频编码标准如AVS3、H.266等,也都相继被研发人员安排上了。

为什么视频平台关于编码标准的“墙头”这么多?

试想一下,如果你用的是一个高分辨率配置的智能手机,但视频只能到480P的清晰度,为硬件高配置花的钱不就白瞎了吗?有的用户为了防止观看卡顿或模糊,还得额外下一个完美解码、格式工厂之类的第三方解码器,将视频转化一下才能看。

而只要视频平台支持更高效率的编解码标准,就能实现低带宽下播放高清视频不卡顿的效果。有现炒的热菜,谁还愿意等打包的盒饭呢?所以细心的读者会发现,编码技术的不断升级,开始让第三方编码工具悄悄退出了追剧党的工具箱。

要素二:专利

尽管用户体验是视频编码技术的首要进化原则,但专利所带来的限制与成本,也成为产业风云迭起的重要诱因。

由GE、Technicolor、杜比,飞利浦和三菱等组建的H.265专利联盟HEVC Advance,就向使用该标准的厂商收取专利费。

因此,不少开源标准逐渐崛起。其中谷歌打造的VP9标准就是最负盛名的一个。不仅在实际效率上与HEVC/H.265接近,大大优于H.264及它的前身VP8,而且可以对专利免费使用。很快,YouTube全面支持VP9超高清流媒体节目,Netflix、苹果等也加入其中。

当年,爱奇艺的《破冰行动》无疑是热度最高的"爆款剧"之一,一度引起风靡,高清流畅的画面质感为其加分增色不少,就采用了基于VP9标准开发的全新编码器,就采用了基于VP9标准开发的全新编码器面部细节等方面画面真实感尤为显著。

而我国自主知识产权的第二代信源编码标准AVS的出现,更与专利有着不解之缘。

大家的童年有没有出现过DVD这种物件,租一部剧不用等更新一个周末看完的快乐,不亚于今天购买视频平台尊贵的“VIP中P”会员。但中国的DVD行业曾经也遇到过一次严重的专利危机。

2002年,一批出口的DVD产品因为技术专利费的缴纳问题没有解决而被扣押。于是同年6月,数字音视频编解码技术标准工作组成立,2006年,第一代视频编码标准AVS1推出,压缩效率和H.264相当,并且每个编解码器只象征性得收取1元专利费,对互联网上的软件服务更是免收专利费,从此摆脱了只能使用国际标准、被高额专利费卡脖子的窘境。

可以说,目前主流的两大标准VP9和AVS,都是在专利的锁链中生长出来的自由之翼。

要素三:垄断

既然VP9已经开源了,那就抱紧谷歌大腿等大佬迭代再应用不就好了吗?一个国家的大部分视频都坐落在某一个标准体系上,等于将标准的议价权交到了别人手中,面对这种“垄断优势”,谷歌表示,我疯起来可能连自己都打,为了不作恶还是赶紧给自己培养个对手吧……

所以2015年,一个由谷歌倡议并参与,试图替代VP9和HEVC/H.265的新标准组织成立了,那就是开放媒体联盟Alliance for Open Media(AOM)。这个新的开源标准很快吸引了Adobe、亚马逊、AMD、奈飞、Facebook、思科、苹果、英特尔、英伟达等等巨头的参与。中国的爱奇艺也率先加入了AOM联盟。

这个由30多家领先的高科技公司组成的会员制联盟,很快开发出了新一代开源的视频编码标准AV1(AOMedia Video Codec 1.0),也就是今天能让我们看到高清版《青春有你2》,特别是选秀舞台上的说唱、劲舞的画面更加清晰平滑的“后台”。

AV1之所以在产业端迅速上马,成为奈飞、YouTube、BBC、爱奇艺等一众平台的推行目标,主要就是在用户体验上太能打了。

更高的编码效率、更低的码率,同等质量可以节省20%以上的带宽。举个例子,就是下载整期1080P版《青春有你2》,原本需要10G的手机存储,而AV1标准下只需要8G就能搞定,剩下2G空间咱们存点PLMM(漂亮妹妹)的高清大图舔颜它不香吗?

在线观看也很爽,不仅妹妹们的脸看起来会更清晰,而且高清播放所占的带宽也更小,同时下载个东西、刷个微博啥的,也不会因为网络拥挤而卡顿。

作为视频观众,谁不愿意平台默默地为我们殚精竭虑,周全每一点流量、带宽和存储卡呢?

不难看出,视频编码标准迭代,既是技术天花板的层层上探,也是整个视频平台必须攻占的体验高地。

抢跑编码标准赛道:

中国视频平台的体验蝶变

具体到中国视频平台上,关于编码标准目前竞争身位如何,未来还有哪些硬仗要打,都是值得我们重点关注的话题。我们不妨具体到某一个平台的探索经历之中,用历史观的视角来捋一捋,视频编码技术到底给中国这片土地的网民,带来了哪些体验上的蝶变。

通过调研发现,2016年爱奇艺在万能播放器上线了AVS2格式,是当时国内唯一支持这一标准的平台;也是国内第一个实现VP9标准、AV1标准并应用的视频厂商。可以说在编码标准领域,无论是技术领先度、布局完善度上,都能够从一定程度代表中国流媒体产业的关键抉择。

爱奇艺的标准探索之旅,又是如何的呢?我们不妨将其拆解成三个部分:

1.技术探索。

有了标准,是不是只需要拿来直接上手呢?答案显然是否定的。

我们就以当前效率最高的AV1标准为例,其算法运算复杂度高,所需要的编码时间很长,这样把平台所有视频都处理一遍,可能会等来用户一句“奶奶你等的AV1格式上线了”!

所以,为了提高编码效率,让处理效果能够快速细致,又不影响编码质量,达到工业应用标准,标准编码器就要靠各个平台发挥自主能动性了。

拿爱奇艺来说,对每一代开源技术都保持紧密跟进的同时,也会发挥自身的技术特长来进行针对性的迭代,让同一标准在爱奇艺平台上的应用有更优秀的表现。

比如VP9标准推出时,爱奇艺的技术团队就根据开源的版本VP9编码器进行了专门的算法优化,所开发的QVP9编码器的速率是开源版本的5.4倍左右。作为国内首家支持VP9的视频厂商,其画面质量在快速镜头、轮廓边缘、面部细节等方面真实感尤为显著,压缩效率比市面主流的标准更是提升了一倍。可能也是在不知不觉间,突然发现视频中那些高速打斗的场面似乎更加细腻流畅了,人物的皮肤也变得更加立体和容易辨别,连女主角额头的青春痘都是那么的昭然若揭……

而伴随着用户在移动场景下观看视频的诉求越来越高,比如我本人就喜欢在地铁上刷短视频,别问,问就是流量多有钱任性!这时候要保证流畅不卡顿,主打PC端的VP9可能就有点不够了,所以对移动端设备更友好的AV1,在推出后也很快被爱奇艺安排的明明白白。

独立研发的QAV1编码器,不仅比H265减小将近一半的带宽,节省40%以上码率。而且速度比开源编码器SVT-AV1还快出5倍左右。比如同样是看《青春有你2》,用QAV1展示的画面效果更棒、颜值更高,反而还更省带宽,直接帮助我节省了不少流量,让满额限速来的更晚一些。

2.产业联动

不难发现,即使是VP9、AV1这样的开放标准,也需要视频平台进行再开发。由此带来的技术难题,也会把一些企业拒之门外。毕竟不是每个内容方都有奈飞和Facebook一样的规模与技术能力,愿意投入较大人力物力去跟进最新标准。

爱奇艺又是如何做到始终扮演着中国视频编码技术弄潮儿角色的呢?这与其和全球技术动态和同业者保持同频进化有直接关系。

我们得知,爱奇艺是AOM的第一个中国成员。通过与谷歌的多次沟通,爱奇艺发现AV1标准确实比预期中效率要高。因为联盟内部成员有密切的交流,获取到更早更先进的技术信息。QAV1对编码的各个模块都进行了细致的设计优化,各模块的优化算法总计近百项。

近日,爱奇艺在电脑浏览器端(PC web端)、安卓移动端上线 AV1 视频编码格式(Alliance for Open Media Video 1),成为国内首家也是目前唯一一家应用 AV1 的视频网站。

当然,与VP9的情缘也还在继续,我们打开某个视频,会悄悄犯嘀咕——“怎么今天爱豆看起来更美了”,或许镜头里的TA没变,只是爱奇艺用VP9重新惊艳了时光。

这种与国际产业脉动同频共振的能力,也为爱奇艺领先于人占得先机。

3.应用落地

目前,首批应用 AV1 的电影已经在爱奇艺上线,用户可以在电脑浏览器端和安卓移动端观看。做到这一步,很难吗?

答案是肯定的。举个例子,终端硬件解码芯片的成熟,与某项标准能否发挥价值有直接关系。比如H.265在硬件支持上比较广泛,就与苹果、高通、英特尔等的芯片都支持H.265的硬件解码器有关。

所以编码器往往需要结合具体的应用场景来进行改进和深度优化。

以AV1为例,为了更好地适应爱奇艺海量内容,QAV1通过对场景复杂度的预分析,实现了更加合理的码率分配。对于简单场景,QAV1可以自适应地降低码率,在保证画质的情况下节省用户带宽;同时对于复杂场景会适当提高码率,给用户带来更高画质的体验。

目前,QAV1已经支持的功能包括多种速度档次、多种码率控制方式、8K视频编码等。这种与差异化环境相匹配的细节打磨,同时兼顾了网络带宽与用户体验。

万众期待的5G,自然也需要与之匹配的视频编码标准来呼应。据我们所知,爱奇艺的AVS3应用已经在路上了,用移动智能手机看8K超高清视频、浏览VR新闻资讯、与虚拟偶像互动……这些新娱乐体验,或许都将借助视频编码的技术魔术,被呈现到我们眼前。

从爱奇艺的视频编码探索中,不难看到,技术的时代快车并不容易拿到船票的。唯有长期披荆斩棘,才能顺利摘得王冠。

乘风逐浪,视频编解码究竟意味着什么?

在这一条极度比拼技术的赛道上,爱奇艺的领先身位是如何形成的?我们认为,原因可能隐藏在三个胜负手之中:

1.技术驱动的基因。

作为一家以科技创新为驱动的娱乐公司,早在2016年,爱奇艺就启动了技术体验升级计划。通过一系列自主科技创新升级视频用户的线上体验。

目前,人工智能技术已经成为爱奇艺的驱动力,深入到了生产、播放、分发、宣传等各个环节。具体到编码标准上,就是通过AI+传统编码技术的结合,让压缩效率有了更大的改进空间。

2.流媒体专业度。

无论多么牛的标准,最后决定落地部署进度的永远是背后支撑的专业型技术人才。

爱奇艺的一个技术细节就引起了我们的关注。在推广AV1标准时,谷歌其实在中国拜访了不少视频平台,但当时整个业界评测下来,都认为AV1的实际效果与上一代差异不大,对其抱着怀疑的态度,认为暂时不会投入人力物力去做开发。但爱奇艺的技术团队基于专业、中立的评测工具和方法,做出了公平的对比结果,AV1确实在效率上有明显的提升。

当技术人员将这一结果做出来之后,爱奇艺内部没有任何质疑,直接选择内部开始对其进行研发支持。这也决定了爱奇艺站在了AV1标准更早的起跑线上。

3.成熟的产业能力。

任何技术都需要落地到现实中,在用户的狂风暴雨中去经受检验。尤其是编解码技术又非常底层,如何将一堆实验室数据变成克制可感的实际效果。

早在上线VP9时,爱奇艺内部就对于新标准的上线流程进行了一轮完整的“演练”,从具体的封装格式、播放端调试、节目安排、播放方案确定、电脑浏览器等终端适配等等,都彻底跑通了。这种标准部署的机动能力,也为AV1的快速上线埋下了伏笔。

至此,视频编解码之于流媒体产业,从内容生产、业务流程、用户体验、商业模式,产生出一连串的化学反应。

接下来,我们会看到编解码技术将以更快的方式,融入视频内容的各个细枝末节中去,变成你我用户与喜爱的角色和人物“网络一线牵”的那根红线。

而编解码标准与视频平台的时代情缘,也注定会是一场长相厮守。

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