海量視頻處理的應對和算法實踐

隨著短視頻、直播、智慧城市、5G等的快速發(fā)展，視頻內容鋪天蓋地，五花八門，相應的處理需求也多種多樣。如何能高效地應對？需要在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，底層計算能力，以及算法研究等多方面協(xié)同努力。LiveVideoStackCon 2022 北京站邀請到沐曦AI解決方案總監(jiān)——虞新陽，為大家梳理視頻處理的需求及介紹沐曦應對視頻處理場景的GPU產(chǎn)品等。

大家好，我是虞新陽，早期主要從事GPU架構研發(fā)相關工作，包括視頻架構以及computer架構，曾在國際旗艦廠商主導設計硬件解碼器的架構設計和研發(fā)。對compute更上層的應用感興趣后加入互聯(lián)網(wǎng)公司，曾負責阿里巴巴智能家裝設計整體解決方案。2021年加入沐曦，一家提供GPU芯片及計算解決方案的算力公司，負責AI算法方向的解決方案。本次分享的主題是《海量視頻處理的應對和算法實踐》。

為什么要研究視頻的處理？

首先，人最基本的屬性包括視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺等，其中的視覺和聽覺是主要的信息接收和溝通管道。從人的基本屬性可以看出，音視頻永遠不會過時，不管是在當前飛速發(fā)展的現(xiàn)實社會還是在今后的元宇宙場景中。

其次，第三方數(shù)據(jù)對視頻的重要性也有總結。2021年，互聯(lián)網(wǎng)消耗的數(shù)據(jù)流量主要集中在視頻，占比大概是75%。一年后占比還在持續(xù)增加，由于短視頻、直播等各種更貼近人類視聽屬性的應用的爆發(fā)，客戶端的占比達到82%，移動端達到79%?？梢韵胂螅曨l內容的占比還會持續(xù)增加。

為什么我們要特別關注這個問題呢？因為計算需要感知上層應用，或者說一個應用只有充分利用了算力才能夠跑得快，而算力只有深刻分析理解應用，并不斷進行迭代優(yōu)化，才能設計出更好的算力。兩方相互結合能更好地提升整體系統(tǒng)性能。

本次分享主要包括四部分：

1、視頻處理需求理解

2、系統(tǒng)解決方案

3、視頻處理算法實踐

4、后續(xù)工作

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視頻處理需求理解

圖中數(shù)據(jù)來自Bitmovin2021年的視頻發(fā)展報告，它本身的調研數(shù)據(jù)來自于包括65個國家，大中小企業(yè)的工程、算法以及市場從業(yè)者等，覆蓋面非常廣。

挑戰(zhàn)方面，主要包括直播低延時、成本控制（最主要是帶寬流量）、各種設備可播放（筆記本、pad、手機）、精控分析、插廣告等。

趨勢方面，標黃部分特別重要：第一點，原來H.264是絕對的主流，但在2021年開始出現(xiàn)了首次下降（91%->83%），而專利費較高的H265提升卻較明顯(42%->49%），我理解是因為帶寬的成本太高，比起額外的專利費，大家更需要降低帶寬成本。第二點，無論是國外的亞馬遜、國內的阿里、騰訊等，它們的云服務都在持續(xù)發(fā)展，編碼采用云服務的比例持續(xù)提升。第三點是基于內容的編碼，也就是智能視頻編碼，比例提升到了35%。

其它期待AI賦能的場景包括ASR、視頻分析、打標簽、視頻質量的優(yōu)化等。

接下來也簡要介紹下國內互聯(lián)網(wǎng)的情況（來源于過往的公開分享）：

芒果TV，既是視頻內容生產(chǎn)商，同時也是運營商，他們分享了5G背景下視頻運營平臺的挑戰(zhàn)，包括CDN成本，4K/8K&60fps的應對等。

火山引擎，他們重點投入了新一代的編碼器H266，并研發(fā)自適應編碼、畫質評價（感知短視頻質量并確定推薦權重）等。

阿里云有一個產(chǎn)品叫窄帶高清（降低帶寬提升畫質）。它具象地總結CDN成本占比，從他示例的視頻云廠商來說，帶寬：存儲：轉碼的成本占比是100：3：1，應該遠超出了很多人的感知。

抖音和微博在研發(fā)ASR技術來自動生成字幕，愛奇藝、網(wǎng)易云的工作重點是AI配音、AI生成音樂視頻等。

最后來看看工業(yè)界的需求，主要包括智能安防、智慧交通、智能制造等。

國內的智能安防很發(fā)達，處理場景包括邊緣端、服務器端等，對采集的海量視頻的基本處理包括編解碼、結構化分析及比對等。

智能交通包括路邊停車識別、車路協(xié)同，以及汽車自動駕駛等，視頻解碼和結構化處理是這些功能最底層的要素。

智能制造主要是工業(yè)機器人，包括家電等的生產(chǎn)制造。最重要的場景是檢測分類，也有定位、測量等工作。

梳理后可以發(fā)現(xiàn)，大方向還是視頻編解碼+AI，雖然后處理略有不同，有的偏結構化存儲，有的偏檢索分析，有的偏定位控制等。

從前面的3個維度可以發(fā)現(xiàn)，海量音視頻處理的基本形態(tài)是視頻編解碼+AI，重點需求是低時延、視頻壓縮、視頻超分、視頻分類檢測及ASR，其他需求還包括視頻處理（切片、轉HDR等）、視頻分析、視頻推薦等。

重點需求中的低時延直播，主要在硬件層進行解決；而壓縮、超分等需求算法側可以發(fā)揮很大作用。

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系統(tǒng)解決方案

大家對這張圖應該不陌生，AI最基本的三要素包括算法、算力和數(shù)據(jù)。平移到海量視頻數(shù)據(jù)的處理，需要一個高效的數(shù)據(jù)系統(tǒng)做支撐，其中算力提供底層基礎能力，算法協(xié)助數(shù)據(jù)系統(tǒng)更加智能高效。接下來主要介紹下算力和算法方面。

海量視頻處理對算力側的需求包括強編解碼能力、強AI推理能力和高性價比。

這里介紹下沐曦的曦思N100產(chǎn)品。根據(jù)上述需求，我們針對性地設計了這款產(chǎn)品，它具備很強的編解碼能力，解碼支持96x1080p@30fps，標準包括H264/H265/AV1/AVS2，支持8K；編碼更強，能支持128x1080@30fps，標準包括H264/H265/AV1，支持8K。此外，它還具備很強的AI推理能力，上文提到很多場景同時需要編解碼能力和AI能力，它的AI算力達到160TOPS int8, 80TFLOPS FP16/BF16，此外它也有很好的帶寬能力，相關的軟件棧、開發(fā)工具、虛擬化等配套能力也很齊備。

也簡要介紹一下沐曦，它成立于2020年9月，專注于設計針對異構計算等各類應用的GPU芯片及解決方案。公司發(fā)展速度很快，有80%以上的員工是碩士及以上學歷，70%以上的員工平均工齡超過10年。沐曦基本每年會推出一款產(chǎn)品進行持續(xù)迭代。

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視頻處理算法實踐

針對算法實踐，接下來重點介紹下我們在視頻壓縮、視頻超分和ASR上的一些工作。

根據(jù)AI和編解碼的關系，視頻壓縮解決方案主要可分為四種：

1、純視頻編解碼：也是當前最普遍最基礎的形式，采用標準的視頻標準如H264等。

2、AI外層輔助編碼：AI和標準編碼器有清晰的邊界，依托FFmpeg框架等，主要在幀級別進行數(shù)據(jù)的交互控制，編出來的碼流符合標準。

3、AI深入輔助編碼：AI算法參與編碼的深層次控制，為編碼器提供各種hint，譬如幀內預測、運動估計等，需要在編碼器內部做相關的能力和接口實現(xiàn)。

4、純AI編碼：是未來的發(fā)展趨勢，拋棄了H.264/H.265等基于預測變換之類工具的編碼思路，而是用AI網(wǎng)絡進行編解碼，英偉達和Google等都有發(fā)布相關的工作。當前比較適用的場景是會議系統(tǒng)，無需重復傳輸背景，只需傳輸人臉關鍵點信息等即可較好恢復畫面，編解碼端也可控。新一代的編解碼標準（VCM, DCM）也有在往這個方向努力。

接下來分析下以上四種編碼方案的應用場景：純視頻編碼器，在任何場景都適用，無論是手機、電腦還是pad等等，因為編解碼器支持已官方內嵌在各種芯片和解決方案中。AI外層輔助編碼器，AI在外層輔助，和編解碼的邊界很清晰，編出的碼流符合規(guī)范，各種已有設備也都能播放。AI深入輔助編碼器，碼流符合標準，可以廣泛使用，但需要算法和編碼器底層深入?yún)f(xié)同，公司之間在這個層面合作的可能性較小，且不太適用于硬件編碼器方案。純AI，個人認為在10年之內不會廣泛使用，一方面因為算力和標準，它需要各種設備都具備不錯的AI算力，然后編解碼端需要有大家都認同的標準協(xié)議；另外一方面在標準統(tǒng)一后，大規(guī)模采用也需要好幾年的時間（參考H264/H265等的普及）。

沐曦的智能視頻編碼方案是AI外層輔助編碼，整體框圖如圖所示。視頻輸入后分為兩路，先進行前處理、場景編碼和ROI區(qū)域檢測，然后再合并進行ROI區(qū)域增強編碼決策，最后用通用的接口調用FFmpeg框架進行視頻壓縮。

在具體介紹各模塊之前，大家先看下智能視頻編碼前后的效果對比。左側是H.264默認編碼，經(jīng)過智能編碼后，碼率下降了27%，主觀質量VMAF還有所提高，但PSNR、SSIM有明顯下降。

在效果示意2中，視頻碼率下降了15%，VMAF略有下降，PSNR和SSIM改變也很小，因為視頻沒有經(jīng)過前處理。

前處理的底層原理，是人眼視覺系統(tǒng)有一些基礎屬性，主要包括：對邊緣輪廓信息敏感，對運動敏感，對對比度敏感，對高頻信息（白噪聲、小雪花）不敏感，亮度感受強于色度等。

對原始圖片做了修改后差距會變得更大？實際上，壓縮總體上是降低質量、模糊圖片的過程，前處理階段會把重要信息先提升起來，再通過H.264/H.265壓縮時又降低下去，加減相抵?？傮w過程使得處理前后的VMAF差距不大，但PSNR降低會較明顯。

針對前處理，我們主要做了以下兩方面的工作：退化質量修復和主觀質量增強。

退化質量修復：視頻內容的編碼效果不理想，很多時候是輸入時的質量就不高，普遍存在的一個質量問題是重復壓縮。比如上傳一張圖片到微信，默認它會進行二次壓縮，如果再經(jīng)過其它應用或手機可能又會壓縮一遍，整體畫質就會逐步下降。其次是噪聲，大部分噪點是拍攝采集端數(shù)字化時引入的，另外在傳輸保存過程中也可能會引入噪聲。噪聲對編碼器很不友好，因為沒有規(guī)律會引起預測后的編碼殘差較大，浪費挺多的碼流。

主觀質量增強：人是視覺動物，導演拍攝時會進行場景布置，補光及后期制作，各種設備包括手機等持續(xù)優(yōu)化甚至美化圖片，都是為了讓拍出來的東西讓人感受更好，所以從某種角度看來，并不是要一模一樣的真實才有意義。對主觀質量的增強，我們主要處理了邊緣增強和SDR2SDR+。

下圖示例了去失真修復，細節(jié)增強以及SDR2SDR+等的效果，對比左側的原始圖片可以看出是明顯會更清晰明亮些的。

場景編碼的原理相信大家并不陌生，視頻編碼領域的R-D曲線描述了一個基本原理：碼率越低，失真越大。論文VideoSet進行了進一步的研究，發(fā)覺人的視覺感受并不是光滑的R-D曲線，而是階梯狀的，類似于我們學英語時并不是循序漸進的，而是平穩(wěn)一段時間然后會突然提升。在AI算法訓練側也有類似現(xiàn)象，Loss很多時候也是一段一段震蕩下降的。所以在對一個視頻進行壓縮時，需要找到一個合適的點，使得Distortion差不多的情況下，Bitrate盡量小。另外，不同視頻內容，比如游戲變化較劇烈，動畫變化較少，合適的點是不一樣的。

綜上，可以對場景編碼做一個定義：對某一視頻內容，找到恰當?shù)拇a率和分辨率去編碼，達到合適的效果。

在過往的音視頻大會上，各大廠商也分享了不少的方案，譬如方案1，它會提取各種維度特征如High-level（場景、質量）、Low-level（時空復雜度、JND），然后得到自適應參數(shù)進行決策。方案2側重于特征提取+預編碼，即通過下采樣、預編碼、VAQ計算后得到一些特征，然后再預測碼率和編碼質量。

在以上方案的基礎上，進一步思考，是否可以直接端到端而非分階段分類別地提取特征呢？

通過探索嘗試，我們設計研發(fā)了圖中的算法模型和策略，它能夠端到端輕量化地預測出編碼效果，然后結合場景需求決策出最終的編碼參數(shù)。模型已經(jīng)適配影視劇、動漫、游戲、安防等場景。在VMAF下降<2%的情況下，碼率節(jié)省10%~20%；并且可以分鐘級調整碼率；計算輕量支持高并發(fā)譬如32路。

ROI檢測的發(fā)展歷程大致是中心區(qū)域ROI—人臉ROI—字幕ROI—主觀感興趣區(qū)域ROI。主觀感興趣區(qū)域ROI的難度較大，且因人而異。思考實踐后，我們定義重要的前景就是感興趣區(qū)域，然后前景分割技術目前也是比較成熟了。

一個特殊的場景是游戲，如王者榮耀、絕地求生等與當前前景分割的公開數(shù)據(jù)集領域差異很大，因此在開源預訓練模型上的效果很差。此外不同游戲場景的差異也很大，數(shù)據(jù)標注繁瑣且泛化能力差。我們的研發(fā)目標是帶普遍意義的基礎解決方案，是否存在一種避免數(shù)據(jù)標注然后泛化性高的算法能力，能夠自動在各種游戲場景分割檢測重要目標，譬如英雄？

我們的檢測分割方案大體可以分為三個研發(fā)階段：

1、基于背景建模的前景粗定位：基于人眼對運動物體的敏感，先對視頻進行場景分割，然后在做光流估計，再結合背景建模算法，可以較粗糙的檢測出來英雄。

2、漸進式自學習目標檢測：再結合特征匹配和帶噪聲的半監(jiān)督學習，可以訓練出一個模型較細致地框出英雄。

3、漸進式自學習實例分割：在前兩個階段的基礎上繼續(xù)努力，進行目標追蹤，限定范圍內的背景建模等，可以很好地進行實例分割。

下方是效果示例，這些游戲視頻并沒有標注任何訓練圖片，是通過純算法學習出來的。

檢測出感興趣區(qū)域后，接下來的問題是來應該分配多少碼流對它進行編碼。

方案1的實現(xiàn)是第三種視頻壓縮方案，它和編碼器深入融合，通過分析統(tǒng)計所有宏塊的QP，然后根據(jù)目標，譬如30%碼流分給20%ROI區(qū)域，修正得到各QP值并進行配置。

基于AI外層輔助編碼，我們避免在幀內進行數(shù)據(jù)交互，而是考慮直接在幀級別控制。

FFmpeg開放了dqp（delta-QP）進行區(qū)域調整，整個問題可以抽象為決策問題：設置全圖、ROI區(qū)域、過渡區(qū)域的dqp值以及設置過渡區(qū)域的大小。具體方案充分利用了AI的能力，端到端的直接學習預測，可以較好地解決這一問題。

從效果上看，ROI檢測結合專家知識能節(jié)省~5%的碼率；然后在相同VMAF下，ROI決策相比專家知識能額外節(jié)省~3%的碼率。

視頻超分方面，隨著顯示設備如電視機等越來越大，一個重要需求是在影視劇等視頻內容上，可以是視頻內容的源側做超分提升內容質量；也可以是在終端側做超分提升顯示效果。另一個可見的大需求是AIGC，超分模塊會和diffusion模塊協(xié)同生成video。

Video SR Survey這篇文章較好地總結了超分pipeline和主流的方法。整個過程可描述為輸入低分辨率視頻序列，進行圖像數(shù)據(jù)的對齊，然后做特征提取和融合，最后進行重建。右側歸納總結了一些主流的算法模型，包括運動估計、光流、2D/3D卷積等。

2022年有兩個SOTA算法，一個是basicVSR++，基于LSTM做特征的雙向傳播，需要的幀不多，對齊技術用光流；另一個是VRT，使用Transformer結構，用QKV而非傳統(tǒng)光流做特征的匹配融合，總體效果更好，但參數(shù)量也更大。

算法研發(fā)特別重要的是評價，在超分所屬的圖像質量評價領域，已有PSNR/SSIM/VMAF/NIQE等四個自動化的客觀指標；也有MOS的主觀評價，代表了人的主觀感受，但它是人工的所以獲取成本較高。在超分算法等研發(fā)過程中，時常會出現(xiàn)多個客觀指標評價不一致的情況，那如何判斷迭代中的算法效果是否正向呢？

右側是LIVE2的圖片示例，圖1是reference image，圖2做了Gaussblur，圖3加了白噪聲，圖4加了JPEG壓縮。主觀看來圖3和圖1比較好，圖2和圖4看起來較差。

左下角是不同指標的對比結果，它包含了八種不同的失真方式，包括JPEG compression、JPEG-2000 compression、Gaussian blur、White noise、Bit error等。紅色曲線是MOS的結果，可以看出其它4個客觀指標與MOS的表征都不一樣，或者說它們都不能很好地反應圖片主觀質量。

再來看一個具體案例，它們是使用了SwinIR-GAN和BasicVSR++的圖片效果。右圖的PSNR指標較好，但人的主觀感受應該是左圖較好。

針對指標不一致的問題，能否有更強表征能力的指標？我們設計了一個基于集成學習的更有MOS表征能力的指標stackMosScore。在數(shù)據(jù)集側搭建了包含主觀評價的數(shù)據(jù)集和其它影視劇的數(shù)據(jù)，然后使用當前的4個客觀指標作為基礎做集成學習，目標是擬合MOS。

從評價數(shù)據(jù)集上看，它比原來最好的VMAF高出7個點，更好地表征了人的主觀感受。

這里是一個圖片示例，stackMosScore較好地表征了3張圖片的質量好壞關系。

在算法模型層面我們也做了一些探索嘗試，采用BasicVSR++的主體結構，借鑒VRT思想，添加了關鍵幀的選擇并進行信息融合。

實際場景一般是兩倍超分，在影視劇數(shù)據(jù)集的評測上，PSNR提升0.18db。

最后介紹下ASR方面的一些實踐。ASR的一個重要應用場景是字幕。影視劇早期是手工字幕，隨著互聯(lián)網(wǎng)平臺的發(fā)展壯大，ASR在內容審核側會做一些關鍵詞的提取，在自媒體時代，短視頻和直播蓬勃發(fā)展，ASR被廣泛用來自動生成字幕。

字幕生成的Pipeline大致可分為：去背景音樂、去噪、長語音切分、ASR識別、后處理糾錯和輸出字幕文件。

ASR的SOTA算法是WeNet(2)，它很好地將實時語音識別和離線語音識別兩個分支進行了統(tǒng)一。

然后我們主要在長音頻的切分和ASR算法上做了一些改進嘗試，具體包括熱詞（來自演員表或手動設置），語音增強（去背景音，去噪），短音頻合并成長音頻優(yōu)化（適當合并短音頻成長音頻，10-15s），WeNet模型加噪聲以及背景音語料微調，解碼參數(shù)微調（模型層面提升對噪聲和背景音的魯棒性）。

這里是一些效果示例：

示例1，背景音去除后能聽清最后兩個字；

示例2，這里是男的他，變長句后結合上下文能識別出是女的她。

上圖表格數(shù)據(jù)是在影視局數(shù)據(jù)集上的測試結果，總的來說效果還不錯。

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后續(xù)工作

后續(xù)工作，在算力方面，曦思N100已進入小規(guī)模量產(chǎn)階段，接下來會繼續(xù)優(yōu)化提升軟件棧等來提升全局性能。在解決方案（算法）方面主要包括：

協(xié)同優(yōu)化效果：在核心場景，譬如智能視頻編碼，在模塊間更好地上下協(xié)同，提升效果；

系統(tǒng)性性能優(yōu)化：結合N100芯片的特點，優(yōu)化算法的網(wǎng)絡結構乃至方案等；

SDK化部署：整合智能編碼、超分、ASR等的能力，提供基礎的sdk能力作為第三方的基礎解決方案。

審核編輯 ：李倩