近日,杭州$当虹科技(SH688039)$股份有限公司与英特尔合作,推出了《第三代英特尔至强可扩展处理器助力当虹科技8KAVS3超高清一站式解决方案》。该方案是基于AVS3的8K超高清压缩编码技术的最新研究与应用,能够为8K超高清直播提供一站式解决方案,目前已在央视8K春晚直播、全运会开幕式8K直播等大型活动中得到落地实践。以下为方案全文,摘自当虹科技公众号。

超高清视频(4K分辨率或以上)是对既有视频应用体验的一次重要颠覆,并被广泛认为是5G最重要的应用场景之一。超高清视频将对文化传媒、公共安全、工业制造、交通、医疗等行业产生深远影响。同时,发展超高清视频,将为人工智能、虚拟现实等新一代信息技术提供重要支撑,推动形成国际领先的新兴信息产业集群。

在超高清视频产业的快速发展浪潮中,杭州$当虹科技(SH688039)$股份有限公司与英特尔合作,推出了《第三代英特尔至强可扩展处理器助力当虹科技8KAVS3超高清一站式解决方案》。该方案是基于AVS3的8K超高清压缩编码技术的最新研究与应用,能够为8K超高清直播提供一站式解决方案,目前已在央视8K春晚直播、全运会开幕式8K直播等大型活动中得到落地实践。

背景:超高清视频编码带来算力挑战

超高清视频正在引领信息技术重大变革,带来重大的产业发展机遇。特别是随着5G时代的来临,超高清视频有望成为最先行的5G应用爆发入口。2018年10月,我国首个超高清频道开播;2019年2月,国家发布超高清产业行动计划,提出了“4K先行、兼顾8K”的总体技术路线;2020年,5G+4K/8K/AI亮相春晚,展示了超高清内容的丰富表现力。根据我国《超高清视频产业发展行动计划(2019-2022年)》,预计2022年,超高清视频产业规模将达到4万亿元。

相对于标清或者高清视频而言,8K超高清视频能为用户带来质量更高、沉浸感更强的视觉体验,但同时会带来传输和存储难题,选择高压缩率的视频编码标准就成为了重中之重。2016年,中国数字音视频编解码技术标准(AVS)工作组发布了视频编码标准:AVS2,包括编码单元(CU)、预测单元(PU)和变换单元(TU),对于常规视频的编码效率与最新国际标准HEVC/H.265相当,比上一代国家标准AVS1以及国际标准AVC/H.264的效率提高1倍。

但是,即使是高编码效率的AVS2,在超高清视频庞大的数据面前依然会出现效率不足的问题。以8K、10bit、120帧/秒的YUV420格式的超高清视频为例,原始数据的码率会达到约88.99Gbit/秒。若采用AVS2进行压缩,压缩码率约310Mbit/秒,带宽传输压力极大,迫切需要更高质量和效率的编码标准。

2019年,新一代AVS3视频标准基准档次制定完成,AVS3标准应用了人工智能神经网络技术进行编码,相比AVS2编码性能高出23.52%,时间复杂度增加了一倍,解码复杂度是AVS2参考软件的一半。因此,AVS3编码标准在超高清编码中得到了普遍应用。但是,挑战依然广泛存在。

●算法复杂程度高,计算能力有待提升。超高清视频要求实现低码率、高画质、高并发、低延时,特别是AVS3编码提高了时间复杂度,再加上8K庞大的数据量,意味着其工作负载远超高清时代。这对于编码器的硬件资源,特别是CPU等计算资源性能提出了更高要求。

●多标准并存,多格式并存。除了AVS2/AVS3之外,仍有不少的超高清场景在使用HEVC、VVC等编码标准,编码器需要提供对于这些标准的兼容能力,以应对更广泛的需求。在输出格式方面,由于不同后端系统需求不同,要满足不同格式需求,例如TSoverUDP、AppleHlsOverHTTP等。

●用户对于画质提出越来越高的要求。在需要更高压缩率的同时,用户也对于画质提出了更高的要求。超高清视频服务提供商正在寻求通过人工智能(AI)等技术,以更小的码率实现更高的画质。例如,方案能够通过深度神经网络对视频画面内容进行感知,优化主观体验和智能调节编码,对视频进行画质增强,提升视觉效果,而这也考验着方案的AI算力。

第三代英特尔至强可扩展处理器助力当虹科技8KAVS3超高清一站式解决方案

当虹科技Arcvideo8KAVS3编码解决方案主要服务于电视台、IPTV、有线网络、电信运营商等行业用户,为8K超高清直播提供一站式解决方案。系统接收12G-SDI*4信号,经过编码处理后,最终以TSoverUDP、AppleHLSOverHTTP、TSOverHTTP、SRT等方式,一次性输出到后端系统。此外,也可以输出ASI到指定端口,满足机顶盒、智能电视、大屏等多终端的视频直播需求。

图1:当虹科技Arcvideo8KAVS3编码解决方案应用示意图

Arcvideo8KAVS3编码解决方案搭载了第三代英特尔至强可扩展处理器,该处理器提供了8个插槽配置的多插槽内核计数密度,每个处理器最多可达40个核心,与第二代英特尔至强可扩展处理器相比,性能平均提升1.46倍,并在吞吐量和CPU频率方面均有显著提高,为视频编码等性能密集型应用提供了卓越的性能基础。

针对8K超高清视频的编码过程复杂的特点,当虹科技还采用了第三代英特尔至强可扩展处理器的英特尔AVX-512指令集等创新技术。英特尔AVX-512集成了增强单指令多数据流(SingleInstructionMultipleData,SIMD),实现了对于通用计算能力和并行计算能力的兼顾。当虹科技的内部测试显示,在采用英特尔AVX-512矢量并行处理后,在适合像素并行的帧内预测、运动估计、DCT变换模块性能相对于英特尔AVX2均有提升,编码整体性能提升10%以上。

同时,Arcvideo8KAVS3编码解决方案还集成了AI技术,通过不同场景、高低分辨率的差别学习和AI训练,最终实现低码率、高画质。得益于第三代英特尔至强可扩展处理器集成的采用矢量神经网络指令(VNNI)的英特尔深度学习加速(英特尔DLBoost)技术,解决方案能够充分提高AI应用中计算资源和缓存的利用率,减少潜在的带宽资源瓶颈,满足AI应用带来的算力需求。

为了验证第三代英特尔至强可扩展处理器带来的性能提升,当虹科技进行了测试。

测试数据显示,两个测试平台在CPU成本基本一致的前提下,第三代处理器的性能,比第二代处理器提升了12.5%(如图2)。

随后,$当虹科技(SH688039)$还测试了在性能指标一致(32fps/单节点)的前提下,两个平台的成本对比。

测试数据如图3所示,基于第三代处理器的总体成本,对比第二代处理器的总体成本,降低了高达28.6%。

收益:为行业用户提供卓越的超高清编码方案

通过在超高清领域长期的技术创新,以及第三代英特尔至强可扩展处理器的应用,当虹科技Arcvideo8KAVS3编码解决方案实现了高性能、高灵活性等优势,能够助力用户快速跨越到超高清时代。

●基于AVS3编码标准,实现低码率、高画质。AVS3标准采用了更灵活的块划分结构、更精细的预测模式、更具适应性的变换核,比AVS2节省约30%的码率,显著提升编码效率。当虹科技是全国首家在8KAVS3编码标准上商业落地的厂商。例如,2020年央视春晚,采用当虹8KAVS3编码器压缩成120Mb码流,统一传输到全国多个城市户外大屏,实现同步播出。

●AI提升画质。基于图像分析及主观视觉的编码模型,通过数十万素材库的深度学习超分技术,以及不同场景、高低分辨率差别学习和AI训练,智能超分辨率插点,已应用于8K编码,提升编转码画质。

●满足多标准、多格式要求。首先,当虹科技的编码器能满足AVS3、HEVC等不同标准的8KHDR格式编码,支持完整8K画面编码输出,保障输出画面的完整性和流畅性。其次,能够一次性将直播画面转码成适合各种设备播放的格式和分辨率的多条直播流,从而在iOS、Android、Windows等各种系统的终端设备上正常播放。再次,支持丰富的输入流协议,大幅扩展业务形态。最后,支持丰富的输出流协议,实现真正的多屏播放。

●四级直播安全保障。从设备级、信号级、系统级到管理级,提供独有的四级直播安全保障,充分保障直播安全,已通过各平台中上万路直播的7*24小时安全稳定运行考验,服务于国内60家以上的省级或以上的广电及运营商用户。

展望:以技术创新驱动超高清视频行业变革

随着5G等创新技术的大规模落地,超高清应用将在未来几年实现高速的发展。在此过程中,第三代英特尔至强可扩展处理器助力当虹科技8KAVS3超高清一站式解决方案,将进一步发挥在性能、灵活性、安全性、经济性等方面的优势,为电视台、IPTV、电信运营商等行业用户的8K超高清直播提供一站式解决方案,帮助客户化解8K编码带来的巨大挑战。

在超高清产业的发展中,当虹科技将凭借专业产品、技术与服务的不断创新,以及行业市场拓展经验的积累,与英特尔保持密切的合作伙伴关系,结合AVS2、AVS3、HEVC编码技术及AI技术,坚持“4K先行、兼顾8K”的技术路线,致力于为5G时代的超高清提供解决方案。