在實(shí)時(shí)通信領(lǐng)域，只有當(dāng)Codec的優(yōu)化適應(yīng)了當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況，設(shè)備平臺(tái)及應(yīng)用場(chǎng)景，用戶才能得到最佳的體驗(yàn)。在LiveVideoStackCon2018大會(huì)中聲網(wǎng)Agora視頻工程師吳曉然詳細(xì)介紹了如何設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于QoE的實(shí)時(shí)視頻編碼優(yōu)化。本文由LiveVideoStack整理而成。

文 / 吳曉然

整理 / LiveVideoStack

大家好，我是吳曉然。本次將為大家介紹基于QoE的實(shí)時(shí)視頻編碼優(yōu)化探索。實(shí)時(shí)音視頻的傳輸框架大同小異，雖然不同廠商在一些技術(shù)細(xì)節(jié)的打磨上略有差異，但都有一個(gè)共同的目標(biāo)那就是QoE——用戶體驗(yàn)質(zhì)量。那么其根本原因何在？

首先，互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代本身主要面向用戶，用戶體驗(yàn)是是衡量產(chǎn)品價(jià)值的重要維度，從用戶的角度出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化無(wú)可厚非；其次，基于用戶體驗(yàn)的優(yōu)化是當(dāng)下最好的選擇，目前我們的學(xué)術(shù)積累相對(duì)于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家仍有一定差距，單純地依靠學(xué)術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)技術(shù)改革的道路不但效率較低，也會(huì)影響到我們追趕時(shí)代潮流的步伐，故而我們可以從優(yōu)化用戶體驗(yàn)的角度出發(fā)，實(shí)踐一些有用的創(chuàng)新舉措從而推進(jìn)技術(shù)的改革；最后，中國(guó)擁有全世界最大的互聯(lián)網(wǎng)消費(fèi)群體，我們的互聯(lián)網(wǎng)日活躍量都是以?xún)|為單位計(jì)量，龐大的用戶基數(shù)下蘊(yùn)含著寶貴的數(shù)據(jù)財(cái)富，這些數(shù)據(jù)對(duì)任何一家互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)而言都是一種無(wú)形的巨額資產(chǎn)。數(shù)據(jù)是21世紀(jì)的石油，誰(shuí)能夠充分發(fā)掘數(shù)據(jù)背后的價(jià)值誰(shuí)就能成為市場(chǎng)的主導(dǎo)者，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，打造更優(yōu)秀的產(chǎn)品。

本次分享內(nèi)容將主要圍繞以下幾個(gè)方面:

1.?實(shí)時(shí)視頻通訊的QoE

理想條件下，采集端獲取到的原視頻數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過(guò)前處理、編碼后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至解碼端，解碼端接收數(shù)據(jù)處理后再進(jìn)行后處理與渲染，最后得到輸出的視頻產(chǎn)品。如果輸出視頻產(chǎn)品清晰度不佳那么我們可通過(guò)提高分辨率、減小QP、增加算法復(fù)雜度等方法提高清晰度；而如果流暢度不佳那么則可通過(guò)提高fps的方法優(yōu)化流暢度。

但在現(xiàn)實(shí)條件下，不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)使得在網(wǎng)絡(luò)傳輸流程中易出現(xiàn)帶寬變化、延時(shí)抖動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)丟包等不良狀況：即使我們有帶寬預(yù)測(cè)的算法，但帶寬變化的不可預(yù)知性仍然是困擾我們的一大難題；延時(shí)抖動(dòng)更是任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中或多或少都會(huì)發(fā)生的狀況；而隨機(jī)丟包對(duì)實(shí)時(shí)傳輸造成的影響最大，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況很差時(shí)高丟包率會(huì)導(dǎo)致視頻播放相當(dāng)卡頓并且無(wú)計(jì)可施。面對(duì)這些問(wèn)題時(shí)，單純地提高分辨率、減小QP、增加算法復(fù)雜度或提高fps只會(huì)加劇帶寬的占用并增加處理時(shí)間與功耗，其結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞、使得實(shí)時(shí)性無(wú)法達(dá)到要求，尤其移動(dòng)端的用戶體驗(yàn)會(huì)被大打折扣，繼而出現(xiàn)手機(jī)發(fā)熱、待機(jī)時(shí)間下降等諸多不良狀況。

根據(jù)理論與實(shí)踐我們總結(jié)得出基于QoE的實(shí)時(shí)視頻編碼優(yōu)化目標(biāo)為：終端顯示高質(zhì)量、接受端低延時(shí)、發(fā)送端低功耗。

2.?Agora的探索與實(shí)踐

明確了實(shí)時(shí)視頻編碼優(yōu)化目標(biāo)之后，與大家分享一下我們?cè)诖朔矫孢M(jìn)行的探索與實(shí)踐。我們的優(yōu)化策略可以大致分為三個(gè)部分：前處理、編解碼、后處理。

2.1 前處理

1）基于機(jī)器學(xué)習(xí)的帶寬估計(jì)

在之前的內(nèi)容當(dāng)中有提到帶寬估計(jì)的難以預(yù)測(cè)性。這表示即使我們獲取了十分全面的參數(shù)，也難以準(zhǔn)確借助一種經(jīng)典模型或算法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)帶寬量。但是在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下我們可以較為準(zhǔn)確地估計(jì)帶寬的動(dòng)態(tài)變化。通過(guò)上億幀針對(duì)帶寬、延時(shí)、jitter、丟包率、接收端的buffer size、分辨率、FPS等一系列參數(shù)設(shè)計(jì)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從而使其具備預(yù)測(cè)下一時(shí)段帶寬量的能力，這是一種區(qū)別于傳統(tǒng)經(jīng)典模式的全新解決思路。當(dāng)然此方法并不適用于所有網(wǎng)絡(luò)模型，如在一些網(wǎng)絡(luò)狀況較好抖動(dòng)延時(shí)并不嚴(yán)重的情況下使用經(jīng)典模型優(yōu)化也可獲得良好效果；而當(dāng)處于隨變性很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)也許會(huì)讓問(wèn)題迎刃而解。

2）幀率及分辨率自適應(yīng)調(diào)整

實(shí)時(shí)通訊包括很多不同場(chǎng)景，而視頻幀率與分辨率的參數(shù)調(diào)整和視頻內(nèi)容或場(chǎng)景緊密相關(guān)。例如我們可以對(duì)一些場(chǎng)景變化較輕微的畫(huà)面采取適當(dāng)降低幀率的方式減輕帶寬與數(shù)據(jù)壓力，而對(duì)一些場(chǎng)景變化激烈的畫(huà)面如動(dòng)作片打斗等則不能采取降低幀率的方法，否則觀眾可輕易察覺(jué)到幀率降低造成的畫(huà)面模糊與卡頓。

我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的視頻內(nèi)容場(chǎng)景匹配調(diào)整不同的參數(shù)，如對(duì)清晰度要求很高而流暢度要求較高的直播場(chǎng)景而言，可以通過(guò)調(diào)整其幀率實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)編碼前處理過(guò)程的優(yōu)化；而對(duì)流暢度要求很高的通訊場(chǎng)景而言，則可以在保證清晰度的同時(shí)通過(guò)調(diào)整分辨率來(lái)優(yōu)化實(shí)時(shí)編碼的前處理過(guò)程。因?yàn)樵谝话闱闆r下，采用視頻通訊交流的雙方彼此都比較熟悉，在可接受范圍之內(nèi)降低分辨率不會(huì)為二者交流帶來(lái)明顯障礙；而一旦出現(xiàn)卡頓或延時(shí)則會(huì)直接導(dǎo)致雙方交流溝通的不暢甚至失敗，使用戶體驗(yàn)大打折扣。

教育場(chǎng)景對(duì)清晰度與流暢度的要求都非常高，其原因在于教育場(chǎng)景背后行業(yè)的巨大投資與學(xué)術(shù)嚴(yán)謹(jǐn)。家長(zhǎng)對(duì)孩子的大筆投入，使得這些孩子值得通過(guò)更高質(zhì)量的音視頻收獲嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹R(shí)。

對(duì)游戲場(chǎng)景而言，雖然良好的清晰度與流暢度都至關(guān)重要，但流暢度是需要首先保證的參數(shù)。特別像是對(duì)一些實(shí)時(shí)戰(zhàn)略游戲而言，有時(shí)游戲就在幾秒甚至幾百毫秒間分出勝負(fù)。早年參加WCG大賽的選手為了避免液晶顯示器刷新率低導(dǎo)致的拖影對(duì)游戲比賽造成不良影響，會(huì)優(yōu)先使用CRT顯示器上場(chǎng)比賽。

總而言之，根據(jù)視頻的不同內(nèi)容場(chǎng)景自適應(yīng)調(diào)整幀率與分辨率，是一種有用的實(shí)時(shí)編碼前處理優(yōu)化策略。

2.2 編解碼

1）區(qū)域檢測(cè)及ROI編碼

區(qū)域檢測(cè)及ROI編碼屬于前處理且與Codec相結(jié)合。區(qū)域檢測(cè)可用于前景與背景檢測(cè)、畫(huà)質(zhì)增強(qiáng)、美顏特效等；而落實(shí)到Codec層面則用于ROI編碼。ROI編碼可明顯增強(qiáng)特定場(chǎng)景中局部畫(huà)面的畫(huà)質(zhì)，如對(duì)流暢性與清晰度要求都很高的游戲應(yīng)用場(chǎng)景而言，如果碼率無(wú)法達(dá)到流暢性與清晰度的要求，那么我們可在編碼時(shí)通過(guò)ROI編碼將游戲視頻畫(huà)面中局部重點(diǎn)區(qū)域如中心戰(zhàn)斗區(qū)域精細(xì)化從而優(yōu)化視頻碼率。雖然邊緣畫(huà)面可能會(huì)出現(xiàn)一定劣化，但只要用戶視覺(jué)重點(diǎn)范圍內(nèi)的畫(huà)面保持清晰，對(duì)用戶體驗(yàn)的影響非常之小。

2）碼率控制算法優(yōu)化

這一步的優(yōu)化主要針對(duì)線上教育應(yīng)用場(chǎng)景。其中最重要的元素之一是老師的板書(shū)，我們需要確保觀看視頻的學(xué)生可看清老師在黑板上書(shū)寫(xiě)的內(nèi)容。上課時(shí)學(xué)生的注意力會(huì)集中在老師書(shū)寫(xiě)的文字區(qū)域，除了規(guī)范文字書(shū)寫(xiě)之外我們也可通過(guò)一些可使文字更加清晰的前處理手段提升板書(shū)清晰度。從編碼角度而言就是將文字用更小的量化步長(zhǎng)精細(xì)化編碼，從而大大提升老師學(xué)生使用在線教育產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)。

我們一直在努力改進(jìn)碼率控制算法的優(yōu)化，針對(duì)碼率控制算法的優(yōu)化有多種，包括機(jī)器學(xué)習(xí)在內(nèi)的方法都可用于優(yōu)化碼率控制算法。上圖列舉了一種較為經(jīng)典的碼率控制算法，通過(guò)SATD與模糊復(fù)雜度計(jì)算qscale，而后經(jīng)過(guò)qscale除以rate actor與qscale乘以overflow兩次計(jì)算，最終得出QP。這樣一套經(jīng)典的碼率控制算法可從容處理諸多場(chǎng)景。因?yàn)閷?duì)傳統(tǒng)視頻的優(yōu)化是基于幀展開(kāi)的，幀與幀之間的時(shí)間間隔均勻，故對(duì)于一般視頻會(huì)采取平均分配碼率的策略；而在實(shí)時(shí)通訊應(yīng)用場(chǎng)景中幀和幀之間的時(shí)間間隔并不均勻，在此情況下渲染畫(huà)面時(shí)為每幀都平均分配同樣的碼率顯然是不合理的，因此實(shí)時(shí)通訊應(yīng)用場(chǎng)景下的碼率控制仍需進(jìn)一步優(yōu)化。我們?cè)剿魍ㄟ^(guò)調(diào)整復(fù)雜度、兩幀之間的間隔等并尋找更好的解決方案，后來(lái)我們發(fā)現(xiàn)調(diào)整分配碼率可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)效果。通過(guò)多種方式探索不同分配碼率的方式，關(guān)于這一點(diǎn)仍需繼續(xù)探索。

Just Noticeable Difference

Just Noticeable Difference是指最小可視差，就像人手無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分兩個(gè)差距幾克的蘋(píng)果一樣，我們身體的感官如視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)每種信號(hào)的接受程度不一，刺激有效的閾值也不同，只有當(dāng)信號(hào)刺激達(dá)到一定閾值之后我們才能夠?qū)ζ渥鞒龇磻?yīng)。如果將這個(gè)道理過(guò)渡到碼率分配，我們可采取為視頻中那些有效刺激閾值較高人眼不易察覺(jué)的視覺(jué)元素分配較少碼率，而為那些有效刺激閾值較低人眼可敏感察覺(jué)的視覺(jué)元素分配更多碼率的策略調(diào)整碼率分配，即可實(shí)現(xiàn)人眼無(wú)法察覺(jué)的有效碼率控制算法優(yōu)化，提升用戶體驗(yàn)。

軟編碼與硬編碼

講到這里，我想大家會(huì)有一些疑問(wèn)：軟件編碼與硬件編碼究竟存在什么區(qū)別？在編碼模塊上，軟件編碼主要是在CPU上進(jìn)行而硬件編碼則主要在GPU、VPU、DSP、FPGA等多種硬件編碼模塊上進(jìn)行；雖然硬件編碼的速度明顯快于軟件編碼，但軟件編碼的質(zhì)量好于硬件編碼是業(yè)界公認(rèn)的事實(shí)；除此之外，軟件編碼相對(duì)于硬件編碼硬件在功耗上更大，這主要體現(xiàn)在用戶使用手機(jī)長(zhǎng)時(shí)間看視頻會(huì)感受到明顯手機(jī)發(fā)熱；帶寬要求是指一些編碼器會(huì)對(duì)帶寬下降進(jìn)行要求，例如蘋(píng)果的編碼器會(huì)限制視頻質(zhì)量的最低水平，一旦碼率過(guò)低或質(zhì)量過(guò)差編碼器則拒絕編碼輸出。但對(duì)于實(shí)時(shí)通訊而言，帶寬的未知變化使得我們無(wú)法準(zhǔn)確判斷什么時(shí)候碼率會(huì)降低到無(wú)法編碼的低值，因此硬件編碼器在處理實(shí)時(shí)視頻方面存在一些限制；至于GOP結(jié)構(gòu)，軟件編碼器的GOP結(jié)構(gòu)相對(duì)更靈活而硬件編碼器的相關(guān)參數(shù)是固定不變的；參數(shù)調(diào)整響應(yīng)方面，軟件編碼在參數(shù)調(diào)整下達(dá)之后會(huì)從下一幀開(kāi)始迅速響應(yīng)而硬件編碼則需要一定過(guò)程才能做出響應(yīng)甚至需要重啟進(jìn)程；最后在可移植性與可維護(hù)性方面，由于不同平臺(tái)的軟件編碼都是基于一套代碼，無(wú)論是維護(hù)還是移植成本都較低，而硬件編碼由于牽扯到硬件適配的工作，無(wú)論是可移植性還是可維護(hù)性都遜于軟件編碼。

3）軟硬件編碼動(dòng)態(tài)切換

那么應(yīng)該選擇哪種編碼方案？在選擇軟件編碼還是硬件編碼方案上，我們應(yīng)當(dāng)參考以下幾個(gè)維度做出正確判斷：第一個(gè)是設(shè)備平臺(tái)，也就是移動(dòng)端、PC端等。如果是PC端，由于PC的CPU性能足夠強(qiáng)大，我們更傾向于選擇軟件編碼，而如果是移動(dòng)端則需要綜合移動(dòng)端設(shè)備的處理器性能等硬件參數(shù)擇優(yōu)選擇；第二個(gè)是CPU負(fù)荷，CPU除了需要處理編碼工作之外還需處理其他必要任務(wù)，如果CPU當(dāng)中的采集、渲染、前處理等模塊在工作時(shí)占用了CPU的大量資源并且難以對(duì)其進(jìn)行調(diào)配優(yōu)化，那么我們就需要考慮一下使用硬件編碼方案從而降低CPU的工作負(fù)荷；第三個(gè)維度是設(shè)備剩余電量，如果設(shè)備剩余電量十分充足那么軟件編碼對(duì)手機(jī)續(xù)航造成的壓力并不大。而如果手機(jī)電量岌岌可危則選擇硬件編碼方案可適當(dāng)減輕編碼過(guò)程對(duì)手機(jī)續(xù)航的影響。除此之外還有目標(biāo)碼率、幀率、分辨率、丟包率等參考維度，我們需要綜合以上維度選擇適宜的動(dòng)態(tài)編碼方案。

2.3 后處理——超分辨率

超分辨率屬于后處理流程，其好處是可在不理想帶寬條件下發(fā)送分辨率較低的視頻流，而后再借助超分辨率技術(shù)提升其分辨率從而在保證視頻觀看體驗(yàn)的前提下避免網(wǎng)絡(luò)擁塞與網(wǎng)絡(luò)丟包。除此之外，超分辨率技術(shù)也能夠在幫助節(jié)省帶寬的同時(shí)通過(guò)提升單位傳輸幀數(shù)提高視頻流暢程度，明顯提升實(shí)時(shí)通訊的用戶體驗(yàn)。

3.?視頻質(zhì)量評(píng)分系統(tǒng)

視頻質(zhì)量評(píng)分系統(tǒng)主要用于判斷畫(huà)面質(zhì)量的優(yōu)劣，其客觀標(biāo)準(zhǔn)主要為MSE、PSNR、SSIM；視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)基于單張圖片并依賴(lài)原始碼流完成，在主觀一致性上存在缺陷。

傳統(tǒng)判斷視頻質(zhì)量的方案是在一定幀率下選取多張圖像并取其質(zhì)量平均值，這樣的合理之處在于視頻本身是多張圖像的合集，但不合理之處在于視頻不單單是多張圖像的合集，還存在每幀圖像時(shí)間長(zhǎng)短等變量的影響，下圖展示的是傳統(tǒng)圖像質(zhì)量指標(biāo)和主觀一致性方面的差異：

第一張圖是原畫(huà)而后五張圖是加入了不同噪聲的效果。這種處理是基于均方差完成的，而傳統(tǒng)的視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)方案只會(huì)察覺(jué)到兩張圖之間的差距，如果我將均方差調(diào)成一致那么雖然系統(tǒng)判斷畫(huà)面質(zhì)量?jī)?yōu)良但用戶的主觀感受一定是非常糟糕的。檢驗(yàn)結(jié)果與主觀一致性的差距，迫使我們需要對(duì)視頻質(zhì)量評(píng)分系統(tǒng)作出進(jìn)一步優(yōu)化。

?

而VMAF則可有效避免以上情況的發(fā)生，其優(yōu)勢(shì)在于VMAF通過(guò)視覺(jué)信息保證度、細(xì)節(jié)丟失指標(biāo)、延時(shí)碼率、運(yùn)動(dòng)量等多種維度更全面地評(píng)判視頻質(zhì)量。其關(guān)鍵部分是加入了運(yùn)動(dòng)量計(jì)算，也就是計(jì)算兩幀之間均方差大小并將其作為影響視頻質(zhì)量的因素之一，均方差越小則視頻質(zhì)量越高；如果兩幀之間差值越大，運(yùn)動(dòng)量越大，那么視頻質(zhì)量就相應(yīng)越低。

上圖展示的是DMOS視頻質(zhì)量測(cè)試算法的擬合曲線，從這些客觀指標(biāo)我們可以看出傳統(tǒng)視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)方案的主觀一致性較低而VMAF則表現(xiàn)得更好。在這里需要強(qiáng)調(diào)的是，如果原畫(huà)本身進(jìn)行了質(zhì)量增強(qiáng)或者其它參數(shù)調(diào)整，那么得出的視頻質(zhì)量指標(biāo)一定是不客觀，不準(zhǔn)確的。因此我們不能將通過(guò)VMAF等視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)方案得出的結(jié)果作為判斷視頻質(zhì)量的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

因此就需要建立一套視頻質(zhì)量主觀標(biāo)準(zhǔn)。我們的主觀評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)分為畫(huà)面清晰度、質(zhì)量平穩(wěn)度、視頻內(nèi)容、觀測(cè)條件、視頻流暢度五個(gè)方面。其中，平衡畫(huà)面清晰度與視頻流暢度是我們努力實(shí)現(xiàn)平衡的兩項(xiàng)指標(biāo)，而質(zhì)量平穩(wěn)度是指在變化的網(wǎng)絡(luò)帶寬下保證視頻質(zhì)量在一定可接受的范圍內(nèi)波動(dòng)，而非大幅度的質(zhì)量突躍或陡降；觀測(cè)條件則是一項(xiàng)受多重因素影響的指標(biāo)，如終端屏幕質(zhì)量、性能等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，也許在一塊1080p屏幕上播放720p視頻所帶來(lái)的用戶體驗(yàn)會(huì)明顯優(yōu)于在一塊720p屏幕上播放1080p視頻所帶來(lái)的用戶體驗(yàn)；視頻內(nèi)容同樣與用戶體驗(yàn)息息相關(guān)，但很難為這一指標(biāo)確立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，例如使用同樣的幀率與分辨率展現(xiàn)一段連續(xù)的激烈打斗戲和另一段穿插了感情戲的激烈打斗戲，也許用戶會(huì)疲于觀看快速、模糊的打斗場(chǎng)面抑或是更喜歡凌厲的影像風(fēng)格，這給用戶帶來(lái)的感受一定是不同的。

4.?未來(lái)編碼器

大家知道AV1已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，就現(xiàn)在看來(lái)雖然AV1在壓縮效率上十分出色，但其較高的復(fù)雜度限制了自身的應(yīng)用場(chǎng)景。也許這種復(fù)雜程度對(duì)視頻點(diǎn)播等實(shí)時(shí)性要求并不高的應(yīng)用場(chǎng)景而言尚可接受，但對(duì)實(shí)時(shí)通訊而言，高復(fù)雜度一定是需要盡可能避免的；而H.266(VCC)等還需時(shí)日，我們拭目以待。

VVC相對(duì)于HEVC有50%的提升，大約在2021年可實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)Codec，而First or Final Standard最早會(huì)在2019～2020年公開(kāi)。我們并不需要熱衷于追趕潮流，我們需要做的是將Codec打磨好，使其能夠以良好性能用于實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)提升用戶體驗(yàn)，畢竟良好的用戶體驗(yàn)才是我們努力完善的終極目標(biāo)。

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總結(jié)

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