2024年10月14日，中關(guān)村視聽產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟正式批準(zhǔn)發(fā)布團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《信息技術(shù) 感知無損壓縮 第1部分：圖像》，標(biāo)準(zhǔn)號：T/AI 129.1-2024。

　　AVS感知無損壓縮(Perceptual Lossless Compression，以下簡稱PLLC)標(biāo)準(zhǔn)制定工作自2021年12月啟動(dòng)，中國科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)集體創(chuàng)新，專注于解決“8K+”超高清視頻信號傳輸中高速數(shù)據(jù)收發(fā)的性能瓶頸問題。經(jīng)過三年的深入研發(fā)，AVS視頻組研發(fā)了一系列 “超低延時(shí)、硬件友好、主觀無損”的輕量級圖像壓縮技術(shù)，并最終形成團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。主觀質(zhì)量測試表明，PLLC達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，標(biāo)志著中國在視頻編解碼領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了又一重大突破。

　　一、PLLC關(guān)鍵技術(shù)特性

圖1 PLLC參考軟件平臺（HIM）信號處理流水

　　PLLC標(biāo)準(zhǔn)定義了兩個(gè)編碼檔次，分別為接口檔次和幀存檔次。接口檔次主要面向信號傳輸接口的硬件芯片(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)設(shè)計(jì)，幀存檔次則可廣泛應(yīng)用于主觀無損或信號無損質(zhì)量等級的圖像緩存，減輕圖像處理系統(tǒng)中的內(nèi)存與帶寬壓力，提升系統(tǒng)總體性能。

　　如圖1所示，PLLC標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)可分為信號處理、模式預(yù)測、量化、系數(shù)編碼和碼率控制五個(gè)部分組成。下面簡要介紹每部分的實(shí)現(xiàn)方案和設(shè)計(jì)目的：

　　1. 信號處理： PLLC支持將信號切分為等尺寸的矩形片進(jìn)行并行處理，編碼過程中最小的單元為16×2的一組像素。這種處理方式使得PLLC在保持高壓縮效率的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)超低延時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。

　　2. 模式預(yù)測： PLLC包含點(diǎn)預(yù)測、普通幀內(nèi)預(yù)測和塊復(fù)制幀內(nèi)預(yù)測三類預(yù)測模式，通過比特代價(jià)和重構(gòu)失真的綜合評估，獲得編碼單元的最優(yōu)編碼模式。這一設(shè)計(jì)支持了高度并行的硬件處理，提高了編解碼的效率。

　　3. 量化和系數(shù)編碼： PLLC使用移位量化和半定長系數(shù)編碼，在保證低硬件成本的前提下實(shí)現(xiàn)對預(yù)測殘差的能量聚集。此外，PLLC還支持在特定點(diǎn)位逐像素點(diǎn)的量化參數(shù)微調(diào)，顯著優(yōu)化紋理細(xì)節(jié)的主觀重建質(zhì)量。

　　4. 碼率控制： 碼率控制是恒定碼率壓縮的關(guān)鍵模塊，PLLC提出一種基于歷史先驗(yàn)自適應(yīng)更新的碼率估計(jì)模型，通過對紋理特征建模導(dǎo)出其預(yù)分配的編碼比特?cái)?shù)，隨后結(jié)合視覺無損的比特下界與位流緩沖的比特上界進(jìn)行適當(dāng)放縮，最終映射導(dǎo)出實(shí)際的量化步長。通過上述碼率控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的恒定碼率傳輸和視覺無損的主觀質(zhì)量。

　　二、主客觀性能測試

　　在AVS工作組遴選的27組測試序列中，PLLC標(biāo)準(zhǔn)參考軟件表現(xiàn)出了優(yōu)秀的客觀重建質(zhì)量。如圖2所示，在ISO 29170-2國際主觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的判定中，PLLC閃爍測試有25/27條序列達(dá)到主觀無損的判定標(biāo)準(zhǔn)，并排測試全部27/27條序列均達(dá)到主觀無損。

圖2 客觀重建數(shù)據(jù)與主觀評測結(jié)果，序列17為噪聲序列

　　在測試的27組信號中，難度最高的10條信號被進(jìn)一步用來進(jìn)行PLLC與國際同類壓縮標(biāo)準(zhǔn)DSC的主觀質(zhì)量對比，其中PLLC的主觀質(zhì)量在閃爍測試中與之持平(均為8/10條序列達(dá)到主觀無損)，在并排測試中更優(yōu)(PLLC: 10/10; DSC: 9/10)。這一對比結(jié)果證實(shí)了PLLC標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，為中國在國際視頻淺壓縮編碼領(lǐng)域的競爭中贏得了重要的一席之地。

　　三、系統(tǒng)產(chǎn)品部署

　　國內(nèi)多家廠商已開始基于PLLC的相關(guān)硬件產(chǎn)品開發(fā)與部署。作為國內(nèi)領(lǐng)先的控制臺設(shè)計(jì)與制造商，北京鐵力山科技股份有限公司率先基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)實(shí)現(xiàn)了PLLC標(biāo)準(zhǔn)的部署，展示了該標(biāo)準(zhǔn)在壓縮效率與硬件適配上的卓越表現(xiàn)。

　　北京大學(xué)視頻與視覺技術(shù)國家工程研究中心與鐵力山緊密合作，共同研發(fā)了基于PLLC的高速實(shí)時(shí)FPGA編解碼系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)能夠處理四路實(shí)時(shí)采集的4K視頻，通過PLLC編碼器進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮后，經(jīng)由局域網(wǎng)傳輸至接收端，隨后通過FPGA實(shí)時(shí)解碼器解碼并輸出至顯示屏。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)3倍無損壓縮效果，充分展示了PLLC標(biāo)準(zhǔn)在高速高分辨率視頻高效視頻壓縮傳輸應(yīng)用中的強(qiáng)大性能。

(a)

(b)

圖3 (a)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，(b) 播放示意圖

　　四、未來展望

　　AVS感知無損壓縮團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的成功發(fā)布，不僅為“8K+”超高清視頻海量信號提供了超低延時(shí)傳輸和處理的全新國產(chǎn)化技術(shù)方案，也為我國視頻行業(yè)的自主創(chuàng)新和高效發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用的不斷拓展，AVS感知無損壓縮技術(shù)將在全球范圍內(nèi)推動(dòng)超高清視頻產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為觀眾帶來更加豐富、震撼的視覺體驗(yàn)。