VR的技術(shù)發(fā)展趨勢和行業(yè)應(yīng)用

尹芹 呂達

摘要：提出虛擬現(xiàn)實（VR）面臨的2種技術(shù)發(fā)展挑戰(zhàn)：高帶寬、低時延。圍繞VR的發(fā)展，中興通訊創(chuàng)新性地提出端到端VR系統(tǒng)方案的技術(shù)理念，研發(fā)出一系列創(chuàng)新技術(shù)用于實現(xiàn)VR業(yè)務(wù)，例如：低碼高清技術(shù)、基于視野（FOV）的自適應(yīng)傳輸技術(shù)、VR電子節(jié)目指南（EPG）、VR機頂盒、VR播放器，并基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)構(gòu)建出云化VR網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這些技術(shù)和方案進一步地促進了VR的發(fā)展。

低碼高清；FOV；基于FOV的自適應(yīng)傳輸

In this paper， two kinds of technical development challenges faced by virtual reality （VR） are proposed： high bandwidth and low delay. Focusing on the development of VR， ZTE innovatively proposed the technical concept of an end-to-end VR system solution. A series of innovative technologies were developed to implement VR services， such as low-code high-definition technology and angle of view （FOV）-based adaptation transmission technology， VR electronic program guide （EPG）， VR set-top box， VR player， and cloud-based VR network architecture based on network function virtualization （NFV） technology. These technologies and solutions further promote the development of VR.

low-code high-definition； FOV； FOV-based adaptive transmission

1 VR的概念

1.1 VR的作用

1965年，虛擬現(xiàn)實（VR）的概念被首次提出。2016年，Oculus、HTC VIVE、PS VR等各種VR硬件層出不窮地面世，該年也被稱為VR元年。受限于制作精良、吸引用戶眼球并可持續(xù)使用的VR內(nèi)容，受限于帶寬以及更高清分辨率的顯示技術(shù)，VR仍然處在爆發(fā)前夜。

VR可用于視頻直播、視頻點播、視頻游戲，以及垂直行業(yè)的多個應(yīng)用場景，拉近人與人、人與物之間的距離，帶給用戶沉浸、互動的感受。

2017年，中興通訊推出端到端的VR直播解決方案，并成功應(yīng)用于南藝520直播。

1.2 VR的挑戰(zhàn)

（1）帶寬挑戰(zhàn)。運營商開展VR視頻業(yè)務(wù)之后，對帶寬的需求約為300 Mbit/s～1.2 Gbit/s，最高可能將會超過1 Gbit/s，因此千兆帶寬及至5G網(wǎng)絡(luò)將會給用戶帶來更佳服務(wù)體驗，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）也將為運營商節(jié)約更多帶寬消耗。

（2）時延和丟包挑戰(zhàn)。VR要求運動到圖像的最大時延在20 ms，運動到聲音的最大時延在20 ms，并要求音視頻保持同步。

（3）完美拼接。通常需要在一組攝像機設(shè)備上進行采集，然后再進行拼接處理，將來自不同攝像機的視圖合并到一個視圖中。為保障完美的VR體驗，不應(yīng)引入任何拼接錯誤，不應(yīng)看到任何拼接線。

1.3 VR的演進過程

動態(tài)圖像專家組（MPEG）、第3代合作伙伴項目（3GPP）、數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（AVS）、中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）等多個全球標(biāo)準(zhǔn)組織正在積極推進和制訂VR相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其中，MPEG國際標(biāo)準(zhǔn)組在2015年10月啟動全向媒體應(yīng)用格式（OMAF）項目，主要針對360視頻以及對應(yīng)的音頻，研究相應(yīng)的文件封裝格式，以及在基于HTTP的動態(tài)自適應(yīng)流（DASH）方式下的傳輸，同時還包括編碼的配置、視點的投射等。MPEG OMAF之后，MPEG標(biāo)準(zhǔn)組織認(rèn)為有必要成立MPEG-I，并包含OMAF。MPEG-I標(biāo)準(zhǔn)的工作時間軸如圖1所示。

MPEG-I的標(biāo)準(zhǔn)制定，又分為3個階段[1]：階段1a、階段1b、階段2，具體如表1所示。

階段1a（3自由度）：在特定觀察位置，當(dāng)頭部左右旋轉(zhuǎn)、俯仰旋轉(zhuǎn)、搖擺旋轉(zhuǎn)時，VR頭顯能正確顯示相應(yīng)VR內(nèi)容，需要VR內(nèi)容、VR采集和VR顯示設(shè)備的支持。

階段2（全向6自由度）：在特定觀察位置，當(dāng)頭部左右旋轉(zhuǎn)、俯仰旋轉(zhuǎn)、搖擺旋轉(zhuǎn)，以及一定范圍內(nèi)向前后、左右、上下3個方向平移時，VR頭顯能正確顯示相應(yīng)VR內(nèi)容，需要VR內(nèi)容、VR采集和VR顯示設(shè)備的支持。

階段2（6自由度）：典型的使用案例是用戶自由穿過頭戴式顯示器（HMD）上顯示的3D 360 VR內(nèi)容（物理地或通過專用的用戶輸入裝置）。

1.4 VR端到端架構(gòu)

3GPP定義的VR視頻架構(gòu)[2]由采集、球面拼接（可選）、投影（可選）、封包（可選）、編碼、封裝、傳輸、解封裝、解碼、渲染、顯示各環(huán)節(jié)組成，如圖2所示。

各細分環(huán)節(jié)的詳細描述，參見如下各章節(jié)。

1.4.1 采集

取決于采集系統(tǒng)的功能，VR內(nèi)容以不同的格式表示，例如：全景圖或球體。許多系統(tǒng)采集覆蓋整個360°×180°球體的球形視頻。通常需要配置多個相機來采集這樣的內(nèi)容。配置的各種相機可用于記錄2D和3D內(nèi)容。采集環(huán)節(jié)可以使用立體相機組、魚眼、廣角鏡頭、相機陣列、光場相機陣列，產(chǎn)生立體效果或光場渲染效果的VR內(nèi)容。

（1）立體效果

（a）分片立體效果：立體相機組采集3D內(nèi)容，并以相對較小的重疊排列成星形配置；但這樣的照相機系統(tǒng)一方面可能會有視差錯誤，另一方面基于鏡像的系統(tǒng)可以使用減少視差錯誤的相機組采集3D圖像。

（b）極度重疊的立體效果：立體內(nèi)容由魚眼或廣角鏡頭、相機陣列采集的重疊圖像創(chuàng)建。在處理過程中，每個圖像傳感器分成左右2部分，并拼接成左右全景圖。

（2）光場渲染

（a）基于深度的光場渲染：是創(chuàng)建3D內(nèi)容的有前途的方法；但是，光場渲染需要密集的相機陣列。

（b）使用基于深度的渲染來生成中間相機視圖：這是現(xiàn)有方法，可以減少所需相機的數(shù)量；但該方法需要非常精確的深度圖和復(fù)雜的基于深度的處理流程，增加了所需算力。

1.4.2 球面拼接

球面拼接分為3種：基于鏡像的系統(tǒng)直接拼接、深度感知的拼接（分片立體效果，極度重疊的立體效果）、深度使能的光場渲染。

1.4.3 投影

最常用的VR投影方法包括2種：經(jīng)緯度展開投影（ERP）、立方體投影（CMP）。

（1）ERP：水平、垂直坐標(biāo)分別對應(yīng)經(jīng)度、緯度，不變換、不縮放。該方法的特點是：赤道上的像素拉伸最小（或一點都沒有拉伸），而越向兩極拉伸越嚴(yán)重，因此失真越嚴(yán)重。這就產(chǎn)生了大量冗余信息，不適合使用高效視頻編碼（HEVC即H.265）對其進行壓縮。

（2）CMP：將球面全景圖像映射到了立方體的6個面上，中間的4個面為前后左右的圖像，上下3個面為頂部和底部的圖像，每個面都有90°×90°的視野（FOV）。在立方體投影中，直線保持筆直，便于對圖像進行處理，相比于圓柱映射，失真要小很多。好處在于：減少了兩極的冗余，減少了數(shù)據(jù)量；立方體投影中直線保持筆直，沒有發(fā)生彎曲失真（這對于視頻編碼來說十分重要，因為運動矢量是直線）；立方體投影對像素進行了分配，兩極和側(cè)面都是一樣的；立方體投影的映射更加簡單，只要將每一個面貼到對應(yīng)的立方體面上即可。

投影方法除了以上這2種以外，根據(jù)用于渲染的幾何類型，還有一些其他投影類型，如：球、壓扁的球、圓柱體、柏拉圖固體（正多面體）、立方體（6面）、八面體（8面）、二十面體（20面）、截斷的金字塔、分段球體、直接魚眼（用于視頻監(jiān)測控制等）。

1.4.4 區(qū)域映射（封裝）

在投影之后，所獲得的二維矩形圖像可被分割成可重新排列以產(chǎn)生“封裝”幀的區(qū)域。從投影幀產(chǎn)生封裝幀的操作（表示為“封裝”或“區(qū)域映射”）可能包括平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、填充、仿射變換等。執(zhí)行區(qū)域映射的原因包括：提高編碼效率或依賴視點的流管理（詳見多流方法）。

區(qū)域映射是可選過程，如果未使用區(qū)域映射，則封裝的VR幀與投影幀相同。

1.4.5 編碼&解碼

目前的360視頻服務(wù)提供了非常有限的用戶體驗，因為用戶視點的分辨率、視覺質(zhì)量與傳統(tǒng)視頻服務(wù)差不多。需要多倍于現(xiàn)有超高清（UHD）分辨率的分辨率，才能以足夠清晰的分辨率覆蓋完整的360°環(huán)境。這對現(xiàn)有已建立的視頻處理流程鏈、現(xiàn)有的終端設(shè)備都構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。360視頻傳輸主要考慮3種解決方案：單流方式、多流方式、分片式流方法。

1.4.6 文件/DASH封裝/解封裝

如果DASH用于傳送360視頻，則可能需要額外的信令，例如：投影和映射格式可能需要在媒體呈現(xiàn)描述（MPD）信令上體現(xiàn)，以便用戶可以請求合適的不同碼率、不同碼率的碼流，然后根據(jù)考慮的解決方案類型（單流、多流、分片式流）執(zhí)行不同的文件/DASH封裝。

接收器可以根據(jù)當(dāng)前的視點位置、設(shè)備能力（例如：視頻解碼器能力），選擇僅解封裝所接收的視頻流的子集。

2 VR行業(yè)應(yīng)用

為解決用戶體驗、VR成本等問題，Cloud VR通過云端渲染為VR發(fā)展提供更佳的解決方案。

Cloud VR場景[3]發(fā)展分為近、中、遠期3個階段，Cloud VR巨幕影院、Cloud VR直播、Cloud VR 360視頻、Cloud VR游戲4個場景處于近期階段；Cloud VR教育、醫(yī)療、營銷、大空間競技、健身、音樂、K歌場景處于中期階段；Cloud VR旅游、社交、購物、軍事、工程、房地產(chǎn)等場景處于遠期階段。十七大場景的商業(yè)潛力空間巨大，但離不開運營商的牽頭。電信運營商具備規(guī)模發(fā)展Cloud VR業(yè)務(wù)的必需條件，通過大管道、平臺基礎(chǔ)、用戶、接入光纖資源等優(yōu)勢吸引優(yōu)質(zhì)的VR服務(wù)提供商、終端廠商、內(nèi)容商等加入生態(tài)鏈，不僅可以贏得VR行業(yè)浪潮的商業(yè)先機，還可以帶動整個VR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。運營商可以先發(fā)展Cloud VR 2C市場，再聚合行業(yè)應(yīng)用，擴展到2B市場。

3 中興通訊VR技術(shù)創(chuàng)新

3.1 低碼高清技術(shù)創(chuàng)新

中興通訊創(chuàng)新地提出低碼高清、低碼超高清技術(shù)，對H.264和H.265核心算法提出了5個方面的改進，在保證主觀質(zhì)量的情況下編碼碼率降為原來的40%左右，為高清和4K超高清視頻業(yè)務(wù)的發(fā)展掃清了接入帶寬方面的障礙，具體包括：

·提出幀級碼率控制方法，有效控制瞬時碼率過高；

·提出基于宏塊距離的空間濾波方法，提高圖像質(zhì)量；

·提出恰可察覺失真（JND）和人類視覺的感興趣區(qū)域（ROI）相結(jié)合的分級量化編碼方法，對在相同或降低碼率的情況下，大幅提升視頻編碼的主觀質(zhì)量；

·提出色度分量策略性編碼方法，有效提升視頻壓縮效率，且視頻主觀質(zhì)量不會有明顯下降；

·提出非ROI宏塊采用變換域JND進行預(yù)測殘差自適應(yīng)調(diào)整編碼方法，從而既保證了編碼的主觀質(zhì)量，又降低了編碼碼率。

低碼高清、低碼超高清算法是一種復(fù)雜的綜合算法，經(jīng)過不同片源的綜合評測，成為有效的圖像算法，既可以應(yīng)用在H.264的框架下，也可以融合在H.265編碼標(biāo)準(zhǔn)下。

3.2 基于視點FOV自適應(yīng)傳輸技術(shù)

創(chuàng)新

中興通訊融合CDN支持基于視點FOV自適應(yīng)傳輸技術(shù)。

該技術(shù)的原理為：人眼視野范圍內(nèi)不同區(qū)域的敏感度不同，35°范圍外不敏感；而FOV顯示模式可以針對不同區(qū)域給予不同分辨率的圖像。當(dāng)視點發(fā)生變動時及時切換到對應(yīng)的內(nèi)容頻道。

中興通訊融合CDN能支持對各種自適應(yīng)碼率格式，擴展偏航角、俯仰角、主視場的水平視角，主視場的垂直視角等信息，根據(jù)用戶頭部運動，傳輸用戶感興趣的、基于視點的內(nèi)容，有效降低帶寬，縮短時延。

3.3 多場景的VR視頻播放技術(shù)創(chuàng)新

（1）機頂盒+頭盔

機頂盒作為計算中心，提供圖形計算、渲染等能力；頭顯提供VR呈現(xiàn)，具備九軸傳感器，提供位置等信息給機頂盒；機頂盒和頭顯之間通過高清晰多媒體接口線（HDMI）和USB連接，HDMI傳輸VR視頻，USB傳輸傳感器信號。

（2）手機+頭盔

手機作為計算中心，提供圖形計算、渲染等能力；手機屏幕提供VR呈現(xiàn)，提供位置、角度等信息給手機；通過VR眼鏡的自帶觸控板或遙控器，便捷用戶操作。中興通訊提供VR頁面、VR EPG能力、VR播放器能力支持VR點播業(yè)務(wù)。

（3）裸眼收看VR業(yè)務(wù)

手機作為計算中心，提供圖形計算、渲染等能力；手機屏幕提供VR呈現(xiàn)，提供位置、角度等信息給手機；通過VR眼鏡的自帶的觸控板或遙控器，便捷用戶操作。

4 結(jié)束語

VR的發(fā)展過程是視頻領(lǐng)域的一個技術(shù)創(chuàng)新的過程，中興通訊創(chuàng)新地提出端到端的VR架構(gòu)理念，形成了FOV視點自適應(yīng)傳輸、低碼高清、VR EPG、VR機頂盒、VR播放器等一批新技術(shù)并成功應(yīng)用在VR系統(tǒng)中，從而推動VR的全面發(fā)展。

參考文獻

[1] MPEG.MPEG-I Part 1 Technical Report on Architectures for Immersive Media[S].2017

[2] 3GPP.Virtual Reality （VR） Media Services over 3GPP： 3GPP TR26.918[S].2018

[3] 中國信息通信研究院. “Cloud VR+”場景白皮書[R].2018