從一片空白到國際領(lǐng)先4K超高清這樣“淬煉”而成
——記國家技術(shù)發(fā)明一等獎超高清視頻多態(tài)基元編解碼關(guān)鍵技術(shù)

文／劉 垠

說到4K超高清、精彩賽事連連看，你會想到什么？

10月25日，中央廣播電視總臺央視奧林匹克頻道（CCTV-16）開播上線，這是國際上首個以4K超高清和高清標準24小時上星同步播出的專業(yè)體育頻道。這背后，離不開我國自主研制的數(shù)字視音頻編解碼技術(shù)標準化（AVS）的強勁支撐。

11月3日，2020年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會在京召開，中國工程院院士、北京大學(xué)教授高文站在了人民大會堂領(lǐng)獎臺，代表超高清視頻多態(tài)基元編解碼關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)團隊接過國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎榮譽。

研究團隊發(fā)明了幀塊-像素多尺度基元遞進編碼方法，突破了傳統(tǒng)編碼的效率提升瓶頸；自主研制了超高清視頻解碼芯片架構(gòu)，國際上首次發(fā)布8K@120P的超高清解碼芯片；主導(dǎo)制定我國超高清視頻編碼標準GBT33475.2-2016，被采納為國際標準，打破了我國視頻編碼核心專利空心化局面……

這項看起來頗為高深的項目，從技術(shù)到應(yīng)用的完整產(chǎn)業(yè)鏈是怎樣“淬煉”而成？

打破僵局 從編解碼關(guān)鍵技術(shù)突圍

所謂超高清視頻，是具有4K或8K分辨率，符合高幀率、寬色域、高位深、高動態(tài)范圍等五維信息體系的新一代視頻，是繼數(shù)字化、高清化之后的新一輪重大技術(shù)革新。

“我們做的編解碼技術(shù)，就是把電視臺的節(jié)目編碼后，壓縮到原來的幾十分之一甚至幾百分之一，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)角Ъ胰f戶的電視。”大會召開前，高文接受集體采訪時說，高效編碼很重要，關(guān)系到如實把節(jié)目還原到電視機終端。

高文舉例說，就像你在商場看到了一個漂亮的魚缸，你想把它帶回家，一個辦法是把魚缸連同水和魚都帶走，但所需成本、風(fēng)險較大。另一種辦法，是留最少的水，把魚缸運到家里后再灌上水。

“我們做的超高清視頻多態(tài)基元編解碼關(guān)鍵技術(shù)，是超高清視頻產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)核心，貫穿內(nèi)容生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)傳輸和終端顯示三大環(huán)節(jié)。”高文解釋說，如果把網(wǎng)絡(luò)傳輸比作“抽水”的過程，終端顯示就是“灌水”的過程。其中的技術(shù)挑戰(zhàn)，就是要弄明白哪些是水、哪些是魚，哪些有用哪些沒用，這需要算法加持。

遺憾的是，我國在視頻編解碼標準技術(shù)方面的研究起步較晚，核心技術(shù)曾長期被國外把控，造成產(chǎn)業(yè)受制于人。

“像電視和機頂盒中很關(guān)鍵的芯片，芯片里面的算法在2000年前基本上全被國外把持，我們只能做簡單的裝配。”說到底層的算法，高文的回憶回溯到20年前。

2002年，中國生產(chǎn)的一批DVD機去歐洲參展時，一入關(guān)就被專利警察沒收，讓出具繳納知識產(chǎn)權(quán)費用的證明。當(dāng)時的海運滯倉費，比要繳納的知識產(chǎn)權(quán)費用還要貴，兩項費用都付不起，中國DVD企業(yè)就把這些集裝箱扔到了海里。

這一事件造成中國DVD產(chǎn)業(yè)一蹶不振。當(dāng)年底，原信息產(chǎn)業(yè)部科技司發(fā)文正式成立數(shù)字視音頻編解碼技術(shù)標準化工作組，高文出任組長，我國自主知識產(chǎn)權(quán)的編碼技術(shù)標準新篇章就此開啟。

“多年持續(xù)科研攻關(guān)，我們把理論算法變成技術(shù)標準，把標準做到了芯片和終端里，最后推動大規(guī)模系統(tǒng)應(yīng)用。”對于完整技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的形成，高文一言以蔽之。

十年攻關(guān) 打造超高清視頻完整產(chǎn)業(yè)鏈

自2008年起，互聯(lián)網(wǎng)時代帶來的視頻數(shù)據(jù)急劇增長，更高分辨率的視頻成為新的需求趨勢，也對編碼性能和壓縮效率提出新挑戰(zhàn)。

為此，北京大學(xué)和相關(guān)企業(yè)和科研單位在973計劃、國家自然基金創(chuàng)新群體等國家重點項目的持續(xù)支持下，歷經(jīng)十余年科研攻關(guān)，構(gòu)建了具備自主知識產(chǎn)權(quán)的超高清視頻編解碼完整技術(shù)體系。

高文回憶中，不管是技術(shù)突破還是標準制定，三月一大吵的場面少不了。而在技術(shù)落地過程中，科研團隊要考慮用戶體驗，也要考量成本。

“從2k到4K再到8K視頻，項目組不斷面臨技術(shù)的‘天花板’，目前8K視頻基本在技術(shù)上做到了極限。”他說，每往上增加一個復(fù)雜度，數(shù)據(jù)量也隨之翻幾番，但成本并不是每次都會相應(yīng)增加，這需要技術(shù)上克服很多問題，把成本壓下來。

十多年來，就是在一場場臉紅脖子粗的爭論中，真理越辯越明。

2016年5月，AVS2頒布為廣電行業(yè)標準，同年底頒布為國家標準；2018年4月，全球超高清聯(lián)盟將AVS2采納為國際標準；2019年，我國率先發(fā)布面向8K超高清的新一代編碼標準，開啟了視頻編碼標準領(lǐng)先國際發(fā)展新紀元。

在引領(lǐng)編解碼標準技術(shù)的同時，項目發(fā)明技術(shù)也成功落地芯片產(chǎn)品。2006年，我國編解碼芯片出貨量占比僅為1%；10年后，這一數(shù)字已提至62%。2019年，海思全球首發(fā)基于AVS3標準的8K-120幀率超高清解碼芯片，引領(lǐng)了新一輪編解碼芯片產(chǎn)業(yè)升級，開創(chuàng)了我國超高清視頻產(chǎn)業(yè)全球領(lǐng)先發(fā)展的新局面。

經(jīng)過十余年努力，高文帶領(lǐng)項目組建立了從技術(shù)標準到芯片終端，再到系統(tǒng)應(yīng)用的超高清視頻完整產(chǎn)業(yè)鏈，在廣播電視、終端制造、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

數(shù)據(jù)顯示，該成果已應(yīng)用到創(chuàng)維、海信、騰訊等公司產(chǎn)品中，近三年芯片銷售1.9億片，直接經(jīng)濟效益達71.09億元，拉動產(chǎn)業(yè)規(guī)模近千億。

“目前，高清視頻產(chǎn)業(yè)在諸多領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，包括智能交通、智慧醫(yī)療等。”中國工程院院士丁文華認為，可以預(yù)見的是，未來超高清與5G協(xié)同的發(fā)展，將成為我國數(shù)字新基建的核心引擎。