隨著通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，特別是智能手機(jī)的普及以及 4G、5G 移動(dòng)通信技術(shù)的成熟與發(fā)展，視頻聊天、視頻游戲等多樣化的視頻娛樂方式層出不窮，普通用戶對(duì)視頻的消費(fèi)需求也在不斷增長。2018 年思科 CISCO《視覺網(wǎng)絡(luò)指數(shù)》報(bào)告預(yù)測，到 2022 年，82% 的互聯(lián)網(wǎng)流量將由視頻創(chuàng)造。

除了日常生活中的娛樂交流用途之外，視頻也正在更多行業(yè)場景中大顯身手。比如，以視頻技術(shù)為核心的安防領(lǐng)域、智能工廠中對(duì)工人行為的視頻監(jiān)控與識(shí)別、輔助與自動(dòng)駕駛中通過攝像頭記錄視頻畫面實(shí)時(shí)檢測環(huán)境、以及近年來越來越多明星也下場參與的視頻直播營銷，等等。與此同時(shí)，隨著 AI 領(lǐng)域計(jì)算機(jī)視覺（CV）技術(shù)的蓬勃發(fā)展，CV + 視頻的技術(shù)組合將會(huì)在越來越多的應(yīng)用場景中發(fā)揮不可或缺的作用。

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然而，海量的視頻數(shù)據(jù)對(duì)視頻的傳輸、存儲(chǔ)和其他處理帶來了巨大的挑戰(zhàn)。視頻壓縮、編解碼等視頻處理技術(shù)也就變得至關(guān)重要。在觀看視頻時(shí)，用戶想要體驗(yàn)更高的畫質(zhì)和流暢度，這些都依托更高效的視頻處理技術(shù)。多年來，計(jì)算機(jī)中視頻解碼的工作多由 CPU 來完成，這種方式易于使用但效率算不上很高。利用 GPU 解碼視頻是另一種選擇。隨著短視頻等應(yīng)用的興起，在手機(jī)等移動(dòng)端借助專用解碼單元進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻解碼也成為了一種新的發(fā)展方向，對(duì)于視頻直播等實(shí)時(shí)性視頻服務(wù)具有重要意義。

與此同時(shí)，隨著 AI 領(lǐng)域深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，越來越多的企業(yè)探索如何使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)賦能自身產(chǎn)品。高通驍龍 SoC 中的 AI 引擎就充分融入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能力，其中的硬件組件 Hexagon 向量處理器支持 8 位定點(diǎn)加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，軟件組件驍龍神經(jīng)處理（SNP）SDK 支持 CNN、LSTM 與自定義層。

旗艦 SoC 驍龍 888 集成的第六代高通 AI 引擎更是實(shí)現(xiàn)了 26 TOPS 的 AI 算力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理 SDK 帶來一系列改進(jìn)，增加了對(duì) RNN 模型的支持，助力手機(jī)端側(cè) AI 性能提升至了全新水平。

那么，有沒有可能將 AI 引擎蘊(yùn)含的巨大算力更廣泛、更深入地應(yīng)用于視頻領(lǐng)域呢？最近，高通就在這方面做了更多的嘗試，利用驍龍 888 內(nèi)置的 AI 引擎和 CPU 進(jìn)行視頻解碼。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)視頻解碼效果還不錯(cuò)。

高通 AI 研究院的新工作，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界首款在商用智能手機(jī)端實(shí)時(shí)運(yùn)行、基于軟硬件結(jié)合的神經(jīng)視頻解碼器，在接近 720p HD 分辨率的視頻上實(shí)現(xiàn)了 30 fps 以上的實(shí)時(shí)解碼。

從軟 / 硬解碼到 AI 神經(jīng)視頻解碼

作為一項(xiàng)重要的視頻處理技術(shù)，視頻編解碼廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)與廣播電視領(lǐng)域，并催生了網(wǎng)絡(luò)電視、廣播電視、數(shù)字影院、遠(yuǎn)程教育和會(huì)議電視等一系列實(shí)際應(yīng)用。

就主要作用而言，視頻編解碼技術(shù)是在可用的計(jì)算資源內(nèi)，追求盡可能高的視頻重建質(zhì)量和盡可能高的壓縮比，以達(dá)到帶寬和存儲(chǔ)容量的要求。視頻編解碼器則是一種能夠?qū)?shù)字視頻進(jìn)行壓縮或者解壓縮的程序或者設(shè)備。

很長時(shí)間以來，基于 CPU 的軟件編解碼技術(shù)（也稱軟解碼）一直主導(dǎo)著市場，如英特爾內(nèi)置于其 CPU 中的視頻編解碼引擎以及開源軟件 FFmpeg 中的 libavcodec 解碼器，雖然易于使用，但會(huì)占用 CPU 資源，提升功耗，編解碼效率不高，容易出現(xiàn)卡頓、花屏等異常，影響其他應(yīng)用的正常運(yùn)行。

因此，利用 GPU 或者專用處理器來對(duì)視頻進(jìn)行編解碼（也稱硬解碼）成為另一種選擇，如英偉達(dá)推出的基于 GPU 的硬件解碼器模塊 NvCodec，不僅可以實(shí)現(xiàn)良好的編碼性能，而且使用顯卡編碼不會(huì)占用太多系統(tǒng)資源，也就不會(huì)影響應(yīng)用的使用性能。

但是，日益增長的視頻消費(fèi)需求對(duì)未來的視頻編解碼器提出了更高的要求，應(yīng)該具備以下功能：

• 比特率和感知質(zhì)量指標(biāo)的直接優(yōu)化
• 簡化的編解碼器開發(fā)
• 內(nèi)在的大規(guī)模并行性
• 高效執(zhí)行和更新已部署硬件的能力
• 可下載的編解碼器更新

隨著深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）技術(shù)的顯著進(jìn)步及其在計(jì)算機(jī)視覺和通信系統(tǒng)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻編解碼器有可能提供所有上述期望的功能。具體來說，這類視頻編解碼器不僅可以在為其他 AI 應(yīng)用開發(fā)的 AI 硬件加速器上運(yùn)行，還能實(shí)現(xiàn)更高效的熵編碼并行化。

在這種潛力的驅(qū)動(dòng)下，過去幾年神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)視頻編解碼器成為了研究熱門，如 2017 年谷歌提出的 Hyperprior 自編碼器、18 年上海交通大學(xué)等機(jī)構(gòu)提出的端到端深度視頻壓縮（Deep Video Compression ）框架以及 2020 年谷歌研究院感知團(tuán)隊(duì)提出的用于端到端優(yōu)化視頻壓縮的擴(kuò)展空間流（Scale-Space Flow）。這類神經(jīng)視頻編解碼器展現(xiàn)出了令人矚目的壓縮性能，并縮小了與傳統(tǒng)編解碼器之間的差距。

基于 AI 的壓縮具有絕對(duì)優(yōu)勢。

但還應(yīng)看到，將 AI 研究從實(shí)驗(yàn)室?guī)У綄?shí)際應(yīng)用場景往往并不容易。這也意味著，神經(jīng)視頻編解碼器的實(shí)際部署面臨著很大的挑戰(zhàn)。大多數(shù)相關(guān)研究利用具有浮點(diǎn)計(jì)算的壁式驅(qū)動(dòng)的高端 GPU，并且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)往往沒有針對(duì)快速推理進(jìn)行優(yōu)化。因此，對(duì)于具有固定計(jì)算、功率和溫度約束的移動(dòng)設(shè)備而言，在這類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解碼器模型上運(yùn)行實(shí)時(shí)推理不切實(shí)際或不可行。

在驍龍 888 SoC 的商用智能手機(jī)上，高通 AI 研究院在基于軟硬件結(jié)合的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)視頻解碼器方面實(shí)現(xiàn)了新的突破。

利用驍龍 888 的 CPU 和 AI 引擎，實(shí)現(xiàn) 30+fps 的高清視頻解碼

憑借在節(jié)能 AI 方面的專業(yè)知識(shí)以及驍龍 888 平臺(tái)的強(qiáng)大 AI 算力，高通在商用智能手機(jī)上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)幀內(nèi)神經(jīng)視頻編碼。高效率視頻編碼（HEVC）中的幀內(nèi)編碼可以視為高端視頻編碼（AVC）的擴(kuò)展，它們利用空間上的取樣預(yù)測來編碼。幀內(nèi)編碼過程與幀間編碼共用部分的處理步驟包含轉(zhuǎn)換、量化、熵編碼等。為此，高通 AI 研究院在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化：

重新設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以降低復(fù)雜度；

在 AI 推理引擎上量化和加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；

利用并行熵編碼。

基于以上幾個(gè)方面的優(yōu)化，高通利用驍龍 888 移動(dòng)平臺(tái)上的 CPU 和 AI 引擎，開發(fā)出了一種基于軟硬件結(jié)合的神經(jīng)視頻解碼器，以超過 30fps 的速度解碼了分辨率 1280×704 的高清視頻，并且無需視頻解碼單元的任何幫助。驍龍 888 集成第六代高通 AI 引擎，作為一整套處理器協(xié)作系統(tǒng)，這代 AI 引擎包含了重新設(shè)計(jì)的 Hexagon 780 處理器，將 AI 全方位賦能極速通信、專業(yè)影像、游戲體驗(yàn)等諸多方面。

具有高效解碼性能的 8 比特模型

解碼器架構(gòu)優(yōu)化、并行熵解碼（PEC）和 AIMET 量化感知訓(xùn)練是高通 AI 研究院實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)端高效神經(jīng)編碼的三個(gè)重要步驟。

第一步，基于一個(gè) SOTA 幀對(duì)壓縮網(wǎng)絡(luò)，通過剪枝通道和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)操作實(shí)現(xiàn)了解碼器架構(gòu)優(yōu)化，依靠驍龍 888 內(nèi)置的 AI 引擎進(jìn)行加速，降低了計(jì)算復(fù)雜度。

第二步，創(chuàng)建一種快速并行化熵解碼（fast parallel entropy decoding）算法。該算法可以利用數(shù)據(jù)級(jí)和線程級(jí)并行化，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的熵編碼吞吐量。在高通的方案中，驍龍 888 的 CPU 用來處理并行熵解碼。

第三步，優(yōu)化后模型的權(quán)重和激活量化至 8 比特，然后通過量化感知訓(xùn)練來恢復(fù)速率失真帶來的損失。這里用到了高通創(chuàng)新中心開源的 AI 模型效率工具包（AI Model Efficiency Toolkit, AIMET），該工具于 2020 年 5 月推出并開源，是一個(gè)支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練的高級(jí)量化和壓縮技術(shù)的庫。

通過這三個(gè)步驟，高通 AI 研究院構(gòu)建了一個(gè)具有高效解碼性能的 8 比特模型（8-bit model）。

AI 解碼的效果

在 Demo 設(shè)置中，高通 AI 研究院選取了分辨率為 1280×704（接近 720p HD）的視頻，通過離線運(yùn)行解碼器網(wǎng)絡(luò)和熵解碼生成壓縮的比特流。接著，壓縮的比特流通過驍龍 888 移動(dòng)設(shè)備（商用智能手機(jī)）上運(yùn)行的并行熵解碼和解碼器網(wǎng)絡(luò)來處理，其中并行熵解碼在 CPU 上運(yùn)行，解碼器網(wǎng)絡(luò)在第六代高通 AI 引擎進(jìn)行加速。

最終，高通 AI 研究院得到了一個(gè)神經(jīng)解碼算法，在 1280×704 分辨率的視頻中實(shí)現(xiàn)了每秒 30 幀以上的解碼速度。如下為商用智能手機(jī)上神經(jīng)視頻解碼的動(dòng)態(tài)演示，右上角為視頻解碼速度（Speed）和同一視頻幀內(nèi)的迭代次數(shù)（Loop），右邊為運(yùn)行時(shí)平均比特率（Bit Rate）和視頻每幀圖像中每單位像素的平均碼流（Bits per Pixel per Frame, BPF）。

在 Demo 演示中，視頻和解碼參數(shù)被設(shè)置為高質(zhì)量，并選取了一系列具有挑戰(zhàn)性和精細(xì)紋理的自然場景。在實(shí)現(xiàn) 30 幀以上解碼速度的同時(shí)，豐富的視覺結(jié)構(gòu)和紋理都借助神經(jīng)解碼網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確地保留了下來，實(shí)現(xiàn)了非常好的場景重現(xiàn)。比特率符合全幀內(nèi)（all-intra）配置和選取的質(zhì)量，表明這一神經(jīng)視頻解碼器能夠支持高質(zhì)量視頻流所需的數(shù)據(jù)吞吐量。

由于基于 AI 的編解碼器可以生成比特流中沒有的視覺細(xì)節(jié)，因此與傳統(tǒng)編解碼器相比，相同或更高質(zhì)量視頻的比特率應(yīng)該會(huì)低一些。這也意味著視頻編解碼器將變成軟硬件結(jié)合驅(qū)動(dòng)的，任何新的編解碼器都可以由 SoC 中的 CPU 和內(nèi)置 AI 加速器處理，只要它們足夠強(qiáng)大。

目前，這一神經(jīng)視頻解碼器只支持幀內(nèi)解碼，這意味著每幀視頻都是獨(dú)立解碼，不需要像其他視頻編解碼器那樣考慮幀之間的微小變化。據(jù)悉，高通還將繼續(xù)致力于研究移動(dòng)設(shè)備上實(shí)時(shí)運(yùn)行的幀間視頻解碼。

就此項(xiàng)研究的意義而言，雖然在驍龍 888 SoC 上實(shí)現(xiàn) 30 fps + 高清視頻實(shí)時(shí)解碼依然有提升的空間，但手機(jī)端側(cè) AI 算力和影像能力的釋放，能夠?yàn)槭謾C(jī)用戶帶來更豐富的視頻應(yīng)用以及更清晰流暢的觀看體驗(yàn)。比如近期最新發(fā)布的驍龍 888 Plus 移動(dòng)平臺(tái)，雖然僅僅是在驍龍 888 基礎(chǔ)上做出了部分升級(jí)，但其 AI 算力已經(jīng)達(dá)到了驚人的 32TOPS，進(jìn)一步大幅度升級(jí)；再加上高通接下來的持續(xù)深入研究，可以預(yù)見的是，AI 的高清視頻實(shí)時(shí)解碼能力將很快進(jìn)一步提升。

除了手機(jī)平臺(tái)之外，高通也已將 AI 處理視頻的各項(xiàng)能力引入了 PC、XR 和汽車等其他應(yīng)用平臺(tái)。比如全球首款 5G 擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)平臺(tái)驍龍 XR2 的 AI 性能相較初代 XR 提升了 11 倍，大幅提升了視頻處理能力；PC 端的第二代驍龍 8cx 5G 計(jì)算平臺(tái)中，AI 能力加持的 Spectra ISP 支持了 4K HDR 品質(zhì)的視頻拍攝和背景虛化；第 4 代驍龍汽車數(shù)字座駕平臺(tái)，增強(qiáng)了圖形圖像、計(jì)算機(jī)視覺和 AI 等功能，可以為駕乘者提供更智能和舒適的視頻服務(wù)等體驗(yàn)。

因此，從更大的視角來看，利用 AI 算力進(jìn)行視頻處理代表了未來的一個(gè)發(fā)展方向，也勢必會(huì)賦能更多應(yīng)用場景。