打破超高清视频“天花板”的“中国制造”获2020年度国家技术发明奖

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11月3日,国家科学技术奖励大会在北京召开,由中国工程院院士、北京大学教授、AVS工作组组长、鹏城实验室主任高文教授牵头,北京大学深圳研究生院、华为参与完成的“超高清视频多态基元编解码关键技术”项目,获得2020年度国家技术发明奖一等奖。

事实上,2018年我国首个超高清频道CCTV-4K开播、2021年国际首个以4K超高清和高清标准24小时上星的奥林匹克频道CCTV-16开播,都离不开这一“黑科技”的强劲支撑。2022年北京冬奥会,它还将以令观众惊艳的面孔亮相,带来前所未有的观赛体验。

困境求生,20年自主研发破解“卡脖子”难题

以超高清电视为例,现网无法实时传输6 Gbps的4K视频,该技术将数据压缩至30Mbps,传输到用户终端再解码还原,画质的损失人眼几乎无法察觉——“超高清视频多态基元编解码关键技术”是我国自主研制的数字视音频编解码技术标准化(AVS)的基础核心技术,突破了传统视频编码和计算框架,形成了完全自主的编解码技术体系。。高文院士对此曾有一个形象的比喻:“运输一个装满水和鱼的鱼缸,运输时可以仅保留最少的水,‘放水’即为‘编码’压缩,‘重新添水’为‘解码’重建。”

11月5日,记者见到了刚刚从北京返深的项目主要完成人之一、北京大学深圳研究生院王荣刚教授,他回顾了中国超高清视频技术迄今长达20年的自主探索之路。

“这项技术主要解决的是面向海量视频数据的高效压缩问题,不仅涉及视频编码算法研究、视频编解码技术,同时,还要针对超高清视频实时处理需要的超高算力进行不断优化,不断科研攻关,环环相扣缺一不可。”

“标准”就是“生态”,决定了信息传输从“源端”到“终端”的全链条技术定位、产品规格等产业生态——很长时间里,国际上采用的是欧洲、美国、日本主导的标准,我们要推出自主知识产权标准,不仅要绕过现有的西方技术壁垒,还必须解决性能提升,产品研发等难题,实现软硬件配套,才能最终应用于产业。

2002年,一批国产DVD因采用未经授权的编解码标准,在海外入关时被要求缴纳巨额知识产权费,只能被迫全部沉海丢弃,国产DVD出口也一蹶不振。痛定思痛,当年年底,高文教授即接受国家工信部委派着手组建AVS工作组。

“每年四次的工作组会议都如同大型‘吵架’现场,一吵就是一晚上,第二天开会接着吵,比谁的算法好、技术性价比高,直到达成共识——不过,真理越辩越明!20年间,工作组相继推出三代标准,第一代面向高清应用,第二代突破4K,第三代聚焦8K,中国也从跟随者走向了全球引领!”

2002年,尚在攻读博士的王荣刚加入刚刚组建的AVS工作组;2010年,王荣刚投身北京大学深圳研究生院,跟随高文院士,继续从事高清视频编解码技术攻关,如今,担任北京大学深圳研究生院数字视频编解码技术国家工程实验室交互媒体研究室负责人。王荣刚介绍,仅国家工程实验室深圳分室目前就拥有专职教师,研究人员,博士后和硕士、博士研究生科研队伍150余人……在高文院士带领下,数千名科研工作者20年来薪火相传,才凝聚为今天的成果,背后更有深圳市孔雀创新团队、国家自然科学基金委和科技部等项目的大力支持。

扬帆奋进,让中国超高清电视频道用上“中国造”

中央电视台拟在2018年国庆节上马国内首个4K高清电视频道——得知消息,工作组的师生们倍感振奋,然而,压力随之袭来。虽然,4K编码的算法问题早在2014年前就已取得阶段突破,但从算法到落地实际应用还有很长的路要走。直到2014年,编解码技术在实时计算层面的问题依然没有攻克,一度打击了团队信心。团队又继续埋头苦干,历时4年,研发了上百个快速算法,同时和华为等合作伙伴密切配合研发实时解码芯片,终于在2018年国庆前,研发成功基于自主标准的超高清实时编解码器,实现了计算架构突破。

“大家都憋着一股劲儿,得让中国的超高清电视频道用上‘中国造’!”突破传统视频编码和计算框架,形成完全自主的编解码技术体系,主导制定超高清视频编码标准GB/T 33475.2-2016等系列标准;2016年5月,AVS2颁布为广电行业标准,同年底颁布为国家标准;2018年4月,全球超高清联盟将AVS2采纳为国际通用格式……

2018年国庆节,使用自主研发技术的我国首个超高清频道央视CCTV-4K顺利开播;今年10月25日,央视奥林匹克频道CCTV-16开播上线,这是国际上首个以4K超高清和高清标准24小时上星同步播出的专业体育频道……

2019年,我国率先发布面向8K超高清的新一代编码标准AVS3,开启了视频编码标准领先国际发展新纪元;同时,华为海思在全球首次发布的8K-120P超高清解码芯片,引领了新一轮编解码芯片产业升级,构建出“技术标准-芯片终端-系统应用”的完整8K产业链,开创了我国8K超高清视频产业全球领先发展的新局面。

数据显示,该成果已应用到创维、海信、腾讯等公司产品中,近三年芯片销售1.9亿片,直接经济效益达71.09亿元,拉动产业规模近千亿。

走向先导,北京冬奥会将实现全球首次8K交互视频直播

北大深圳研究生院数字视频编解码技术国家工程实验室深圳分室位于深圳大学城北大校区内,走廊里,一块质朴的牌匾低调地挂在门口,再无其他修饰。这里拥有近500平方米的洁净实验室,拥有各类高性能3D和影视平台仪器,如:高性能大容量服务器,影视级摄像机阵列,专业显示设备包括3D电视、3D监视器、VR头显等众多设备在内的“虚拟现实影像演示平台”,记者到访时,虽已近晚餐时间,然而,实验室内忙碌的数十位师生却丝毫没有暂停的迹象。

“主要成员近3年内在顶级期刊和国际会议发表相关高水平论文100余篇,申请/授权国内外发明专利100余项,一些成果已经被华为、腾讯、创维、华星广电等企业采用和转化。”王荣刚指着实验室一角的机房告诉记者,研究中,每一项技术难点都要拆分成十几个、近百个环节,逐一突破,最开始编码一路超高清信号需要十几台机器,直到后来,在华为鲲鹏服务器的支持下,只需一台机器就可以实现。

“2022年北京冬奥会,你想怎么看?”在办公室里,王荣刚给记者展示了基于8K技术的VR眼镜,戴上眼镜记者一秒置身赛场:此刻赛事正酣,选手的剑拔弩张,观众席上的欢呼声、掌声,裁判的动向一丝一毫皆入眼底。更妙的是,它带来的是一个自由视点的视频交互体验,即,观众处在可自选角度、自选位置、360度无死角的“上帝视角”,观赛视角不再由导播决定,自己即可移步换景!据透露,在该技术支持下,2022年北京冬奥会将成为全球首个可以实现交互式超清晰虚拟现实和自由视点视频直播的盛会。

超高清视频是继视频数字化、高清化之后的新一轮重大技术革新。王荣刚表示,“元宇宙时代已经开启,该技术与5G、虚拟现实技术结合,可以在很多领域获得应用,不限于广播电视,还可以在交通、医疗、工业互联网等众多领域,为数字经济时代的新发展强力赋能。该成果也是项目组献给北京大学深圳研究生院成立20周年的贺礼,祝愿北京大学和深圳市政府的合作在新的起点上不断取得新突破!”

(原标题《2020年度国家技术发明奖一等奖 | 中国自主“黑科技”捅破高清视频“天花板”》)

(作者:深圳特区报记者 李丽)

编辑 周梦璇 审读 韩绍俊 审核 党毅浩

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