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AI就像一个加速器，正在渗透在多媒体应用的方方面面，改进甚至颠覆传统的图像视频处理方法。本文整理自腾讯云高级研发工程师刘兆瑞在LiveVideoStackCon 2020北京站上的演讲，将从超低码率压缩场景下AI技术在前置处理中的优化、AI技术的画质修复探索以及智能编辑场景的落地实践三个方面展开。
文 / 刘兆瑞
整理 / LiveVideoStack
大家好，首先非常荣幸有机会收到LiveVideoStack邀请来和大家分享腾讯视频云在AI视觉上的落地实践与应用，以及AI视觉泛化应用过程遇到的机遇和挑战。
首先简单做个自我介绍，加入腾讯以后，就一直在腾讯视频云工作，早先负责PSTN云通信平台，之后进行极速高清转码平台的研发工作，与此同时也针对视频的场景和特性进行编码器的优化。现在主要负责腾讯明眸（画质修复、画质增强）的研发工作，该工作与腾讯多媒体实验室联合研发，已经在腾讯视频云上得到比较好的落地与应用。
今天分享的内容更多以一个工程师的角度，和大家分享我们是如何把AI视觉真正的落地，应用在广泛、海量的视频处理过程中。所以在技术选型上，可能不会去选择目前state of the art的技术，更多会考虑模型的稳定性、泛化能力以及资源的消耗、成本。接下来的分享是我们在实际落地过程中遇到的问题、踩过的坑，以及我们的一些trick。希望能为做类似业务落地的同学提供一定的参考。
上图是腾讯视频云在直播点播媒体处理、智能编辑等方面的产品矩阵，可以看到，无论是直播、点播中应用的视频压缩和画质修复技术，还是智能编辑中应用的审核、识别、标签等技术，都离不开AI的支持。
01
极速高清，视频压缩的挑战
近年来，视频编码领域也是在飞速发展，从H264编码标准到现在的H265再到AV1。但是从实际用户的使用情况观察，目前H264标准依旧是主流，甚至90%以上的用户还在使用H264。其实，H264已经是十几年前的标准，有很多可以优化的痛点，我们希望可以结合AI技术，使H264在当前标准的基础上，获得新的编码压缩增益。
1.1 极速高清，单一视频的极致压缩
首先简单对腾讯云极速高清产品做个定义，简单而言它是一个结合了前置处理、编码器优化的整体视频压缩解决方案。给客户提供更低码率的同时，保证主观感受不变差，甚至更好的主观感受。
提到压缩肯定离不开编码器，从编码器角度来说，目前x264其实是非常成熟、优秀的编码器，但它仍然存在一定优化空间，比如x264是通用的编码器，不会针对一些垂直领域去做调优，但对于云服务的一些垂直场景，编码器内部还有很多可以调试优化的地方。在不同垂直品类的视频场景，我们在码率控制、rdo分析、deblock滤波等等编码器内部都做了新的编码工具。同时视频源的质量也是参差不齐的，所以针对不同质量的视频源会进行锐化、去噪等辅助操作。极速高清方案整体压缩下来，与普通转码相比会有额外20%-40%的码率节省。
1.2 场景分类，海量视频的分类压缩
但是对于云上业务，每天转码海量的视频，我们不可能针对每个视频tune编码特性和参数，而我们在编码器上很多优化的编码工具都是针对垂直场景，如果使用场景不匹配，会出现一定的反效果。所以针对不同场景、不同品类，和编码团队配合，更好的使用编码工具是非常有意义的一件事。
上图是一个简单的直观对比，左边两张图像使用同样的锐化强度处理，但游戏场景会有失真的情况。从编码器的对比来看，如果你使用同样crf35的编码强度去压缩，可以发现大逃杀类游戏已经产生了大量模糊，但秀场视频还能够保持不错的质量感官。
前面提到视频场景分类的必要性，我们在场景分类的模型选择上是基于CNN的，主要是考虑CNN模型已经非常成熟、稳定，同时资源的消耗也比较低，速度能够达到我们实时的需求。此外，CNN在推理过程中使用CPU就可以达到我们的要求，这也是一个非常诱人的优点，毕竟在很多情况下，GPU资源还是相对比较稀缺。
1.3 基于AI的辅助压缩
我们通过场景分类来更好的利用编码特性和工具，但我们也知道在编码中没有极限，尤其是To B服务要满足客户的各类需求。比如实际场景中的一个例子，源是非常复杂的高动态的MV类视频，需要输出720P@30fps，并且压缩到500Kbps以下，同时因为播放端等因素限制，必须使用H264编码。上图是使用x264编码器在slow复杂度下压缩出来的效果，可以看到这个压缩出来的结果还是比较差。
下面跟大家分享下，我们对于这个问题的尝试和思考过程。我们知道码率、质量和分辨率之间是有一个间隔交错的区间，也就是说在码率非常低的情况下，低分辨率的质量（视觉效果）可能会优于高分辨率。从原理上来看，低分辨率和高分辨率相比，细节信息是更少的。用低码率来压缩高分辨率视频，会出现非常多的块效应。而低分率视频对人眼的感官来说只是模糊、不够清晰。因此可以通过一些模糊、去噪的手段，主动减少一些视频细节。这样处理后，整个视频的块效应变少了，当然也会带来额外的模糊效应。从客观指标来看（PSNR、SSIM、VMAF）,各个指标都有比较大的降低，虽然主观有一定提升，但从客观指标和整体方案来看，并不完美。
首先分析下模糊方案的缺点，模糊去噪的处理过程中，并不知道编码器的倾向喜好，会按照去噪算法统一的磨平细节，而没有考虑编码过程。所以我们思考是否可以基于AI视觉的技术，做一个reduce artifact的filter。我们希望这个filter能够主动磨掉一些细节，使视频和编码器有更好的亲和性，也就是说这个视频会更容易被编码器压缩，与此同时它不会把人眼关注的、明显的边缘磨掉，也就是在保证主体清晰度的前提下，编码客观指标也不会大幅下降。我们在模型训练的过程中，引入了编码过程，shuffle后还原的图像不直接计算loss，而是进行一次视频压缩，用压缩后的图像来计算loss。低码率压缩时，先经过reduce artifact处理，再进行转码，画面的人眼感官会有一个显著的提升。
02
腾讯明眸—永恒的追求，画质提升
2.1 视频超分辨率
提到画质修复、画质增强，肯定离不开超分辨率。目前超分辨技术已经取得一定的突破，可以大规模的落地使用。其中，基于ResNet的WDSR模型目前有比较好的超分效果和稳定性。基于WDSR的视频超分有比较好的连贯性和稳定性，对每一个视频帧独立处理，连接成视频后不会有顿挫、抖动现象。
实际场景挑战 — 训练数据
在实际落地的过程中，还有很多新的问题需要关注和解决。首先训练数据非常重要，以上图为例，左边的视频已经有非常多噪点和模糊的情况，如果像实验环境下的视频一样使用无损的下采样数据进行训练，效果其实是微乎其微的。针对这样的情况，我们会把图像进行下采样，然后用比较高的CRF值（比较差的编码质量）对这个图像进行编码，这样训练数据中就有很多的噪点、伪影信息，训练出来的模型也会有比较好的去伪影能力。
海量视频的分类超分
对于云上业务来说，每天需要处理海量的视频数据。如果对一个高清晰的视频进行超分，同时超分的模型是由一个高CRF数据集训练提供，会发现超分后视频的很多细节被磨平损失，反之亦然。所以不同训练数据构造的模型与视频源之间要有一定的匹配关系。针对这种场景，我们通过CRF值来构造多种压缩强度的数据源，进而用这些数据源训练出不同强度的超分模型。当需要进行超分处理时，先使用基于CNN清晰度分类模型，对视频源进行分类，判断视频源的清晰程度，然后使用跟清晰程度匹配的超分模型来进行处理。
Y or RGB？
接下来跟大家分享下落地过程中遇到的问题。团队最开始基于Y通道进行超分，但经过一段时间的运营，发现视频源是清晰的情况下，如果单独把Y通道单独提取出来会有很多奇怪的纹理和毛刺，超分后会放大这些异常。如果基于RGB超分则不会有这样的问题。虽然Y通道有自身的缺点，但在实际的落地过程中，很多场景还是离不开基于Y通道的超分。比如直播中的 4K超分，为了保证实时性，会对一路直播流进行分布式的拆分，路由到多台GPU节点进行处理，而在分布式超分的场景中，使用Y通道传输可以节省带宽的消耗。
老片场景超分辨率：细节补足与帧间稳定性
对于一些老片的场景，基于ResNet和CNN的超分模型，虽然可以提升视频质量，但是其对视频细节的捕捉能力还不够强，上述模型可以把一个非常差的视频提升到还不错的程度，但与目前所认可的高清还有一段差距。这种老片的视频场景，可以通过GAN网络来优化，GAN网络具有比较强的细节补充能力，这种补齐比较符合人眼感官，带来视觉效果的提升。当然，GAN网络在实际落地的过程中，还有很多需要解决的问题，首要问题就是GAN的不稳定性和帧间一致性的优化。
2.2 快速、可控的色彩增强
在色彩增强方面，这里将MobileNet的特征与HSV色彩直方图相结合，作为一个融合特征去分类训练，通过这个模型来获取调整对比度、亮度和色度的参数。这样处理后的模型比较小，速度也非常快，有利于大规模落地使用；其次，它不是端到端的处理，所以整个过程是可控的，由于颜色的变换对于人眼来说是非常敏感的，因此在落地的过程中，我们也更倾向于使用中间过程可控的方式。
从上面三张图片的对比来看，足球和暗场景都会使色彩变的更加鲜艳，同时对于游戏场景，也能比较好地保证原始视频颜色的本真。
2.3 视频流畅度提升，视频插帧
最后再介绍下我们在视频插帧所做的工作。相比于光流法，落地过程中更倾向于CAIN模型结构。CAIN网络的特性在于下限很高，稳定性比较强，很少有大面积的模糊错插。当然与光流法相比，CAIN插出来的清晰度较差。场景分割也是插帧中必不可少的一项操作，对于判断出的场景分割点，可以跳过不进行插帧，避免变化太大的问题。场景分割的实现方案可以考虑移植编码器的screencut算法，其在性能和稳定性上都经过了千锤百炼的优化，适用于大规模的落地使用。
上图是我们使用插帧效果的对比，虽然手部有一定程度的模糊，但在视频播放过程中，由于前后两帧都是清晰的，考虑到视觉残留效应，这种小的模糊是完全可以接受的。
03
云端全链路视频智能生产
最后再介绍下我们在视频编辑部分所支持的一些能力。
3.1 制作云 — 从生产、编辑到消费的全链路
视频制作云，其集成了新一代的云端远程界面制作，通过超低延时协议把各地信号流传到云端进行导播，支持了在线剪辑和AI识别等处理，同时我们也为企业也提供了从生产到编辑到消费的全链路，支持一键分发到各大消息平台。
腾讯微剪，首发独创的小程序视频编辑工具，快速集成，支持音乐、滤镜等特效 。支持智能模板，根据输入素材自动视图拼接生成视频。
在直播制作方面，我们提供了云导播台。云导播台的优势就在于操作简单，功能上支持2s快速切换，直播内容无缝衔接。同时，云导播台是基于互联网的，所以非常容易支持一些互联网活动，比如支持直播过程中的实时发放红包和优惠券。
