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微帧Film Grain编码技术,致敬电影胶片颗粒的独特魅力
2021-11-03
“胶片成像的颗粒感,是数字影像无法复制的独特魅力。”著名导演克里斯托弗·诺兰在《信条》上映时表示。作为胶片电影的忠实追随者,自处女作起,诺兰每一部影片都采用胶片进行拍摄,其中包括《星际穿越》《盗梦空间》等风靡全球的著作。

诺兰导演口中的“胶片成像的颗粒感”,正是本文要讨论的Film Grain(胶片颗粒)。

为何Film Grain作为一种噪声,却能得到大量导演和观众的喜爱?其实是因为在某些特定的非线性系统中,噪声的存在能够增强微弱信号的检测能力,这种现象就称为随机共振。而在图像系统中,在一定噪声(如Film Grain)强度条件下,图像视觉质量可以达到更优的效果。

因此,Film Grain作为影视创作意图的一部分,在对视频进行编码时,有效保留Film Grain是非常重要的。

但Film Grain作为图像噪声,分布和大小都不规则,具有随机性。Film Grain的随机性使得传统编码技术难以有效压缩,同时也使得预测变得非常困难,运动估计的精度也会降低。

就此,微帧科技在微帧Aurora AV1基础上研发了Film Grain编码技术,此技术已成功应用于某知名PGC视频平台,并获得了客户及平台用户的认可。

使用AV1能更高效地保留与合成Film Grain。因为传统视频标准在制定时,并没有将Film Grain加进标准,运用传统编码方式对视频编码,容易造成grain分布不均匀、保留不完整等问题。而AV1在制定时就把Film Grain处理工具加进了标准,对于Film Grain编码和解码的支持度更高。

与开源libaom相比,微帧Aurora-AV1的优势在于编码速度更快、效率更高,其次是能支持10bit Film Grain的去噪处理;并且,在开源libaom编码器上保留grain容易出现明显的banding,微帧Aurora-AV1的自适应量化模式也能更好的避免这种情况。

针对不同类型的grain,微帧科技采用Aurora-AV1视频编码器进行了3个方向的尝试:去噪+合成(Grain Synthesis)、直接保留(Grain Preservation)、保留+合成(Preservation+Synthesis)

右边为微帧编码合成的grain

01、去噪+合成(Grain Synthesis)

Grain Synthesis是通过去噪处理去除视频中的grain,并估计出grain参数,这些参数将随压缩视频流一起发送至解码器,解码后,再将grain合成并添加到重建的视频帧中。


此方法有助于保存已编码视频的grain外观,与直接对grain进行编码比,能保持更低的码率。

但Grain Synthesis的缺点在于:合成过程中的第一步需要生成一个64x64的模板,之后随机从模板中选取一个32x32的块。在选取的时候,x,、y的坐标需要小于32,导致相邻块选取的32x32块会有重叠,且朝向一致,在grain强的序列中的平坦区域非常容易产生pattern,以及明显的artifacts。

就此问题,微帧的解决方法是:选取grain的种子,只采用pattern没那么明显的种子进行合成。

02、直接保留(Grain Preservation)

若源视频中的Film Grain是未经压缩的,可以用AV1 Film Grain工具进行重建;但对于已被转码压缩的视频,则很难重建。因为grain经过压缩后,会出现低频分量,产生一定的pattern,这些很难用AR model完全表示出来。因此,对于明显有低频分量的grain pattern,需要通过直接编码的方式进行保留。

除此之外,对于grain比较细的序列,采用直接保留grain的方式,能让grain保留的更均匀,也能保证更好的清晰度,使得在无grain artifact的同时生成较好的grain视频。

值得一提的是,采用微帧Aurora-AV1直接编码保留grain,能够抑制grain不一致和不同帧清晰度不一致的现象,这是普通AV1编码器目前所达不到的。

03、保留+合成(Preservation+Synthesis)

编码过程中还会遇到同一帧grain分布非常不均匀的情况,比如上半部分有grain,下半部分没有grain,这种情况不能依赖Grain Synthesis的方法,因为标准全图都为同一种grain model。直接编码的方式则可能会出现grain保留不完整、不一致等情况。

对于类似这种复杂的grain,微帧采用的方法是:将grain分解,针对难以用Grain Synthesis标准生成的grain,直接依赖编码器进行编码;针对Grain Synthesis标准比较好生成的grain,采用标准生成grain,如高频的高斯噪声部分则可以采用Grain Synthesis来合成。


Preservation+Synthesis的方式能解决Grain Synthesis的局限性,重现比较复杂pattern的grain。同时,增加了grain合成的方式会比直接编码的方法,能保留更多的细小的grain。