面向沉浸式视频编码和传输的高效投影方法

王悦名　王荣刚　高文

虚拟现实（VR）是一种计算机仿真技术，它使用头戴式设备（有时与物理空间或多投影环境相结合）产生逼真的图像、声音和其他感觉，给用户提供沉浸式的体验。沉浸视频（或球面视频，全景视频）是通过全景摄像机在同一时刻捕获360°范围内的视频来获得，在观看过程中，观看者能看到全方位的视频，感受到身临其境的感觉。然而现有的编码和存储技术不支持球形视频的处理，因此球形全景视频需要投影到二维平面上进行存储和编码。

将球面全景视频映射到二维平面上方法多种多样[1]，其中最常见的投影方法是球面投影技术（ERP）[2]，但是ERP技术在高纬度区域存在很严重的过采样，因此会浪费很多传输带块。随后，等面积圆柱投影（与ERP类似，但其通过降低两极在纬度方向的采样密度是球面总体的采样密度一致）[2]、立方体投影（通过透视投影的方法，将球面投影到立方体平面上）[3]、自适应条带投影（将ERP格式的全景图像根据纬度分割成多个条带，然后根据图像内容以及条带的纬度来进行自适应的下采样）[4]、条带分割投影（将球面视频根据纬度分割成多个环带，两极投影为平面，中间的环带投影为矩形）[5]等投影方案被纷纷提出。这些投影方法可以减少全景视频的传输带宽，但是由于全景视频需要提供360°的视频内容，因此全景视频的传输带宽和播放复杂度仍然比传统视频大得多。此外，随着虚拟现实技术的视频采集设备的发展，全景视频的分辨率也提高到8K甚至更高。为了解决上述问题，IEEE 1857.9沉浸视频内容编码工作组于2015年12月5日成立，该工作组致力于制订高效的沉浸视频投影和编码方法。

IEEE1857.9工作组致力于推动用于压缩、解压缩和重建沉浸式视觉内容的高效编码工具的标准化。该标准针对的应用场景和服务对象包括但不限于VR，例如：基于无人机的VR、增强现实、全景视频和其他视频/音频驱动的服务，以及诸如沉浸式视频流、广播、存储和通信之类的应用。最近，IEEE 1857.9沉浸视频内容编码工作组拟定的标准草案即将定稿。本文对IEEE1857.9工作组采纳或研究的投影技术进行了综述。

1 全景投影技术

在众多的投影方法中，ERP投影是最常用的投影格式，但是其编码效率却非常低。为了提高VR视频的编码效率，IEEE1857.9工作组研发了一系列针对VR视频的高效投影格式，并且在标准中采纳了其中的部分投影格式。

1.1 ERP投影

最常见的全景视频的投影格式是ERP投影[2]。ERP投影根据等间隔的经度和纬度将球面投影到二维平面上，如图1所示。

ERP在VR视频中使用很广泛，但是ERP存在很多问题，比如这种投影方式会造成两极区域的过采样和失真，导致使用ERP投影得到的平面视频的编码效率很低。

1.2 多面体投影

多面体投影[6]通常通过透视投影将球面投影到外切多面体上。在IEEE1857.9工作组会议中，多种多面体投影模型被提出，包括：立方体投影、八面体投影、二十面体投影。

多面体的面越多，越接近球面，采样密度也就越均匀，多面体投影的多种投影模型如表1所示。

1.3 双极方形投影

分析发现ERP投影格式在两极区域存在较严重的过采样，而在中间区域采样密度比较均匀（但不完全均匀），针对以上特点，设计出了一种双极方形的投影格式[7]。如图2所示，双极方形投影将球面根据纬度（南北纬45°）划分为3个区域，根据等间距的经度和纬度将球的区域II投影到二维平面上（投影方法与ERP相同），并将区域I和区域III投影到由多个同心方形环组成的矩形平面中。

1.4 双环带投影

双环带投影[8]通过北纬30°和南纬30°的两条纬线将球面分成3部分。中间区域是一个环形区域，称为“环区域”；另外的两部分分别是顶区域和底区域。然后，雙环带投影进一步将环区域分成6个均匀的子区域，将顶和底区域分别分成4个子区域，球面的区域划分如图3所示。双环带投影进一步将这14个子区域投影为平面上的14个方向平面，并进一步将14个方向平面拼接成一个矩形平面。

2 非对称投影技术

在具有一对多信道和反馈信道（如直播广播系统、视频点播系统等）的应用场景中，动态流切换技术能在很大程度上减少传输带宽和播放的复杂度。在动态流切换技术中，全景视频由覆盖整个全景视频的多个主视点不同的非对称投影序列表示。根据人观看VR视频时头部转动的方向，每一时刻只传输一个主视点与当前头部朝向最接近的非对称投影序列的码流。下一时刻，如果观看者头部的转动幅度超过现有的主视点范围，服务端将传输对应主视点区域的非对称投影序列的码流到客户端。通常，全景视频的非对称投影格式的主视点区域的采样密度较高，而非主视点区域的采样密度很低，并且整个非对称投影格式的全景视频的分辨率低于全分辨率的全景视频。IEEE1857.9工作组设计了几种非对称投影格式，有效地降低了传输带宽和播放复杂度。

2.1 非对称圆形投影

非对称圆形投影（ASC）[9] 根据每个区域与主视点中心的角度将VR视频的球面划分成3个区域。如下图所示，C是主视点的中心，区域I是主视点区域，区域I与主视点中心之间的角度小于[Z1]，区域II是非主视点区域，区域和主视点中心之间的角度从[Z1]到[Z2]，区域III也是非主视点区域，区域和主视点中心之间的角度大于[Z2]。ASC将图4 a）球面上的区域I、区域II和区域III分别投影到图4 b）中的二维平面上的区域I（半径为0～ρ1）、区域II（半径为ρ1～ρ2）和区域III（半径为ρ3～0）。

ASC在主视点区域使用等积投影，以确保主视点的采样密度高且均匀；在非主要视点区域，采样密度随着区域与主视点中心角度的增加而减小。另外，主视点区域的大小是可变的，[Z1]、[Z2]和ρ1可以根据应用场景、网络状况或其他因素自定义，因此ASC投影具有很高的灵活性。endprint

2.2 等角金字塔投影

等角金字塔投影（EAP）[10]首先通过透视投影将球面投影到金字塔，然后将金字塔投影到二维平面。图5 a）是主视点中心为D时，通过透视投影将球面投影到金字塔的示意图。金字塔的底面对应于主视点区域（主视点区域的角度为θ），而金字塔的侧面对应于非主视点区域。图5 b）是展开后金字塔的示意图。图5 c）是通过将金字塔投影到二维平面的示意图。

金字塔底面对应主视点区域，EAP对金字塔的主视点区域使用等角投影；金字塔侧面对应非主视点区域，使用采样密度按梯度下降的方式投影，离主视点越远，采样密度越低。

2.3 非对称投影的自适应滤波方法

在非对称投影中，由于非主视点区域的采样密度较低，该区域产生锯齿现象。为了消除非主视点区域的锯齿现象，提出了一种用于非对称投影的自适应滤波方法[11]。该方法将非主视点区域划分为多个子区域，并对不同的子区域使用不同强度的滤波器进行滤波。

如图6所示，对于EAP，自适应滤波方法将非主视点区域划分为4个子区域 （A、B、C、D），分别对子区域A、B、C和D分别进行强滤波、中等强度滤波、弱滤波和无滤波。自适应滤波可以消除锯齿效应，降低码率。

3 不同映射格式编码效率

的测试

为了评估不同投影格式的编码效率，IEEE1857.9工作组进行了一系列的测试。

IEEE1857.9工作组使用LETIN VR[12]提供的测试序列集，其中包含8个分辨率为4 096×2 048的ERP格式的VR视频序列，4个分辨率为8 192×4 096的ERP格式的VR视频序列。测试序列的长度为300帧，其帧率为30 f/s。

实验流程如图7所述。将分辨率更高的ERP格式的原始序列作為参考基准，然后使用不同的投影格式将原始序列投影到不同的平面格式。本实验使用RD-VR16.1编码和解码不同投影格式生成的序列。最后，计算解码后的序列和原始序列之间的球面峰值信噪比（S-PSNR）值。

在实验中，将ERP格式作为实验基准。实验结果如表2所示，立方体投影、八面体投影、二十面体投影、双极方形投影和双环带投影的增益分别为：3.76%、2.93%、8.39%、11.56% 和8.61%。

对非对称投影格式的测试流程如图8所示，使用RD-VR16.1（RA的默认配置）对ERP格式的序列进行编码和解码，然后计算解码序列与原始序列之间的加窗S-PSNR。

非对称投影的实验过程如图9所示：首先将ERP格式的序列分别投影为ASC和EAP格式；然后，使用RD-VR16.1（RA的默认配置）对ASC和EAP格式的序列进行编码和解码；最后，计算解码序列与原始序列之间的加窗S-PSNR。实验参数的设置如下：ASC的分辨率为1 448×1 448，Z 1、Z 2和ρ1分别设置为45°、90°和512。EAP分辨率为2 048×1 024，θ为45°。

实验结果如表3所示。由于ASC的主视点区域是圆形的，因此添加了使用循环窗口计算加窗S-PSNR的一组数据。实验结果表明：ASC和EAP能在主视点区域实现超过50%的增益，并且EAP的BD-rate增益比ASC高出4%～10%，这主要是由于ASC存在被浪费的区域。但是ASC中的所有参数（Z 1、Z 2和θ）都是可调的，因此ASC比EAP更灵活。例如：当主视点区域设置为120°时，ASC可以实现比EAP更好的性能。另外，自适应滤波可以在EAP的基础上进一步将码率降低约11%，并且消除非主视点区域的锯齿现象。

4 结束语

IEEE1857.9工作组致力于标准化用于压缩、解压缩和重建沉浸式视觉内容的高效编码工具。该工作组已经设计了一系列针对VR视频的投影格式。被采纳的全景视频投影格式最多能节省30%的码率。此外，工作组为动态流切换应用设计了各种投影格式和自适应滤波方法，实现了70%的编码性能的增益。未来IEEE 1857.9工作组还将继续致力于沉浸式视觉内容的高效编码工具的研究，寻求新的高效的映射格式，此外还将在3D沉浸式视觉内容的映射和编码工具上投入更多的研究。

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