从一片空白到国际领先4K超高清这样“淬炼”而成——记国家技术发明一等奖超高清视频多态基元编解码关键技术

文／刘 垠

说到4K超高清、精彩赛事连连看，你会想到什么？

10月25日，中央广播电视总台央视奥林匹克频道（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。这背后，离不开我国自主研制的数字视音频编解码技术标准化（AVS）的强劲支撑。

11月3日，2020年度国家科学技术奖励大会在京召开，中国工程院院士、北京大学教授高文站在了人民大会堂领奖台，代表超高清视频多态基元编解码关键技术研发团队接过国家技术发明奖一等奖荣誉。

研究团队发明了帧块-像素多尺度基元递进编码方法，突破了传统编码的效率提升瓶颈；自主研制了超高清视频解码芯片架构，国际上首次发布8K@120P的超高清解码芯片；主导制定我国超高清视频编码标准GBT33475.2-2016，被采纳为国际标准，打破了我国视频编码核心专利空心化局面……

这项看起来颇为高深的项目，从技术到应用的完整产业链是怎样“淬炼”而成？

打破僵局 从编解码关键技术突围

所谓超高清视频，是具有4K或8K分辨率，符合高帧率、宽色域、高位深、高动态范围等五维信息体系的新一代视频，是继数字化、高清化之后的新一轮重大技术革新。

“我们做的编解码技术，就是把电视台的节目编码后，压缩到原来的几十分之一甚至几百分之一，通过网络传输到千家万户的电视。”大会召开前，高文接受集体采访时说，高效编码很重要，关系到如实把节目还原到电视机终端。

高文举例说，就像你在商场看到了一个漂亮的鱼缸，你想把它带回家，一个办法是把鱼缸连同水和鱼都带走，但所需成本、风险较大。另一种办法，是留最少的水，把鱼缸运到家里后再灌上水。

“我们做的超高清视频多态基元编解码关键技术，是超高清视频产业链的基础核心，贯穿内容生产、网络传输和终端显示三大环节。”高文解释说，如果把网络传输比作“抽水”的过程，终端显示就是“灌水”的过程。其中的技术挑战，就是要弄明白哪些是水、哪些是鱼，哪些有用哪些没用，这需要算法加持。

遗憾的是，我国在视频编解码标准技术方面的研究起步较晚，核心技术曾长期被国外把控，造成产业受制于人。

“像电视和机顶盒中很关键的芯片，芯片里面的算法在2000年前基本上全被国外把持，我们只能做简单的装配。”说到底层的算法，高文的回忆回溯到20年前。

2002年，中国生产的一批DVD机去欧洲参展时，一入关就被专利警察没收，让出具缴纳知识产权费用的证明。当时的海运滞仓费，比要缴纳的知识产权费用还要贵，两项费用都付不起，中国DVD企业就把这些集装箱扔到了海里。

这一事件造成中国DVD产业一蹶不振。当年底，原信息产业部科技司发文正式成立数字视音频编解码技术标准化工作组，高文出任组长，我国自主知识产权的编码技术标准新篇章就此开启。

“多年持续科研攻关，我们把理论算法变成技术标准，把标准做到了芯片和终端里，最后推动大规模系统应用。”对于完整技术产业链的形成，高文一言以蔽之。

十年攻关 打造超高清视频完整产业链

自2008年起，互联网时代带来的视频数据急剧增长，更高分辨率的视频成为新的需求趋势，也对编码性能和压缩效率提出新挑战。

为此，北京大学和相关企业和科研单位在973计划、国家自然基金创新群体等国家重点项目的持续支持下，历经十余年科研攻关，构建了具备自主知识产权的超高清视频编解码完整技术体系。

高文回忆中，不管是技术突破还是标准制定，三月一大吵的场面少不了。而在技术落地过程中，科研团队要考虑用户体验，也要考量成本。

“从2k到4K再到8K视频，项目组不断面临技术的‘天花板’，目前8K视频基本在技术上做到了极限。”他说，每往上增加一个复杂度，数据量也随之翻几番，但成本并不是每次都会相应增加，这需要技术上克服很多问题，把成本压下来。

十多年来，就是在一场场脸红脖子粗的争论中，真理越辩越明。

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采纳为国际标准；2019年，我国率先发布面向8K超高清的新一代编码标准，开启了视频编码标准领先国际发展新纪元。

在引领编解码标准技术的同时，项目发明技术也成功落地芯片产品。2006年，我国编解码芯片出货量占比仅为1%；10年后，这一数字已提至62%。2019年，海思全球首发基于AVS3标准的8K-120帧率超高清解码芯片，引领了新一轮编解码芯片产业升级，开创了我国超高清视频产业全球领先发展的新局面。

经过十余年努力，高文带领项目组建立了从技术标准到芯片终端，再到系统应用的超高清视频完整产业链，在广播电视、终端制造、互联网等领域得到广泛应用。

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。

“目前，高清视频产业在诸多领域产生了重大影响，包括智能交通、智慧医疗等。”中国工程院院士丁文华认为，可以预见的是，未来超高清与5G协同的发展，将成为我国数字新基建的核心引擎。