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武漢全景制作公司分享:《全景看冬奧》VR科技是如何煉成的?

作者: 發布時間:2022-02-22 11:10:46點擊:12924

  北京冬奧會期間,央視網及央視影音APP端推出了《全景看冬奧》VR觀賽產品,VR直、點播系統7x24小時不間斷運轉,為大家帶來了全景180度官方視角的冬奧精彩賽事。

  科技的背后有哪些創新?使用了哪些新技術?觀看本文,我們來一起“漲姿勢”吧。

  2022北京冬奧會賽事期間,技術部署上,采用了央視網自主研發的VR視頻生產、轉碼、傳輸加密以及VR播放器,以上幾項技術在自主研發的基礎上均體現了行業先進水平,同時實現同步融入多項自主創新成果 ,極大地改善了新媒體視頻用戶在高速網絡環境下的視覺體驗。

  該系統在技術部署上采用了央視網自主研發的VR視頻生產、轉碼、傳輸加密和VR播放器,以上幾項技術在自主研發的基礎上均體現了行業先進水平,并且能夠同步融入多項自主創新成果。無論是VR視頻的清晰度、帶寬節省領域,還是VR播放器的視覺體驗、交互性,例如數字變焦,方向雷達等,都給用戶帶來了前所未有的冬奧官網VR視覺盛宴。

  下文從VR直、點播生產轉碼及播放器等幾個方面介紹央視網本屆冬奧會VR技術系統的情況。

  一、VR視頻直點播節目制作生產

  該模塊采用可控的自研技術,既與國際先進技術接軌,又進行了針對性的自主創新。

  1.先進、強大的VR視頻貼圖技術

  在VR視頻編碼方面,支持國際上通用的ERP和Fisheye等多種輸入格式,并為這幾種輸入格式分別制定了響應生產策略,360°視頻采用EAP(equi-angularpyramid)貼圖技術進行轉碼生產,以保證360°范圍內的視角等密度回放,而對于180°的Fisheye,我們采用了自行研發的EAP等角金字塔貼圖進行轉碼及回放。

  常用的VR貼圖有ERP、CUBMAP、EAC、TSP、FISHEYE等方式,它們各有其優點。如ERP貼圖方式簡單,計算快,但是存儲所需的空間大,不利于存儲和傳輸。TSP貼圖方式對于需要突出正面的VR效果比較好,但存在中心與邊沿點明顯的分辨率差異。EAC貼圖方式對圖像邊沿清晰度改善效果更優,但是計算復雜度相對ERP等來說要求要高,同時,它對于本屆冬奧最大量的180(180°)魚眼源來說,后半球浪費碼率的情況非常突出。如何既提高計算速度,又達到實時直播的轉碼需求成了我們必須解決的難點。

  在2022北京冬奧會VR的直、點播中,針對源是4K超高清180°的FISHEYE貼圖方式,我們采用了自主研發的EAP貼圖方式,它結合了TSP和EAC的優點,并融入了自主推導的側邊投影算法,使得VR正投影面相比其它貼圖算法,在清晰度上得到了進一步提高。我們通過貼圖轉換,二次編碼,并加入自主極速高清編碼優化,使得輸出的2K(2880x1440)視頻與4K源的清晰度一致,但節約碼率一倍以上,實現了僅使用傳統碼率的一半,即可達到與傳統方式一樣的清晰度。

  2.靈活、可控的VR視頻生產調度系統

  為了滿足北京冬奧4K 180°VR視頻生產需求,北京即刻生產系統與無錫視頻生產系統通力配合,仔細核對生產需求,提供多種生產方案,最終采用由無錫通過專線將VR視頻傳輸到北京生產存儲系統,北京即刻系統開發接口接收視頻基本信息和編目(編碼)信息,最終進入即刻轉碼能力池進行VR視頻轉碼。為了提升VR視頻的轉碼效率,新增4臺高性能轉碼服務器,VR視頻編碼采用最新自主研發的EAP貼圖方式,為了進一步提高轉碼速度,以適應大量節目轉碼制作和直播實時轉碼需求,我們采用SIMD、預查表等優化方式,并行算法等對貼圖計算進行了優化,將VR視頻的生產效率提升了7-8倍,完全達到了本屆冬奧會大量VR視頻的正常制作要求。VR視頻生產流程如圖1所示:

圖1 VR視頻生產流程圖

  二、VR直播中心及版權保護

  本屆冬奧對版權要求非常嚴格,包含了對播放終端、地域及播放時間三個維度進行版權保護限制。除此之外,為了保證直播流的高可用性,避免單點故障引起的大范圍停播事件,我們基于最新建設的分布式直播中心(如圖2所示),構建了本屆冬奧VR直播調度及版權保護系統。同時采用主、備流接入及調度系統,實現主備流無縫切換,即單路流故障,系統自動切換到備用流,但用戶對此無感知。由于本屆冬奧對版權的嚴格控制,我們使用ChinaDRM標準與自主CDRM對視頻流版權進行保護,并實現兩種模式的動態切換,以加固版權的保護。運營策略上,對視頻流采用一對一、一對多的調度,實現同一路流對不同客戶的分銷策略。采用子矩陣劃分來實現業務邏輯清晰劃分等。巧妙的設計,使得多余的系統開銷可以忽略不計。且支持定時任務,減少運維成本。

  為了保證直播流的高可用性,避免單點故障引起的大范圍停播事件,我們基于最新建設的分布式直播中心,構建了本屆冬奧VR直播調度及版權保護系統。同時采用主、備流接入及調度系統,實現主備流無縫切換,即單路流故障,系統自動切換到備用流,但用戶對此無感知。如圖2所示為直播中心示意圖。除此之外,本屆冬奧對版權要求非常嚴格,包含了對播放終端、地域及播放時間三個維度進行版權保護限制。我們使用ChinaDRM標準與自主CDRM對視頻流版權進行保護,并實現兩種模式的動態切換,以加固版權的保護。運營策略上,對視頻流采用一對一、一對多的調度,實現同一路流對不同客戶的分銷策略。采用子矩陣劃分來實現業務邏輯清晰劃分等。巧妙的設計,使得多余的系統開銷可以忽略不計。且支持定時任務,減少運維成本。

圖2 直播中心示意圖
圖3 直播調度管理界面示意圖

  三、自主研發的VR播放器

  自主研發的VR播放器用于把VR視頻呈現給用戶,具有突出的優點,具體表現為:

  1.多種視頻格式、多終端、多瀏覽、直點播同時支持,及多樣化的視頻信息獲取方式

  自主研發的H5-VR播放器,可以適配ERP、CMP、EAC、EAP等多種格式的VR投影視頻。頁面集成時,可通過特定參數,來確定播放哪種格式的VR視頻,滿足了多樣化的VR視頻流播放需求。

  通過適配修改及測試,能支持在PC端的Windows,Mac,Linux以及移動端Android,iOS里的chrome、safari、firefox、edge等主流瀏覽器下的VR播放,針對微信使用的x5和其它國內廣泛使用的瀏覽器,我們還一一做了專項適配,使得我們的播放器在國內適應和覆蓋能力得到了大幅提高。

圖4 多終端多瀏覽器支持示意圖

  為提高通用性,降低維護成本,我們的VR播放器自動識別是PC還是移動端,給出相應的呈現;相同的參數,既支持直播的頻道id,也支持點播的guid,播放器識別后,請求對應的直播VDN和點播VDN,從而獲取對應的直播流和點播流地址。

  視頻流地址、標題、播放器預播圖片等視頻信息,既可以通過參數直接傳遞,又能從VDN間接獲取,滿足了多樣化的業務需求。

  本屆冬奧引入的是4k源,在小屏移動端如果直接觀看是體驗不到超高清的效果的。為了給用戶帶來更好的觀看體驗。我們在傳統VR播放器上新增了虛擬手柄和手勢操作,可以單指滑動,雙指進行虛擬鏡頭推拉操作,可以任意放大指定區域進行播放。在PC端采用鼠標拖動、滾輪縮放對VR畫面進行操作控制。除了這一常規的控制操作方式以外,創新的加入虛擬搖桿設計,單指完成推拉搖移的操作,在PC端也可以用鼠標拖拉虛擬手柄進行類似操作,尤其是在平滑勻速移動觀看上比拖動或滑動操作更具優勢。4k超高清在移動小屏上得到了更好展現。另外,我們還增加了迷你雷達指示視角的大小和方向,為VR的控制操作帶來更為直觀的標識,給一進VR就頭暈的小伙伴,提供了更好的交互體驗。

圖5 手指操控示意圖

  統一的視頻播放內核,使得頁面集成時更加方便,只需要通過簡單的參數設置,就能使移動端用跟PC端一樣的窗口播,或橫向鋪滿屏幕播,還能橫向、豎向同時鋪滿屏幕播。

  在播放器中,我們自主完成了央視網大數據統計接口,對播放數據和播放質量進行了統計、收集及上報,方便對視頻質量進行實時監控和調整。

  在研制過程中,我們也遇到了些困難。比如,通用EAP投影拼接視頻畫面會出現拼接縫,拉伸畫面拼接又會造成拼接處畫面扭曲變形,通過推導的邊緣拼接算法貼圖最終實現了消除拼接縫隙,完美實現了EAP投影的VR畫面的渲染和回放。

  在VR的實際應用有一部分場景是主要關注正前方一塊區域,例如直播間、演唱會、球類比賽等等,因此我們在EAP投影的基礎上,通過學習Three.js后搭建金字塔模型,將正方形畫面貼在梯形面上,提供了主視角區域的等角度算法,讓同樣大小的區域內能容納更多的畫面,使得同碼率的視頻流下我們能讓主視角區域擁有更高的清晰度。完美還原畫面,實現了自研等角度投影畫面的VR播放。

前面說到的本屆冬奧采用了VR+DRM系統,加密流到達客戶端后需要實時解碼,這不但需要快,而且需要抗破解能力特別強。我們采用H5播放器解密WASM內核內驗證白名單的機制,避免了JavaScript容易跟蹤調試的問題。采用了自研的WASM扁平混淆編譯器而不是通用的es編譯器對解密和版權保護模塊進行編譯和加固,使得速度和抗破解能力得到了最佳平衡。大幅提高WASM反編譯破解難度的同時,還保證了解密超高清節目的實時性。

  北京冬奧會已經結束,但央視網對技術的探索還在繼續,各系統不斷優化中,我們未完待續...

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