浙江风采双色球走势图:高通瑪爾塔·卡茲維茨博士:互聯網視頻背后的“魔術師”

來源:快報
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IT時報記者 王昕

每天萬億GB級的視頻數據流通過有線和無線網絡在地球各個角落流淌,數十億人通過手機、Pad、PC、VR等各式各樣的數字終端觀看,Youtube、NetFlix、愛奇藝、優酷、Facetime、抖音等花樣百出的視頻應用豐富著人們的生活。

在這空前繁榮的視頻世界背后,仍是由“1和0”構成的數字世界,對科學家來說,更是如此。高通公司技術副總裁瑪爾塔·卡茲維茨(Marta Karczewicz)博士可算是這光怪陸離的互聯網視頻世界的重要建設者之一,她是視頻壓縮技術的開創者,大大推動了網絡視頻壓縮技術的發展,這讓所有人得以通過更窄的帶寬看到更高質量的視頻畫面。

近日,歐洲專利局宣布,瑪爾塔·卡茲維茨博士在歐洲發明家大獎評選中獲得“終身成就獎”提名。

對許多中國網民來說,瑪爾塔·卡茲維茨在全球擁有的近400項專利中不乏一些熟悉的名字,例如高級視頻編碼(AVC)和高效視頻編碼(HEVC)等都曾極為廣泛地在中國和全球互聯網視頻領域應用。

數學天才改變互聯網影像世界

瑪爾塔·卡茲維茨

什么樣的人可以成為視頻壓縮領域的專家?瑪爾塔·卡茲維茨告訴我們,也許得是個數學天才。

瑪爾塔·卡茲維茨出生在波蘭什切青市,從中學起,她就在數學領域展現出過人的熱愛和天賦。

“我對其他學科不在行,但我發現數學能幫助我解決復雜問題,而且事實也證明我真的很在行(數學)?!甭甓たㄗ任乃亢斂謊謔巫約憾允У南舶?,在中學期間她還曾奪得過波蘭數學奧林匹克競賽的獎項。

瑪爾塔·卡茲維茨在獲得諾基亞獎學金后前往芬蘭佩雷大學學習信號與圖像處理,在芬蘭攻讀碩士學位期間,她參與了諾基亞的多個研究項目,其中之一就是視頻壓縮技術的研究。

“我當時就對視頻壓縮技術產生了濃厚的興趣,因為這項技術涉及大量的數學問題,特別是統計學。我喜歡那些需要分析大量數據并尋找其中規律的問題,而這正是視頻壓縮的基礎?!甭甓たㄗ任乃?,視頻壓縮在當時是一個相對新興的領域,MPEG-2標準剛剛制定完成,前景非常廣闊。

目前,瑪爾塔·卡茲維茨的發明已經在多種視頻壓縮標準中發揮了重要作用,比如高級視頻編碼(AVC)、高效視頻編碼(HEVC)、以及即將推出的多功能視頻編碼(VVC)。如果用一個數字來形容瑪爾塔·卡茲維茨研究成果的價值,那么只要將VVC與此前的MPEG-2和H.263視頻編碼進行對比,就不難發現在保證圖像質量不受影響的前提下,全新視頻壓縮標準的壓縮比已經增加了80%以上。

高通工程執行副總裁兼首席技術官Jim Thompson表示:“毫不夸張地說,如果沒有卡茲維茨博士的發明,我們如今每天享受的視頻傳輸將不可能實現。她獲得這一享有盛譽的獎項提名,再次證明了高通公司發明的基礎科技的價值,以及我們擁有世界一流水平的發明家?!?/p>

據悉,歐洲發明家大獎是為表彰那些通過發明對技術進步做出實質性貢獻并且改善人們日常生活的歐洲杰出發明家而設立的。其中,享有盛譽的“終身成就獎”這一獎項是表彰那些擁有長期貢獻和重要專利發明、并已對技術領域和整個社會產生巨大影響的個人發明家,瑪爾塔·卡茲維茨成為獲得“終身成就獎”提名的三位最終入圍者之一。

魔術般的1000:1壓縮率

極限情況下,現代編解碼器可以將原始數據壓縮1000倍,實現1000:1的壓縮比,這讓通過互聯網觀看在線高清電影變得輕而易舉,也將支持諸如增強現實或虛擬現實、遠程醫療等數據密集型視頻應用。

有人說瑪爾塔·卡茲維茨是魔術師,能讓海量視頻數據通過壓縮而“消失”得無影無蹤,而瑪爾塔·卡茲維茨說:“我不是魔術師,解決問題的方式是數學方法,視頻壓縮是一項使能技術,世界因此而迥然不同?!?/p>

那么,如此驚人的視頻壓縮率是如何實現的呢?

眾所周知,視頻圖像由24至120幀組成,在視頻網站中非常常見的高清視頻中,每幀圖像由1920×1080像素組成,即大約200萬個小點,每個像素都承載亮度和色調信息,因此高清視頻傳輸過程中每一秒都會產生大量的原始數據,而逐幀減少圖像尺寸正是數據壓縮的藝術。

幫助實現這個目標的正是“解碼器”。解碼器是一組在設備處理器上運行的??楹退惴?,解碼器將圖像信息縮減到最小值,并將其轉換為1和0,再通過有線寬帶、無線網絡等方式傳輸這些信息直至視頻播放的目的地,編碼器再利用壓縮信息重構視頻圖像。

瑪爾塔·卡茲維茨說,在圣地亞哥的海邊散步時,她常?;岜歐⒀顧跏菪孿敕ǖ牡諞徊?,她和團隊工作的目標是對圖像質量無明顯影響的全新簡化。在數據壓縮領域,也有基本的捷徑,省略掉人眼無法察覺的色彩,例如視頻中的大海和天空景象沒有發生明顯變化,就不用再壓縮解碼,為了節省數據,參考幀之間的動態可以通過預估而非精確描繪。

“我格外引以為豪的發明是去塊效應濾波器(deblocking filter),這項發明是AVC的一個重要組成部分,并在經過改進后推動了VVC標準的形成?!甭甓たㄗ任娜銜饈撬鋈碩允悠笛顧跫際跛齔齙囊桓鮒匾畢?,“去塊效應濾波器能夠用于檢查相鄰信息塊內的像素并將明顯變量平滑化,保持圖像質量,同時降低文件大小?!?/p>

1%背后的艱難

過去20年出現的許多想法已顯著改進了編碼器???,瑪爾塔·卡茲維茨說,比特率降低不會因為單一技術突破而發生,而是小改進的積累,每個改進能實現1%或2%的提升,視頻編碼和視頻壓縮技術正在逐漸走向成熟,但距離技術極限還有很長一段距離,這中間還可以進行不斷的技術突破,“將來視頻技術的發展速度只會更快,并沒有減緩,也沒有到達技術飽和狀態?!?/p>

視頻編碼技術發展到今天已經變成了一個非常復雜的系統,需要團隊互相合作,互相學習,并互相給予靈感。

在視頻編碼領域,一項新技術的研發動輒需要數十人的團隊,并花上至少5年時間。從AVC開始啟動到其成為一個相對主流的標準,經歷了大約10年。雖然這個周期目前已經縮短至5年左右,但這當中還存在著很多不確定性。通常,你的10個想法里可能只有1個想法能夠被往前推進?!甭甓たㄗ任慕徊澆饈?,視頻壓縮率即使只是想要提升1%,也可能需要嘗試和實踐多達數十種不同的想法,“僅我目前管理的團隊就擁有7000臺計算機組成的計算機集群,不難想象,我們在工作當中需要進行多少次模擬和多少種嘗試。

瑪爾塔·卡茲維茨博士帶領團隊持續在視頻壓縮技術領域尋求突破

不僅如此,一旦一個新的方案誕生,接下來的標準化過程一般需要至少3年的時間,在這過程中還會有很多不確定因素,比如這個新技術、新想法是否能夠被市場認可,是否能夠滿足性能及各方面的要求,以及如何加以實施。

“在我看來,為發明申請專利是非常有必要的。因為通過這樣的方式,可以快速公開我們的發明,同時還能夠把我們的發明與其他公司或領域的技術進行更好地結合,讓不同的發明者之間互相啟發?!甭甓たㄗ任慕檣?,當她和團隊開發新的算法方法時,幾乎立即將其引入標準討論,目標是激勵其他人盡可能地啟動新的標準化項目,她堅信,標準化的過程是開發新技術的最佳方式,因為它既能促進協作又鼓勵競爭,“事實也證明成功的視頻編碼技術都是在標準組織的環境中被開發出來的?!?/p>

總而言之,視頻編碼領域的研究是一項耗時且耗資巨大的工作。所以,瑪爾塔·卡茲維茨認為,進行視頻壓縮和編碼這種基礎技術的研究工作主要應該由企業來承擔,而非大學,“像高通這樣的公司,致力于移動基礎科技的發明,高通的發明文化也激勵著發明者們持續地進行研究,不斷探索技術上的突破?!?/p>

未來的視頻世界將是怎樣?

和所有女性一樣,業余時間瑪爾塔·卡茲維茨喜歡購物,和朋友一起社交聊天,做一些家務,但她更喜歡看電影。

瑪爾塔·卡茲維茨說,自己喜歡看大制作電影,比如《星球大戰》和《侏羅紀公園》,她非常喜歡其中的視覺特效,但她與常人看電影時不一樣的地方在于,“我很難看電影,尤其是流媒體或廣播,因為我會一直留意偽影,這讓每個與我一起看電影的人都受不了,因為我總是指指點點,這里有區塊偽影,那里有閃爍偽影?!比綣チ悠擋荒芊⒒幼羆研Ч?,就會導致每個人都能看到的瑕疵——這被稱之為偽影,瑪爾塔·卡茲維茨發明的最明顯改進之一,就是可消除此類錯誤的校正回路。

今天,業界已經可以實現4K、8K的視頻質量,視頻圖像質量的不斷提高對壓縮技術又有了更高的要求。瑪爾塔·卡茲維茨展望:“我認為視頻技術的終極目標是實現一些科幻電影中所描述的應用場景,比如早晨醒來打開電視,人們可以借助攝像頭等設備的輔助實現沉浸式體驗,屏幕畫面可以從細節、色彩與對比度上完美復現周邊的環境?!蓖?,隨著VR和視頻技術的結合,將來VR用戶對視角的多樣化實時選擇也對帶寬有更高要求,這需要壓縮技術的不斷進步來配合。

瑪爾塔·卡茲維茨還透露,一種稱為定積攝像(volumetric video)的新型視頻形式已經出現,定積攝像不僅能夠表現2D的畫面,還能呈現3D的景象,視頻的每一幀都能反映2D和3D的現實,“如此一來,將來我們在看視頻時就能獲得和今天打視頻游戲時一樣的體驗,可以選擇自己的視角,可以接近圖像當中的物體,甚至可以繞到這個物體的后面?!?/p>

瑪爾塔·卡茲維茨強調,目前2D視頻的展現也還稱不上完美,定積攝像或VR視頻的壓縮方面還有更長的路要走?!拔頤親鈧展劭吹氖悠的芄徽嬲瓜滯獠渴瀾?,并且帶給我們身臨其境的體驗?!倍雜諼蠢?,瑪爾塔·卡茲維茨堅信,視頻技術的使命就是把現實帶進視頻。

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