随着近几年移动终端的蓬勃发展，上一代视频编码标准H265/HEVC已经得到广泛应用，但其压缩效率仍无法满足大量4K/1080P等高清视频资源的需求。过大的视频资源压缩文件，占据了存储空间并吞噬着网络带宽，导致用户观看视频时频繁卡顿。最新一代视频编码标准H.266/VVC标准的出现，则给视频内容的发展提供巨大的潜力。
据悉，字节跳动自研的新一代编解码器BVC已支持H.266/VVC标准，可以在Android、iOS、Linux、MacOS和Windows等平台上，实现超清、高质视频的实时快速解码。
H.266/VVC全称为多功能视频编码 (Versatile Video Coding，VVC，也称为H.266)，是联合视频专家组制定的最新一代视频编码标准，于2020年7月正式定稿。作为HEVC的继任者，H.266/VVC能够在相同的质量下将压缩效率再提升一倍。举个例子，使用H.265/HEVC编码标准，用户观看一部电影需要1GB的流量，换成H.266/VVC编码标准后，仅需500MB的流量，并且在智能终端播放的时候，画质可以保持不变。H.266/VVC标准，使高清在线视频不再是流量吞噬者。
尽管H.266/VVC优势十分明显，但其解码复杂度显著高于H.265/HEVC标准，终端设备解码过程中会出现设备发热、耗电增加以及视频卡顿的现象，影响用户观看体验。因此，在硬件解码芯片尚未问世的背景下，如何设计并实现一款超高性能的VVC软件解码器是众多音视频公司的重要目标。
在各种设备上，BVC解码器可实现对H.266/VVC标准视频资源的解码
测试数据显示，根据国际会议提案JEVT-V128，在搭载A14处理器的iPhone 12上，对于4K分辨率标准测试码流，BVC单线程平均解码速度达到了22fps;2线程可以实现4K视频的实时解码。对于1080p分辨率标准测试码流，BVC单线程平均解码速度是86 fps，即单线程可实时解码1080p视频。因此，在高端手机上，BVC解码器支持流畅播放高清甚至超高清视频。
图1 对比不同线程的BVC与VTM-11.0的解码速度
图1展示了在iPhone12上，BVC和参考软件VTM-11.0解码不同分辨率视频的速度对比。横轴依次代表解码4K、1080p、480p和240p分辨率的视频;纵轴表示使用VTM-11.0解码和BVC分别使用1、2、4、6线程解码的平均帧率，数值越大表明解码速度越快。虚线表示各分辨率视频实时播放的常用帧率。可以看出，BVC仅单线程的解码速度相较于VTM-11.0就有着6-10倍的巨大优势。
除了上述标准测试码流外，以BVC编码器生成的抖音视频码流测试显示，BVC解码器表现出了强大的解码性能。在性能逊于iPhone 12的小米6手机上，BVC单线程即可完成1080p视频的实时解码；在其它中低端手机上，BVC单线程即可完成对720p视频的实时解码。
BVC解码器的出现，使得在各种性能的设备上均可实现对H.266/VVC标准视频资源的解码，并为用户带来流畅的观看体验。
BVC解码器如何实现技术突破
流畅的观看体验是如何实现的呢?据悉，为了有效降低BVC解码器的计算复杂度，加快解码速度，字节跳动旗下火山引擎多媒体实验室从并行性、代码框架、汇编指令和访存效率等方向进行了优化，性能改善显著。
具体如下：
细粒度的并行算法：BVC支持不同层次的并行算法，包括帧级并行、块级并行和模块级并行。帧级并行即同时解码多个视频帧，可以充分利用多核CPU的性能，并行程度最高;块级并行即同时解码多个解码块;模块级并行即利用CPU的剩余资源，同时处理多个较复杂的模块。块级与模块级相结合可以高效降低视频帧的输出时延，保障视频会议和直播等实时场景的流畅体验。
对流水线友好的代码框架：BVC有着非常轻量级的代码框架，更加迎合空间较小、性能较差的移动端设备。针对各个功能模块特性，BVC有不同的算法实现，尽可能减少了分支跳转，提升了CPU流水线的饱和度。
高吞吐量的汇编优化：采用高吞吐量的SIMD指令，针对像素帧内预测、帧间插值、量化、变换、重建和环路滤波等复杂模块做汇编优化，均达到了数倍的模块加速比，最大程度提升CPU的计算效率。
高效的访存设计：移动设备内存和缓存空间较小，访存效率有限，这极大地制约了解码器的性能。为此，火山引擎多媒体实验室针对BVC解码器的访存进行了优化，包括减少内存读写次数、集中内存使用和提高缓存命中率。优化后，访存不再成为在移动设备上解码超高清视频的瓶颈。
BVC解码器的单线程达到参考软件的8.8倍
火山引擎多媒体实验室使用VVC官方参考软件VTM-11.0做了一组测试。在通用配置下，生成若干组8比特码流，打开标准测试条件下的全部工具，包括较复杂的DMVR、BDOF和ALF等。测试的序列为标准通用测试序列，包括class A、B、C、D、F五类。其中，class F是屏幕内容场景，分辨率从480p到1080p不等;class A-D为自然场景，视频的分辨率分别为4K、1080p、480p和240p。
表1 解码器速度对比详细数据
在iPhone 12(A14处理器)上，BVC单线程解码4K分辨率、8比特标准测试码流的速度平均达到了22fps，是参考软件VTM-11.0解码速度的10倍;在使用全部6个线程后解码速度甚至可达55 fps，最高达到78fps。对于1080p分辨率、8比特标准测试码流，BVC解码器的单线程平均解码速度是86 fps，达到参考软件的8.8倍。
总结
BVC解码器可以实现超清、高质视频的实时快速解码，展现出在移动端上卓越的解码能力，对视频行业的发展和H.266/VVC标准的落地起到积极的推进作用。据著名知识产权媒体IAM报道，截至2021年2月,字节跳动在H.266/VVC标准贡献者排行榜上名列全球第三，占比9.33%。
基于实际应用中的问题和挑战，字节跳动的技术团队还将持续发力，不断优化BVC解码器的性能，为新一代标准的落地做出更多贡献。
火山引擎多媒体实验室团队介绍
多媒体实验室致力于研究、探索多媒体领域的前沿技术，参与国际、国内多媒体方向的标准化工作，为多媒体内容分析、处理、压缩、传输、创新交互等领域提供完善的解决方案。目前多媒体实验室所提供的众多创新算法已经广泛应用在了抖音、西瓜视频等产品的点播、直播、实时通信、图片等多媒体业务，在成本、体验、能力几方面赋能业务，为其提供极致的视频技术和产品体验。
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