Mobicom20 Volumetric Video文章解读

Volumetric Video in Mobicom20

• 本文
• ViVo: Visibility-Aware Mobile Volumetric Video Streaming
• • PTCL Encoding
  • • 视频采集
    • 编码
  • 预测
  • 优化
  • • Distance Visibility(DV)
    • Viewport Visibility (VV)
    • Occlusion Visibility (OV)
  • 系统
• GROOT: A Real-time Streaming System of High-Fidelity Volumetric Videos
• • 数据格式
  • • 2D Projection-based Compression
    • 3D Tree-based Compression
  • Octree Color Bytes (OCB) Compression
  • 解码
  • Frustum Culling
  • Depth-based Sampling
  • System

本文

最近读了两篇关于Volumetric Video的文章，都是发表在Mobicom 2020的，老板说这是一个promising的方向，感觉Volumetric Video还是有点牛逼的，比现在在做的360度视频又多了三个DoF（Degree-of-Freedom）。

ViVo: Visibility-Aware Mobile Volumetric Video Streaming

• 普通视频：你没法控制，给你放啥就看啥。

• 360度视频：三个*度旋转（yaw, pitch, roll），人不动，头360度旋转。

• volumetric视频（立体视频）：再增加三个*度（X, Y, Z），可以在场景中*走动，头*旋转。TED的介绍
  最主要的一个区别是表示方式的不同。

• 普通视频和360度视频：像素点。像素点越多，视频越大，越清晰。

• 立体视频：用Point Cloud表示，分布在3维空间。密度越大，视频越大，越清晰。
  假设一个3D点是15bytes，一帧有200K个点，帧率为30FPS，那么stream这个视频需要的带宽为：
  15 × 200 K × 20 × 8 = 720 M b p s 。 15\times 200K \times 20 \times 8=720Mbps。 15×200K×20×8=720Mbps。
  因此，需要优化带宽。

• 360度视频：viewport-adaptation。分割出tile。为不同的tile分配不同的码率。

• 立体视频：分割出3D cells。为不同的cell分配不同的码率。
  
  全文的核心在这种图上，分别为：

• VV：跟360度视频一样，用户只能看到一部分区域，所以看不到的我们可以不要下载。

• OV：后面的cell可能会被前面的cell遮挡，所以可以稍微降低密度。

• DV：离得近的物体，需要清晰点，密度高；离得远的则相反。
  本文要解决的问题有：

• 立体视频的编码/解码：测量压缩效率如何、分割出cell会给编解码造成多大影响。

• 用户行为预测：六个维度的预测。

• 优化：依据三个点分配point density level。

• 系统设计。

PTCL Encoding

视频采集

作者自己采集了一个数据集。P1-P3分别有1-3个人在谈话，M2-M4有2和4个人在表演。每个视频由32个人观看。
从左到右依次为：id，每帧有多少个点，有多少帧，里面有多少个人，探索空间有多大，码率。

编码

作者对三种已有的不同编码方式进行测量。可以看到，Draco的压缩比最高。可以看到，每帧的点越少，压缩比越高。E和D分别为编码和解码的时间。

利用并行解码进行加速，可以看到，用SGS8时，帧率由10fps提升到40fps。
切分：为了后面的优化，需要把一整块大的空间分割成多块3D cells。但是分割会降低编码的效率，使得视频大小增大。
作者测量了三种方案 25 × 25 × 25 c m 3 25 \times 25 \times 25 cm^{3} 25×25×25cm3， 50 × 50 × 50 c m 3 50 \times 50 \times 50 cm^{3} 50×50×50cm3， 100 × 100 × 100 c m 3 100 \times 100 \times 100 cm^{3} 100×100×100cm3。指标：分割后encoding后的大小/原始视频encoding后的大小。

可以看到，分割后对视频大小的影响是可以接受的。作者最后采用了100的大小。

预测

设置：

• 共有32个用户，每个用户观看4个视频。第一个视频用户熟悉。
• 一半用户用手机观看，一半用户用MR观看。

测量结论：

• 用户比较少在垂直方向Y上移动。
• 用户用手机观看时单次移动幅度比较距离，用MR时移动比较顺滑。
• 当场景只有一个物体时，用户会绕着这个物体移动；当有多个物体时，用户会站在中间环视。
• 用户用MR观看时平均移动速度和移动频率更大。

预测：

• 作者对六个维度分开预测。
• 分别采用linear regression(LR)和multilayer perceptron(MLP)进行预测。
• 预测窗口为200ms。在预测X, Y, Z时，采用过去660ms的数据，在预测yaw和pitch时，采用过去66ms的数据。
• 每33ms更新一次参数。
• 在系统中，作者采用的是LR。

结果：

1. X和Y误差的中位数在 0.07 m − 0.09 m 0.07m-0.09m 0.07m−0.09m。
2. yaw和pitch的误差在 3 ∘ − 5 ∘ 3^{\circ}-5^{\circ} 3∘−5∘ 。
   
   

优化

任务：为每个cell分配point density level(PDL)，PDL越大，则视频越清晰。适当降低某些cell的PDL，节约带宽。
依据：Distance Visibility (DV), Viewport Visibility (VV)和Occlusion Visibility (OV)。
PDL有5档：20%, 40%, 60%, 80%和100%。（类似码率），用 D ( c ) D(c) D(c)表示对应的档次。

Distance Visibility(DV)

距离：由用户的距离确定PDL，即 D ( c ) D(c) D(c)
任务：找到用户和cell的距离 d d d与PDL的对应关系。

1. 首先进行离线采样，统计出距离d与质量SSIM的关系。（由于观看画面、角度等不同，同个d、同个PDL对应的SSIM稍有不同）（画点）
2. 找出SSIM为0.98的分界线。（0.98通常被认为质量无损）（横线的确立）
3. 找出此分界线与各PDL采样点的交界处。（竖线的确立）
4. 确定距离d与PDL的对应关系。（关系的写出）
   
   由图看到，这里对应关系为：[0,3.2)→100%, [3.2,4.2)→80%, [4.2,5.2)→60%, [5.2,6.2)→40%,[6.2,∞)→20%。
   然后应用中就可以依据距离查表得到分配的PDL。

Viewport Visibility (VV)

距离：由viewport确定PDL，即 D ( c ) D(c) D(c)。
过程：

1. 给定6DOFs，在3D图中计算用户的frustum(视锥)，同时依据视锥判断哪些cell在用户的视野内。视野外的不传输。
2. 作者把垂直的角度范围扩大为 12 0 ∘ 120^{\circ} 120∘容忍预测误差。
3. 把区域依据与viewpoint的角度范围按 6 0 ∘ 60^{\circ} 60∘、 9 0 ∘ 90^{\circ} 90∘和 12 0 ∘ 120^{\circ} 120∘向外分割，每进入下一个区域， D ( c ) D(c) D(c)的值，即PDL的值减1。比如原始PDL为 D ( c ) D(c) D(c)，为100%。则向外进入到 6 0 ∘ 60^{\circ} 60∘后变为80%，依次递减。

ps：这里具体如何计算视锥好像没细说；以及为什么是垂直角度也不清楚。不过这种向外清晰度依次降低的思想还是可以理解的。

Occlusion Visibility (OV)

作者提出一个变量，遮挡系数 O ( c ) O(c) O(c)， O ( c ) O(c) O(c)越大，越有可能被其他cell遮挡。
求解 O ( c ) O(c) O(c)：

1. 对于每一个cell：
2. 从预测的viewpoint向当前cell的中心画条射线，计算射线的距离 d d d。
3. 取cell周围 L L L距离范围内的其他cell。
4. 计算这些cell中距离小于 d d d且穿过当前射线的cell数目，记为 S ( c ) S(c) S(c)。
5. 记其中点最多的cell的点数目为 c ′ c^{'} c′，当前cell的数目为 c c c，记 R ( c ) = c ′ / c R(c)=c^{'}/c R(c)=c′/c。

则 O ( c ) O(c) O(c)正比于 R ( c ) R(c) R(c)和 S ( c ) S(c) S(c)。也就是它前面的cell越多，其他cell的密度越大，越可能被遮挡。

从而， D ( c ) = m a x { D ( c ) − O ( c ) , 0 } D(c)=max\{ D(c)-O(c),0\} D(c)=max{D(c)−O(c),0}。
以上就是三种优化方案，还是有点启发式设计。

系统

Rate adaptation：如果分配的PDLs不满足预测的带宽，则会从整体上降低总的PDLs。 （这里没有细讲）
实现：客户端：安卓；服务器：Linux。
性能：主要从节省的带宽和比较高的视频质量两方面论述。

GROOT: A Real-time Streaming System of High-Fidelity Volumetric Videos

GROOT主要是优化视频的传输格式、编解码、PDL来提升。

数据格式

2D Projection-based Compression

将点云通过表面的法线信息分解成多块，并通过dense packing的方法投影到二维矩阵。
传输的图像共包含三个信息：（1）灰度图表示深度信息；（2）颜色信息；（3）是否是有效的point。
缺点：

• 在noisy data中提取表面法线和映射到二维平面比较困难。
• 当有多个物体时，会增加解码难度和信息的损失。

3D Tree-based Compression

更多的是采用这种树形结构存储。
从整个空间开始，依次分割成8块，编码0-7，包含内容的标为1。再选取非空的继续分割。最终得到一棵树。

这样的话，下面的必须等上面的解码完才能开始，导致无法并行化，因此效率较低。如上所示，帧率均低于30fps。
缺点：

1. 每一层子节点的获取都需要先解码父节点，因此叶子结点没办法并行；随着树的深度的增大，解码的效率会比较低。
2. 没办法携带颜色属性。
   
   作者又进行了测量，可以看到，结点的数量会在某一次剧增，导致解码延时也剧增。如果这些结点可以并行解码，将会有极大的优化。
   
   因此，作者提出了并行解码树。在最大深度 D b D_b Db​往下，结点直接表示成对应的索引，比如427，为父节点中对应的第4、第2、第7个方块，这样各个结点相互独立，可以并行解码。有点像哈希。

Octree Color Bytes (OCB) Compression

编码颜色信息：
编码颜色文件时，将颜色值保存成2D的图像文件并使用JPEG压缩。挑战：3D点应该放置在2D图像的什么位置。
采用Morton Order压缩算法使得相邻点的颜色比较接近。
同时，对 D b D_b Db​层的同一个子树下的的结点重排序，使得颜色相近的结点相邻，提高压缩性能。

解码

1. CPU解析头部信息并对OBB（位置信息）进行解码。
2. 采用JPEG对OBB（颜色信息）进行解码。
3. 采用GPU对ODB进行解码（优化后的位置信息）。

Frustum Culling

把用户视野外的点移除。

1. 从根结点依次往下遍历。
2. 检查孩子结点是否跟用户的视野重合。
3. 如果所有的孩子结点都跟视野重合（或不重合），则提前剪枝（全部包含或不包含）。
4. 设置一个遍历的最大深度，节约计算负载。
5. 从叶子结点中选择与视野重合的点。

Depth-based Sampling

距离较远的点则降低清晰度。

1. 根据用户的视野投射出一个立方体。
2. 然后从viewpoint出发将立方体分成12段。
3. 设置每一段的清晰度（sampling density）依次为10%, 13%, 17%, 25%, 33%, 50%, 67%, 75%, 83%, 87%, 90%和100%。

System

实现：客户端：ios，服务器：Linux。
性能：压缩大小、帧率、延时。