谷歌等角立方投影技術(shù)解決帶寬限制，高質(zhì)量VR直播有望了

立體視頻的數據流會(huì )以幾何倍數不斷放大對數據的要求，因此讓 VR 視頻進(jìn)入商用的最核心關(guān)鍵就是提升帶寬。

自古以來(lái)測繪師的奮斗目標就是，繪制出能夠精準映射現實(shí)世界的地圖。而這門(mén)偉大藝術(shù)所面臨的核心挑戰在于，如何在平面的紙張和屏幕上精準的展現弧形完全的地球。在過(guò)去的幾個(gè)世紀中，人類(lèi)智慧的花火碰撞出了諸多卓有成效的方法，但至今仍沒(méi)有出現被大部分人類(lèi)公認的一個(gè)最佳答案，因為每種方法都是權衡預期用途的產(chǎn)物，只能解決某種情境需求而已。

以 Google Maps 為代表的各種新型地圖服務(wù)以及 VR 視頻的豐富應用，依然在尋找如何在 2D 屏幕上提供精準且富有意義的弧形 3D 世界的的方法，即使在現在也是不小的挑戰。

傳統繪圖技術(shù)必須要解決如何在 2D 平面上映射現實(shí)世界的根本挑戰同時(shí)，視頻流媒體也面臨前期制圖者不會(huì )存在的煩惱————如何更高效的利用帶寬。高質(zhì)量視頻流的顯示效果極大程度上受到網(wǎng)絡(luò )帶寬的限制，尤其對于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)。

傳統頻流讓我們通過(guò)小窗口去觀(guān)察世界，而 VR 視頻流必須要從球狀世界中渲染弧形圖像，必然對帶寬提出了更嚴苛的要求。立體視頻的數據流會(huì )以幾何倍數不斷放大對數據的要求，因此讓 VR 視頻進(jìn)入商用的最核心關(guān)鍵就是提升帶寬。

鑒于這些技術(shù)帶來(lái)的各種優(yōu)勢，Google 團隊已經(jīng)考慮應用到 YouTube 的內容上。而且 EACs 還能延伸擴展至其他領(lǐng)域，因此在這里我們非常期盼這項技術(shù)的更多應用。

等距柱狀投影圖（Equirectangular Projection）

對于普通用戶(hù)來(lái)說(shuō)地球最熟悉的呈現方式，就是用經(jīng)度和緯度劃分而成的矩形空間，而這也被稱(chēng)之為等距柱狀投影圖（Equirectangular Projection）。

Tissot Indicatrix的等距柱狀投影圖

其次，這種視頻傳輸必然存在非常高的失真，現有的視頻壓縮技術(shù)很難完全駕馭。綜合以上兩點(diǎn)問(wèn)題表明球面視頻投影的根本挑戰在于，在球狀屏幕上均勻分布視頻像素。

傳統的立方體貼圖（Cube Maps）：

在游戲行業(yè)中還廣泛應用一種升級版等距柱狀投影圖，那就是立方體貼圖。這個(gè)概念非常的簡(jiǎn)單：將球形變形成為立方體，然后展開(kāi)立方體的六個(gè)面然后平鋪。

游戲行業(yè)目前最直觀(guān)最簡(jiǎn)單的做法就是放射型投影（Radial Projection），在一個(gè)立方體中嵌入球體，然后將球體表面的圖像向外投影到立方體表面。

立方體貼圖的效果要明顯優(yōu)于等距柱狀投影圖，但是在像素密度上依然會(huì )導致根本性變動(dòng)。這個(gè)問(wèn)題是由于立方體的中心位置距離球體最近，但是立方體的邊角離球體則比較遠。

正如上方圖片中所展示的橫截面，這些射線(xiàn)都以相同的角度從圓中心向外射出，但是投影到立方體上間隔距離則出現了偏差。這樣所導致的結果是，相比較中心位置邊緣部分會(huì )獲得更多的視頻像素，因為在立方體邊緣上藍色射線(xiàn)要比紅色射線(xiàn)具備更多的像素。而且在完整的三維情況下，這個(gè)問(wèn)題會(huì )更加明顯。

Equi-Angular Cubemap（EAC）：

通過(guò)更改提取視頻像素樣本的位置，糾正這種變形。

EAC 解決方案在 2D 空間中不失為精密算法，但是擴展到 3D 空間依然會(huì )存在偏差，只能形成接近于等角度像素分布的空間，但少量的失真已經(jīng)非常接近于完美狀態(tài)。

均勻性比較

在飽和度圖譜上通過(guò)增加視頻的分辨率能夠調整整體顏色表現。但是對于那些飽和度圖譜存在巨大差異的投影，提升分辨率固然增加了中心區域的綠色范圍，但是同時(shí)也增加了被浪費的像素資源。因此，最理想的投影是色彩均勻的飽和度圖譜，這樣就能通過(guò)提升分辨率使其變成均勻的綠色。

飽和度極大程度上取決于圖像的尺寸和輸出設備的分辨率。選擇不同分辨率會(huì )導致飽和度圖譜偏綠或者偏黃。下面的飽和度圖譜來(lái)自一個(gè)具體的案例研究，能夠最大限度的提高飽和度變化。

等距柱狀投影圖（左）；標準立方體貼圖（中）；Equi-Angular Cubemap (右)

毫不奇怪的是，等距柱狀投影圖在南北極是藍色的（浪費像素，太多的視頻像素）的，而其他部分則都是桔色的（糟糕的視頻質(zhì)量，太少的視頻像素）。

作為比較，標準的立方體貼圖將最佳綠色區域從南北極移動(dòng)到中間位置。南北極的浪費的藍色區域也已經(jīng)消失了。另一方面，立方體貼圖的邊緣部分要比中心區域要更優(yōu)秀。更為重要的是，色彩的變化主要集中在赤道附近，而且這些圓形表面具備比等距柱狀投影圖更糟糕的質(zhì)量。

最后 EAC 投影的保護度明顯要比其他兩個(gè)更加均勻，而且赤道區域明顯可以進(jìn)一步提高。這種均勻性能夠最大化的利用帶寬，從而能夠根據當前設備所使用的網(wǎng)絡(luò )，來(lái)選擇傳輸最佳的像素密度。

實(shí)踐才是最佳的檢驗

最可怕的是細節：

在前文的描述中基本上介紹了 EAC 投影的工作原理，但是還需要解決立方體的六個(gè)面在視頻矩形邊界和實(shí)際算法中的難題。立方體表面的一個(gè)點(diǎn)方程投影到視頻像素采樣是非常明確的。

類(lèi)似的操作需要在立方體的每個(gè)面上進(jìn)行。

現在，所有六套【0，1】紋理坐標都需要包裹在一個(gè)單獨的視頻紋理中。如果視頻分辨率和尺寸受到硬件或者流媒體傳輸的限制，那么這些布局是可以不是固定的，而且它們有權利自己進(jìn)行分析。

目前有很多方法將立方體的六個(gè)面整合成為一段視頻矩形。此外，在組合過(guò)程中可能會(huì )導致不相連的面碰在一起，這可能在渲染過(guò)程中進(jìn)行視頻編碼和像素插值（Pixel Interpolation）操作的時(shí)候出現問(wèn)題。

在游戲領(lǐng)域中所使用的紋理地圖集也存在相似的問(wèn)題，目前常見(jiàn)的解決手段是在不連續面處增加填充物。一旦選擇部署 EAC 概念，那么必然意味著(zhù)需要在這些細節上做出取舍。

對于那些熟悉 OpenGL 的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，完全可以通過(guò)立方體映射紋理和片段著(zhù)色器來(lái)計算出最終的紋理外觀(guān)。如果你對此感興趣，那么就當作是給讀者的一次練習吧。

對于 VR 來(lái)說(shuō)圖像質(zhì)量代表著(zhù)很多含義，而 EAS 也是當前帶寬束縛下平衡精準投影的重要突破。鑒于目前等距柱狀投影圖和傳統立方體貼圖方案所面臨的挑戰，很明顯 Equi-Angular Cubemaps 提供了更優(yōu)秀的結果和更高效的資源利用。

我們堅信通過(guò)深入了解 EAC 投影，那么用戶(hù)在較窄的帶寬網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中也能訪(fǎng)問(wèn) YouTube 上的高質(zhì)量視頻直播。未來(lái)，我們非常期待能夠看到這項投影技術(shù)運用到其他方面。

【編者按】：本文轉載自雷鋒網(wǎng)；作者：蕾娜塔•薩洛

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