AOMedia Video 1（簡稱 AV1）是一個開放、免專利的影片編碼格式，為網路串流傳輸而設計。它由開放媒體聯盟（AOMedia）開發，目標是取代其前身 VP9，該聯盟由半導體企業、隨選視訊供應商和網頁瀏覽器開發商於 2015 年成立。2018 年，Facebook 進行接近真實使用環境條件測試，測試結果顯示 AV1 資料壓縮率與 x264 main profile、x264 high profile 和 libvpxvp9 相較之下，分別提昇 503、462 和 340。 AV1 在授權上與 VP9 類似，可以免版稅使用，不會像按銷售量計授權費的 H264AVC 和 HEVC 一樣對開源軟體的採用造成障礙。 AVIF 是一種使用 AV1 壓縮演算法的圖形檔案格式。 歷史程序 開放媒體聯盟（AOMedia）建立 AV1 主要是因為 HEVC 的專利許可成本高昂，授權空間模糊。AV1 有望取代 MPEG 設計開發的編解碼器 AVC。聯盟最初由七間公司，Amazon、Cisco、Google、Intel、Microsoft、Mozilla 和 Netflix 所組成，並宣佈技術重點為提供高品質網路影像。於 2015 年 7 月 21 日，HEVC Advance，現為 ACCESS Advance，初始授權被宣佈增加對 AVC 的權利金，除了權利金所增加的成本外，還增加了授權複雜度。這進而促成了同年 9 月 1 日，開放媒體聯盟發布 AV1 的官方公告並宣佈成立。與過往 MPEG 規範不同，MPEG 可以只從 MPEGLA 獲得許可，而當完成 HEVC 規範時，已經形成了兩個專利池，第三個專利池也即將出現。普遍而言，專利持有人拒絕將專利共享於專利池上，這增添 HEVC 授權的不確定性。據微軟的 Lan LeGrow 所說，開源、免版稅可視為不確定性消除的方法。 此外，建立 AV1 另一個原因是專利授權對自由開源軟體的負面影響。例如在瀏覽器中，如果不向 MPEGLA 支付權利金，就不能整合 H264。歐洲自由軟體基金會認為，由於與自由軟體許可證的各種不相容，不可能實現公平及合理非歧視條款許可實踐使標準的自由軟體。 AV1 技術主要來自聯盟成員過往的研究與工作內容，分別在幾年前就開始實現實驗性平臺，如：Xiph 與 Mozilla 的 Daala，於 2014 年 9 月 12 日釋出的 Google 實驗性質的 VP9 的下一代 VP10，以及 2015 年 8 月 11 日釋出的 Cisco 的 Thor。AV1 以 VP9 的程式碼庫為基礎，與其他技術結合產生，AV1 編解碼器參考規範初始版本 010，並於 2016 年 4 月 7 日釋出。 2017 年 10 月下旬，儘管對於開發的凍結開始生效，但數個重要功能仍在繼續發展。其中一項正在開發的功能位元流格式，原定於 2018 年 1 月凍結開發，但仍有關鍵錯誤，以及需要對轉換方法、語法設計、運動向量預測的修改，也有法律的妥善性問題，最終發布日期延期至同年 3 月 28 日，聯盟釋出官方 AV1 位元流規範與軟體的編解碼器參考規範，2018 年 6 月 25 日釋出經驗證過後的位元流規範 100 版，最終於 2019 年 1 月 8 日，釋出 100 版附帶的規格刊誤。 據聯盟成員 Bitmovin 中 Martin Smole 表示，在位元流格式完成凍結後，計算效率在官方參考編解碼器仍具挑戰。雖然尚可處理位元流格式，但此並非商用用途，速度最佳化也未考量。因此，早期版本的 AV1 比現有的 HEVC 編碼器慢幾個數量級。近期，開發者趨於最佳化官方參考編碼器。發布後一年的 2019 年 3 月，參考編碼器的效率有大幅提升，並且與其他常見的編解碼器在可比擬的效率範圍內。 2021 年 1 月 21 日，AV1 的多用途網際網路郵件擴充套件（MIME）型別被定義為「videoAV1」。使用此 MIME 型別的 AV1 的使用僅限於即時傳輸協議目的。 目的 AV1 的目標是成為一種既先進又免版稅的網路影片格式。 根據谷歌 Chrome 媒體團隊戰略和合作夥伴關係主管 Matt Frost 的說法，開放媒體聯盟的使命與 WebM 專案相同。 標準制定中反復出現的一個問題，尤其是免版稅的多媒體格式，是不小心侵犯其建立者和使用者不知道的專利的危險。關於 AV1 和之前的 VP8、 VP9、Theora 和 IVC 已經提出了這種擔憂。這個問題並不是免版稅格式獨有的，但它獨特地威脅到他們免版稅的地位。 專利授權 AV1 VP9 Theora VVC HEVC AVC GIF MP3 MPEG1 MPEG2 由知名專利持有人 專利過期 由不知名的專利持有人 無法確定（在格式的所有專利過期後才可確定，在 WTO 國家至少 20 年） 無法確定（在格式的所有專利過期後才可確定，在 WTO 國家至少 20 年） 專利過期 為實現免版稅的目標，開發過程要求在兩個獨立方獨立確認不侵犯競爭公司的專利之前，不得採用任何功能。如果無法獲得專利保護技術的替代方案，相關專利的所有者將被邀請加入聯盟（即使他們已經是另一個專利池的成員）。例如，聯盟成員 Apple、Cisco、Google 和 Microsoft 也是 MPEGLA H264 專利池的許可人。 技術 AV1 是一種使用傳統的基於區塊編碼但也加入了新技術的頻率變換格式，AV1 所使用的編碼技術主要來源於谷歌 VP9 的下一代影片壓縮格式 VP10，但同時也包含了由 XiphOrg 基金會的主要贊助者 Mozilla 開發的 Daala 影片壓縮格式和由 Cisco 開發的 Thor 影片壓縮格式中所使用的影片編碼技術。 開放媒體聯盟根據 FreeBSD 2 許可證釋出了一個用 C 語言和組合語言編寫的編解碼器參考例項 libaom。該參考例項的開發接受開放媒體聯盟成員資助並且公開進行。此外還有另一個開源編碼器 rav1e，rav1e 編碼器以犧牲編碼效率為代價，成為最簡單、最快符合 AV1 標準的影片編碼器。 分割槽 於此，幀的內容被劃分（Partitioning）為相間、相鄰且大小相同的區塊，稱為超區塊。相似於宏區塊的概念，超區塊呈現方形，大小可為 128128 或 6464 畫素。超區塊可以根據不同的分割槽模式劃分為更小的區塊。四方分割模式（fourway split pattern）是唯一可以遞迴將分割槽細分的模式。這允許將超區塊從大區塊劃分為小至 44 畫素的分割槽。T 形分割槽模式是 VP10 開發的一項新功能，水平或垂直拆分超區塊分割為 41 和 14 長條形分割槽。分割槽模式的使用因超區塊大小而有所限制，其中 128128 和 88 超區塊都不能使用 41 或 14 長條型分割槽拆分，而只有 88 超區塊則不能使用 T 形分割。 在不同區塊空間的部分上使用兩個獨立預測，可以使用平滑的傾斜過渡線（楔形分割槽預測）。這使得物件得以準確地分割，而無需沿方形邊界的傳統階梯線。 基於瓦形行列之間的可預測的相依性這使得可以實現更多的編碼器平行性。 預測 AV1 以更高的精度（10 或 12 位樣本頻率）執行內部處理，由於解析度提高，影像中的四捨五入的誤差較小，使得壓縮效能改進。 預測（Prediction）可以在一個區塊中以更高階的方式組合成複合預測，包括不同方向平滑與尖銳的楔形分割槽預測，以及基於使用兩個預測器探究兩者之間差異的隱式掩碼，這將比取平均來得優秀。這允許在同一超區塊中使用兩個幀間預測或幀間和幀內預測的組合。 於幀間預測時，一個幀可以訪問 8 個可用幀緩衝區中的 6 個而不是 3 個，且可同時為雙向預測，即幀間與幀內預測組合預測。 在 AV1 中的扭曲運動和全域性運動分析工具，用於藉由識別由相機運動產生的模式，以減少運動向量中的冗餘資訊，如噪音即為冗於資訊。這實現了以往的格式中試圖卻仍未被實現的做法，例如儘管採用適用於三維的新穎方法的 MPEG4 ASP。位元流中提供的幀有一組扭曲引數，隱式區域引數可根據周圍的區塊計算得到並於區塊中使用。 切換幀（S 幀）是一種新的幀間型別，可以使用來自同一影像更高解析度的已解碼參考幀進行預測以允許切換至低解析度，於自適性位元串流媒體例項中，無需在開始時使用完整的關鍵幀影像片段。 幀內預測 幀內預測（Intra Prediction）使用當前幀中可用資訊來預測目標區塊的畫素。大多數情況下，幀內預測是從待預測目標區塊上方和左側的相鄰畫素構建的。DC 預測器藉由平均區塊左側和上方畫素進行預測。 根據指定的角度，方向預測器可以推斷相鄰畫素。在 AV1 中，以 45 度角開始，每次差距 225 度，逐步增加至 203 度，共計八種模式。每個方向模式中，可以為較大的區塊給予每個 3 度，共計六組的偏移訊號，主角上方與下方各三組，從而產生總共 56 個角。 其中，真實運動預測器被替換為 Paeth 預測器，這將判別左上角已知畫素與新畫素的左側與上方的的畫素的差異，而後選擇位於較小梯度方向的畫素作為預測器。 另調色盤預測器可用於較少顏色最多 8 個顏色的區塊，如部分電腦螢幕內容，可使用基於亮度平面樣本的色度塊預測器來利用亮度和顏色資訊之間的相關性。 為了減少沿幀間預測區塊邊界的可視邊界，可使用重疊塊運動補償（OBMC）技術，與相鄰區塊重疊 2 到 32 個畫素，並混合重疊部分。 資料轉換 為了將預測後剩餘的誤差轉換（Data transformation）到頻域，AV1 編碼器可以使用正方形、或 2112 和 4114 矩形進行離散餘弦變換，以及非對稱的離散正弦變換，對來自附近畫素，預測左側或上方邊緣具有較低誤差的區塊，或者選擇不進行變換。 這可以複合兩個一維變換，使得水平和垂直維度得以使用不同的變換。 量化 AV1 具有最佳化量化 Quantization）矩陣，每幀可選擇和傳送資訊八組量化引數，具有兩個色度平面的單獨引數，並且可以使用空間預測。在每個新的超區塊上，量化引數可以透過傳送偏移訊號進行調整。 濾波器 Thor 的約束低通濾波器（Filter）和 Daala 的定向去振鈴濾波器，對於環路濾波有卓越的成效：結合二者之約束定向增強濾波器，超過了單獨或一起使用一般濾波器的結果。 這是一種邊緣定向條件替換濾波器，平滑具有可配置強度的區塊沿主要邊緣方向，以消除振鈴效應。 還有基於 Wiener 濾波器和自引導恢復濾波器的環路恢復濾波器，用於去除由於區塊處理引起的模糊振鈴。 膠片顆粒合成使用引數影片編碼方法改進了噪聲訊號的編碼。由於膠片顆粒噪聲固有的隨機性，該訊號分量傳統上編碼成本昂貴，容易遺失與損壞，並可能會留下嚴重的編碼振鈴作為殘留物。使用膠片顆粒合成來規避這些問題，其使用視覺上主觀視覺印象相似的部分替換部分訊號而不是客觀相似性。消除從訊號中去除顆粒成分與分析其非隨機特徵，取而代之的是僅將描述性引數傳輸到解碼器，解碼器會添加回原始組成成分之後重塑並合成偽隨機噪聲訊號。膠片顆粒合成是 AC3、AAC、Vorbis 和 Opus 音訊編解碼器中使用的感知噪聲替代技術的視覺等效項。 熵編碼 Daala 的熵編碼器，是一種非二進位制的算術編碼器，作為替代原先 VP9 二進位制的編碼器。非二進位制算術編碼的有利於避開現有專利，同時也讓位元層級的串列過程增加了平行性，藉而降低硬體實現對於石英震盪器的速率要求。如前文參考之適應性二元算術編碼之現代二進位制算術編碼的有效性，其正在使用比二進位制更大的字母表來實現，因此速度更快，就像霍夫曼編碼一樣，雖然仍不及霍夫曼編碼簡單而快速。AV1 在算術編碼器中擁有按編碼符號而不是按幀調整符號機率的能力。 可適性視訊編碼 對於視訊最重要的是，可適性視訊編碼是一種泛用技術而不是由 AV1 獨有，以便可以從更高位元率的影像流中提取質量更好的低位元率影片流。這與自適應位元率流傳輸差別在於，每個更高位元率適配中的一些壓縮效率被放棄，以獲得整體影像流的效能。編碼過程也較少冗餘與較低的要求。 AV1 提供了時間和空間可適性，幀速率和解析度都是定義為低位元流可用的方法。 編碼規範 AV1 擁有三種設定（Profile）供解碼器使用 Main、High 與 Professional。Main 允許 8、10 位元的色彩深度以及 400（灰階）和 420 的色度抽樣。High 後續會支援 444 的色度抽樣。Professional 將會完整支援 400、420、422、444 的色度抽樣以及 8、10、12 位元的色彩深度。 不同設定下 AV1 編碼的特性 Main 0 High 1 Professional 2 色彩深度 色彩深度 8、10 8、10 8、10、12 色度抽樣 400 色度抽樣 420 色度抽樣 422 色度抽樣 444 seq_level_idx Level MaxPicSize 抽樣 MaxHSize 抽樣 MaxVSize 抽樣 MaxDisplayRate Hz MaxDecodeRate Hz MaxHeaderRate Hz MainMbps Mbits HighMbps Mbits Min Comp Basis Max Tiles Max Tile Cols Example 0 20 147456 2048 1152 4423680 5529600 150 15 2 8 4 42624030fps 1 21 278784 2816 1584 8363520 10454400 150 30 2 8 4 64036030fps 4 30 665856 4352 2448 19975680 24969600 150 60 2 16 6 85448030fps 5 31 1065024 5504 3096 31950720 39938400 150 100 2 16 6 128072030fps 8 40 2359296 6144 3456 70778880 77856768 300 120 300 4 32 8 1920108030fps 9 41 2359296 6144 3456 141557760 155713536 300 200 500 4 32 8 1920108060fps 12 50 8912896 8192 4352 267386880 273715200 300 300 1000 6 64 8 3840216030fps 13 51 8912896 8192 4352 534773760 547430400 300 400 1600 8 64 8 3840216060fps 14 52 8912896 8192 4352 1069547520 1094860800 300 600 2400 8 64 8 38402160120fps 15 53 8912896 8192 4352 1069547520 1176502272 300 600 2400 8 64 8 38402160120fps 16 60 35651584 16384 8704 1069547520 1176502272 300 600 2400 8 128 16 7680432030fps 17 61 35651584 16384 8704 2139095040 2189721600 300 1000 4800 8 128 16 7680432060fps 18 62 35651584 16384 8704 4278190080 4379443200 300 1600 8000 8 128 16 76804320120fps 19 63 35651584 16384 8704 4278190080 4706009088 300 1600 8000 8 128 16 76804320120fps 採用 軟體實現 Libaom 是 AV1 的參考實現，它包含一個編碼器（aomenc）和一個解碼器（aomdec）。它特性與標準實現最全，但是編碼速度非常緩慢。後續開發中 Libaom 的效能得到了顯著最佳化。 SVTAV1 包含了主要由英特爾與 Netflix 合作開發的開源編碼器和解碼器。這一編解碼器特別關注多執行緒效能。2020 年 8 月，開放媒體聯盟接受了 SVTAV1 作為生產就緒的編碼器。 SVTAV1 100 釋出於 2022 年 4 月 22 日。 SVTAV1 140 釋出於 2022 年 12 月 30 日。 rav1e 是一個用 Rust 和組合語言編寫的編碼器。 rav1e 採用了與 aomenc 相反的開發方法：從最快、最簡單的相容編碼器開始，然後在後續開發中提高效率，同時保持速度。 dav1d 是一個用 C99 和組合語言編寫的解碼器，注重速度和可移植性。 在 2019 年 3 月，dav1d 03 釋出，經過進一步最佳化，此時 dav1d 已經比 Libaom 的 aomdec 快 2 到 5 倍。在 2019 年 5 月，Firefox 67 將預設解碼器從 Libaom 切換到了 dav1d。 2019 年，與 libgav1 和 libaom 相比，dav1d v05 解碼效能更好。 2022 年 3 月 18 日，dav1d 100 釋出。 libgav1 是用 C11 編寫的解碼器，由 Google 釋出。 其他幾個組織也在開發 AV1 的編解碼器，包括 EVE for AV1（目前為 Beta 測試版）、 NGCodec、 Socionext、 Aurora 和 MilliCast。 軟體支援 Web 瀏覽器： Firefox（自 2019 年 5 月第 670 版起；在所有桌面平臺上預設啟動 適用於 32 位和 64 位系統的 Windows、macOS 和 Linux） Google Chrome（自 2018 年 10 月第 70 版後的解碼器起；自 2021 年 4 月 14 日第 90 版後的編碼器起） Opera（自 2018 年 11 月 28 日第 57 版起） Microsoft Edge（自 2018 年 10 月 10 日 Windows 更新的 1809）起，帶有 AV1 影像擴充套件外掛） Vivaldi（自 2018 年 10 月起） 影像播放器： VLC 媒體播放器（自 30 版起） mpv（自 0290 版起） Xinelib（自 1210 起） PotPlayer（自 2018 年 10 月 16 日第 1714804 版起） KLite 編解碼器包（自 2018 年 9 月 13 日起 1445 版起） 編碼器： FFmpeg（自 2018 年 4 月 20 日 40 版起） HandBrake（自 2019 年 11 月 9 日 130 版起支援解碼） Bitmovin 編碼（自 2018 年 7 月 4 日 1500 版起） 影像編輯： DaVinci Resolve（自 2021 年 5 月 172 版起支援解碼） 其他： GStreamer（自 114 版起） MKVToolNix（自版本 28 開始採用最終的 av1inmkv 規範） MediaInfo（自 1803 版起） Elecard StreamEye Studio（影像品質分析工具） Google Duo（自 2020 年 4 月起） 作業系統支援 不同作業系統的 AV1 支援 Microsoft Windows macOS BSD Linux Android iOS 編解碼支援 容器支援 MP4 mp4 WebM webm Matroska mkv MP4 mp4 WebM webm MP4 mp4 WebM webm Matroska mkv MP4 mp4 WebM webm Matroska mkv MP4 mp4 WebM webm 註釋 Windows 10 1809 更新中透過 AV1 Video Extension 加入了支援 Windows 10 1909 更新中加入了硬體加速支援 電影與電視等通用 Windows 平臺應用中支援。 macOS Ventura 支援 AVIF 影像，但不能播放 AV1 macOS Sonoma 支援 AVIF 影像，在具有硬體加速能力的硬體上支援 AV1 播放，如搭載 Apple M3 SoC 的 Mac Android 10 後支援 iOS 16 支援 AVIF 影像，但不能播放 AV1 iOS 17 支援 AVIF 影像，在具有硬體加速能力的硬體上支援 AV1 播放，如 iPhone 15 Pro 和 iPhone 15 Pro Max 內容提供商 YouTube 已開始嘗試在部份影片使用 AV1 影片格式。2020 年 2 月 5 日，Netflix 開始在 Android 裝置上使用 AV1 影片格式播放影片，AV1 的壓縮效率較原先的 VP9 提升了 20。Facebook 表示 AV1 效能超乎預期，一旦時機成熟將逐步採用 AV1 影片格式。 Twitch 計劃在 2022 年或 2023 年於關注度較高的影片採用 AV1 影片格式，並在 2024 年或 2025 年全面採用。 2020 年 4 月 30 日，愛奇藝宣佈在電腦瀏覽器和 Android 裝置上支援 AV1 影片格式。 2022 年 2 月 6 日，嗶哩嗶哩已在網頁端測試 AV1 影片格式的解碼播放。 參考資料 Category 影片和電影技術 Category 有失真壓縮演算法 Category 公開格式 Category 影片壓縮技術 Category 影片通訊