- Netflix는 AV1의 Film Grain Synthesis(FGS) 스트림을 전 세계로 확대해, 필름 그레인의 질감을 유지하면서 스트리밍 데이터 사용량을 줄이려 함
- FGS는 그레인을 그대로 압축하지 않고, 제거된 영상과 그레인 모델 파라미터를 보내 재생 시점에 블록 단위로 다시 합성함
- They Cloned Tyrone 예시에서는 일반 AV1 8274 kbps 대비 AV1 FGS가 2804 kbps로, 강한 필름 그레인 장면에서 약 66% 비트레이트 감소를 보임
- 약 300개 타이틀 평가에서 1080p 이상은 평균 비트레이트가 36% 감소했지만, 1080p 미만은 다운스케일링으로 노이즈가 줄어 효과가 10% 수준에 그침
- 롤아웃 전 A/B 테스트에서는 초기 비트레이트 24%, 평균 비트레이트 31.6%, 재버퍼링 10%, 시작 지연 10% 감소가 관찰됐고, 지원 기기에는 2025년 3월부터 대규모 적용 중임
Netflix의 AV1 Film Grain Synthesis 확대
- Netflix는 최근 AV1 Film Grain Synthesis(FGS) 스트림을 전 세계 회원 대상으로 확대 적용함
- FGS는 AV1 표준 초기부터 포함됐지만, Netflix의 2021년 AV1 코덱 초기 출시 당시에는 제한된 수의 타이틀에만 활성화됐음
- 이번 확대의 목적은 필름 그레인의 예술적 무결성을 보존하면서 데이터 효율을 높이는 데 있음
- 필름 그레인은 고전 영화의 질감, 사실감, 향수를 만드는 요소지만 무작위성이 커서, 기존 압축에서는 파일 크기 절감과 그레인 보존 사이에서 절충이 필요했음
- 디지털 영상에도 카메라 센서 노이즈나 후반 작업에서 의도적으로 추가한 그레인이 있어 압축 처리가 더 어려워짐
AV1 FGS가 그레인을 처리하는 방식
- AV1 FGS는 그레인을 직접 압축하는 대신, 원본 영상에서 그레인을 제거한 denoised video를 먼저 인코딩함
- 그레인의 모양과 강도를 모델링한 파라미터를 압축 영상 데이터와 함께 전송하고, 재생 중 다시 합성함
- AV1 표준은 그레인 제거 방식 자체를 특정하지 않아 사용자가 원하는 denoiser를 선택할 수 있음
- 재생 단계에서는 소비자 기기에서 원활하게 동작하도록 최적화된 블록 기반 방식으로 필름 그레인을 복원함
- 더 자세한 설명은 원 논문에서 확인할 수 있음
그레인 패턴과 강도 모델
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Film Grain Pattern
- 자동회귀 모델(auto-regressive model)이 필름 그레인 패턴을 복제함
- 핵심 파라미터는 AR 계수이며, 소스 영상과 denoised video 사이의 잔차에서 추정할 수 있음
- 이 모델은 그레인 샘플 사이의 공간적 상관관계를 포착해 원본 노이즈 특성을 유지함
- AR 계수
{ai}를 조정하면 그레인의 형태를 더 거칠거나 더 미세하게 만들 수 있음 - 이 계수로 64x64 노이즈 템플릿을 생성하고, 재생 중에는 무작위 32x32 패치를 추출해 디코딩된 영상에 더함
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Film Grain Intensity
- 스케일링 함수가 밝기 조건에 따라 그레인의 외형을 제어함
- 이 함수는 인코딩 중 추정되며, 픽셀 값과 노이즈 강도의 관계를 구간별 선형 함수로 모델링함
- 영상의 밝기와 색상에 따라 그레인 강도를 조정해 원본 영상의 외형에 더 가깝게 재현함
화질 개선과 비트레이트 절감
- Netflix는 They Cloned Tyrone의 한 프레임을 예시로 일반 AV1과 AV1 FGS를 비교함
- 일반 AV1은 8274 kbps, AV1 FGS는 2804 kbps로 약 66%의 비트레이트 감소를 보임
- 강한 필름 그레인이 있는 이 예시에서 일반 AV1은 DCT 같은 패턴의 왜곡된 노이즈가 나타날 수 있지만, FGS 버전은 더 낮은 비트레이트에서도 필름 그레인의 무결성을 보존함
- 합성된 노이즈는 압축 아티팩트를 마스킹해 시각적으로 더 나은 경험을 만들 수 있음
- 일반 AV1 스트림과 합성 노이즈가 없는 AV1 FGS 스트림에서는 압축 아티팩트가 보임
- 그레인 합성이 적용된 AV1 FGS 스트림은 인간 시각 시스템의 대비 마스킹을 통해 일부 압축 아티팩트를 가림
품질 측정의 한계와 카탈로그 평가
- Netflix에는 현재 필름 그레인 합성을 위한 전용 품질 모델이 없음
- 소스 영상과 디코딩 영상의 노이즈가 서로 다른 픽셀 위치에 나타나기 때문에, PSNR이나 VMAF 같은 픽셀 단위 비교 방식은 품질 점수를 낮게 줄 수 있음
- 내부 평가에서는 시각 품질 개선과 기술적 가치가 확인됨
- 그레인 수준이 다양한 약 300개 타이틀을 골라 AV1 FGS의 영향을 평가함
- 1080p 이상 해상도에서는 평균 비트레이트가 36% 감소함
- 1080p 미만 해상도에서는 비트레이트 감소가 약 10% 에 그침
- 낮은 해상도에서 효과가 작은 이유는 다운스케일링 과정에서 노이즈가 필터링되기 때문일 가능성이 있음
- FGS 코딩 도구를 켜면 비트스트림에 문법 오버헤드가 계속 추가됨
A/B 테스트에서 관찰된 스트리밍 영향
- Netflix는 롤아웃 전에 A/B 테스트로 AV1 FGS 활성화가 스트리밍 전반에 미치는 영향을 평가함
- 테스트 결과는 더 부드럽고 안정적인 QoE로 이어짐
- 관찰된 개선 사항은 다음과 같음
- 재생 시작 시 비트레이트가 24% 감소하고 평균 비트레이트가 31.6% 감소해 네트워크 대역폭 요구와 다운로드 스트림 저장 필요가 줄어듦
- 재생 오류율이 약 3% 감소함
- 재버퍼링 횟수가 10% 감소하고 재버퍼링 지속 시간은 5% 감소함
- 시작 지연이 10% 감소했으며, 낮아진 비트레이트로 기기가 목표 버퍼 수준에 더 빨리 도달했을 가능성이 있음
- 눈에 띄는 비트레이트 하락이 10% 감소하고, 사용자가 재생 위치를 조정하는 시간도 10% 감소함
- 4K 지원 기기에서는 시청 시간의 약 0.7% 가 1080p 이하에서 2160p로 이동함
- 이 해상도 이동은 전환 지점의 비트레이트 감소로 세션 중 최고 해상도에 도달하기 쉬워진 데서 비롯됨
롤아웃 상태와 다음 계획
- Netflix는 2025년 3월부터 FGS를 대규모로 롤아웃해 왔고, 현재 많은 사용자가 지원 기기에서 FGS 활성화 스트림을 볼 수 있음
- FGS 스트림 체험 예시로 The Hot Spot, Kung Fu Cult Master, Initial D, God of Gamblers II, Baahubali 2: The Conclusion, Dept. Q가 제시됨
- 일부 타이틀에서는 설정 메뉴에서 HDR을 꺼야 새 FGS 스트림을 직접 경험할 수 있음
- 다음 글에서는 Netflix의 비디오 인코딩 파이프라인에서 이 작업을 구현한 방식과 얻은 인사이트를 다룰 예정임