數(shù)字音視頻編解碼（AVS）系統(tǒng)芯片技術(shù)研究

摘要：AVS是我國首次發(fā)布的完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)自主的數(shù)字音、視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是高清晰度數(shù)字電視、高清晰度激光視盤機(jī)、網(wǎng)絡(luò)電視、視頻通信等大數(shù)據(jù)音視頻應(yīng)用所共同采用的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。文章回顧了AVS應(yīng)用的發(fā)展，指出擁有視頻解碼功能的芯片市場(chǎng)已經(jīng)不再需要。所以，研發(fā)新功能編解碼AVS芯片，成為AVS這個(gè)產(chǎn)業(yè)化的強(qiáng)烈需求。

關(guān)鍵詞：AVS；編解碼；視頻解碼；芯片；編碼器

中圖分類號(hào)：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）27-0016-02

1 問題的提出

數(shù)字化引領(lǐng)了一場(chǎng)全球技術(shù)的革命，廣播電視數(shù)字化是發(fā)展的必然趨勢(shì)。在許多發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，商業(yè)化數(shù)字媒體正在被大規(guī)模應(yīng)用。數(shù)十年以來，數(shù)字音視頻編碼技術(shù)這個(gè)數(shù)字視頻產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)一直掌握在少數(shù)發(fā)達(dá)國家的少數(shù)企業(yè)手中。我國由于缺少數(shù)字視頻核心技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，使得國內(nèi)企業(yè)只能充當(dāng)“制造者”角色，在音視頻產(chǎn)業(yè)中缺乏獨(dú)立產(chǎn)權(quán)，處于產(chǎn)業(yè)鏈最下游。

信源編碼技術(shù)目前正處于更新?lián)Q代時(shí)期，該編碼的核心技術(shù)大部分都已經(jīng)公開發(fā)表，除此之外很多專利已經(jīng)過了保護(hù)期，海外諸多系統(tǒng)與硬件廠商希望通過專利技術(shù)共享來推動(dòng)技術(shù)變革。我國在AVS標(biāo)準(zhǔn)的制定方面取得了先機(jī)和主動(dòng)權(quán)：AVS是我國首次發(fā)布的完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)自主的數(shù)字音、視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。AVS主要用來解決數(shù)字音、視頻海量數(shù)據(jù)（即初始數(shù)據(jù)以及信源）的編碼壓縮問題，所以也被稱作數(shù)字音、視頻編解碼技術(shù)。它是高清晰度數(shù)字電視、高清晰度激光視盤機(jī)、網(wǎng)絡(luò)電視、視頻通信等大數(shù)據(jù)音視頻應(yīng)用所共同采用的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（AVS）視頻部分于2006年3月1日獲批成為我國的國家標(biāo)準(zhǔn)，這一消息的公布不僅意味著AVS標(biāo)準(zhǔn)取得了重要成果，更意味著我國目前重點(diǎn)培育的數(shù)字化音視頻產(chǎn)業(yè)正式有標(biāo)可循，業(yè)內(nèi)眾多企業(yè)有了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就有了進(jìn)行自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)生產(chǎn)的希望。自2007年3月1日AVS作為國家標(biāo)準(zhǔn)被頒布以后，為了促進(jìn)AVS標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的技術(shù)發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)化，工業(yè)和信息化產(chǎn)業(yè)部科技司成立了“支持AVS的IPTV系統(tǒng)試驗(yàn)”工作組，該小組正在進(jìn)行基于AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)的IPTV網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證AVS編、解碼技術(shù)和現(xiàn)有的IPTV業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的融合情況、測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性，初步對(duì)使用AVS標(biāo)準(zhǔn)作為IPTV編、解碼技術(shù)的使用情況進(jìn)行評(píng)估。在電信研究院RTNet實(shí)驗(yàn)室AVS的演示中，AVS標(biāo)準(zhǔn)首次在商用IPTV系統(tǒng)上使用，實(shí)驗(yàn)采用了PCClient作為終端，支持基于AVS標(biāo)準(zhǔn)的直播、點(diǎn)播以及時(shí)移電視業(yè)務(wù)，AVS的商業(yè)應(yīng)用能力在這次展示中得到了充分的驗(yàn)證。結(jié)合以上諸多因素，預(yù)計(jì)未來AVS必將成為從“中國制造”到“中國創(chuàng)造”戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也必將深刻影響國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和整個(gè)國際音視頻產(chǎn)業(yè)。AVS雖然在國內(nèi)外取得了很大的成績，但在產(chǎn)業(yè)化過程中缺乏實(shí)時(shí)音視頻商用編解碼芯片或軟核也是它的一個(gè)重大缺陷。

2 市場(chǎng)分析

AVS編、解碼芯片或軟核存在巨大的市場(chǎng)需求，AVS編、解碼芯片不只是面向國內(nèi)市場(chǎng)，同時(shí)也面向國際市場(chǎng)。用一個(gè)例子說明：上億臺(tái)高清TV如果配備了AVS芯片，那么所有生產(chǎn)攝像機(jī)的企業(yè)，包括國際知名品牌的公司為了占領(lǐng)這個(gè)市場(chǎng)，都會(huì)隨之生產(chǎn)與其配套的設(shè)備，AVS編、解碼軟核系統(tǒng)正是這些產(chǎn)品必不可少的核心。AVS編、解碼芯片在視頻監(jiān)控、個(gè)人電腦、視頻會(huì)議、視頻電話、家庭視頻娛樂互動(dòng)網(wǎng)、寬帶多媒體網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字電視（IPTV）、多媒體實(shí)時(shí)新聞廣播等眾多領(lǐng)域有著巨大的市場(chǎng)需求。

因?yàn)锳VS是擁有中國完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，所以在中國境內(nèi)注冊(cè)的公司在政策上享有相當(dāng)?shù)膬?yōu)惠。目前國際上尚沒有其他芯片開發(fā)商獨(dú)立從事AVS標(biāo)準(zhǔn)編解芯片的研發(fā)，只有少數(shù)幾個(gè)國內(nèi)公司開發(fā)出了演示用的AVS解碼芯片。

3 技術(shù)趨勢(shì)

MPEG-4作為國際標(biāo)準(zhǔn)，為大多數(shù)個(gè)人、企業(yè)和部門使用，也是數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)容易使用的，但是這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在我們使用時(shí)有很大弊端。一方面，代理公司MPEGLA在專利使用中有這樣的規(guī)定：使用MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)，每臺(tái)設(shè)備必須繳納一定費(fèi)用的專利使用費(fèi)。而采用AVS標(biāo)準(zhǔn)，可以是我們擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)和對(duì)相應(yīng)部門開放的權(quán)限；另一方面，AVS標(biāo)準(zhǔn)的壓縮效率可以保證數(shù)字電視的使用。國家廣電總局廣播電視計(jì)量檢測(cè)中心曾經(jīng)對(duì)AVS系統(tǒng)進(jìn)行了以下檢測(cè)：與MPEG-2系統(tǒng)比對(duì)，測(cè)試圖像的序列采用該領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)工作組推薦的四個(gè)高清測(cè)試序列，檢測(cè)報(bào)告最終評(píng)價(jià)結(jié)果為：“所測(cè)AVS音視頻編解碼（軟件）系統(tǒng)在壓縮碼率比MPEG-2編解碼系統(tǒng)低一倍的情況下，圖像質(zhì)量均好于經(jīng)MPEG-2編解碼后的圖像質(zhì)量”。結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)我們可以得到結(jié)論：AVS的壓縮效率高，利用AVS技術(shù)傳送高質(zhì)量的數(shù)字節(jié)目可以達(dá)到8Mbps完全可以保證數(shù)字電視節(jié)目的清晰流暢播放。

CODEC硬件以DSP為主，DSP運(yùn)行速度很慢，容易發(fā)熱。目前沒有成熟的AVS CODEC芯片制造商，由于CODEC DSP芯片的價(jià)格比較昂貴，基于ASIC的AVS CODEC芯片必將成為主流產(chǎn)品引導(dǎo)芯片市場(chǎng)的發(fā)展。

4 研究內(nèi)容

綜上所述，開發(fā)國際先進(jìn)并且可以填補(bǔ)國內(nèi)技術(shù)空缺，符合我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的音視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，AVS多路高清晰實(shí)時(shí)視音頻商用編解碼芯片（AVSCODEC）集成芯片是必要的。該芯片應(yīng)具有低功耗、小尺寸的特點(diǎn)，編碼壓縮部分，實(shí)現(xiàn)高清晰（多媒體電視、廣播，視頻會(huì)議等）以及多路D1/CIF的AVS壓縮編碼。解碼部分，針對(duì)AVS解碼核硬件、AVS解碼核多路控制系統(tǒng)分別實(shí)施開發(fā)設(shè)計(jì)，同時(shí)盡可能地進(jìn)行編、解碼部分硬軟件設(shè)計(jì)資源共享。企業(yè)和學(xué)校等部門可以通過AVS商用編解碼芯片的硬軟件的研究開發(fā)，生產(chǎn)和銷售，創(chuàng)建具有中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國際品牌，參與國際競(jìng)爭(zhēng)，成為國內(nèi)集成電路設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的龍頭企業(yè)。

AVS視頻編解碼芯片的研發(fā)可利用SOC設(shè)計(jì)平臺(tái)和H.264IC芯片為基礎(chǔ)。在芯片的開發(fā)計(jì)劃上，將整個(gè)芯片按照其主要架構(gòu)模塊和功能，其重要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題如下：

系統(tǒng)軟硬件劃分與協(xié)同驗(yàn)證；協(xié)同模擬驗(yàn)證平臺(tái)的建立；多路編/解碼過程的并行和流水線的控制協(xié)調(diào)；碼流錯(cuò)誤處理研究與實(shí)現(xiàn)。

芯片采用完整的SOC解決方案。使用90nm工藝技術(shù)，百萬門以上的超大規(guī)模集成電路，主震頻率低于166MHz（或更低），整片功耗將低于芯片功耗1.5W。第一代芯片的尺寸小于：5.5mm×5.5mm。嵌入處理器以實(shí)現(xiàn)“單片式系統(tǒng)”解決方案。芯片接口：DDR2，PCI-E，I2C，I2S，USB，SATA，10/100/1GETHERNET，etc。

4.1 編碼器

解晰度：1280p@80fps；2×1280p@60fps；2×800p@60fps；4×800p@60fps。

編碼延遲時(shí)間<3ms。

具有AVS標(biāo)準(zhǔn)音頻、視頻以及其他音頻編碼的功能。

廣泛的視頻接口支持：

（1）YCbCr16-bit：HDMI，HD-SDI，Component；（2）YCbCr8-bit：HDMI，HD-SDI，Composite（NTSC，PAL），S-Video（NTSC，PAL）；（3）RGB24-bit：HDMI，DVI，VGA，Component；（4）RGB16-bit：VGA.

4.2 解碼器

（1）輸入是AVS TS流。具有AVS視頻（AVS1.0標(biāo)準(zhǔn)）的解碼功能；（2）具有AVS音視頻及其他格式（MP3等）音視頻解碼的解碼功能；（3）支持多種格式視頻解碼，格式包括：1080p，1080i，720p，QVGA，VGA，CIF，D1；（4）支持條件接受（CA）；（5）具有TS流的解復(fù)用功能，支持其他復(fù)用功能；（6）具有容錯(cuò)功能（Error Concealment）；（7）采用SOC架構(gòu)，內(nèi)嵌處理器，采用SOC結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌處理器；（8）具有芯片的調(diào)試、測(cè)試功能。

5 技術(shù)路線

該芯片采用完全自主產(chǎn)權(quán)的高效壓縮算法，支持高清（HD）以及多路標(biāo)清（SD/CIF）的AVS壓縮編碼。解碼部分，將分別針對(duì)AVS解碼核硬件、AVS解碼核多路控制系統(tǒng)實(shí)施開發(fā)設(shè)計(jì)，同時(shí)盡可能地進(jìn)行編/解碼部分硬軟件設(shè)計(jì)資源共享。芯片采用國際先進(jìn)的多核片上系統(tǒng)技術(shù)（SOC），將集成嵌入式微處理器和專用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），這樣不僅可以大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，而且可以有效地完成不同配置的視頻編解碼算法，從而實(shí)現(xiàn)多重應(yīng)用功能開發(fā)。在芯片的設(shè)計(jì)過程中還將同時(shí)進(jìn)行芯片的示范演示系統(tǒng)平臺(tái)的軟硬件開發(fā)。此系統(tǒng)不僅可作為芯片設(shè)計(jì)的驗(yàn)證平臺(tái)，同時(shí)也可作為潛在的產(chǎn)業(yè)化編解碼系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：尹賀（1982-），男，吉林松原人，吉林大學(xué)珠海學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：跨平臺(tái)開發(fā)。