中國數(shù)字音視頻解碼標(biāo)準(zhǔn)（AVS）的研究及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

黃玉玲 馬秀梅 南京熊貓通信科技有限公司 紀(jì)雪嵐 南京熊貓電子科技發(fā)展有限公司

從1952年貝爾實驗室 Cutler等人進(jìn)行差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)技術(shù)的研究開始,視頻壓縮編碼技術(shù)經(jīng)歷了50余年的發(fā)展。在這一過程中,逐漸形成了變換編碼、預(yù)測編碼、熵編碼3類經(jīng)典技術(shù),分別用于去除視頻信號的空域冗余、時域冗余及統(tǒng)計冗余。并基于這些經(jīng)典技術(shù),逐漸形成了以塊為單元的預(yù)測加變換的混合編碼框架。到目前為止,已有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)都基于這一框架,包括國際電信聯(lián)盟 (ITU- T)的 H.261/3/4 視頻編碼建議以及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 /國際電工委員會 (ISO/IEC)的 MPEG- 1/2/4 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)對視頻信號提供了一種高效表達(dá)方式,使得巨大的視頻數(shù)據(jù)能夠在有限帶寬下傳輸以及在有限空間下存儲。其中,MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用,已經(jīng)成為電視廣播應(yīng)用的基礎(chǔ)性支撐標(biāo)準(zhǔn)。但MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)制訂于1994年,屬第一代視頻編碼技術(shù),近10年視頻編碼技術(shù)的發(fā)展,使得MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)在新一代IPTV、高清數(shù)字電視廣播、無線移動媒體通信、流媒體服務(wù)等方面的應(yīng)用上不再高效與經(jīng)濟(jì)。新的應(yīng)用需要新的高效信源編碼方案。

數(shù)字音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn) (AVS)標(biāo)準(zhǔn)第 2 部分 ： 視頻 (AVS1-P2)[1]的技術(shù)規(guī)范完成于 2003年 12月,該標(biāo)準(zhǔn)面向標(biāo)清高清視頻編碼應(yīng)用。AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)吸收了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)近年來的優(yōu)秀研究成果,屬于高效的第二代視頻編碼技術(shù)。相比于MPEG-2標(biāo)準(zhǔn),編碼效率提高2～3倍。如果以AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)清視頻廣播應(yīng)用,可以將MPEG- 2標(biāo)準(zhǔn)所需的5～6 Mb/s傳輸帶寬降低到1.5～3Mb/s。因此,即使在不進(jìn)行大規(guī)模寬帶光纖網(wǎng)絡(luò)升級的情況下,借助于AVS視頻技術(shù),IPTV應(yīng)用也可以在現(xiàn)有家用數(shù)字用戶線 (DSL) 網(wǎng)絡(luò)的 2 Mb/s帶寬下進(jìn)行大規(guī)模實施。在新的寬帶網(wǎng)絡(luò)上,AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)將使業(yè)務(wù)量翻番。在獲得高編碼效率的同時,AVS 視頻標(biāo)準(zhǔn)盡可能保持了低的計算實現(xiàn)復(fù)雜度。當(dāng)編碼高清視頻信號時,AVS視頻獲得了與先進(jìn)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)AVC/H.264主要檔次 (Main Profile)相當(dāng)?shù)木幋a效率, 但解碼器的實現(xiàn)復(fù)雜度只有其60%～70%。在專利許可方面,AVS 通過簡潔的一站式許可政策,解決了MPEG- 4 AVC/H.264被專利許可問題纏身難以產(chǎn)業(yè)化的弊端,并且專利許可費(fèi)用大大低于國際同類標(biāo)準(zhǔn)。

1 AVS視頻技術(shù)

1.1 混合編碼框架

AVS1- P2視頻標(biāo)準(zhǔn)采用經(jīng)典的混合編碼框架。此框架與以往視頻標(biāo)準(zhǔn)相同,但由于不同標(biāo)準(zhǔn)制訂時出于對不同應(yīng)用的考慮,在技術(shù)取舍上對復(fù)雜度-性能的衡量指標(biāo)各不相同,因而在復(fù)雜性、編碼效率上的表現(xiàn)也各不相同。

1.2 AVS 關(guān)鍵技術(shù)介紹

(1)幀內(nèi)預(yù)測

AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)采用空域內(nèi)的多方向幀內(nèi)預(yù)測技術(shù)。基于空域多方向的幀內(nèi)預(yù)測提高了預(yù)測精度,從而提高了編碼效率。AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)的幀內(nèi)預(yù)測基于8×8塊大小,亮度分量只有5種預(yù)測模式 ,大大降低了幀內(nèi)預(yù)測模式?jīng)Q策的計算復(fù)雜度,但性能與 AVC/H.264十分接近。

(2)變塊大小運(yùn)動補(bǔ)償

變塊大小運(yùn)動補(bǔ)償是提高運(yùn)動預(yù)測精確度的重要手段之一 ,對提高編碼效率起重要作用。在 AVS1- P2 中將最小宏塊劃分限制為8×8, 這一限制大大降低了編解碼器的復(fù)雜度。

(3)多參考幀預(yù)測

多參考幀預(yù)測使得當(dāng)前塊可以從前面幾幀圖像中尋找更好的匹配,因此能夠提高編碼效率。但一般來講2～3 個參考幀基本上能達(dá)到最高的性能,更多的參考圖像對性能提升影響甚微,復(fù)雜度卻會成倍增加。AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)限定最多采用兩個參考幀,其優(yōu)點(diǎn)在于：在沒有增大緩沖區(qū)的條件下提高了編碼效率,因為B幀本身也需要兩個參考圖像的緩沖區(qū)。

(4)整數(shù)變換與量化

AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)采用整數(shù)變換代替了傳統(tǒng)的浮點(diǎn)離散余弦變換(DCT)。整數(shù)變換具有復(fù)雜度低、完全匹配等優(yōu)點(diǎn)。

(5)熵編碼

熵編碼是視頻編碼器的重要組成部分,用于去除數(shù)據(jù)的統(tǒng)計冗余。

系數(shù)前連續(xù)值為零的系數(shù)個數(shù),Level 表示一個非零系數(shù)；之后采用多個變長碼表對這些數(shù)對進(jìn)行編碼,編碼過程中進(jìn)行碼表的自適應(yīng)切換來匹配數(shù)對的局部概率分布,從而提高編碼效率。

1.3 編碼效率對比

以上是從編碼模塊各個方面認(rèn)識 AVS,從中不難看出 AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)對每項技術(shù)都進(jìn)行了復(fù)雜性與效率的權(quán)衡,為所面向的應(yīng)用提供了很好的解決方案,努力降低復(fù)雜度,并保證高的編碼效率。

2 AVS標(biāo)準(zhǔn)的特色

AVS視頻標(biāo)準(zhǔn)高效的技術(shù)、簡潔的實現(xiàn)方案為其成功應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但要得到市場認(rèn)可,還需要其他方面優(yōu)勢的配合。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)沒有廣泛應(yīng)用的一個重要原因是過度的專利保護(hù)所導(dǎo)致的高額專利費(fèi)限制了技術(shù)的推廣。AVS1- P2已經(jīng)由國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn),正式成為國家標(biāo)準(zhǔn),并于2006年3月1日起正式實施。AVS標(biāo)準(zhǔn)將憑借其先進(jìn)的技術(shù)和低廉簡潔的專利許可方式為中國IPTV、高清數(shù)字視頻廣播等重大信息產(chǎn)業(yè)應(yīng)用起到積極的推動作用。

3 AVS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

3AVS-M標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展作為一種面向移動視頻的壓縮標(biāo)準(zhǔn),AVS-M高壓縮比、低運(yùn)算復(fù)雜度的特性使之特別適合于無線網(wǎng)絡(luò)和移動終端視頻通信的需求,在移動視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)、電視直播業(yè)務(wù)、移動視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)以及衛(wèi)星視頻廣播中具有廣闊的應(yīng)用空間。目前,AVS-M的產(chǎn)業(yè)化工作正在緊鑼密鼓的進(jìn)行。在香港,中科院計算所上海分部與香港科技大學(xué)以及香港多家運(yùn)營商合作,于2005年11月初成功試制完成了可運(yùn)行于香港3G網(wǎng)絡(luò)上的基于AVS-M標(biāo)準(zhǔn)的實時流媒體系統(tǒng)。該流媒體系統(tǒng)采用國際通用的3GPP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,其中視頻編解碼部分用AVS-M替換原來的H.263標(biāo)準(zhǔn)。整個系統(tǒng)在100kbit/s左右?guī)捪驴蓪崿F(xiàn)實時節(jié)目傳輸與手機(jī)同步播放。2005年11月26日,香港科技大學(xué)和中科院計算所,以及AVS工作組、AVS產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟共同在香港舉行了AVS-M在香港3G網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的成果演示和技術(shù)研討會。通過對比演示,與會代表可主觀感覺到AVS-M視頻質(zhì)量明顯高于H.263。此次成果演示,是AVS-M在商用3G網(wǎng)絡(luò)上的首次成功運(yùn)行,為將來的大規(guī)模商用打下了堅實的基礎(chǔ)。在國內(nèi),中科院計算所上海分部與行業(yè)內(nèi)著名公司企業(yè)合作,實現(xiàn)了基于移動和聯(lián)通的GPRS和cdma1x的移動通信網(wǎng)絡(luò)的AVS-M商用移動流媒體系統(tǒng),系統(tǒng)視頻顯示主觀效果良好,通過在第七屆中國國際高新技術(shù)成果交易會(2005年10月)、第七屆上海國際工業(yè)博覽會(2005年11月)以及2005年國際計算機(jī)創(chuàng)新大會(2005年12月)等的展示,獲得了很好的反映。驗證了采用AVS-M在現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行視頻傳輸?shù)目尚行?。目?AVS-M軟件播放器可以運(yùn)行于多種手機(jī)平臺上,包括WindowsCE(WindowsSmart phone),Brew,Symbian和Linux等,在采用這些平臺的近10款手機(jī)上已經(jīng)實現(xiàn)實時播放AVS-M視頻。另外,為提升整個產(chǎn)業(yè)的競爭力,以中科院計算所上海分部牽頭,在上海成立了移動視音頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。該產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟包括從終端到內(nèi)容的諸多公司,將以視音頻編解碼技術(shù)AVS-M為核心,通過技術(shù)的發(fā)展、優(yōu)化驅(qū)動產(chǎn)品的定型、生產(chǎn),進(jìn)而推動市場,參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制定伴隨著智能手機(jī)的迅速普及和3G時代的到來,網(wǎng)絡(luò)速度的提高進(jìn)一步刺激移動視頻在各種業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。AVS-M以其先進(jìn)的技術(shù)、合理的專利收費(fèi)以及本土化優(yōu)勢,必將在未來得到廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

AVS1- P2已經(jīng)由國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn),正式成為國家標(biāo)準(zhǔn),并于2006年3月1日起正式實施。AVS標(biāo)準(zhǔn)將憑借其先進(jìn)的技術(shù)和低廉簡潔的專利許可方式為中國 IPTV、高清數(shù)字視頻廣播等重大信息產(chǎn)業(yè)應(yīng)用起到積極的推動作用。