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中国音视频编码技术标准--AVS的发展展望
 
慧聪网   2006年5月15日11时38分   信息来源:中国多媒体通信    

    南京邮电大学通信与信息工程学院 李晓飞

一、AVS标准简介

    AVS是中国自主制定的音视频编码技术标准。AVS工作组成立于2002年6月,在短短的一年多时间内,审议了182个提案,先后采纳了41项提案, AVS视频部分于2003年12月定稿。AVS标准以当前国际上最先进的MPEG-4 AVC/ H.264框架为起点,自主制定适合广泛数字视频应用的中国标准,其中强调自主知识产权,同时充分考虑实现难度。

    AVS与MPEG-4 AVC/ H.264标准的主要技术差异包括:8x8整数变换、量化、帧内预测、1/4精度像素插值、特殊的帧间预测运动补偿、二维熵编码、去块效应环内滤波等。

    AVS采用整数8x8变换,它可以在16位处理器上无失配地实现,从而克服了MPEG-4 AVC/ H.264之前所有视频压缩编码国际标准中采用的8x8 DCT变换存在失配的固有问题。而MPEG-4 AVC/ H.264所采用的4x4整数变换在高分辨率的视频图像上的去相关性能不及8x8的变换有效。AVS采用了64级量化,可以完全适应不同的应用和业务对码率和质量的要求。目前AVS所采用的8x8变换与量化方案大大降低了芯片的实现难度(即可大大降低芯片功耗,这一点对移动类产品是十分宝贵的)。参照MPEG-4 AVC/ H.264帧内预测的思路,AVS采用帧内预测技术,用相邻块的像素预测当前块,同时采用代表空间域纹理方向的多种预测模式。但AVS亮度和色度帧内预测都是以8x8块为单位的。亮度块采用5种预测模式,色度块采用4种预测模式,而这4种模式中又有3种和亮度块的预测模式相同。在编码质量相当的前提下,AVS采用较少的预测模式,使方案更加简洁、实现的复杂度大为降低。

    帧间运动补偿编码是混合编码技术框架中最重要的部分之一。AVS标准采用了16×16,16×8,8×16和8×8的块模式进行运动补偿,而去除了MPEG-4 AVC/ H.264标准中的8×4,4×8,4×4的块模式,目的是能更好地刻画物体运动,提高运动搜索的准确性。实验表明,对于高分辨率视频,AVS选用的块模式已经能足够精细地表达物体的运动。较少的块模式,能降低运动矢量和块模式传输的开销,从而提高压缩效率、降低编解码实现的复杂度。

    AVS和MPEG-4 AVC/ H.264都采用了1/4像素精度的运动补偿技术。MPEG-4 AVC/ H.264采用6抽头滤波器进行半像素插值并采用双线性滤波器进行1/4像素插值。而AVS采用了不同的4抽头滤波器进行半像素插值和1/4像素插值,在不降低性能的情况下减少插值所需要的参考像素点,减小了数据存取带宽需求,这在高分辨率视频压缩应用中是非常有意义的。

    在传统的视频编码标准(MPEG-x系列与H.26x系列)中,双向预测帧B帧都只有一个前向参考帧与一个后向参考帧,而前向预测帧P 帧则只有一个前向参考帧。而新近的MPEG-4 AVC/ H.264充分地利用图片之间的时域相关性,允许P帧和B帧有多个参考帧,最多可以有31个参考帧。多帧参考技术在提高压缩效率的同时也将极大地增加存储空间与数据存取的开销。AVS中P帧可以利用至多2帧的前向参考帧,而B帧采用前后各一个参考帧,P帧与B帧(包括后向参考帧)的参考帧数相同,其参考帧存储空间与数据存取的开销并不比传统视频编码的标准大,而恰恰是充分利用了必须预留的资源。

    AVS的B帧双向预测使用了直接模式(direct mode)、对称模式(symmetric mode)和跳跃模式(skip mode)。使用对称模式时,码流只需要传送前向运动矢量,后向运动矢量可由前向运动矢量导出,从而节省后向运动矢量的编码开销。对于直接模式,前块的前、后向运动矢量都是由后向参考图像相应位置块的运动矢量导出,无需传输运动矢量,因此也可以节省运动矢量的编码开销。跳跃模式的运动矢量导出方法和直接模式的相同,跳跃模式编码块的运动补偿的残差也均为零,即该模式下宏块只需要传输模式信号,而不需要传输运动矢量、补偿残差等附加信息。

    AVS熵编码采用自适应变长编码技术。在AVS熵编码过程中,所有的语法元素和残差数据都是以指数哥伦布码的形式映射成二进制比特流。采用指数哥伦布码的优势在于:一方面,它的硬件复杂度比较低,可以根据闭合公式解析码字,无需查表;另一方面,它可以根据编码元素的概率分布灵活地确定以k阶指数哥伦布码编码,如果k选得恰当,则编码效率可以逼近信息熵。

    对预测残差的块变换系数,经扫描形成(level、run)对串,level、run不是独立事件,而存在着很强的相关性,在AVS中level、run采用二维联合编码,并根据当前level、run的不同概率分布趋势,自适应改变指数哥伦布码的阶数。

    AVS-视频目前定义了一个档次(profile)即基准档次。该基准档次又分为4个级别(level),分别对应高清晰度与标准清晰度应用。与MPEG-4 AVC/ H.264的baseline profile相比,AVS-视频增加了B帧、interlace等技术,因此其压缩效率明显提高,而与MPEG-4 AVC/ H.264的main profile相比,又减少了CABAC等实现难度大的技术。

    AVS标准的主要特点是应用目标明确,技术有针对性。因此在高分辨率应用中,其压缩效率明显比现在在数字电视、光存储媒体中常用的MPEG-2视频提高一个层次。在压缩效率相当的前提下,又较MPEG-4 AVC/ H.264的 main profile的实现复杂度大为降低。

    目前的AVS视频技术可实现标准清晰度(CCIR 601或相当清晰度)、低清晰度(CIF、SIF)等不同格式视频的压缩,但针对此类应用的压缩效率还有待提高,这应当是AVS视频下一步的工作重点。

二、AVS面临的机遇与挑战

    数字音视频编解码标准是数字音视频产业的基础标准,在广电、电信和消费类电子产品等领域具有巨大的产业需求。跨入新世纪以来,随着编解码技术本身的进步和芯片集成度和计算速度的迅速提高,数字音视频编解码技术标准面临更新换代的历史性机遇。在数字电视、高清晰度视盘、流媒体和多媒体通信这个即将来临的产业大潮中,AVS 标准为我国构建“技术-专利-标准-芯片与软件-整机与系统制造-数字媒体网络”的产业链提供了难得机遇。

    中国数字音视频产业的市场是非常庞大的,而在市场经济的浪潮中,企业追求的是快速高效的市场占有率和利润。在MPEG-4 AVC/ H.264与AVS标准的选择上,企业看中的是技术的成熟与可靠(实质上是成熟可靠的专用芯片及完整的系统解决方案)。AVS应当首先在这方面下功夫,以便在相关行业造成既成事实的行业标准,同时力争将其纳入国际标准。AVS产业联盟首次筹备会的召开,意味着各企业将组织起来,把有限的资金通过分工合作的方式在AVS方面组成完整的产业链,使我国的音视频产业少受制约。通过AVS产业联盟,获取国家更多的支持;同时通过联盟的内部规则和约束手段,尽量规范市场、避免恶性竞争。

    AVS工作组组长高文介绍说,2005年以前,是AVS的产业化推进期,AVS编解码器软件已经实现,在此基础上,AVS卫星端到端直播系统已经在鑫诺卫星上试播成功。2005~2008年,是AVS的增长成熟期,从2005年开始,计划AVS解码器年部署量超过1000万台。2008~2015年,是AVS的平稳期,在此期间,AVS解码设备年均产量将达到4000万。

    据估计,2004年到2012年,中国国内将会销售4亿台数字电视机(含机顶盒)和激光视盘机,如按照MPEG-2每台设备需要交2.5美元的专利使用费,我国相关企业将会需要付出近10亿美元的代价。而加速推进AVS的产业化可以节省相当可观的MPEG-2专利费,从技术上来看,如果利用MPEG-2技术传送高清晰电视需占20M带宽,用AVS技术传送同样质量的节目只要8Mbit/s带宽。如果利用现有MPEG-2技术,现有DVD盘片只能存二十几分钟的高清节目,而利用AVS技术,单张DVD盘片可放一部高清电影。AVS的产业化不仅可以节省相当可观的专利费,还能节省信道资源和光盘存储资源,为我国数字电视等音视频产业和相关芯片产业提供跨越发展的技术源头,让我国AV产业在竞争中直起腰杆。中国AVS工作组首席顾问、美国MPEG前视频组组长CliffReader先生公开表示,中国AVS将是世界第一个高清DVD标准、第一个高效编码高清数字电视标准。

    AVS标准是一个极具战略性的领域,它会影响到从多媒体数字信号编解码器芯片和移动网络到数字电视、高清晰度光盘和宽带网络应用程序等等重大关键数字音视频前端系统与信息家电产业。AVS标准包括系统、视频、音频、数字版权管理等四个主要技术标准和一致性测试等支撑标准。最初的应用领域主要有两个。首先是新一代EVD,也被称作EVD2。这种光盘规格处理的是1080p格式视频图像。另一个就是中国的卫星电视。将用于中国计划明年开通的卫星电视(DBS),有关将AVS用于3G移动通信系统的研究工作最近已经开始。

三、AVS的发展是一个系统工程

    AVS标准的制定在整个产业链中是龙头地位,可以带动整个产业链的发展,标准化是为了规范不同设备制造商的产品实现互通和兼容,是支持社会化大生产的一种重要机制。制定我国的AVS视频标准,今后生产DVD、数字电视、手机、多媒体通信及视讯会议等新兴音视频产品的企业不用再因技术和专利使用费等受制于人。

    我们要充分认识到一个标准的制定是否能取得预期的成功会受到很多因素的影响,它的发展是一项系统工程。现代市场经济使得企业在做决策时非常实际,政府的干预只能在一定的限度内。只有当AVS标准及相关核心芯片和系统与当前MPEG-4 AVC/ H.264标准相比具备充分的优势时,才能赢得众多整机生产厂商的青睐。

    AVS的发展速度始终是一个关键性因素,许多生产厂商决不愿意做冒险尝试,他们希望有成熟稳定的芯片和系统设计。一旦选定一项,很难再下决心重新选择新的芯片和系统设计,除非能充分证明新系统有很好的性能稳定性,并能从中获得极大的利润空间。这就要求AVS标准在产业的发展初期就能迅速占领尽可能大的市场份额,从而更好地促进AVS标准的发展。在“技术-专利-标准-芯片与软件-整机与系统制造-数字媒体网络”的产业链中,任何一个环节的变化都会影响到AVS标准的发展,应当把它看成是一项系统工程,抓好每个环节,统筹考虑,全面发展。

 
 
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