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[图文]关于AVS标准在直播卫星中的应用

2006/7/27/09:36 来源:卫星电视与宽带多媒体

    中国科学院计算技术研究所 黄铁军 高文

    我国首颗广播电视直播卫星将于明年升空,这为我国数字音视频产业的发展创造巨大发展空间。我国自主制定的数字音视频编解码标准AVS的压缩效率是传统标准的一倍以上,能够使直播星的节目容量提高一倍,也将为发展自主解码芯片和卫星接收机提供重要机遇。建议首颗广播电视直播卫星采用自主AVS标准、芯片和整机产品,以形成规模大、实力强的卫星产业。

    1、广播电视直播卫星营造重大产业与技术机遇

    广播电视直播卫星是《国民经济和社会发展第十个五年计划》规划的高技术工程,其目标是促进航天工业、广播电视媒体制作业、卫星接收设备制造业、软件等产业的快速成长,创造出千亿元人民币的内需市场,形成国民经济新的增长点。

    广播电视直播卫星系统的关键技术包括卫星通信技术和数字音视频技术两大部分。中国航天事业四十多年来的迅猛发展,为广播电视直播卫星系统的建立和运行,奠定了坚实的基础。信息产业作为迅猛发展的国民经济第一大产业,完全能够为广播电视直播卫星系统提供自主的产品,我国自主制定的数字音视频标准AVS,达到了第二代音视频编码的最新水平,采用AVS的中国直播星比采用第一代标准的国外直播星系统领先了十年。因此,我国的广播电视直播卫星系统不仅是自主知识产权的,还将是全球领先的信息服务平台,成为我国高新技术产业跨越发展的重大机遇。

    2、视频编码标准更新换代,专利许可成为障碍

    数字电视标准最重要的是信源编码标准和信道编码标准。信道技术即通常所说的传输技术,包括射频技术和调制解调技术(数字电视才需要),解决在不同的传输物理介质上传输数字信号的问题。信源编码技术解决的重点问题是数字音视频海量数据的编码压缩问题,故也称数字音视频编解码技术,无论采用何种信道技术,信源编码都是必要的。

    众所周知,数字化视频的原始数据量是十分庞大的,例如,标准清晰度的数字视频每秒的数据量超过200M比特,高清晰度数字电视每秒的数据量超过1G比特。数字音视频要在消费电子产品中得到应用,必须采用先进的压缩编码算法进行大幅度压缩。而反映压缩效率的压缩比也就成为数字电视乃至数字音视频产业的“基本指数”。

    国际上音视频编解码标准主要有两大系列:国际标准化组织和国际电工委员会第一联合技术组(ISO/IEC JTC1)制定的MPEG系列标准,数字电视采用的是MPEG系列标准;ITU针对多媒体通信制定的H.26x系列视频编码标准和G.7系列音频编码标准。标准发展过程如图1。

图1 音视频标准发展史

图1 音视频标准发展史

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    MPEG是ISO/IEC JTC1 1988年成立的运动图像专家组(Moving Picture Expert Group)的简称,全称为ISO/IEC JTC1第29分委会第11工作组(ISO/IEC JTC1/SC29/WG11),负责数字视频、音频和其它媒体的压缩、解压缩、处理和表示等国际技术标准的制定工作。从1988年开始,MPEG专家组每年召开四次左右的国际会议,主要内容是制定、修订、发展MPEG系列多媒体标准。视音频编码标准MPEG-1(1992)和MPEG-2(1994)、基于视听媒体对象的多媒体编码标准MPEG-4(1999年)、多媒体内容描述标准MPEG-7(2001)、多媒体框架标准MPEG-21。目前,MPEG系列国际标准已经成为影响最大的多媒体技术标准,对数字电视、视听消费电子产品、多媒体通信等信息产业的重要产品产生了深远影响。

    1994年制定的MPEG-2标准是国际音视频标准领域的一个里程碑,是音视频行业遵循的基本标准。近十年来,音视频编码技术本身和产业应用背景都发生了明显变化。ITU-T于1997年提出的一个长期的视频标准化项目H.26L,ITU-T并在1999年8月推出该标准的第一版测试模型。为了响应ISO/IEC MPEG对先进视频编码技术的需求,从2001年开始,ISO和ITU开始组建了联合视频工作组(JVT,Joint Video Team ,ISO/IEC MPEG和ITU-T VCEG联合视频工作组),在H.26L的基础上开发新的视频编码标准,目标定位在制定一套兼顾广播和电信、覆盖从低码率通信到高清晰电视的广域标准。在ISO/IEC中,该标准的正式名称为MPEG-4 AVC(Advanced Video Coding)标准;在ITU-T中的正式名称为H.264标准。2003年下半年,ISO/IEC以MPEG-4第十部分(ISO/IEC 14496-10)的名义正式发布了这项标准。

    MPEG-4 AVC/H.264是代表最新技术水平的一项国际标准,但正如它的名字复杂到让人难以理解一样,它的技术方案也过于复杂。首先,这项标准覆盖的应用范围过宽,从低码率通信到高清晰度广播,码率从几十K到几十M,相差三个数量级,任何一个实际应用,都只会选择其中的一个子集,因此,作为标准,过于臃肿。其次,在标准制定过程中,一些成员拼命加入自己的技术,有很多技术提案对整体压缩效率的贡献很小,但“你不让我进,我也不让你进”,平衡的结果是不得不加入了一些没有什么用的技术(往往是专利),不仅增加了标准实现的复杂度,也为将来繁杂的专利争执埋下了祸根。

    然而,决定MPEG-4 AVC/H.264未来的最大因素还不是技术问题,而是长期困扰MPEG标准的专利授权问题。MPEG-1没有专利授权问题,MPEG-2有国际工业界可接受的专利授权政策,MPEG-4则被变本加利的专利费所扼杀,现在,这个问题又降临到MPEG-4 AVC/H.264头上。在解释这个问题之前,需要先了解标准背后的专利问题。

    MPEG作为ISO/IEC下属的标准工作组,只负责制定标准,知识产权方面遵守ISO的RAND通则。MPEG LA 是1996年在美国成立的专利授权代理公司,虽然从名称上似乎和MPEG标准专家组有联系,但事实上没有任何法律关系。

    MPEG LA 1997年启动MPEG-2 (视频和系统部分)所涉及的专利许可代理业务,1998年12月获得美国司法部审议认可(EC Comfort Letter)。

    MPEG-2最初的收费对象为解码设备和编码设备,每台专利授权费4美元。从2002年开始,降为2.5美元。由于当时MPEG-2是数字音视频领域唯一可用的技术标准,而且相对合理,因此MPEG-2的产业化取得了巨大成功。

    在对MPEG-2收费取得成功的情况下,MPEG-4 LA公布的MPEG-4标准的收费模式为:消费者使用解码设备,除购买设备时需要缴纳的一次性专利费外,还将按使用时间进行收费,通常这个费用是通过提供视频服务的节目发行商(如音像出版公司)或运营商(如电视台、视频点播服务提供者等)收取的,其总的收费额度每年高达数百万美元。此收费政策一出,美国在线-时代华纳代表媒体运营商率先反对。MPEG-4因为收费问题,成了一个主流应用运营商不支持的技术标准。MPEG-4 AVC/H.264是MPEG专家组和ITU VCEG专家组2003共同完成的视频编码标准,MPEG-LA一直在制定其收费模式。2003年11月17日,MPEG LA 宣布H.264/MPEG-4 AVC的必要专利权人就联合许可条款达成了协议,要求根据节目、订户和本地发射台数等参数来对运营商收费。欧广联(EBU)随后发表2003年度第96号声明,表示“十分遗憾的是,EBU看到AVC的许可条款对广播商是极端不合理的”。对于中国的广播电视系统来说,近2000家电视台和大大小小的有线电视网需要缴纳的专利费总额十分庞大,中国数字电视运营产业MPEG国际标准,将面临巨大经济负担。2004年5月,MPEG LA收费政策最后敲定,对运营商收费的条款基本没变。

    3、AVS标准抓住机遇,推动我国音视频产业的跨越发展

    音视频编解码技术的进步和标准的更新换代为我国后来居上提供了历史性发展机遇,AVS正是在这样的国家大背景下应运而生的。AVS标准的完成,使得全球范围内可选的第二代标准变成三足鼎立的局面:国际标准 MPEG-4/H.264、中国牵头的制定的AVS,一些公司提出的标准。国际标准MPEG-4/H.264虽然开放,但背后的专利授权问题难以负担;公司标准受到公司控制,难以得到业界广泛接受。我国牵头制定的AVS,性能达到国际标准同样水平,而且方案简洁,知识产权政策明晰,应是国际范围内第二代标准的上选。

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