中国数字音视频解码标准（AVS）的研究及产业化进展

黄玉玲 马秀梅 南京熊猫通信科技有限公司 纪雪岚 南京熊猫电子科技发展有限公司

从1952年贝尔实验室 Cutler等人进行差分脉冲编码调制(DPCM)技术的研究开始,视频压缩编码技术经历了50余年的发展。在这一过程中,逐渐形成了变换编码、预测编码、熵编码3类经典技术,分别用于去除视频信号的空域冗余、时域冗余及统计冗余。并基于这些经典技术,逐渐形成了以块为单元的预测加变换的混合编码框架。到目前为止,已有的视频编码标准都基于这一框架,包括国际电信联盟 (ITU- T)的 H.261/3/4 视频编码建议以及国际标准化组织 /国际电工委员会 (ISO/IEC)的 MPEG- 1/2/4 视频编码标准。这些标准及其技术对视频信号提供了一种高效表达方式,使得巨大的视频数据能够在有限带宽下传输以及在有限空间下存储。其中,MPEG-2标准在世界范围内得到了广泛应用,已经成为电视广播应用的基础性支撑标准。但MPEG-2标准制订于1994年,属第一代视频编码技术,近10年视频编码技术的发展,使得MPEG-2标准在新一代IPTV、高清数字电视广播、无线移动媒体通信、流媒体服务等方面的应用上不再高效与经济。新的应用需要新的高效信源编码方案。

数字音视频编解码标准 (AVS)标准第 2 部分 ： 视频 (AVS1-P2)[1]的技术规范完成于 2003年 12月,该标准面向标清高清视频编码应用。AVS视频标准吸收了国内外研究机构近年来的优秀研究成果,属于高效的第二代视频编码技术。相比于MPEG-2标准,编码效率提高2～3倍。如果以AVS视频标准进行标清视频广播应用,可以将MPEG- 2标准所需的5～6 Mb/s传输带宽降低到1.5～3Mb/s。因此,即使在不进行大规模宽带光纤网络升级的情况下,借助于AVS视频技术,IPTV应用也可以在现有家用数字用户线 (DSL) 网络的 2 Mb/s带宽下进行大规模实施。在新的宽带网络上,AVS视频标准将使业务量翻番。在获得高编码效率的同时,AVS 视频标准尽可能保持了低的计算实现复杂度。当编码高清视频信号时,AVS视频获得了与先进视频编码标准AVC/H.264主要档次 (Main Profile)相当的编码效率, 但解码器的实现复杂度只有其60%～70%。在专利许可方面,AVS 通过简洁的一站式许可政策,解决了MPEG- 4 AVC/H.264被专利许可问题缠身难以产业化的弊端,并且专利许可费用大大低于国际同类标准。

1 AVS视频技术

1.1 混合编码框架

AVS1- P2视频标准采用经典的混合编码框架。此框架与以往视频标准相同,但由于不同标准制订时出于对不同应用的考虑,在技术取舍上对复杂度-性能的衡量指标各不相同,因而在复杂性、编码效率上的表现也各不相同。

1.2 AVS 关键技术介绍

(1)帧内预测

AVS视频标准采用空域内的多方向帧内预测技术。基于空域多方向的帧内预测提高了预测精度,从而提高了编码效率。AVS视频标准的帧内预测基于8×8块大小,亮度分量只有5种预测模式 ,大大降低了帧内预测模式决策的计算复杂度,但性能与 AVC/H.264十分接近。

(2)变块大小运动补偿

变块大小运动补偿是提高运动预测精确度的重要手段之一 ,对提高编码效率起重要作用。在 AVS1- P2 中将最小宏块划分限制为8×8, 这一限制大大降低了编解码器的复杂度。

(3)多参考帧预测

多参考帧预测使得当前块可以从前面几帧图像中寻找更好的匹配,因此能够提高编码效率。但一般来讲2～3 个参考帧基本上能达到最高的性能,更多的参考图像对性能提升影响甚微,复杂度却会成倍增加。AVS视频标准限定最多采用两个参考帧,其优点在于：在没有增大缓冲区的条件下提高了编码效率,因为B帧本身也需要两个参考图像的缓冲区。

(4)整数变换与量化

AVS视频标准采用整数变换代替了传统的浮点离散余弦变换(DCT)。整数变换具有复杂度低、完全匹配等优点。

(5)熵编码

熵编码是视频编码器的重要组成部分,用于去除数据的统计冗余。

系数前连续值为零的系数个数,Level 表示一个非零系数；之后采用多个变长码表对这些数对进行编码,编码过程中进行码表的自适应切换来匹配数对的局部概率分布,从而提高编码效率。

1.3 编码效率对比

以上是从编码模块各个方面认识 AVS,从中不难看出 AVS视频标准对每项技术都进行了复杂性与效率的权衡,为所面向的应用提供了很好的解决方案,努力降低复杂度,并保证高的编码效率。

2 AVS标准的特色

AVS视频标准高效的技术、简洁的实现方案为其成功应用奠定了基础。但要得到市场认可,还需要其他方面优势的配合。MPEG-4标准没有广泛应用的一个重要原因是过度的专利保护所导致的高额专利费限制了技术的推广。AVS1- P2已经由国家标准化管理委员会批准,正式成为国家标准,并于2006年3月1日起正式实施。AVS标准将凭借其先进的技术和低廉简洁的专利许可方式为中国IPTV、高清数字视频广播等重大信息产业应用起到积极的推动作用。

3 AVS标准的产业化发展

3AVS-M标准的产业化发展作为一种面向移动视频的压缩标准,AVS-M高压缩比、低运算复杂度的特性使之特别适合于无线网络和移动终端视频通信的需求,在移动视频点播业务、电视直播业务、移动视频监控业务以及卫星视频广播中具有广阔的应用空间。目前,AVS-M的产业化工作正在紧锣密鼓的进行。在香港,中科院计算所上海分部与香港科技大学以及香港多家运营商合作,于2005年11月初成功试制完成了可运行于香港3G网络上的基于AVS-M标准的实时流媒体系统。该流媒体系统采用国际通用的3GPP标准协议,其中视频编解码部分用AVS-M替换原来的H.263标准。整个系统在100kbit/s左右带宽下可实现实时节目传输与手机同步播放。2005年11月26日,香港科技大学和中科院计算所,以及AVS工作组、AVS产业联盟共同在香港举行了AVS-M在香港3G网络上运行的成果演示和技术研讨会。通过对比演示,与会代表可主观感觉到AVS-M视频质量明显高于H.263。此次成果演示,是AVS-M在商用3G网络上的首次成功运行,为将来的大规模商用打下了坚实的基础。在国内,中科院计算所上海分部与行业内著名公司企业合作,实现了基于移动和联通的GPRS和cdma1x的移动通信网络的AVS-M商用移动流媒体系统,系统视频显示主观效果良好,通过在第七届中国国际高新技术成果交易会(2005年10月)、第七届上海国际工业博览会(2005年11月)以及2005年国际计算机创新大会(2005年12月)等的展示,获得了很好的反映。验证了采用AVS-M在现有移动通信网络上进行视频传输的可行性。目前,AVS-M软件播放器可以运行于多种手机平台上,包括WindowsCE(WindowsSmart phone),Brew,Symbian和Linux等,在采用这些平台的近10款手机上已经实现实时播放AVS-M视频。另外,为提升整个产业的竞争力,以中科院计算所上海分部牵头,在上海成立了移动视音频产业联盟。该产业联盟包括从终端到内容的诸多公司,将以视音频编解码技术AVS-M为核心,通过技术的发展、优化驱动产品的定型、生产,进而推动市场,参与国际标准的制定伴随着智能手机的迅速普及和3G时代的到来,网络速度的提高进一步刺激移动视频在各种业务中的应用。AVS-M以其先进的技术、合理的专利收费以及本土化优势,必将在未来得到广泛的应用。

4 结束语

AVS1- P2已经由国家标准化管理委员会批准,正式成为国家标准,并于2006年3月1日起正式实施。AVS标准将凭借其先进的技术和低廉简洁的专利许可方式为中国 IPTV、高清数字视频广播等重大信息产业应用起到积极的推动作用。